Содержание к диссертации
Введение
1 Методы исследования естественных и искусственных ионосферных неоднородностей 21
1.1 Вертикальное зондирование ионосферы 22
1.2 Наклонное ЛЧМ-зондирование ионосферы 23
1.3 ЛЧМ-ионозонд/пеленгатор в ионосферных исследованиях 25
1.3.1 Оценка потенциально возможной инструментальной точности ЛЧМ-ионозонда/пеленгатора при изучении пространственно ограниченных ионосферных неоднородностей 27
1.4 Однопозиционный широкобазисный многоканальный пеленгатор-дальномер КВ диапазона как средство измерения частотно-пространственных и энергетических характеристик сигналов, рассеянных ионосферными неоднородностями 37
1.5 Многочастотный доплеровский КВ радар 39
1.6 Способ адаптивного имитационного моделирования с учетом ракурсного рассеяния радиоволн 41
1.7 Выводы 50
2 Экспериментальное исследование и имитационное моделирование эффектов лияния искусственных мелкомасштабных ионосферных неоднородностей на характеристики декаметровых радиоволн 51
2.1 Изучение искусственной ионосферной турбулентности, создаваемой нагревным стендом «Сура» 52
2.1.1 Кластерная структура ионосферной турбулентности в эксперименте 20-24 сентября 2010 г 55
2.1.2 Моделирование эксперимента 19-23 сентября 2011 г 67
2.1.3 Изучение тонкой структуры возмущенной области в эксперименте 28-31 августа 2012 г 70
2.1.4 Вариации доплеровского смещения частоты рассеянного на искусственных неоднородностях сигнала и геомагнитные пульсации 76
2.2 Анализ характеристик волны нагрева нагревного стенда EISCAT (Тромсе)
и рассеяние на мелкомасштабных неоднородностях высокоширотной ионосферы 85
2.3 Выводы 106
3 Моделирование и прогнозирование характеристик распространения радиоволн КВ диапазона в условиях естественных среднемасштабных и крупномасштабных возмущений ионосферы 108
3.1 Мониторинг среднемасштабных перемещающихся ионосферных возмущений
по данным ЛЧМ-зондирования 108
3.2 Моделирование отклика ионосферы на солнечное затмение 29 марта 2006 года 123
3.3 Выводы 133
4 Эффекты рассеяния декаметровых радиоволн на естественных мелкомасштабных неоднородностях ионосферы: эксперимент и моделирование 134
4.1 Радарные наблюдения и моделирование F-рассения среднеширотной ионосферы с помощью ЛЧМ-ионозонда/пеленгатора 135
4.2 Сверхдальнее зондирование ионосферного канала с помощью ЛЧМ-ионозонда/пеленгатора 146
4.3 Влияние неоднородной структуры высокоширотной ионосферы на дальнее распространение декаметровых волн 153
4.4 Выводы 158
Заключение 159
Список сокращений и условных обозначений 164
Список литературы
- Оценка потенциально возможной инструментальной точности ЛЧМ-ионозонда/пеленгатора при изучении пространственно ограниченных ионосферных неоднородностей
- Кластерная структура ионосферной турбулентности в эксперименте 20-24 сентября 2010 г
- Моделирование отклика ионосферы на солнечное затмение 29 марта 2006 года
- Сверхдальнее зондирование ионосферного канала с помощью ЛЧМ-ионозонда/пеленгатора
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В современных условиях высоких технологий роль ионосферного распространения радиоволн непрерывно возрастает. Распространение волн декаметрового диапазона (ДКМВ) в ионосферной плазме позволяет не только организовать связь на большие расстояния практически без ограничения дальности связи, но и, с учетом современных методов обработки и формирования сигналов, обеспечить высокую надежность и достоверность передаваемой информации. Исследование характеристик узкополосных и широкополосных сигналов волн различных диапазонов, прошедших сквозь ионосферу, позволяет с помощью современных цифровых методов анализа диагностировать низкотемпературную плазму и процессы, в ней происходящие, в естественных условиях на планетарных масштабах.
В связи с огромной изменчивостью ионосферного радиоканала необходимо решение многопараметрической задачи: определение количества мод распространения, учет вариаций амплитуд и фаз каждой из них, тонкой пространственно-временной структуры поля в зоне приема. Наибольшую трудность представляет учет случайных факторов, обусловленных как среднемасштабными естественными неоднородностя-ми, к которым относятся перемещающиеся ионосферные возмущения (ПИВ), так и мелкомасштабными – явление F-рассеяния, а так же учет воздействия мелкомасштабных искусственных неоднородностей электронной концентрации. В работе [1], например, показано, насколько сильно могут сказываться различные факторы на возникновение ионосферных неоднородностей различных масштабов, такие как солнечные затмения, солнечные вспышки, эффекты, связанные с движением солнечного терминатора, тропические циклоны, землетрясения, запуски ракет и многие другие. Все это сказывается не только на процессах распространения КВ, но и на распространении радиоволн других диапазонов, функционировании и надежности систем GPS и ГЛОНАСС [1], а также на работе спутниковых систем во внешней ионосфере.
Имеющиеся методы диагностики ионосферных неоднородностей нацелены, в основном, на изучение неоднородностей, местоположение которых известно. Так, например, для определения локализации и характера движения ионосферных неодно-родностей в полярной ионосфере по всему миру создана сеть парных радаров SuperDARN [2]. Для изучения экваториального F-рассеяния применяют технику угловых измерений при трансэкваториальном распространении КВ радиоволн [3]. Однако, лишь немногие работы посвящены более редкому явлению - среднеширотному F-рассеянию.
ЛЧМ-ионозонд/пеленгатор [4], который использовался в настоящей диссертационной работе в качестве инструмента изучения структуры ионосферы, может использоваться для зондирования ионосферы как на трансэкваториальных трассах, так и для изучения тонкой структуры среднеширотной, высокоширотной и полярной ионосферы. Его преимущества: наличие международной сети станций наклонного ЛЧМ-зондирования и сети мощных ЛЧМ-передатчиков станций загоризонтной радиолока-
ции, дальность применения ограничена лишь мощностью ЛЧМ-передатчиков, возможен прием сигналов с любого направления, определение в реальном времени основных характеристик КВ-канала (дистанционно-частотные (ДЧХ), амплитудно-частотные (АЧХ) и двухмерные угловые частотные характеристики (УЧХ)), а также коэффициент мутности ионосферы, позволяющий осуществлять выбор оптимальных рабочих частот (что имеет важное значение для высокоширотной ионосферы), имеет рабочий диапазон до 30-45 МГц (ограничен лишь рабочим диапазоном ЛЧМ-передатчиков).
Применение ЛЧМ-ионозонда/пеленгатора для диагностики тонкой структуры ионосферы требует развитого подхода к моделированию распространения лучей в условиях возмущенной ионосферы. Такой подход может быть разработан и протестирован в процессе изучения распространения радиоволн, рассеянных на искусственных ионосферных неоднородностях, образованных контролируемым воздействием на ионосферу нагревных стендов «Сура» и EISCAT (Troms) [5].
Таким образом, вопросы исследования и прогнозирования характеристик дека-метровых волн в естественных и искусственно возмущенных условиях, которым посвящена данная диссертационная работа, актуальны и практически значимы.
Цель настоящей диссертационной работы состоит в: развитии метода обнаружения и дистанционной диагностики естественных и искусственных ионосферных неоднородностей с помощью ЛЧМ-ионозонда/пеленгатора; разработке и тестировании на основе экспериментальных данных методов адаптивного моделирования распространения сигналов в естественно возмущенной и искусственно модифицированной ионосфере; изучении влияния неоднородностей на тонкую структуру КВ сигналов на трассах различной протяженности и ориентации.
В процессе работы над диссертацией решены следующие задачи:
-
Осуществлен многолетний непрерывный мониторинг естественных неод-нородностей в ионосфере различных масштабов, ПИВ с помощью ЛЧМ-зондирования на трассе Кипр – Ростов-на-Дону (протяженность трассы – 1470 км), на трассе Лейвертон (Австралия) – Ростов-на-Дону (протяженность трассы 11790 км).
-
Разработано программное обеспечение для моделирования распространения КВ в магнитоактивной трехмерно-неоднородной ионосфере, нацеленное на учет эффектов солнечного затмения, особенностей среднемасштабных ПИВ, ракурсного рассеяния на мелкомасштабных магнито-ориентированных неоднородностях.
-
Исследовано влияние солнечного затмения на особенности распространения КВ на пяти трассах различной протяженности (от 1470 км до 4514 км).
-
В течение 2010-2012 гг. с участием стендов «Сура» и EISСAT (Тромсе, Норвегия) проведена серия экспериментов для изучения пространственной структуры искусственной ионосферной турбулентности с помощью ракурсного рассеяния диагностических радиоволн.
-
Разработана эмпирическая модель помеховой обстановки на среднеши-
ротных трассах, развита методика оперативного прогнозирования характеристик КВ канала по данным ЛЧМ-зондирования ионосферы, выполнена экспериментальная проверка разработанного подхода.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработана методика адаптивного моделирования распространения КВ, позволяющая исследовать эффекты ракурсного рассеяния радиоволн, ионосферный отклик на солнечное затмение, явление F-рассеяния, влияние ПИВ.
На основе метода адаптивного моделирования экспериментов по искусственной модификации ионосферы доказана кластерная структура области, заполненной искусственными ионосферными неоднородностями различных масштабов.
Разработан способ экспресс определения параметров ПИВ по ионограм-мам наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы, а именно, по виду z-следов на ДЧХ.
Предложен алгоритм прогнозирования оптимальных рабочих частот по данным ЛЧМ-зондирования с учетом коэффициента мутности ионосферы как интегральной меры ее тонкой мелкомасштабной структуры.
Впервые с помощью ЛЧМ-зонда/пеленгатора обнаружены эффекты сред-неширотного F-рассеяния при наклонном зондировании ионосферы, определена пространственная локализация области, заполненной мелкомасштабными естественными ионосферными неоднородностями, вычислены их поперечные масштабы и относительные изменения электронной концентрации.
Показана возможность мониторинга с помощью ЛЧМ-зонда/пеленгатора различных ионосферных неоднородностей в планетарном масштабе из одного приемного пункта, возможность их пространственного позиционирования, оценки пространственных параметров.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Методика имитационного моделирования процессов распространения ДКМВ в неоднородной магнитоактивной ионосфере, основанная на траекторных расчетах с учетом эффектов отклика ионосферы на солнечное затмение, ракурсного рассеяния радиоволн на естественной и искусственной ионосферной турбулентности и использующая справочную модель ионосферы IRI с коррекцией профиля ионизации по данным вертикального и/или наклонного зондирования.
-
Разработанный подход к анализу экспериментов по искусственной модификации ионосферы, с помощью которого установлена кластерная структура искусственной ионосферной турбулентности и выполнена локализация отдельных кластеров, оценены поперечные и продольные масштабы возмущенной области; поперечные масштабы естественных и искусственных неоднородностей, определяющих в различных условиях эффекты рассеяния.
-
Эмпирическая классификация ПИВ по геометрии и характеристикам z-особенностей на дистанционно-частотных характеристиках, позволяющая на основе наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы осуществлять экспресс оценку парамет-
ров среднемасштабных неоднородностей, имеющих волновую природу: пространственный масштаб, направление перемещения в вертикальной плоскости.
4. Результаты экспериментальных исследований и имитационного моделирования, обеспечившие из одного приемного пункта детальную пространственную локализацию мелкомасштабных естественных ионосферных неоднородностей в планетарном масштабе, а также обнаружение факта пространственной периодичности их распределения в экваториальных широтах.
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждена большим объемом многолетних измерений, выполненных в различных геофизических условиях и успешным моделированием полученных в эксперименте эффектов с помощью развитых в диссертации методов, использованием общепринятых приближений для проведения траекторных расчетов, использованием современных апробированных ионосферных моделей для средней невозмущенной ионосферы, соответствием полученных результатов опубликованным данным других авторов.
Практическая значимость. Р е з у л ь т а т ы , п о л ученные в данной диссертационной работе, вносят важный вклад в развитие физических представлений о естественных ионосферных неоднородностях, среднеширотном F-рассеянии, структуре искусственной ионосферной турбулентности.
Разработанный автором комплекс программ применим для интерпретации результатов экспериментов по дальнему и сверхдальнему зондированию, полученных с помощью ЛЧМ-ионозонда/радиопеленгатора, а так же нагревных экспериментов по модификации ионосферы мощным КВ-излучением.
Разработанная классификация ПИВ может на практике применяться для экспресс диагностики ПИВ, оценки их параметров на трассах различной протяженности и ориентации и использоваться при решении задач однопозиционного местоопределе-ния и прогнозирования радиосвязи с учетом влияния среднемасштабных возмущений волновой природы.
Алгоритм выбора оптимальных рабочих частот связной радиолинии включен в комплекс вторичной обработки данных, полученных с помощью ЛЧМ-ионозонда/ра-диопеленгатора.
Реализация результатов работы. Отдельные разделы работы вошли составной частью хоздоговорной научно-исследовательской темы «Жим–К–РД», выполненной в Южном федеральном университете по государственному заказу на конкурсной основе. Часть результатов получена в рамках научно–исследовательских работ, выполненных при поддержке РФФИ (гранты №09-02-00109-а, №11-02-00374-а, №12-02-00177-а, №12-02-31839 мол_а). Некоторые положения работы включены в перечень важнейших достижений, полученных по этим темам.
Апробация диссертационной работы. Доклады и статьи по результатам диссертационной работы представлены на научных конференциях, в том числе на международных научных конференциях: Международная научная конференция «Излуче-
ние и рассеяние электромагнитных волн» (Таганрог, 2011 г., 2013 г.), XIII Международная научно-техническая конференция «Радиолокация. Навигация. Связь» (Воронеж, 2007) и на всероссийских научных конференциях: XXIII Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн» (Йошкар-Ола, 23-26 мая 2011 г.), IV Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, 29 ноября – 3 декабря 2010 г.), Всероссийская научно-практическая конференция «Космическая радиолокация» (Муром, 28 июня – 1 июля 2010 г.) , XXII Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн» (Лоо, 22 – 26 сентября 2008 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликована 31 печатная работа. Из них 12 статей опубликовано в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, рекомендованных для публикации материалов диссертации, 17 работ – в сборниках трудов научных конференций. По теме диссертации получен 1 патен т.
Личный вклад соискателя. Экспериментальные данные, полученные на экспериментальных программно-аппаратных комплексах ЛЧМ-зонд/радиопеленгатор, ши-рокоаппертурный многоканальный пеленгатор, многочастотный доплеровский радар, обработаны и проанализированы лично автором. Автор принял непосредственное участие в разработке имитационной модели процессов распространения ДКМВ с учетом рассеяния на естественных и искусственных ионосферных неоднородностях, применяемой для адаптивного анализа всех экспериментальных данных, постановке и проведении экспериментов, отборе экспериментальных данных и их анализе. Им разработано соответствующее программное обеспечение, проведено имитационное адаптивное моделирование и сформулированы основные выводы. Классификация ПИВ и способ экспресс диагностики их параметров предложены автором лично.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений и списка литературы. Общий объем работы составляет 179 страниц. Она содержит 75 рисунков, 10 таблиц и 15 страниц списка литературы из 152 наименований использованных источников.
Оценка потенциально возможной инструментальной точности ЛЧМ-ионозонда/пеленгатора при изучении пространственно ограниченных ионосферных неоднородностей
Методы диагностики ионосферной плазмы, основанные на линейных эффектах, возникающих при прохождении или отражении радиоволн от невозмущенной и естественно возмущенной ионосферы, позволяют определить многие параметры в ионосферной плазме [5,23-25]. Состояние ионосферы зависит от большого числа факторов окружающей среды: от солнечной и геомагнитной активности, различных космических и атмосферных явлений, техногенных воздействий и способно быстро меняться за короткое время. В ионосфере, помимо регулярных изменений электронной концентрации, регистрируются неоднородности электронной плотности различных масштабов как естественного, так и искусственного происхождения (от метров до тысяч километров [5,8,23,26]). Все эти факторы неизбежно влияют на распространение радиоволн, в том числе и диагностического изучения декаметрового диапазона. Поэтому для качественной и количественной оценки состояния ионосферы необходимо наличие корректной модели КВ канала. В качестве такой модели в данном исследовании используется динамическая адаптивная структурно-физическая модель КВ-канала (ДАСФ-модель или СФ-модель) [27-32].
ДАСФ-модель подробно описана в работах [27-32] и учитывает многие факторы, связанные с распространением ДКМВ в сферически слоистой горизонтально-неоднородной магнитоактивной ионосферной плазме. В качестве модели ионосферы используется как параболическая модель [7], которая часто применима для описания ионосферы (особенно в вечернее и ночное время), так и международная справочная модель ионосферы (International Reference Ionosphere) или модель IRI – 2012 [33], [34]. Полуэмпирическая модель IRI для заданных координат на земной поверхности, года, даты, времени суток описывает электронную концентрацию, температуру, частоту соударений, полное электронное содержание и многие другие величины, характеризующие ионосферу, до высоты 2000 км. На основе структурно-физического подхода и модели IRI группой авторов разработано программное обеспечение, имитирующее распространение КВ радиоволн в ионосфере [35], причем справочная модель IRI задается на сетке пространственных координат с некоторым шагом, а для получения профиля электронной концентрации в любой другой пространственно-временной точке используется сплайн - 22 -аппроксимация. Такой подход обеспечивает высокую скорость расчетов, несмотря на сложность модели и позволяет применять имитатор КВ-канала практически для любых задач, где это требуется [28,31,32]. Так, например, граничные задачи (необходимые для прогнозирования углов прихода) решаются путем перебора всех возможных траекторий распространения лучей, а для решения задач ракурсного рассеяния требуется найти удовлетворяющие условию ракурсности траектории путем расчета большого количества траекторий.
В этой главе будут описаны методы диагностики ионосферы, которые использовались в исследовании и которые, вместе с применяемым методом имитационного моделирования КВ-канала, являются мощными инструментами изучения ее тонкой структуры.
Вертикальное зондирование ионосферы Старейшим методом исследования структуры и динамики ионосферы является метод вертикального зондирования [7,25]. Ионозонд излучает вертикально вверх импульсные или сложные сигналы с периодически изменяющейся средней частотой и принимает отраженные от ионосферы сигналы, измеряет групповое время их распространения (после умножения на скорость света - так называемая действующая высота) [7], [36]. Метод вертикального зондирования позволяет определить критические частоты ионосферных слоев, а также, после дополнительной обработки (решения обратной задачи ВЗ [36-41]), истинные высоты отражения радиоволн и максимальные высоты ионосферных слоев (обычно эту обработку проводят сами станции ВЗ в реальном масштабе времени).
Хотя модель IRI и позволяет получить профиль электронной концентрации, необходимый для имитационного моделирования канала, этот N(h)-профиль может определять лишь общие закономерности КВ-канала для данного сезона, времени суток и солнечной активности. Сама же ионосфера постоянно меняется и для решения задач диагностики тонкой структуры ионосферы использование прогноза IRI при расчете характеристик распространения недостаточно. Для учета реального состояния ионосферы в модели IRI предусмотрена коррекция профиля ионизации по критическим частотам и максимальным высотам ионосферных слоев в некоторой точке [33], [34]. Для этих целей и требуются данные станций ВЗ. Модель IRI с коррекцией профиля в одной пространст - 23 -венно-временной точке позволяет получить профиль ионизации, адаптированный к реальным ионосферным условиям.
В дальнейшем в работе неоднократно будут использоваться данные станций ВЗ «Парус» и DPS-4, ИЗМИРАН (г. Москва), «Сойка» (г. Нижний Новгород) и некоторых других. Важно, чтобы станция ВЗ располагалась как можно ближе к средней точке трассы НЗ или области рассеяния радиоволн (в зависимости от постановки эксперимента и преследуемых целей).
Наклонное зондирование сигналами с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ-зондирование) широко используется для оценки параметров КВ-канала. Передатчик ЛЧМ-ионозонда возбуждает непрерывный сигнал с линейной частотной модуляцией. В свою очередь, гетеродин приемника генерирует ЛЧМ-сигнал, идентичный принимаемому сигналу с некоторой задержкой (которая равна групповому времени распространения от передатчика к приемнику) [42], [43]. При этом обеспечивается жесткая синхронизация передатчика и приемника по времени с помощью аппаратуры GPS или ГЛОНАСС. В результате на выходе приемника получается разностный сигнал, который несет информацию о лучах, формирующих суммарное интерференционное поле в точке приема [44]. Дальнейшая задача состоит в обнаружении и выделении этих гармонических составляющих. Для ее решения здесь применяется многооконный метод спектрального оценивания (МТМ-метод), обоснование которого для решения задач ионосферного распространения дано в [45]. МТМ-метод позволяет достичь высокого спектрального разрешения по частоте (задержке); обнаружить дискретные (зеркальные) составляющие сигнала; выделить СПМ рассеянной (непрерывной) компоненты и оценить ее энергию; определить задержки и амплитуды парциальных зеркальных и рассеянных компонент сигнала; вычислить коэффициент мутности ионосферы (З2 (отношение энергии зеркальной компоненты к энергии рассеянной); оценить спектральную плотность шумов в полосе приема.
Кластерная структура ионосферной турбулентности в эксперименте 20-24 сентября 2010 г
Обоснование применимости ЛЧМ-ионозонда/пеленгатора для исследования структуры естественных и искусственных ионосферных неоднородностей, оценки их поперечных масштабов, угловых и пространственных размеров возмущенной области, основано на оценке точности определения угловых характеристик принимаемых сигналов.
Как известно, для трехантенной прямоугольной решетки среднеквадратичные отклонения от среднего значения азимута - 5а и угла места - ЗА определяются соответственно выражениями (1.3.1) [55]: &c=J l \—)Л , SA = J A \—)j=l , (1.3.1) VDJ COSA {DjJqsmA где q - отношение мощности сигнала к мощности шума, причем в децибелах отношение сигнал/шум S/N = 10 logq, D - поперечный размер (база) антенной решетки, Л - длина волны сигнала, А - угол места приходящего сигнала.
Для антенной решетки, состоящей из большего числа антенных элементов и более сложной пространственной конфигурации, оценка инструментальных (потенциальных) погрешностей измерения параметров принимаемых радиоволн в аналитическом виде затруднительна. Как следствие, для оценок потенциальных точностных характеристик требуется имитационное моделирование.
В данном исследовании для имитационного моделирования выбрана антенная решетка, состоящая из 16 элементов, равномерно распределенных по окружности. Хотя программное обеспечение пеленгатора-имитатора не накладывает никаких ограничений на пространственную конфигурацию антенной решетки [56,57], тем не менее, выбор другой пространственной конфигурации потребует более детальных исследований по - 28 -ведения За и й от азимута прихода радиоволны. Кроме того, на практике часто реально функционирующие программно-аппаратные пеленгационные комплексы имеют кольцевые антенные решетки.
Моделирование выполнено с помощью программного обеспечения реального широкополосного широкобазисного программно-аппаратного комплекса КВ пеленгования [56,57]. При этом в качестве сигналов, индуцированных на антенных элементах решетки полем радиоволны, использованы не реальные, а модельные сигналы. Полоса частот, в которой работала модель радиопеленгатора, составляла 1 МГц, частота дискретизации модельного сигнала - 2,2 МГц. Модельный сигнал состоял из сигнала зондирования и белого шума. Сигнал генерировался на частоте ПЧ (промежуточной частоте) радиоприемного тракта, которая составляла 70 МГц. После генерации модельный сигнал переносился на нулевую частоту, пропускался через цифровой низкочастотный фильтр с получением комплексного низкочастотного сигнала (цифровая квадратурная дискретизация). После указанных цифровых манипуляций цифровой сигнал по структуре становился идентичный реальному сигналу, который поступал бы для обработки в программно-аппаратный комплекс КВ пеленгования из реального многоканального модуля цифровой обработки сигналов (ЦОС).
Структура излученного модельного сигнала считалась полностью известной. На приемной стороне в каждом из 16-ти каналов выполнялась согласованная обработка принимаемого комплексного сигнала с идеальным сигналом-подставкой. Как следствие, на выходе согласованного фильтра - взаимная корреляционная функция принимаемого сигнала и сигнала-подставки, амплитуда которой равна амплитуде принимаемого сигнала (если принять амплитуду сигнала-подставки равной 1). Например, если в качестве модельного сигнала выбрать ЛЧМ-импульс, то описанный подход будет имитировать работу ЛЧМ-зонда/пеленгатора.
Полоса имитационного ЛЧМ сигнала выбрана равной 100 кГц. Указанное значение по результатам работы [44] является для ионосферного канала наиболее разумным компромиссом между временным разрешением и ограничениями, обусловленными дисперсионными свойствами среды распространения.
Оценка погрешностей определения параметров принимаемого сигнала (азимут, угол места, амплитуда) разделим на два этапа.
Моделирование выполнено для трех значений поперечного размера антенной решетки (для трех значений диаметра окружности): 40 м, 80 м и 160 м; для четырех значений частот радиоволн: 5 МГц, 10 МГц, 15 МГц и 20 МГц; для различных значений отношения сигнал/шум: S/N = 5,2дБ, /# = 14,1дБ, S/N = 32,7дБ и S/N = 52,1 дБ.
Азимуты прихода лучей для моделирования выбирались, исходя из симметрии антенной решетки: а = 0, а = 5,6 и а = 11,2, а углы места: А = 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60.
Исследуемые параметры - среднеквадратичные отклонения от истинных значений угла места ЗА и азимута сигнала За , определяемых пеленгатором, а также среднеквадратичное отклонение амплитуды поля 5Е в точке приема, выраженной в дБ.
Полученные в результате моделирования оценки точности определения параметров, используемых для обнаружения ионосферных неоднородностей, были проанализированы и основные закономерности представлены на рисунке 1.1.
На рисунке 1.1 данные, полученные для разных размеров антенной решетки, отмечены разными цветами: D = 40 м - синим, D = 80 м - черным, D = 160 м - зеленым.
Из рисунка 1.1 а) видно, что кривые ЗА(А), построенные для различных размеров решетки и частот, но с одинаковыми отношениями Л/D примерно совпадают, что очень хорошо согласуется с выражением для ЗА (1.3.1). Так, синяя кривая с Л/D = 3/2 получена для = 40м и/ = 5 МГц. Кривые с Л/D = 3/4: D = 80 м, / = 5 МГц (черная кривая) и D = 40 м, / = 10 МГц (синяя кривая). Кривые с Л/D = 3/8: D = 160 м, / = 5 МГц (зеленая кривая); D = 80 м, / = 10 МГц (черная кривая) и D = 40 м, / = 20 МГц (синяя кривая). Кривые с Л/D = 3/16: = 160м, / = 10МГц (зеленая кривая) и = 80м, / = 20 МГц (синяя кривая). На рисунке 1.1 а) также показаны данные для = 80м, f = 5 МГц и для разных значений азимутов: сплошная жирная кривая получена для а = 0, сплошная тонкая линия - для а = 5,6, пунктирная тонкая линия - для а = 11,2, которые иллюстрируют что среднеквадратичное отклонение угла места практически не зависит от азимута прихода. Из рисунка 1.1 а) видно, что при уменьшении угла места до 5 сильно возрастает ЗА (sinA в выражении для ЗА в (1.3.1) - в знаменателе).
Моделирование отклика ионосферы на солнечное затмение 29 марта 2006 года
Из результатов моделирования первой ситуации (для рисунка 2.13) следует, что координаты основной области - долгота 1 = 45,9, широта (р = 55,6 (в точке отражения от ионосферы волны нагрева). Дополнительная область смещена от последней по поверхности Земли на 86 км и от нагревного стенда «Сура» на 30 км (Л = 46,2, ср = 56,4). По результатам измерения азимута прихода рассеянного основной областью сигнала оценены размеры области в поперечном направлении - 42,9 км. Размеры области рассеяния по высоте - 61,8 км оценены по результатам моделирования распространения ракурсно рассеянного сигнала. Таким образом, МИИН занимают протяженную область -до 90 км в направлении трассы «Сура» - Ростов-на-Дону которая ориентирована почти вдоль магнитного меридиана. Во всей этой области в диапазоне частот 14,4-20,3 МГц выполняется условие ракурсности. Однако наблюдается интересная закономерность.
На частотах от 17 МГц до 19 МГц рассеяние наблюдается во всей области задержек. Следовательно, для этих частот МИИН заполняют всю область протяженностью около 90 км вдоль магнитного меридиана (вдоль трассы), центр которой располагается севернее точки отражения ВН. Для частот до 17 МГц и после 19 МГц, как видно из рисунка 2.13, условие ракурности выполняется во всей указанной пространственной области (это подтверждается наличием точек и крестиков на рисунке, полученных в процессе моделирования). Однако в эксперименте рассеяние до 17 МГц наблюдается только для области с центром в точке отражения ВН, а после 19 МГц в эксперименте наблюдается рассеяние только при максимальных задержках (т.е. при смещении области, заполненной МИИН к северу).
Это означает, что на меньших, чем 17 МГц частотах, рассеяние происходит в области с центром в точке отражения ВН, а на больших, чем 19 МГц, частотах рассеяние происходит, в основном, в области, смещенной к северу от точки отражения ВН. Как следствие, можно предположить, что МИИН с поперечными размерами от 9 м до 10,5 м
- 75 -занимают весь объем рассеяния протяженностью до 90 км вдоль магнитного меридиана, 42,9 км - в поперечном направлении и 61,8 км - по высоте. При увеличении частоты диагностического излучения уменьшается характерный размер МИИН до 8,5 м. Одновременно с уменьшением масштаба область, заполненная этими неоднородностями, уменьшается в продольном направлении и смещается к северу. Т.е. мелкомасштабные неоднородности занимают меньший пространственный объем и этот объем смещен к северу от точки отражения ВН. В свою очередь, неоднородности с масштабом от 10,5 м до 12,2 м также занимают меньший пространственный объем и расположены вблизи точки отражения ВН.
При моделировании второй ситуации (рисунок 2.14) получено, что дополнительная область (Л = 46,2, = 56,4) смещена относительно основной на 86 км, а от на-гревного стенда «Сура» - на 30 км (1 = 45,9, ср = 55,6). Получено, что в этом случае МИИН занимают протяженную область - до 90 км в направлении трассы «Сура» - Ростов-на-Дону которая ориентирована почти вдоль магнитного меридиана. Во всей этой области в диапазоне частот 14,4-18,3 МГц выполняется условие ракурсности (на рисунке 2.14 присутствуют кружки и крестики, полученные в результате моделирования). Однако наблюдается закономерность, аналогичная условиям рисунка 2.13. На низких частотах из указанного диапазона рассеяние наблюдается во всей области задержек. Следовательно, МИИН заполняют всю область протяженностью около 90 км вдоль магнитного меридиана (вдоль трассы), которая располагается севернее точки отражения ВН. Для больших частот из указанного диапазона, как видно из рисунка, условие ракурсности выполняется во всей пространственной области, т.е. для всего диапазона групповых задержек. Однако по данным эксперимента рассеяние наблюдается только при максимальных групповых задержках. Это означает, что на больших частотах рассеяние происходит, в основном, на области, смещенной к северу от точки отражения ВН.
Как следствие, можно предположить, что мелкомасштабные МИИН с размерами от 10,1 м до 12,4 м занимают весь объем рассеяния: 90 км - вдоль магнитного меридиана, 55,5 км - в поперечном направлении и 67,8 км - по высоте. При увеличении частоты диагностического излучения уменьшается характерный размер МИИН до 9,7 м. Одновременно с уменьшением масштаба область, заполненная этими неоднородностями, уменьшается в продольном направлении и смещается к северу. Т.е. мелкомасштабные неоднородности занимают меньший пространственный объем и этот объем смещен к северу от точки отражения ВН.
- 76 -Из всего сказанного можно утверждать, что слоистая структура дистанционно-частотных и угловых-частотных характеристик ракурсно рассеянных сигналов может быть объяснена двумя факторами. Эта слоистость, с одной стороны, объясняется распространением обыкновенных и необыкновенных лучей верхними и нижними модами, а с другой стороны, пространственной структурированностью области, заполненной МИИН, в зависимости от поперечного размера 1± неоднородностей.
Выводы. При нагреве ионосферной плазмы волной обыкновенной поляризации вдоль геомагнитного поля область, заполненная МИИН, смещена вдоль магнитного меридиана к северу от точки отражения волны нагрева и пространственно структурирована.
Неоднородности средних размеров (от 9 м до 11 м) занимают объем до 90 км вдоль магнитного меридиана от точки отражения ВН, до 40-50 км - в поперечном направлении и до 60-70 км - по высоте.
МИИН с большими поперечными размерами (/± 11-12 м) локализованы в пространственной области с меньшими продольными размерами с центром около точки отражения ВН.
МИИН с меньшими поперечными размерами /± 8-9 м занимают объем с существенно меньшими продольными размерами и этот объем смещен к северу от точки отражения ВН.
Т.е. при уменьшении поперечного размера /± МИИН продольный размер пространственной области, заполненной МИИН, уменьшается, а ее центр смещается вдоль магнитного меридиана к северу от точки отражения ВН на расстояние до 90 км.
Сверхдальнее зондирование ионосферного канала с помощью ЛЧМ-ионозонда/пеленгатора
Ионосфера Земли, являясь верхней частью атмосферы, определяющим образом влияет не только на характер жизнедеятельности на Земле, но и на свойства различных каналов передачи данных. Как известно, ионосфера почти всегда находится в возмущенном состоянии. Возникающие при этом неоднородности оказывают существенное воздействие на траекторные и энергетические характеристики распространяющихся в ионосфере радиоволн различных диапазонов. Разнообразие естественных ионосферных неоднородностей делает необходимым учет связанных с ними эффектов при распространение волн КВ диапазона и при интерпретации экспериментальных данных. Данная глава посвящена изучению влияния естественных ионосферных неоднородностей на распространение ДКВМ и дистанционной диагностике их параметров средствами наклонного ЛЧМ-зондирования: среднемасштабных квазипериодических ионосферных неоднородностей, получивших название перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) [92-94], крупномасштабной ионосферной неоднородности, связанной с полным солнечным затмением 29 марта 2006 г.
Мониторинг среднемасштабных перемещающихся ионосферных возмущений по данным ЛЧМ-зондирования
Как известно, ПИВ самых разных масштабов (крупномасштабные с длиной волны до 1000 км, среднемасштабные от нескольких десятков до нескольких сотен километров) постоянно присутствуют в ионосфере Земли [92-94]. Доказана роль терминатора в их возникновении [95-99]. Особенно хорошо эта закономерность прослеживается в восход-но-заходные часы (особенно зимой).
В лаборатории «Сигнал» физического факультета ЮФУ на протяжении нескольких лет проводилась непрерывная круглосуточная регистрация ионограмм наклонного ЛЧМ-зондирования на трассе Кипр-Ростов-на-Дону. Протяженность трассы Кипр-Ростов-на-Дону составляет 1470 км, географический азимут из Ростова-на-Дону 203,6.
Отметим, что на Кипре имеются два передатчика станций загоризонтной радио - 109 -локации с выходной мощностью 550 кВт каждый, которые нагружены на две антенны с азимутальными направлениями 7о и 57о и шириной диаграммы направленности 60о. Для каждого передатчика начальная частота равна 8 МГц, конечная частота равна 35 МГц, скорость изменения частоты линейного закона частотной модуляции равна 100 кГц/с, период повторения всегда равен 300 секундам, а время пуска постоянно и равно 15-ой и 20-ой секунде от нулевой минуты. По этим причинам оба ЛЧМ передатчика идеально подходят для изучения ПИВ в приемном пункте г. Ростов-на-Дону.
Как следствие, накоплен обширный материал по наблюдению ПИВ, которые проявляются на ионограммах как некоторые образования, имеющие форму z-образных особенностей [99] или ступенек (смотрите рисунок 3.1). Эти особенности появляются на ДЧХ в окрестности наименьшей наблюдаемой частоты (ННЧ) для верхних лучей, а затем перемещаются со временем в область меньших задержек (область МНЧ).
Эти образования могут быть разной формы и размера, что зависит от параметров ПИВ. Таким образом, в основу мониторинга ПИВ и экспресс оценки их амплитудных и пространственно-временных характеристик положена идея, что форма и размеры z-образования связаны с параметрами ПИВ. В результате цель параграфа состоит в разработке по результатам наклонного ЛЧМ-зондирования и адаптивного моделирования классификации перемещающихся возмущений по виду z-образных особенностей на ДЧХ и обосновании на этой основе методики экспресс оценки параметров ПИВ. При этом будем основываться на модели широкополосного ионосферного радиоканала [28], которая позволяет учесть наличие ПИВ во время имитационного моделирования. Развитая методика может быть применена при обработке ионограмм наклонного ЛЧМ - 110 -зондирования и на трассах зондирования другой протяженности и ориентации. Это даст возможность обобщить полученные в главе результаты при наличии достаточно большого объема экспериментальных данных НЗ.
Моделирование наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы выполнено в ситуации, максимально приближенной как по гелио- и геофизическим условиям распространения ДКМВ к реальным на трассе Кипр – Ростов-на-Дону, так и по аппаратной и алгоритмической реализации методик оцифровки и обработки разностного сигнала. Для этого был использован компьютерный имитатор широкополосного радиоканала [28]. Моделирование становится трехэтапным [100]. На первом этапе для заданных гелио- и геофизических условий моделировался радиоканал. На заданном временном отрезке моделирования рассчитывались в полосе 4-30 МГц с шагом дискретизации 25 кГц узловые параметры комплексной передаточной функции КВ радиоканала [29]. Временной отрезок моделирования был выбран равным 1800 с, а шаг дискретизации по времени во всей полосе частот моделирования – 10 с. На втором этапе в полосе 4-30 МГц на временном отрезке 1800 с по узловым параметрам восстанавливалась непрерывная по частоте и времени комплексная передаточная функция КВ-канала. Через канал с модельной комплексной передаточной функцией пропускался широкополосный цифровой ЛЧМ сигнал, скорость перестройки частоты которого была выбрана равной 100 кГц/с. На третьем этапе полученный низкочастотный комплексный разностный сигнал, аналогичный по структуре реальному сигналу на выходе ЛЧМ-приемника, обрабатывался по методикам и алгоритмам, применяемым при получении реальных ионограмм. В результате были получены модельные ДЧХ радиоканала.
