Гибридное моделирование распространения декаметровых радиоволн

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...................'........................................ 5
ГЛАВА 1. БАЗОВАЯ МОДЕЛЬ ДЕКАМЕТРОВОГО ИОНОСФЕРНОГО РАДИОКАНАЛА ДЛЯ НАКЛОННЫХ ТРАСС............................... 28
1.1. Метод характеристик для описания распространения сигнала в регулярной ионосфере................................................. 29
1.2. Расчёт основных параметров сигнала............................ 36
1.3. Алгоритм расчёта квазикритического распространения............ 44
1.4. Краткое описание нолуэмгшрической модели ионосферы............ 51
1.5. Аналитическое представление дискретных данных ионосферной модели............................................................. 53
1.6. Особенности расчёта траекторий лучей в трёхмерно-неоднородной глобальной модели ионосферы........................................ 66
1.7. Учёт магнитно-ионного расщепления при расчёте распространения
радиоволн с использованием глобальной модели ионосферы............. 71
ГЛАВА 2. ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ОПИСАНИЯ БАЗОВОЙ МОДЕЛЬЮ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА............................................. 78
2.1. Экспериментальный материал, используемый для оценки........... 78
2.2. Расчёт средних значений максимально-применимых частот радиотрасс ............................................................. 81
2.3. Расчёт средних значений траєкторних характеристик сигнала 84
2.4. Расчёт средних значений напряжённости поля сигнала............ 90
2.5. Оценка точности описания текущих значений параметров сигнала . 94
ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВАРИАЦИЙ ИОНОСФЕРНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ СИГНАЛА............................... 97
3.1. Крупномасштабные отклонения ионосферных параметров и радиусы их пространственной корреляции.................................. 98
3.2. Методика расчёта вариаций характеристик сигнала.............. 105
3.3. Оценка дисперсий значений траекторных характеристик.......... 111
3
3.4. Оценка дисперсий значений напряжённости поля................... 116
3.5. Оценка влияния на характеристики сигнала детерминированных
неоднородностей..................................................... 118
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ КОРРЕКЦИИ МОДЕЛИ РЕГУЛЯРНОЙ ИОНОСФЕРЫ IIA ТЕКУЩИЕ УСЛОВИЯ ПО ДАННЫМ ИЗМЕРЕНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК СИГНАЛА НА РЕПЕРНЫХ ТРАССАХ......................................................... 127
4.1. Методика локальной коррекции модели регулярной ионосферы .. 128
4.2. Коррекция модели ионосферы по данным измерения сигналов искусственных спутников Земли......................................... 132
4.3. Коррекция ионосферной модели при импульсном режиме работы канала на одной частоте............................................. 137
4.3.1. Уточнение критической частоты и высоты максимума ионосферы
по углам места верхних лучей и относительным межмодовым задержкам 137
4.3.2. Уточнение формы высотного профиля электронной концентрации
в области F ионосферы по углам места нижних лучей................... 139
4.3.3. Уточнение формы высотного профиля электронной концентрации
в области максимума по напряженности поля верхних лучей............. 144
4.4. Коррекция модели ионосферы при работе канала на ряде частот ... 148
4.4.1. Уточнение критической частоты ионосферы по измерениям МПЧ трассы.............................................................. 148
4.4.2. Уточнение высоты максимума ионосферы по измерениям времени распространения верхних лучей....................................... 152
4.5. Коррекция модели ионосферы при работе канала с непрерывным сигналом............................................................ 155
4.5.1. Развитие методик коррекции модели ионосферы для работы канала
с непрерывным сигналом.............................................. 156
4.5.2. Уточнение модели ионосферы при работе канала с непрерывным сигналом............................................................ 159
4.5.3. Уточнение высотной формы профиля электронной концентрации в
4
области О ионосферы по напряжённости поля сигнала............. 165
ГЛАВА 5. УЧЁТ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ ИОНОСФЕРЫ В ГИБРИДНОМ МОДЕЛИРОВАНИИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН.................................................... 169
5.1. Метод сочетания численного и аналитического решений при учёте тонкой структуры ионосферы.................................... 170
5.2. Оценка эффективности метода.............................. 175
5.3. Некоторые эффекты влияния случайных неоднородностей ионосферы на наклонное распространение декаметровых радиоволн..... 181
ГЛАВА 6. КОРРЕКЦИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ ИОНОСФЕРЫ ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ СИГНАЛА НА НАКЛОННОЙ ТРАССЕ................................... 189
6.1. Методика коррекции эффективных параметров тонкой структуры ионосферы по статистическим характеристикам радиоволн в окрестности регулярной каустики................................. 190
6.2. Уточнение параметров тонкой структуры ионосферы по измерениям статистических характеристик сигнала....................... 196
6.3. Уточнение параметров тонкой структуры ионосферы по измерениям превышения макси мал ьно-наблюдаемых частот над максимальноприменимыми ............................................ 200
ГЛАВА 7. КОМПЛЕКС МЕТОДИК КОРРЕКЦИИ МОДЕЛИ РАДИОКАНАЛА НА ТЕКУЩИЕ УСЛОВИЯ.................................. 205
7.1. Взаимосвязь методов коррекции модели радиоканала......... 205
7.2. Структура аппаратно-программного комплекса для описания текущего состояния декаметрового радиоканала.................... 210
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................... 217
ЛИТЕРАТУРА ................................................... 222
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность и состояние проблемы. Последние десятилетия примечательны интенсивным развитием исследований распространения всё более коротких электромагнитных волн: сантиметровых, миллиметровых, субмилли-метровых. Вместе с тем, не ослабевает интерес и к дальнему распространению декаметровых волн, хотя практические аспекты его применения несколько изменились по сравнению с 70-ми годами [1]. Этот интерес обусловлен, прежде всего, таким основным достоинством данного диапазона как его высокая экономичность при обслуживании радиосвязью протяжённых регионов со слаборазвитой инфраструктурой [2]. Причём, приоритетной задачей стала при этом не организация, как ранее, «голосовой» связи, а передача существенных объёмов данных с высокой степенью достоверности [3-4].
Важным обстоятельством в пользу применения данного диапазона является и практическая независимость передачи информации на декаметровых радиоволнах от так называемых форс-мажорных обстоятельств. Наконец, распространение электромагнитных волн этого диапазона весьма чувствительно к состоянию окружающего нас ближнего космоса и поэтому является хорошим индикатором его свойств и может быть использовано для экологического контроля [5].
Продвижение в различных современных направлениях использования декаметрового диапазона идёт, однако, далеко не быстрыми темпами. В первую очередь, это связано со сложностью среды распространения рассматриваемых электромагнитных волн - ионосферы. Ранее, для основных практических задач, в которых применялся декаметровый диапазон, было достаточно хорошего описания лишь среднего состояния ионосферы за достаточно большой временной интервал, и вопросы повышения эффективности работы радио-средств в текущих условиях решались зачастую техническим путём, например, увеличением мощности передающих устройств. Современный круг задач тре-
6
бует всё более точног о знания состояния ионосферы, становится необходимым знание состояния среды распространения в конкретный момент времени на радиотрассе. Величины основных ионосферных параметров могут при этом существенно отличаться от своих средних значений, кроме того, становится важным учёт и тонкой структуры ионосферы, к которой относят проявляющиеся на регулярном фоне неоднородности электронной концентрации как детерминированного, так и случайного характера. Ясно, что для создания ионосферных моделей, адекватно описывающих текущие условия на трассе, необходимо как получение большого объёма геофизических данных, так и серьёзное развитие теоретического описания проходящих в верхней атмосфере процессов. Хотя работы в данном направлении проводятся достаточно интенсивно и в России, и за рубежом, в ближайшее время трудно рассчитывать на их результат в виде моделей, пригодных для практического применения в широком спектре условий.
Вместе с тем, существенное, хотя и не полное продвижение в решении проблемы эффективного использования дальнего распространения декаметро-вых волн в современных радиосистемах, возможно и на другом пути, развиваемом в настоящей работе. Для описания текущих условий на трассах можно использовать модели ионосферы, разрабатываемые как средние, если адаптировать, «подстроить» их на конкретную обстановку, применяя оперативно получаемую информацию. Данную адаптацию радиоканала можно назвать физической [6], в отличие от чисто технической, частично решаемой в коротковолновом диапазоне развитием и усложнением технических средств. Гак, возможно применение вспомогательных ретрансляторов или устройств, реализующих автоматический выбор рабочей частоты из заданного набора частот [7]. Однако, техническая адаптация применима либо только для конкретной трассы, либо для определённого режима работы на радиолинии, в то время как коррекция модели ионосферы может обеспечить выполнение широкого круга задач в
7
большом пространственном регионе. С небольшой заблаговременностью вперед такая коррекция глобальных моделей ионосферы может быть выполнена по оперативной геофизической информации (данные мировой сети станций вертикального зондирования (БЗ) ионосферы, уточненные значения солнечной и магнитной активности), что несколько улучшает их соответствие текущим условиям Г8,9]. Однако, по данным ВЗ, являющимися наиболее доступными, возможна коррекция лишь некоторых ионосферных параметров, характеризующих экстремальные точки высотного профиля электронной концентрации N(11), в то время как при наклонном распространении радиоволн в ионосфере существенную роль играют также форма профиля Ы(Ь) в областях между этими точками и её изменения вдоль трассы. Высотная зависимость N в конкретной точке земной поверхности может быть откорректирована на основе геофизических измерений лишь либо по данным специальных ракетных запусков, которые практически единичны, либо по данным станций нскогерентного рассеяния, расположенных в нескольких пунктах земного шара. Хотя использование этих станций интенсивно расширяется, в том числе и в России [10], их данные, в силу небольшого числа станций, могут пока рассматриваться, в основном, как тестовые.
В то же время для оперативного уточнения моделей могут быть использованы измерения самих параметров декаметрового сигнала на наклонных трассах. Их значения в определённой мере характеризуют и те или иные участки профиля N(11), и его изменения вдоль трассы. Измерения параметров сигнала при наклонном распространении могут быть выполнены проще по сравнению с геофизическими измерениями, и практически в любом регионе. Однако эти параметры сложным образом связаны с характеристиками среды и их применение для коррекции ионосферных моделей требует решения обратных задач распространения радиоволн.
8
Отдельные попытки уточнения некоторых параметров регулярной ионосферы на основе решения обратной задачи распространения радиоволн предпринимались в работах ряда авторов [11-14]. Несмотря на их несомненную полезность, они являются частными и используют простые представления об ионосфере. Значительное продвижение при описании текущего состояния ионосферного радиоканала может обеспечить лишь целостный подход, базирующийся па комплексе взаимосвязанных методов, включающий глобальную модель среды, близкую к реальности, и дающий возможность уточнения не толь-, ко параметров регулярной ионосферы, но и характеристик её тонкой структуры.
По сравнению с эффективным в ряде случаев непосредственным прямым моделированием параметров радиоканала, развиваемым, в частности, в [15], такой подход обладает значительно более широкими возможностями. Он может позволить в полной мере, а не для отдельных параметров, описать распространение радиоволн на конкретной трассе и на ряде трасс, произвольно расположенных в близлежащем регионе. Кроме того, получаемая уточнённая информация об ионосфере имеет и самостоятельное значение, то есть может использоваться и для других задач, не связанных с распространением радиоволн.
Важной особенностью при этом является то, что уточнение входных параметров модели радиоканала естественным образом будет учитывать региональные особенности поведения ионосферы, то есть выполняемая коррекция является локальной и в силу этого может обеспечить большую точность для данного региона, чем глобальная коррекция в целом для области, например, средних широт.
Таким образом, целью работы является: разработка и реализация нового комплексного подхода к описанию процесса распространения декаметровых радиоволн, объединяющего сложную модель ионосферы с методами расчёта характеристик сигнала, позволяющего учесть оперативную ионосферную об-
9
становку на трассе; выявление и исследование новых физических особенностей наклонного распространения радиоволн в ионосфере.
В качестве исходной модели среды выбрана полуэмпирическая модель ионосферы (ПЭМИ) [16], разработанная под руководством В.М. Полякова, в которой теоретическое решение системы основных уравнений, описывающих формирование профиля N(6) над конкретной точкой земной поверхности, корректируется по экспериментальным значениям некоторых ионосферных параметров, получаемых посредством обработки данных мировой сети станций вертикального зондирования ионосферы. Как показала проверка, модель достаточно хорошо описывает медианные за месяц условия на трассах в средних широтах. Вместе с тем, её дальнейшее непосредственное использование в современных задачах, требующих описания распространения радиоволн в текущих условиях на трассе, затруднено, но оказывается плодотворным в разрабатываемом подходе.
В рамках этого подхода, при построении базового алгоритма расчета, в качестве начального приближения рассматривается модель радиоканала, получаемая сочетанием ПЭМИ и строгого, в рамках геометрооптического описания распространения декаметровых волн, метода характеристик. Далее модель корректируется, «настраивается» на текущие условия по информации, получаемой из доступных геофизических данных и измерений параметров сигнала на наклонных трассах. Для этого необходимо разработать комплекс методов, позволяющий уточнять по этим данным входные параметры регулярной модели канала. Уверенность в том, что значения основных параметров регулярной ионосферной модели откорректированы на текущую ситуацию правильно, может позволить перейти далее и к определению характеристик ее тонкой структуры. Отрывочность геофизических данных по параметрам тонкой структуры делает целесообразным извлечение информации о их текущих значениях также по данным измерений параметров сигнала при наклонном распространении.
10
Некоторые методы подобной диагностики тонкой структуры разработаны в [17,18] для сравнительно простых или некорректируемых моделей регулярной ионосферы. Более адекватный учет текущего состояния фоновой среды позволяет значительно продвинуться в количественном описании параметров тонкой структуры. Объединение отдельных параметров в группы и использование, таким образом, эффективных параметров тонкой структуры ионосферы приводит к возможности их определения по измерениям статистических характеристик сигнала в окрестности границы зоны радиотени. Разработка соответствующих методик уточнения значений эффективных параметров тонкой структуры ионосферы делает схему её учёта замкнутой. Указанные особенности существенно отличают рассматриваемый подход от развиваемого в [19], где и фоновая среда и модель тонкой структуры значительно упрощены.
В целом, отличительными особенностями нашего подхода являются: сопряжение полуэмпирической модели ионосферы и метода характеристик; включение в алгоритм расчёта вычисления статистических характеристик сигнала в окрестности границы зоны радиотени; использование комплекса связанных методик коррекции параметров регулярной ионосферы по измерениям сигналов на реперных трассах; наличие методик уточнения параметров тонкой структуры; пространственная и временная экстраполяция скорректированной модели радиоканала.
То, что измеряемые на трассах параметры сигнала являются радиофизическими, связанными с распространением радиоволн, а корректируются по ним параметры ионосферной модели, является стержневым моментом гибридного моделирования. Естественно, что с этим моментом связаны, пожалуй, основные трудности в развитии гибридного моделирования, обусловленные созданием набора методик решения обратных задач распространения радиоволн.
Кроме того, гибридное моделирование, реализуя достаточно точную и полную модель радиоканала, даёт дополнительные возможности по исследова-
11
нию процесса распространения декаметровых радиоволн. Поэтому значительное внимание в работе уделено выявлению и изучению новых физических особенностей наклонного ионосферного распространения радиоволн.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Для описания наклонного распространения декаметровых радиоволн впервые в рамках единого комплекса использовано объединение глобальной полуэмпирической модели ионосферы с асимптотическими методами расчёта характеристик сигнала в случайно-неоднородной среде.
2. Впервые разработан широкий набор методик, позволяющий выполнить для конкретных условий коррекцию основных параметров и формы высотного профиля электронной концентрации по измерениям характеристик сигнала на реперных трассах.
3. Впервые создана методика уточнения параметров случайных неоднородностей ионосферы для расчёта статистических характеристик сигнала в окрестности границы зоны радиотени.
4. В рамках гибридного моделирования обнаружено существование вдоль траектории распространения сигнала, приходящей на границу зоны радиотени, новых областей наибольшего влияния случайных неоднородностей электронной концентрации на величину энергии, рассеиваемой в эту зону.
Научная и практическая ценность работы. В научном плане значимость работы определяется тем, что в ней исследован ряд новых физических особенностей формирования поля декаметровых радиоволн при ионосферном распространении. Установлено, что расходимость верхних лучей в реальных условиях существенно зависит от формы высотного профиля электронной кон-
12
центрации N в области максимума. В ряде случаев верхние лучи могут обеспечивать попадание энергии в зону радиотени для трасс с дальностью скачка, близкой к предельной, за счёт рассеяния таких лучей на случайных неоднородностях.
Обнаруженные области наиболее существенного влияния случайных неоднородностей на наклонное распространение декаметровых радиоволн имеют важное значение для объяснения структуры ноля в ионосфере с развитой естественной тонкой структурой, или искусственно возмущенной. Наличие подобных областей можно ожидать и при распространении акустических волн в средах, обладающих подобными свойствами.
С учетом тонкой структуры спорадического слоя Е$ показано, что в случае преимущественной ориентации неоднородностей вытянутой формы вдоль трассы распространения, возможно эффективное рассеяние на них радиоволн, обеспечивающее существование длительного приёма волн метрового диапазона на трассах большой протяжённости.
Научную ценность также представляют результаты оценки вариаций регулярных ионосферных параметров, особенностей формы высотного профиля электронной концентрации, характеристик тонкой струкгуры ионосферы, сведения по которым в настоящее время недостаточно полны. Эти результаты способствуют исследованию и лучшему описанию верхней части атмосферы Земли.
С практической точки зрения созданная адаптируемая модель декамет-рового ионосферного радиоканала может использоваться при проектировании и эксплуатации ряда радиосредств, использующих распространение электромагнитных волн данного диапазона. Па основе рассматриваемого аппаратно-программного комплекса может быть, в частности, решена задача экономичной передачи больших массивов данных на протяженных территориях, при дальней связи между подвижными корреспондентами. Учет существования областей
13
наибольшего влияния случайных неоднородностей на степень "засветки" зоны радиотени является важным при работе радиолиний в условиях развитой тонкой структуры ионосферы, а также в экспериментах по искусственному возмущению ионосферы. Применение разработанной методики определения параметров случайных неоднородностей по характеристикам сигнала в окрестностях границы зоны радиотени целесообразно для учёта влияния таких неоднородностей на пропускную способность ионосферного радиоканала.
Реализация результатов работы. Работа выполнена в соответствии с планами госбюджетных научно-исследовательских тем, проводимых лабораторией распространения радиоволн НИИ прикладной физики при Иркутском государственном университете (ИГУ) в течение 1980 - 2000 гг. Некоторые положения работы включены в перечень важнейших научных достижений, полученных по этим темам.
Ряд результатов передан в рамках выполняемых хоздоговорных исследований в соответствующие организации: разработанная базовая модель для описания среднего состояния декаметрового ионосферного радиоканала - в НИИ систем связи министерства связи России (г. Москва); методы коррекции значений ионосферных параметров в текущих условиях на радиолинии - в НПО «Вектор» (г. Санкт-Петербург); способы оценки влияния вариаций ионосферных параметров на характеристики сигнала - в Институт экспериментальной метеорологии Роскомгидромета (г. Обнинск).
Результаты гибридного моделирования распространения радиоволн в регулярной ионосфере использованы также при тестировании методик вычисления параметров сигнала, разработанных в Институте солнечно-земной физики (ИСЗФ) СО РАН (г. Иркутск). Часть результатов работы поддержана грантами РФФИ «Ведущие научные школы» №00-15-98509 и министерства образования России № 91-303-02.
14
Некоторые материалы диссертации, используются в учебном процессе ИГУ но специальности «Радиофизика и электроника» в курсах «Излучение и распространение радиоволн», «Распространение радиоволн в неоднородных средах», «Моделирование радиофизических задач на ЭВМ», а также при выполнении курсовых и дипломных работ.
Личный вклад автора. Диссертация обобщает результаты исследований, проведённых автором лично или в соавторстве, в основном с сотрудниками ИГУ. Во всех работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежат постановки задач в части, относящейся к гибридному моделированию, и, в определяющей мере, разработки методов их решений, вплоть до алгоритмов численного моделирования и реализации вычислительных программ. В ряде работ реализация алгоритмов и численное моделирование проведены аспирантами под руководством автора. Автором выполнен анализ и обобщение результатов исследований, определены отличительные особенности гибридного моделирования, как нового подхода к описанию распространения декаметровых радиоволн в ионосфере.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Разработанная в диссертации базовая модель, объединяющая полуэм-пирическую модель среды с гсометрооптическим методом расчёта распространения радиоволн, является эффективным средством описания средних значений характеристик декамегровых сигналов на наклонных трассах и возможных отклонений этих характеристик вследствие вариаций основных ионосферных параметров.
2. Предложенный в диссертации набор методик оперативной коррекции входных параметров модели регулярной ионосферы обеспечивает
15
улучшение описания состояния декаметрового радиоканала в конкретных условиях.
3. Разработанная в рамках гибридного моделирования методика учёта влияния случайных неоднородностей ионосферы на распространение декаметровых радиоволн повышает точность расчёта статистических характеристик сигнала в окрестности границы зоны радиотени и точность определения параметров этих неоднородностей.
4. Гибридное моделирование распространения декаметровых радиоволн позволяет определять группу лучей, играющих важную роль в рассеянии сигнала в зону радиотени, и положение для этой группы областей наибольшего влияния случайных неоднородностей на энергетику рассеяния.
Апробация результатов. Все основные материалы работы и положения, выносимые на защиту, докладывались и обсуждались на:'
• Всесоюзных и Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (XIII - Горький, 1981г.; XIV - Ленинград, 1984г.; XV - Алма-Ата, 1987г.; XVI - Харьков, 1990г.; XVII ~ Ульяновск, 1993г.; XVIII - Санкт-Петербург, 1996г.; XIX-Казань, 1999г.);
• Всесоюзных семинарах и симпозиумах по специальным вопросам физики ионосферы и распространения радиоволн (Москва, 1984; Горький, 1986г.; Звенигород, 1989г.);
• Всероссийских сессиях общества им. А. С. Попова. (Казань, 1995г.; Москва, 1997г.);
• Международной конференции «Физика ионосферы и атмосферы Земли» (Иркутск, 1998г.);
• Международном симпозиуме по электромагнитной теории (Салоники, 1998г.);
16
• XXI, XXVI - Генеральных ассамблеях международного радиосоюза (1Ж81) (Флоренция, 1984г.; Торонто, 1999г.);
• Семинарах в ИГУ, Нижегородском государственном университете, Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН, г. Москва, ИСЗФ СО РАН, г. Иркутск.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 70 печатных работ в отечественных и зарубежных изданиях, два учебных пособия.
Содержание работы изложено в семи главах и заключении. Глава 1 посвящена разработке базовой модели декаметрового ионосферного радиоканала для наклонных трасс, описывающей распространение сигнала в регулярной ионосфере. Она использует широко апробированный геометрооптический метод расчёта параметров сигнала и глобальную модель ионосферы, являющуюся, но принципу построения, полуэмпирической. Основное внимание при изложении метода расчёта уделено оригинальным особенностям вычисления отдельных параметров сигнала. Сопряжение двух частей модели канала (алгоритма расчёта параметров сигнала и способа задания среды распространения) выполнено с применением аппарата сплайн-интсрполяции.
В разделе 1.1 рассмотрены основные положения геометрооптического метода характеристик для расчёта параметров сигнала, изложен способ получения системы уравнений, численное интегрирование которой позволяет определять траекторные характеристики декаметрового сигнала в трехмернонеоднородной ионосфере. Учёт влияния магнитного поля Земли на распространение радиоволн выполняется использованием двух значений показателя преломления, соответствующих так называемым обыкновенной и необыкновенной компонентам волны в анизотропной среде.
Реализованный алгоритм рассматривается как опорный, по которому при необходимости могут быть выполнены тестовые вычисления. При решении же основного круга задач диссертационной работы используется в качестве базо-
17
вого более оперативный и компактный алгоритм, описывающий распространение радиоволн в двухмерно-неоднородной изотропной ионосфере.
В разделе 1.2 описана методика вычисления основных параметров сигнала: дальности и времени распространения, угла прихода в вертикальной плоскости, поглощения в ионосфере и напряженности поля, а также максимально-применимых частот (МПЧ) радиосвязи, определяемых рефракционными свойствами ионосферы. Оперативное вычисление МПЧ на односкачковых трассах, обеспечивается специальным алгоритмом, использующим интерполяцию по нескольким значениям зависимости МПЧ от дальности трассы. Расчёт МПЧ трасс, на которых реализуется распространение двумя и более скачками, выполнен на основе равенства значений МПЧ отдельных скачков, косвенно учитывающего влияние ионосферных неоднородностей и шероховатостей Земли в области отражения сигнала.
В разделе 1.3 изложено описание метода учета в базовом алгоритме особенностей квазикритического распространения. На протяжённых односкачковых трассах расчёт такого распространения затруднён, вследствие необходимости с большой точностью подбирать значение начального угла выхода траектории (задача «пристрелки»). Для избежания этого, использовано сочетание численного способа определения положения уровня критической рефракции 7КР и аналитического представления поля в узкой окрестности этого уровня, полученного с помощью методов эталонной задачи в виде направляемой параболическим слоем волны. Приближение к уровню ZKp реализуется постепенным уменьшением, с помощью метода деления интервала углов выхода лучей, разности между высотой точки отражения траектории и высотой Zкl>.
Раздел 1.4 посвящён краткому описанию принципов построения полуэм-пирической модели ионосферы, входящей в базовую модель декаметрового радиоканала.
18
В разделе 1.5 изложена методика сопряжения ионосферной модели с алгоритмом расчёта параметров сигнала. Для аналитического представления табличных данных модели использован метод сплайн-интерполяции. Описан алгоритм получения бикубических многозвснников и выполнено специальное численное моделирование по выбору оптимальных величин дискретов при сплайн-интерполяции.
Особенности расчёта траекторий лучей в трёхмерно-неоднородной среде для глобальной модели ионосферы рассмотрены в разделе 1.6. В алгоритме вычисляется вспомогательная сетка трасс, ориентируемых вдоль одной из географических координат. Выполняется интерполяция данных модели по трём координатам. Далее используются уравнения, позволяющие рассчитать для трассы, произвольно расположенной на этой сетке, траекторные характеристики сигнала. Попадание траектории в заданную область приёма обеспечивается итеративной «пристрелкой» по двум начальным углам: места и азимута.
Учёт магнитно-ионного расщепления сигнала вследствие влияния магнитного поля Земли при расчётах распространения радиоволн с использованием глобальной модели ионосферы описан в разделе 1.7. Изложен способ задания характеристик магнитного поля в географической системе координат, применяемой в модели ионосферы. Определены компоненты напряжённости магнитного поля Земли в системе координат, связанной с траекторией. Алгоритм позволяет рассчитать два значения показателя преломления, определяющие распространение двух волн. Выполнено моделирование распространения дека-метровых радиоволн для ряда трасс различной ориентации на Земле. Уточнены условия, в которых расчёты отдельных характеристик сигнала могут выполняться без учёта магнитного поля Земли.
Глава 2 содержит результаты оценки точности расчета по базовой модели средних значений различных параметров сигнала. Вначале описан экспериментальный материал, используемый для оценки, затем приведены результаты
19
сравнения расчётов максимально применимых частот связи и других траектор-ных характеристик сигнала, а также напряженности ноля с усреднёнными данными измерений на ряде среднеширотных линий. В завершение главы приведены результаты оценки точности описания моделью текущего состояния ионосферных условий на трассе.
Раздел 2.1 посвящен краткой характеристике используемого экспериментального материала. Большой объем данных включает результаты измерений, полученные как в ИГУ, гак и в других организациях, а также литературные данные и материалы наблюдений, размещаемые в Интернет.
В разделе 2.2 содержатся результаты оценки точности описания базовой моделью усреднённых измеряемых значений МПЧ на различных трассах. Данные, полученные по базовой модели, сравниваются с данными, полученными для других моделей ионосферы и других алгоритмов расчёта. Оценка точности выполнена для МПЧ односкачкового и многоскачкового распространения.
В разделе 2.3 приведены результаты оценки точности описания базовой моделью радиоканала усредненных измеряемых значений углов места как нижнего, так и верхнего лучей при односкачковом распространении, относительных межмодовых задержек и абсолютного времени распространения отдельных мод. Также выполнено сравнение с данными, полученными в рамках других моделей ионосферы или других методов расчёта указанных параметров.
Оценке точности описания базовой моделью усреднённых измеряемых значений напряженности поля сигнала посвящен раздел 2.4. В алгоритме расчёта напряжённости поля учтены основные факторы, влияющие на уровень сигнала в точке приема. Выполнено уточнение эффективной формы профиля электронной концентрации N(11), даваемого ПЭМИ в области высот 60-80км, на основе использования данных измерения напряжённости поля на ряде трасс.
Раздел 2.5 содержит данные по оценке точности описания ПЭМИ текущего состояния ионосферного декамегрового радиоканала. Рассмотрены отли-
20
чия, получаемые для рассчитываемых и измеряемых значений параметров сигнала в конкретных условиях на трассах. Приведены примеры описания базовой моделью модовой структуры сигнала на различных трассах, заключающиеся в сравнении форм ионограмм наклонного зондирования, полученных в расчёте и регистрируемых в эксперименте.
Оценке возможного разброса характеристик сигнала в конкретных условиях от их средних значений и разработке методики прогнозирования этих отличий для произвольной трассы посвящена глава 3. Изложены данные по величинам дисперсий ионосферных параметров и радиусам их пространственной корреляции. Описана методика расчёта соответствующих значений дисперсий характеристик сигнала при распространении на произвольной трассе. Выполнено сравнение рассчитываемых дисперсий с данными эксперимента. Для учета влияния детерминированных неоднородностей, локализованных на регулярном фоне, разработан способ включения таких неоднородностей в модель ионосферы, проведена оценка их влияния на характеристики сигнала.
Раздел 3.1. посвящен анализу величин дисперсий ионосферных параметров и радиусов их пространственной корреляции. Использованы получаемые при вертикальном зондировании (ВЗ) ежедневные данные для ряда среднеширотных станций. Описаны закономерности изменения среднеквадратичных отклонений критической частоты и параметра М(3000)Р2, характеризующего высоту максимума ионосферы, для различных гелиофизических условий. Рассмотрен способ упрощенного описания величин дисперсий ионосферных параметров для произвольных радиолиний. Проанализированы корреляционные связи указанных ионосферных параметров в пространстве.
В разделе 3.2 описывается методика учёта влияния отклонений ионосферных параметров от их средних значений на характеристики декаметрового сигнала при наклонном распространении. Использован метод статистических испытаний (метод Монте-Карло). Изложен способ задания набора вариантов
21
ионосферных условий с помощью датчика случайных чисел и определения значений возможных отклонений ионосферных параметров. При проведении расчётов задаётся таблица специально подобранных случайных чисел, распределённых по нормальному закону. Для каждого набора ионосферных условий на трассе реализуется расчёт характеристик сигнала, затем выполняется стандартным образом усреднение значений отдельных характеристик. В целях повышения оперативности в схеме расчёта дисперсий характеристик сигнала могут быть использованы разработанные упрощённые алгоритмы описания распространения сигнала, в частности, модифицированный метод вычисления рефракционного интеграла.
В разделе 3.3 приведены результаты расчёта дисперсий значений траек-торных характеристик. Посредством сравнения с экспериментальными данными, полученными на различных трассах, выполнена оценка точности этих расчетов для МПЧ односкачкового и многоскачкового распространения. Описаны также результаты оценки точности расчёта дисперсий времени распространения и углов прихода сигнала в вертикальной плоскости.
Оценка точности расчёта дисперсий значений напряженности поля сигнала по предлагаемой методике представлена в разделе 3.4. Набор текущих ионосферных условий на трассе получается путём варьирования профиля N(11) на высотах области О, вносящей определяющий вклад в значение поглощения сигнала. Описан алгоритм, позволяющий существенно повысить оперативность расчетов. Изложена методика прогноза значений дисперсий напряжённости поля на небольшой временной интервал вперед или на соседнюю трассу. Выполнено сравнение расчётов с данными измерений напряжённости поля сигнала на ряде трасс.
Раздел 3.5 посвящён учёту влияния детерминированных неоднородностей, проявляющихся на регулярном фоне и классифицируемых как перемещающиеся ионосферные возмущения (ПИВ). Выбраны формы ПИВ двух ос-
22
новных типов. Рассмотрена методика их аддитивного учета при задании регулярной ионосферы с помощью ПЭМИ. Выполнено численное моделирование влияния различных ПИВ на характеристики сигнала.
В главе 4 сосредоточены материалы по разработке комплекса взаимосвязанных методик коррекции входных параметров модели канала на текущие условия, связанной с изменениями регулярных профилей N(h), по данным измерений характеристик сигнала на реперных трассах. Описана методика оценочного решения обратной задачи ионосферного наклонного распространения радиоволн. Методика использует результаты численного моделирования по оценке влияния тех или иных вариаций ионосферных параметров на характеристики сигнала и априорную физическую информацию о величине указанных вариаций. Изложены разработанные методики коррекции модели, применимые для различных режимов работы реперной линии, а также при использовании некоторой общедоступной информации, размещаемой в Интернет.
Раздел 4.1 посвящен описанию методики локальной коррекции входных параметров модели радиоканала. Приводятся результаты численного моделирования величин изменения различных характеристик сигнала при типичных вариациях ионосферных параметров или формы профиля N(h) в отдельных участках высот. На этой основе разрабатывается методика коррекции того или иного параметра модели. С учётом эффективного характера выполняемой коррекции по каждой отдельной методике предусматривается независимая экспериментальная проверка результативности коррекции.
В разделе 4.2 описана коррекция ПЭМИ с использованием текущих значений полного электронного содержания (ПЭС), получаемых по данным измерения сигналов искусственных спутников Земли (ИСЗ) глобальной навигационной системы GPS. Выполнено предварительное уточнение формы профиля N(h), даваемого ПЭМИ в области высот выше максимума ионосферы, на основе сравнения расчётных и экспериментальных значений ПЭС и данных между-
23
народной справочной модели ионосферы — 1К1. Оценка результативности коррекции проведена для одного из основных параметров ионосферной модели -критической частоты.
В разделе 4.3 изложены способы коррекции ионосферной модели, применимые для импульсного режима работы передатчика реперной линии на одной частоте. В подразделе 4.3.1 рассмотрено уточнение в рамках гибридного моделирования значений критической частоты и высоты максимума ионосферы по измерениям относительных временных задержек между нижним и верхним лучом при односкачковом распространении на трассе. Коррекция эффективной формы профиля N(11) в средней части области Р по углам прихода сигнала в вертикальной плоскости описана в подразделе 4.3.2. Способ уточнения эффективной формы профиля N(11) в области максимума по измерениям напряженности поля сигнала отдельных мод изложен в подразделе 4.3.3. По каждому из приведённых способов коррекции выполнена независимая проверка его результативности.
Раздел 4.4 посвящен коррекции модели при импульсном режиме работы передатчика реперной линии на ряде частот. В подразделе 4.4.1 рассмотрены способы уточнения критической частоты ионосферы по МПЧ односкачкового распространения и способ коррекции значений критической частоты ионосферы вдоль трассы распространения по измерению МПЧ двух- и трёхскачкового распространения. Методика коррекции высоты максимума ионосферы по измерениям времени распространения верхних лучей и результаты оценки её эффективности изложены в подразделе 4.4.2.
Раздел 4.5 включает способы уточнения модели канала при использовании реперной линии, работающей в режиме квазинепрерывного сигнала. Методика уточнения (подраздел 4.5.1) предусматривает сведение к минимуму значений функционала эффективного рассогласования расчётных и экспериментальных данных по параметрам углового спектра сигнала. Для выбора гло-