Содержание к диссертации
Список таблиц
Список рисунков
Список обозначений и сокращений
Введение
Глава 1. Трансионосферное распространение радиоволн 28
1.1. Изменение параметров радиосигнала при трансионосферном распространении 28
1.1.1. Групповое и фазовое запаздывание радиоволн в ионосфере
1.1.2. Влияние ионосферы на частоту радиоволны 31
1.1.3. Рефракция радиоволн в ионосфере 33
1.1.4. Амплитуда трансионосферных радиоволн
1.1.4.1. Изменение энергии радиоволн с расстоянием 3 7
1.1.4.2. Поглощение в ионосфере 38
1.1.4.3. Замирания 39
1.1.4.4. Вращение плоскости поляризации Фарадеевская амплитудная модуляция 40
1.2. Степень воздействия ионосферы на параметры транжионосферных сигналов 43
1.3. Классические радиофизические методы исследования ионосферы Метод вертикального и наклонного зондирования
ионосферы ?
1.3.2. Метод частичных отражений 47
1.3.3. Метод некогерентного рассеяния
1.3.4. Трансионосферные методы зондирования
1.3.5. Моделирование параметров ионосферы.
1.4. Выводы по Главе 1
Глава 2. Современные средства тестирования трансионосферного радиоканала 54
2.1. Измерение полного электронного содержания на основе данных глобальной сети навигационных приемников GPS
2.2. Глобальные и региональные карты абсолютного значения «вертикальногои іолного электронного содержания
2.3. Определение полного электронного содержания на основе данных спутниковых высотомеров 59
2.4. Международная справочная модель IRI 63
2.5. Модель магнитного поля земли IGRF-10 65
2.6. Выводы по Главе 2
Глава 3. Взаимное тестирование данных GPS, спутниковых высотомеров и результатов ионосферного моделирования с использованием IRI-2001 и IRI-2007 67
Сравнение данных GPS и спутниковых высотомеров 72
Сравнение данных региональных североамериканских карт вертикального полного
электронного содержания с глобальными картами ПЭС и результатами ионосферного моделирования IRI-2001 и IRI-2007
3.4. Тестирование IRI-2001 и IRI-2007 на основе данных спутниковых высотомеров Ш 89
3.4.1. Точность модели при различном уровне солнечной и геомагнитной активности .Ш. 91
3.4.2. Точность модели в различных регионах земного шара 95
3.4.3. Суточная динамика ПЭС в модели IRI 99
3.5. Глобальное электронное содержание по данным карт GIM и модели IRI V — 104
3.6. Сравнение данных различных средств измерения ПЭС и моделирования
3.7. Обсуждение и выводы по Главе З 111
Глава 4. Экспериментальное исследование влияния ионосферы на фазовые и поляризационные характеристики радиоастрономических сигналов при трансионосферном распространении - 115
4.1. Искажения амплитудного профиля солнечного радиоизлучения на примере солнечной вспышки Х38
17 января 2005 г. Г 115
4.2. Искажения фазовых и спектральных характеристик радиоизлучения дискретных источников при различных условиях эксперимента 127
4.3. Ионосферная ошибка определения углового местоположения радиоисточника при радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой
1 4. Спектральные искажения трансионосферного радиосигнала 147
5. Выводы по Главе 4 149
Глава 5. Адаптация радиотелескопов и радиоинтерферометров изменяющимся условиям трансионосферного
распространения 7 151
5.1. Принцип адаптации радиотелескопов и радиоинтерферометров
5.2. Блок-схема программного комплекса
5.3. Оценка точности метода при несовпадении углового местоположения радиоисточника 1 и реберного источника
5.4. Адаптация радиоинтерферометров со сверхдлинной базой на основе модели IRI Ж - 160
5.5. Выводы по Главе 5 - Заключение 163
Благодарности 166
Литература Л 1
Введение к работе
Ионосфера существенно влияет на трансионосферные радиосигналы, в том числе радиоастрономические, в метровом и декаметровом диапазоне длин волн. Более длинные волны отражаются в области максимума электронной концентрации и не проходят через ионосферу Земли, а для более коротких волн из-за обратной зависимости ионосферных эффектов от частоты ионосфера становится практически «прозрачной». Чтобы преодолеть «ионосферный барьер» в радиоастрономии, всерьез рассматривается идея создания «искусственной дыры» в ионосфере помощью выброса специальных химических веществ [1], что, очевидно, не предоставляет возможности для систематических наблюдений.
Фокусировка трансионосферных сигналов на частотах, близких к критической, приводит к заметной амплитудной модуляции [2], однако при повышении частоты влияние фокусировки становится незначительным. Достаточно значимы также амплитудные мерцания, обусловленные рассеянием на мелкомасштабных ионосферных неоднородностях, расположенных на высотах максимума ионизации. Однако в метровом диапазоне глубина амплитудных мерцаний в обычных условиях незначительна, а период мерцаний (1- -30 с) достаточно мал, что позволяет компенсировать влияние мерцаний трансионосферных радиосигналов с помощью хорошо известных и достаточно простых способов обработки сигнала.
В случае линейно или эллиптически поляризованного сигнала более значимым может оказаться амплитудный эффект, обусловленный вращением плоскости поляризации (эффектом Фарадея).
В диссертации основное внимание уделяется дополнительному набегу фазы и изменению поляризации в ионосфере Земли. В приближении метрической оптики задача определения дополнительного набега фазы сигнала сводится к классической задаче - определению полного электронного содержания (ПЭС) вдоль направления распространения. Общепринята единица ПЭС 1 TECU (total electron content unit) равна 1016 м"2. Эффект фарадеевского вращения в приближении квазипродольного распространения может быть также рассчитан на основе данных ПЭС и модели магнитного поля Земли.
ПЭС можно либо непосредственно измерить, либо рассчитать, используя ионосферные модели. Одним из основных классических средств радиозондирования ионосферы являются ионозонды. Однако они позволяют рассчитать локальную электронную концентрацию и ПЭС только до высоты максимума слоя F2; кроме того, распределение ионозондов по земной поверхности достаточно редкое. Радары некогерентного рассеяния, как наиболее совершенные системы, позволяющие измерить электронную концентрацию практически во всем диапазоне высот ионосферы, получили еще меньшее распространение из-за высокой стоимости создания и эксплуатации.
В настоящее время ситуация существенно изменилась. Появились средства непрерывного и глобального мониторинга ионосферы по данным навигационных систем GPS, ГЛОНАСС [3] (в ближайшие годы GALILEO [4]), двухчастотных спутниковых высотомеров (Topex/Poseidon, Jason-1 [5]), а также специализированных низкоорбитальных искусственных спутников Земли (CHAMP, SAC-C и др.), предназначенных для исследования ионосферы. Данные GPS широко используются не только для изучения ионосферы [6], но и непосредственно для тестирования фазовых искажений в трансионосферном канале систем навигации и радиопеленгации. В ряде систем для расчета ПЭС используются простейшие модели ионосферы.
Например, в одночастотных навигационных приемниках системы GPS для этих целей используется модель Клобучара [7], разработанная еще в 1968 г. днако точность таких моделей сравнительно невелика. В настоящее время разработаны более совершенные ионосферные модели, такие как NeQuick [8] и международная справочная модель IRI [9], широко используемые в расчетах параметров KB радиотрасс [10]. Каждый из упомянутых методов определения ПЭС имеет свои погрешности и ограничения. Кроме ого, отсутствует эталон, позволяющий получить абсолютную ошибку измерения (расчета) ПЭС, поэтому необходимо взаимное тестирование различных методов.
Таким образом, несмотря на множество современных методов измерений и расчета ПЭС, развитие радиотехнических систем значительно опережает совершенствование их ионосферной поддержки; особенно остро это проявляется в радиоастрономических системах. Это входит в противоречие с все возрастающими требованиями к точности анализа амплитудного профиля излучения радиоисточников, угловому и поляризационному разрешению радиоастрономических интерферометров нового поколения (LOFAR [11], SKA [12]). В равной степени это относится и к современным прикладным радиосистемам, использующим трансионосферные радиосигналы (одночастотные спутниковые высотомеры, радиолокационные системы с синтезированной апертурой, системы радиосвязи и другие).
Предметом настоящей диссертации являются фазовые и поляризационные характеристики радиосигнала при трансионосферном распространении, исследуемые на основе анализа данных спутниковой радионавигационной системы GPS, спутниковых высотомеров (Jason-1, Topex/Poseidon), ионосферной модели IRI и модели магнитного поля IGRF
