Содержание к диссертации
стр.
Введение 4
Глава 1. Модели ионосферы 11
Модели профиля электронной концентрации 12 Выбор модели 12 Краткое описание модели IRI 13 Источники информации о модели IRI 18 Точность модельного описания реальной ионосферы \ 9
Оценка эффективности коррекции модели IRI применительно к задачам декаметровой радиосвязи 24 Метод коррекции 24 Результаты корректировки 25
Профиль эффективных частот соударений электронов 28
Перемещающиеся ионосферные возмущения волновой природы 32
Частота появления 36
Спектральный состав ПИВ 38
Пространственные характеристики ПИВ 39
Фазовые скорост и ПИВ 41
Амплитуда вариаций электронной плотности ПИВ 43
Рекомендации по моделированию ионосферы, возмущенной ПИВ 44
1.5 Выводы 45
Глава 2. Статическая модель полей декаметровых волн 47
Исходные положения модели 47
Модель горизонтально неоднородной ионосферы 48 Кусочно-квазипараболическая аппроксимация N(r) -профиля 49 Построение лучевых траекторий в сегментарной квазипараболической модели ионосферы 51
Учет геомагнитного поля при построении траекторий 54
Решение задачи точка-точка и способ определение МПЧ 55
Расчет энергетических характеристик 5 9 Расчет ионосферного поглощения 59 Вычисление пространственного ослабления 64 Расчет потерь на поляризационное рассогласование в антеннах
и в ионосфере 65
Определение потерь при отражении волны от Земли 67
Расчет средних значений напряженности суммарного поля 68
Расчет памяти канала 69
Экспериментальная проверка метода 69
Программная реализация С-модели 70
Выводы 71 Глава 3. Модели нестационарных полей декаметровых волн 75
3.1. Модель нестационарного поля на основе упрощенного метода ха
рактеристик (HI-модель) 76
Исходные положения модели . 76
Экспериментальное обоснование основных положений модели 76
Модель трехмерно-неоднородной нестационарной ионосферы 77
Алгоритм расчета лучевых траекторий методом характеристик 79
Решение задачи точка-точка 81
Расчет энергетических характеристик 83
Программная реализация НІ-модели 85
3.2. Упрощенная модель нестационарного поля (Н2-моделъ) 87
Модель двухмерно-неоднородной нестационарной ионосферы.
Расчет траєкторних и энергетических характеристик 88
Программная реализация Н2-модели 92
3.3. Выводы 95
Глава 4. Численное моделирование полей декаметровых волн 96
4,1.Суточные, сезонные, гелиоциклические вариации полей на одно-
скачковых трассах 97
Условия моделирования 97
Результаты 98
4.2.Влияние ионосферных возмущений волновой природы на траек-
торные и энергетические характеристики 104
Условия и методика моделирования 104
Влиян ие ПИВ на траекторные характерист ики 105
Влияние ПИВ на энергетические характеристики 108
Доплеровское смещение рабочей частоты 109
4.3. Оценка погрешностей измерения расстояния до источника радио
излучения угломерно-дальномерными комплексами 118
Условия и методика моделирования 118
Погрешности, обусловленные инструментальной ошибкой пелен
гатора-дальномера 120
Влияние статист ических свойств ионосферы 122
Влияние геомагнитного поля 125
Влияние перемещающихся ионосферных возмущений 126
Суммарная погрешность и выводы 128
4.4. Выводы 131
Заключение 133
Список использованной литературы 135
Приложение 1. Формулы для квазипараболической аппроксимации N(r)-
профиля 143
Приложение 2. Формулы для построения траекторий в ионосфере, со
стоящей из квазипарабол 145
Приложение 3. Расчет параметров эллипсов поляризации на входе и выхо
де из ионосферы 150
Приложение 4. Формулы потерь и параметров эллипсов поляризации при
отражении волны от земли 151
Введение к работе
В жесткой конкуренции с высокоэффективными спутниковыми, кабельными, радиорелейными, тропосферными системами передачи информации декаметровая радиосвязь (ДКМ радиосвязь) в диапазоне 2-30 МГц сохраняет свои позиции как важное звено международных и национальных систем связи. Это объясняется тем, что современная ДКМ связь при относительно небольших финансовых, технических и организационных затратах позволяет осуществлять передачу данных как на малые и средние расстояния, так и на глобальные - при минимальной мощности излучения. К преимуществам ДКМ радиосвязи относят: оперативность установления прямой связи, в принципе, на любые расстояния, простоту организации связи с подвижными объектами, возможность обеспечения связи через труднодоступные пространства (труднопроходимые водные и горные районы, пустыни, лесные завалы), высокую мобильность, живучесть. Особое значение принимает ДКМ радиосвязь в чрезвычайных ситуациях - при организации и проведении аварийно-спасательных работ, координации действий различных служб в районах стихийных бедствий (землетрясений, наводнений и т.д.). Специальные ведомства также широко используют ДКМ диапазон для радиосвязи, радиоразведки, радиопротиводействия .
В то же время современные телекоммуникационные концепции выдвигают все более высокие требования к устойчивости, надежности, оперативности и гибкости связи. Именно для ДКМ каналов связи, характеризующихся ис-
ключительной изменчивостью, их зависимостью от гелио- и геофизических условий, от протяженности и ориентации трасс, эти требования трудно выполнимы. Тем не менее, ведущие западные компании Harris и Rockwell Collins _ (США), Rohde & Schwarz (Германия), Racal (Великобритания), Codan (Австралия), Thomson (Франция), используя достижения в области адаптивной фильтрации, помехоустойчивого кодирования, цифровой обработки сигналов, современную электронную базу, сумели довести свои разработки до уровня экономически целесообразных и востребованных на мировом рынке.
Работы по совершенствованию ДКМ радиосвязи продолжаются. В ведущих развитых странах, в том числе и в России, развернут целый ряд программ по созданию нового поколения ДКМ систем различного назначения. Среди мер, которые должны в первую очередь обеспечить дальнейший прогресс в ДКМ связи, называют совершенствование методов прогнозирования ионосферных условий и расчета характеристик распространения ДКМ волн (ДКМВ), создание оборудования с использованием новых технологий на основе цифровой обработки сигналов, позволяющих реализацию сложных методов многопараметрической адаптации.
Задача прогнозирования решается путем построения статической модели поля ДКМВ (С-модели). Достигнутые в последние годы успехи в ионосферных исследованиях и, как следствие, создание новых корректных моделей ионосферы, а также доступность применения ЭВМ со значительно возросшими вычислительными возможностями позволяют сегодня с помощью С-модели на качественно новой основе решать задачу прогнозирования средних значений характеристик ДКМ каналов.
Что касается разработки аппаратуры нового поколения, то последние достижения в области цифровой микроэлектроники и схемотехники, а также появление специального объектно-ориентированного программного обеспечения ионосферной связи позволяют говорить о наличии и здесь существенного прогресса.
На этапе проектирования как отдельных устройств (модемов, кодеров, декодеров), так и системы в целом неоценимую помощь может оказать численное моделирование. Основной составной частью модели является модель нестационарного поля ДКМВ (Н-модель), обеспечивающая моделирование структуры поля и ее динамику в точке приема. Использование модели позволит существенно уменьшить время макетирования и стоимость разработки системы связи, определить характеристики системы в экстремальных условиях.
Из сказанного следует, что задача построения математических моделей полей ДКМВ является актуальной, имеющей важное научно-прикладное значение.
Цели и задачи диссертации.
Разработать математическую статическую модель поля декаметрових волн, обеспечивающую прогнозирование средних значений характеристик распространения ДКМВ в пространственно-неоднородной магнито-активной ионосфере на трассах протяженностью 30...3000 км.
Разработать математическую модель нестационарного поля ДКМВ, позволяющую моделировать временные вариации характеристик поля, обусловленные перемещающимися ионосферными возмущениями волновой природы.
Для достижения поставленных целей потребовалось решить следующие задачи:
На основе анализа последних достижений в физике ионосферы осуществить выбор моделей высотного распределения ионизации и частот соударений. Особое внимание уделить заданию нижней ионосферы. Выбрать модель перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ).
Выбрать алгоритм коррекции профиля ионизации по данным станций вертикального зондирования с произвольными координатами.
Осуществить выбор алгоритмов расчета траекторных и энергетических характеристик, обеспечивающих, с одной стороны, необходимую точность моделирования, с другой - требующих приемлемые затраты машинного времени.
Разработать квазипараболическую аппроксимацию пространственного распределения ионизации.
Разработать алгоритмы С- и Н-моделей. Составить их программные реализации.
В процессе тестирования моделей исследовать суточные, сезонные и ге-лиоциклические вариации параметров поля ДКМВ на односкачковых средне-широтных трассах.
По результатам численного моделирования оценить погрешности измерения расстояния до источника радиоизлучения угломерно-дальномерными комплексами.
- Исследовать влияние ПИВ на траекторные и энергетические характе
ристики ДКМВ.
При разработке моделей определяющим являлось сложившееся в последнее время мнение многих исследователей, согласно которому:
Задачу описания полной структуры поля ДКМВ и всех его особенностей целиком решает численное моделирование лучевых траекторий в пространственно-неоднородной магнитоактивной плазме.
Все известные характеристики отраженных от ионосферы волн могут быть интерпретированы в первом приближении в рамках модели средне и крупномасштабных перемещающихся ионосферных неоднородностей волновой природы.
Научная новизна результатов исследования.
Научная новизна диссертации состоит в следующем:
1. Разработан набор алгоритмов построения математических моделей полей ДКМВ. Алгоритмы включают последние разработки в области моделирования ионосферы, расчета траекторных и энергетических характеристик
8 ДКМВ, что сделало возможным, наряду со статической, разработать две модели нестационарных полей ДКМВ.
Осуществлена программная реализация трех моделей, позволяющая эффективно решать практические задачи радиосвязи и пеленгации.
С применением разработанных моделей выполнены исследования влияния на характеристики полей суточных, сезонных и гелиоциклических вариаций параметров ионосферы
Оценено влияние на характеристики полей перемещающихся неодно-родностей, что дополняет результаты, опубликованные в литературе.
По результатам численного моделирования сделаны количественные оценки погрешностей определения дальности до источника радиоизлучения ИРИ по измеренным углам места однолучевых сигналов, вызванных статистическими свойствами ионосферы, ее анизотропией, а также возмущениями волновой природы. В результате получены значения предельной точности измерения координат ИРИ пеленгаторами-дальномерами.
Практическая значимость и использование результатов работы.
Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы в НИР "Стандерс-РГУ", "Команда-М-Р", "Крюшон-РГУ", выполняемых в РГУ по государственным оборонным заказам. Разработанные модели могут быть применены при решении задач радиосвязи и пеленгации.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались (представлялись) на Всероссийской конференции по распространению радиоволн в 2002 г. (г. Нижний Новгород, Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского, Россия); на VIII и IX региональных конференциях по распространению радиоволн в 2002 и 2003 г. (г. Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет, Россия); на межвузовской научно-технической конференции в 2002 г. (г. Новочеркасск, Новочеркасский военный институт связи, Россия); на
9 семинаре Научно-исследовательского центра Военного университета связи, г. Санкт-Петербург, февраль 2003 г.; на семинаре лаборатории распространения радиоволн НИИ Радио, г. Москва, февраль 2003 г.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 4 в российских рецензируемых журналах , 1 - в зарубежном журнале, 5 в тезисах российских конференций. Общее число работ, опубликованных автором — 16.
Положения, выносимые на защиту.
Статическая модель (С-моделъ) поля декаметрових радиоволн, ориентированная на решение задач радиосвязи. Модель обеспечивает прогнозирование всех основных характеристик поля на трассах протяженностью до 6000 км. Разработана программная реализация модели.
Модель нестационарного поля (НІ-модель), обеспечивающая решение задачи моделирования нестационарных полей ДКМВ. Разработана программная реализация модели.
Упрощенный вариант модели нестационарного поля (Н2-модель), позволяющий рассчитывать характеристики полей ДКМВ при наличии возмущений электронной концентрации волновой природы с минимальными затратами машинного времени.
Результаты численного моделирования, включающие:
исследования суточных, сезонных, гелиоциклических вариаций полей ДКВМ на среднеширотных односкачковых радиотрассах. Определение наиболее трудных периодов времени для работы радиосредств, с точки зрения условий распространения ДКМВ;
оценку влияния условий распространения на ошибки местоопределения источников радиоизлучения по измеренным углам прихода ДКМВ;
анализ изменения траекторных и энергетических характеристик под влиянием перемещающихся ионосферных неоднородностей волновой природы.
10 Структура и объем диссертации.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений; изложена на 156 листах; содержит 43 рисунка и 18 таблиц. Список цитируемой литературы включает 130 наименований. Каждый раздел начинается программой исследований и завершается сводкой основных результатов и выводами.
