Введение к работе
" Актуальность исследований. В последние десятилетия продолжается бурное развитие радиосредств, использующих ионосферу в качестве тракта передачи информации. Так, число ионосферных радиотрасс в мире в 50-ые года, равное I05, в 1980-ые годы возросло -до^,тп Эта тенденция роста сохраняется до настоящего времени. Расширилась и геометрия радиотрасс: к традиционным трассам "Земля-Земля" прибавились трассы "Земля-Космос" и "Космос-Космос". К числу технических систем середины века -связным, пеленгационным, точного времени и т.д. прибавились такие системы, как загоризонтная радиолокация, космическая радиосвязь, различные системы определения координат источников радиоизлучения. Кроме того в ионосферной радиофизике к традиционным методам вертикального, наклонного и возвратно-наклонного зондирования с земной поверхности прибавились методы вертикального и наклонного зондирования ионосферы с ИСЗ и геофизических ракет.
Такому расширению числа трасс, видов ионосферных систем и способов зондирования сопутствовало значительное расширение фронта научно-исследовательских работ, обслуживающих технические и научные потребности всевозможных потребителей информации о характеристиках ионосферных радиотрасс в декаметровом диапазоне. Продукцией этих научно-исследовательских работ стали многочисленные модели процесса ионосферного распространения радиоволн. Эти модели мокно подразделить на две взаимосвязанные группы: модели среды, - собственно ионосферы, и модели процесса распространения радиоволн на трассах, содержащих ионосферные
участки. Число моделей в каждой группе порядка десяти, количестве параметров радиосигналов и видов потребителей, тоже порядкг десяти. С учетом того, что многие, казалось бы, однотипные задачі ионосферного распространения радиоволн для различных потребителе! имеют свою методическую и техническую специфику, общее числе возможных задач составляет порядка 10 . Такое большое число задач приводит к необходимости автоматизации взаимодействия между производителями и потребителями ионосферной информации и в свок очередь диктует необходимость формализации этого взаимодействия. Вместе с тем, такая формализация полезна только до определенных пределов. Во многих случаях необходим перебор различных вариантоЕ модельных расчетных схем, точное число которых может определяться дополнительными требованиями потребителя. В связи с этим получает развитие научная проблематика эффективности алгоритмов расчета характеристик ионосферного распространения декаметрових радиоволн, включая их разработку, выбор и практическую реализацию. При этом эффективность определяется . как совокупность количественных величин, позволяющих отдавать предпочтение при выборе алгоритмов для практического использования. В работе в качестве таких количественных величин приняты погрешность расчетных схем и быстродействие программных реализаций на ЭВМ. Специфика данной научной проблематики состоит в том, выбор эффективных алгоритмов должен характеризоваться полнотой рассмотренных вариантов. При этом необходимо учитывать, что в ряде случаев потребитель не имеет возможности использовать рекомендованные эффективные схемы расчета в силу своих технических ограничений, которые приводят к решению частішх задач определения эффективности в рамках заданных
технических возможностей. Все это свидетельствует об актуальности новой научной проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение, - обеспечение эффективными алгоритмами расчета характеристик ионосферного распространения декаметрових радиоволн потребителей гелиогеофизической информации.
Особенностью оценок эффективности является возможность неединственности решения той'или иной задачи практики. При этся окончательное решение об эффективности той или иной схемы расчета, либо возлагается на потребителя, либо принимается на основании Н5 согласованных с потребителем критериев.
Цель работы: Разработка, выбор и практическая реализация . эффективных алгоритмов расчета характеристик распространения декаметрових радиоволн на ионосферных трассах, включая создание новых алгоритмов и правил работы с ними.
При этом ставились следующие задачи:
- проведение экспертного анализа существующих моделей
F-области ионосферы в различных гелиогеофизичвских условиях 2
методов расчета характеристик распространения декаметрових
радиоволн;
- создание алгоритмов, обеспечивающих эффективное решение
задач в области ионосферного распространения декаметрових
радиоволн, стоящих перед гелиогеофизической службой России;
- решение геофизических и радиофизических задач с использо
ванием новой аналитической аппроксимации профиля электроннсг
концентрации F области ионосферы.
Научная новизна. Впервые представление об эффективностг алгоритмов расчета развивается применительно к решению задач
-6-ионосферного распространения декаметрових радиоволн. При этои эффективность характеризует возможность использования тех или шли алгоритмов при решении радиотехнических задач потребителей. Е связи с этим проведены экспертные оценки погрешностей различных методов моделирования профилей концентрации электронов, в ионосфере и методов расчета параметров радиосигналов на ионосферных радиотрассах.
Предложен новый алгоритм диагностики и прогнозирования состояния ионосферы, основанный на использовании текущих данных наблюдений, ставший важным этапом в разработке автоматизированных систем краткосрочного прогнозирования (СЦВДПСИ) и сыгравший существенную роль как в развитии экспертных оценок эффективности различных алгоритмов, так и в создании более усовершенствованных систем.
На основе использования эффективных алгоритмов долгосрочного радиопрогнозирования разработаны принципы построения каталога типовых условий распространения декаметрових радиоволн, реализованные для среднеширотных трасс протяженностью 100 - 6000 км.
В аналитической форме предложена новая аппроксимация профиля электронной концентрации в широкой окрестности главного максимума ионосферы, допускающая представление в терминах табулированных функций первооОразных рефракционных интегралов, являющихся основой большинства методов моделирования процесса распространения радиоволн на ионосферных радиотрассах.
Достоверность полученных в работе результатов определяется - детальным обоснованием развиваемых подходов как на уроєне исходных геофизических и радиофизических представлений, так и на
уровне инженерных оценок;
- использованием единых методов оценки погрешности алгоритмов
расчета характеристик ионосферного распространения радиоволн;
- результатами практического использования основных рекомендаций и
выводов работы при решении важных промышленных задач
проектирования радиотехнических систем.
Ночная и пластическая ценность работы.
Развивается научно-технический подход к вопросам принятия решения о выборе наиболее эффективных методов расчета параметров ионосферных радиотрасс, при решении прикладных задач по обеспечешш потребителя ионосферной информацией. На единой методической основе проанализированы точностные характеристики наиболее .распространенных среди потребителей информации ионосферной службы методов расчета параметров ионосферных радиотрасс декаметрового диапазона.
Существующие аппроксимации профилей электронной концентрации дополнены новой аналитической зависимостью, представляющую собой экспоненциально-параболическую функцию, содержащую члены второй и четвертой степени. Ее аппроксимирующие свойства превосходят другие известные голоморфные аппроксимации. Данная функция допускает представление в терминах эллиптических интегралов фазы и задержки радиосигналов на скачковой траектории с учетом сферичности Земли. Использование данной функции позволяет разрабатывать ноЕые алгоритмы диагности состояния ионосферы и расчета параметров радиотрасс.
Созданный каталог типовых условий распространения декаметрових радиоволн позволяет эффективно решать вопросы долгосрочного прогнозирования характеристик рапространения при выполнешш
-8-технических проектов различных радиотехнических систем декаметрового распространения в среднеширотной части Восточного полушария. Разработанные критерии построения каталога позволяют перейти к созданию каталогов характеристик распространения декаметрових радиоволн для трасс произвольной протяженности, географического расположения и ориентации, в зависимости от заявок потребителей.
Инженерный подход к вопросам экспертных оценок эффективности алгоритмов расчета параметров радиотрасс является шагом в развитии прикладных аспектов деятельности ионосферной службы.
Основные результаты работы, выносимые на защиту.
1. Результаты анализа эффективности большинства наиболее распрост
раненных алгоритмов расчета параметров ионосферы и процесса
распространения декаметрових радиоволн на ионосферных радио-
трг 'сах, полученные на основе рассмотрения точностных
характеристик соответствующих моделей.
2. Автоматизированная система диагностики и прогноза состояния
ионосферы ( СЩШСИ, I версия ), основанная на использовании
наиболее эффективных методов расчета параметров ионосферного
распространения радиоволн с коррекцией по текущим данным
наблюдений, -позволившая перейти к решению задачи краткосрочного
прогнозирования состояния ионосферы и параметров распространения
радиоволн на новом, существенно более высоком качественном и
количественном уровне.
3. Каталог типовых характеристик распространения радиоволн,
эффективно используемый при решении различных задач проектиро
вания ионосферных радиотехничеких систем.
4. Результаты решения прямых и обратных задач ионосферного моделирования, основанные на использовании экспоненциальна-параболической функции четвертой степени :
определение высоты главного максимума ионосферы в условиях дефицита сигнальной информации в окрестности максимума Р2-слоя;
восстановление " невидимой " при вертикальном зондировании частг N»(h)-профиля с привлечением данных о полном электроннси содержании в столбе;
нахождение фазы и задержки радиосигналов на скачковых радиотрассах в аналитическом виде в терминах табулированных злиптическгі интегралов;
восстановление N»(h)-профиля из ионограмм наземного и спутникогс зондирования.
Внедрение результатов работы осуществлено в НИИ систем свягг и управления при проведении экспертных оценок T04HOCTZ характеристик распространения радиоволн, получаемых на основе использования наиболее эффективных моделей ионосферы и методсв расчета параметров распространения радиоволн. Там же внедрен каталог типовых характеристик распространения радиоволн дгя среднеширотных радиотрасс и алгоритм расчета максимальних применимых частот с коррекцией по текущим данным наблюдений. Кэвк2 метод месячного прогнозирования параметров декаметроаых радиотрасс, проходит испытания в гелиогеофизической службе ИПГ. Систем; диагностики и прогноза состояния ионосферы ( СИДИПСИ, первгл версия ) была Енедрена в прогностические центры Болгарии, Кубы, г практическую работу Якутского отделения гражданской авиации , прошла авторские испытания в гелиогеофизической службе ИПГ.
-10-Алгоритм рассчета ионосферных, и аэрономических параметров в диапазоне высот 120-600 км используется при интерпритации результатов измерений на станции некогерентного рассеяния (г.Харьков). Результаты работы отражены в отчетах по выполненным в ИПГ им. академика Федорова Е.К. темам : NN гос. per. 780228559, 8І0І858Г, 01.84.0 0I7I47, 01.86.0 047857, 01.86.0 077009.
Структура и объем работы.