Содержание к диссертации
Введение
1. Подходы к описанию ионосферного радиоканала 34
1.1. Общие принципы описания каналов связи и их классификация 34
1.2. Математическое описание сигналов на выходе каналов связи
1.2.1. Каналы с детерминированными параметрами 44
1.2.2. Каналы со случайными параметрами и аддитивной помехой 45
1.2.3. Радиоканалы со случайной структурой
1.2.3.1. Канал с дискретной многолучевостью 48
1.2.3.2. Радиоканал с замираниями селективными по частоте 49
1.2.3.3. Радиоканал с замираниями селективными по времени 51
1.2.4. Представление непрерывных каналов на основе стохастических дифференциальных уравнений 52
1.2.4.1. Радиоканалы с сосредоточенными параметрами 52
1.2.4.2. Описание радиоканалов на основе стохастических дифференциальных уравнений 53
1.2.4.3. Представление случайных полей в пространственно-временных радиоканалах 54
1.3. Структурно-физическое описание радиоканалов 56
2. Экспериментальные предпосылки описания ионосферного канала на основе структурно-физического подхода 62
2.1. Экспериментальные данные, полученные различными методами радиозондирования ионосферы 62
2.1.1. Результаты зондирования широкополосными сигналами 62
2.1.2. Результаты комплексных экспериментов 64
2.1.3. Исследования отдельных характеристик распространения 66
2.1.4. Исследования особенностей распространения декаметровых радиоволн на основе доплеровских и ЛЧМ-радаров 67
2.1.5. Распределения амплитуд, фаз и углов прихода
2.1.5.1. Некоторые теоретические результаты 82
2.1.5.2. Экспериментальные результаты 84
2.1.5.3. Изменения фазы 87
2.2. Волновые возмущения в среднеширотной ионосфере 88
2.2.1. Вероятность наблюдения ПИВ 89
2.2.2. Спектральный состав ВВ 91
2.2.3. Пространственные характеристики ВВ 92
2.2.4. Фазовые скорости ПИВ
5 2.2.5. Амплитуда вариаций электронной плотности ВВ 95
2.2.6.Рекомендации по моделированию волновых возмущений 96
2.3. Другие возмущения 97
2.4. Выводы 98
3. Динамическая адаптивная структурно-физическая модель ДКМ-канала 100
3.1. Основные положения структурно-физической модели ионосферного радиоканала и возможные подходы к ее реализации 100
3.2. Структурно-физическая модель ионосферного канала на основе метода геометрической оптики для нестационарной неоднородной анизотропной ионосферы
3.2.1. Постановка задачи и лучевые уравнения 102
3.2.2. Особенности решения лучевых уравнений для крутопадающих на ионосферу траекторий 108
3.2.3. Краткая характеристика алгоритма и программы расчета лучевых траекторий 111
3.2.4. Модель горизонтально-неоднородной нестационарной магнитоактивной ионосферы 115
3.2.4.1. Пространственное распределение электронной концентрации
в ионосфере 115
3.2.4.2. Частота соударений электронов и затухание декаметровых
волн в ионосфере 123
3.2.4.3. Модель геомагнитного поля 129
3.2.4.4. Учет отражений от спорадического слоя Es 129
3.2.5. Решение граничной задачи и способ определения МПЧ трассы 137
3.3. Приближенные методы расчета характеристик распространения 138
3.3.1. Расчет характеристик ионосферного канала на основе эквивалентных траекторий 138
3.3.2. Построение структурно-физической модели ионосферного канала
на основе методов типа рефракционного интеграла 140
3.3.3. Модель канала на основе упрощенного метода характеристик 142
3.3.3.1. Расчет траектории луча 143
3.3.3.2. Модель горизонтально-неоднородной нестационарной ионосферы 145
3.3.3.3. Приближенные методы учета влияния на характеристики распространения геомагнитного поля 146
3.3.3.4. Решение граничной задачи и способ определения МПЧ трассы... 149
3.4. Расчет частотных и временных характеристик радиоканала 150
3.4.1. Представление передаточной характеристики ионосферного -6 радиоканала и ее пространственно-частотно-временное разложение 150
3.4.2. Подходы к построению компьютерного имитатора КВ-канала 152
3.4.3. Компьютерный имитатор узкополосного ионосферного КВ-канала. 152
3.4.4. Имитационное моделирование узкополосного радиоканала 154
3.4.5. Расчет частотных и временных характеристик широкополосного ионосферного канала 156
3.4.6. Процесс имитационного моделирования широкополосного канала..
3.5. Область применения ДАСФ-модели ионосферного радиоканала и примеры имитационного моделирования 161
3.6. Выводы 173
4. Исследование характеристик распространения с использованием динамической адаптивной структурно-физической модели ионосферного радиоканала 176
4.1. Влияние дисперсионных свойств и нестационарности ионосферной плазмы на характеристики радиоканала 176
4.1.1. Полоса когерентности ионосферного канала по частоте 176
4.1.2. Исследование работы и оценка потенциальных возможностей ЛЧМ-ионозонда 184
4.1.3. Определение времени стационарности ионосферного радиоканала.
4.1.3.1. Спектр передаточной характеристики по медленному времени 193
4.1.3.2. Определение времени стационарности ионосферного радиоканала 196
4.1.3.3. Результаты численного моделирования 199
4.1.4. Определение пространственной полосы когерентности 202
4.1.4.1. Пространственный спектр передаточной характеристики 202
4.1.4.2. Результаты численного моделирования 206
4.2. Исследование частотных и корреляционных характеристик ионосферного канала 208
4.2.1. Временные вариации характеристик ионосферного канала 209
4.2.2. Пространственные вариации характеристик ионосферного канала.. 227
4.2.3. Оценка радиуса пространственно-временной корреляции 228
4.3. Исследование статистических и корреляционных характеристик полей декаметровых волн 230
4.3.1. Условия моделирования 231
4.3.2. Методика численного эксперимента 231
4.3.3. Результаты и их анализ 2 4.4. Способ частотно-временной локализации сигналов 240
4.5. Ошибки решения обратной задачи однопозиционного местоопределения, обусловленные погрешностями прогнозирования состояния ионосферы 248
-7 4.5.1. Коррекция параметров ионосферной модели по данным однопозиционного местоопределения реперных источников 249
4.5.2. Использование данных радиозондирования ионосферы в задаче пеленгации 255
4.5.3. Использование адаптивных моделей ионосферы в задаче пеленгации и однопозиционного местоопределения 262
4.6. Уменьшение влияния многолучевости на точность определения углов прихода интерферометрическими методами 268
4.7. Выводы 273
5. Комплексные экспериментальные исследования и моделирование ионосферного КВ-канала на среднеширотных трассах различной протяженности и ориентации 277
5.1. Спектральное оценивание характеристик распространения ионосферных радиоволн 278
5.1.1. Спектральный метод оценивания параметров ионосферного канала 279
5.1.2. Методика и условия измерений характеристик непрерывных узкополосных сигналов, отраженных от ионосферы 284
5.1.3. Экспериментальное оценивание характеристик сигналов, отраженных от ионосферы 286
5.1.4. Экспериментальная проверка прогнозирования энергетических характеристик распространения ДКМВ 3 03
5.1.5. Оценка статистических свойств характеристик сигналов, отраженных от ионосферы 318
5.2. Наклонное ЛЧМ-зондирование ионосферы и адаптивное моделирование 326
5.2.1. Методы спектрального оценивания разностного сигнала 326
5.2.1.1. Способ оцифровки разностного сигнала 327
5.2.1.2. Многооконный метод оценки спектральной плотности мощности разностного сигнала 328
5.2.1.3. Методика выделения мод распространения и очистка ЛЧМ-ионограмм 332
5.2.2. Исследование характеристик КВ-канала на основе наклонного ЛЧМ-зондирования и моделирования 333
5.2.2.1. Аппаратура и методика обработки данных 333
5.2.2.2. Результаты наблюдений 334
5.2.2.3. Моделирование и обсуждение 350
5.2.2.4. Эффекты аномальных потерь в окрестности МПЧ магнитоионных компонент 357
5.3. Исследование угловых характеристик декаметровых радиоволн и -8 однопозиционное местоопределение источников радиоизлучения 360
5.3.1. Способ построения широкополосного однопозиционного многоканального пеленгатора-дальномера KB диапазона 361
5.3.1.1. Требования к аппаратуре 362
5.3.1.2. Алгоритм обнаружения и локализации источников по времени, частоте и в пространстве угловых координат 362
5.3.1.3. Алгоритм выделения доминирующего луча 368
5.3.1.4. Однопозиционное местоопределение ИРИ 36 8
5.3.2. Исследование угловых характеристик декаметровых волн по результатам комплексных экспериментов 369
5.3.4. Экспериментальная оценка ошибок решения обратной задачи однопозиционного местоопределения, обусловленных погрешностями прогнозирования состояния ионосферы 379
5.3.4.1. Используемая аппаратура и условия эксперимента 380
5.3.4.2. Результаты экспериментальной оценки погрешностей однопозиционного местоопределения 381
5.4. Выводы 386
Заключение 389
Литература
- Математическое описание сигналов на выходе каналов связи
- Результаты зондирования широкополосными сигналами
- Структурно-физическая модель ионосферного канала на основе метода геометрической оптики для нестационарной неоднородной анизотропной ионосферы
- Спектр передаточной характеристики по медленному времени
Введение к работе
Актуальность работы. В современных условиях высоких технологий роль ионосферного КВ-канала непрерывно возрастает [1-3] Под ионосферными мы имеем ввиду радиоканалы для связи, пеленгации, локации В связи с огромной изменчивостью радиоканала [4-9], необходимо решение многопараметрической задачи определение количества мод распространения, учет вариаций амплитуд и фаз каждой из них, тонкой пространственно-временной структуры поля в зоне приема [9-11] В настоящее время известно достаточно большое количество работ, описывающих ионосферное распространение радиоволн [4-11] Однако в них глубоко проработаны отдельные аспекты, в частности, учет влияния регулярных вариаций ионосферных параметров на характеристики KB, в основном, решен
Наибольшую трудность представляет учет случайных факторов перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ), явления F-рассеяния, случайных естественных и искусственных неоднородностеи электронной концентрации Учет влияния ПИВ может быть осуществлен в геометрооптическом приближении [12] Задача учета рассеяния на неоднородностях крайне сложна и, как нам представляется, для практической реализации может быть решена в феноменологическом приближении [1,2]
Задача еще более усложняется, т к в последнее время наблюдается устойчивая тенденция по возрастанию требований к характеристикам систем передачи сообщений (СПС) и устройствам обработки сигналов (УОС). к их надежности и производительности [3] Наряду с СПС, использующих новые виды сигналов и способы их кодирования, разрабатываются системы связи и системы пеленгации с адаптацией, с пространственно- частотно-, поляризационно-временной обработкой полей Наиболее широкое применение они находят при разработке современных цифровых программно-аппаратных комплексов [3]
Современное состояние экспериментальной базы, основанной на современных цифровых программно-аппаратных средствах, позволяет провести комплексные исследования [7-9,12] Подобные экспериментальные целенаправленные исследования дорогостоящи Поэтому при их планировании необходимо уметь предсказывать, т е моделировать ожидаемые результаты
В общем случае такое моделирование должно объединять в себе прогноз состояния ионосферы, данные о геомагнитном поле, прогноз поля помех, методы расчета МПЧ, модовой и лучевой структуры сигнала, возможность определения траекторных и энергетических характеристик отдельных лучей, способов восстановления статистических, корреляционных, временных, пространственных, поляризационных характеристик интерференционного поля в зоне приема В итоге модель должна обеспечивать получение амплитудно- и фазочастотных характеристик канала и описывать их динамику в пространственно-временной области
Неоценимые данные такая модель способна дать и при интерпретации новых результатов, полученных во время комплексных экспериментальных исследований на основе вертикального (ВЗ) и наклонного зондирования (НЗ) ионосферы узкополосными и широкополосными сигналами в различных гелио- и геофизических условиях В том числе, в условиях естественной и искусственной возмущенное ионосферной плазмы на ее основе могут быть разработаны новые методы мониторинга подобных возмущений и оценки их основных частотных, временных, пространственных параметров
В связи с этим исследования, приведенные в диссертации, преследовали следующие цели
Разработку адаптивного метода расчета пространственно-временных полей ДКМВ, обладающего не только прогностическими возможностями, но и позволяющего определять динамически изменяющиеся квазимгновенные передаточную и импульсную функции ионосферного радиоканала, а также статистические, частотные, пространственные характеристики сигналов, отраженных от ионосферы
Теоретическое исследование свойств пространственно-временных полей ДКМВ в заданной частотно-пространственно-временной области на среднеширот-ных трассах различной протяженности и ориентации
Развитие спектральных методов комплексных измерений статистических, частотных, пространственных и временных характеристик сигналов, отраженных от ионосферы
Комплексные экспериментальные исследования характеристик распространения ДКМВ на основе развитого спектрального подхода к оценке характеристик распространения и адаптивного метода расчета полей ДКМВ Проверка основных положений развитых методов
Разработка методов мониторинга пространственно-временной структуры невозмущенной, естественно и искусственно возмущенной ионосферы на основе комплексных измерений характеристик сигналов и адаптивного метода расчета поля ДКМВ в зоне приема
Поставленные цели предполагали решить следующие задачи'
Выполнить аналитический обзор современных подходов к моделированию ионосферного радиоканала и на этой основе разработать общую классификацию моделей КВ-канала, определить место разрабатываемой модели в общей иерархии
Осуществить анализ имеющихся экспериментальных данных по распространению высокочастотных волн (ВЧ волн) в неоднородной магнитоактивной ионосфере и сформулировать основные положения, на которых должна базироваться разрабатываемая модель
На основе сформулированных положений разработать эффективные в вычислительном отношении методы расчета и прогнозирования основных частот-
ных характеристик распространения радиоволн, отраженных от ионосферы, учитывающих трехмерную неоднородность и анизотропию ионосферной плазмы
Развить современные методы цифровой обработки сигналов, отраженных от ионосферы, и создать на их основе программно-аппаратные средства для проведения комплексных экспериментальных исследований статистических, частотных, временных, пространственных, энергетических и угловых характеристик распространения ДКМВ
Провести комплексные экспериментальные исследования характеристик распространения ВЧ волн на среднеширотных трассах различной протяженности и ориентации в условиях спокойной, возмущенной и искусственно возмущенной ионосферы
Разработать динамическую структурно-физическую модель (ДАСФ-модель) радиоканала и протестировать ее в натурных экспериментах в различных гелио- и геофизических условиях при распространении узкополосных и широкополосных сигналов (без ограничений на их длительность и полосу)
Адаптировать ДАСФ-модель для обработки результатов комплексных экспериментов Разработать на этой основе способы диагностики тонкой неоднородной пространственно-временной структуры ионосферной плазмы путем решения обратных задач методом подгонки
Провести имитационное моделирование статистических, временных, частотных, пространственных характеристик распространения ВЧ волн и на этой основе сформулировать практические рекомендации для новых современных цифровых систем зондирования, связи и пеленгации
Научная новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами, разработанными методами их решения, впервые полученными результатами и состоит в следующем
Установлено, что на среднеширотных трассах протяженностью от 500 км до 3000 км на частотах меньших 0 95 от МПЧ, дополнительного затухания по отношению к столкновительным потерям не существует
Применительно к обработке сигналов, отраженных от ионосферы развит многооконный метод спектрального оценивания основных энергетических, временных, частотных характеристик ВЧ волн С его помощью проведена селекция модовой структуры сигнала и для каждой моды исследован параметр мутности ионосферы на наклонных трассах протяженностью до 6500 км Установлено доминирование зеркальных компонент сигнала над рассеянными
Исследованы угловые характеристики рассеянного поля в естественных невозмущенных условиях и условиях модификации среднеширотной ионосферы нагревным стендом 'Сура' Они позволили установить и интерпретировать объемный эффект рассеяния радиоволн при прохождении солнечного терминатора.
На трассах средней протяженности в спокойных ионосферных условиях обнаружен, проанализирован и объяснен эффект модуляции амплитуды лучей Пе-дерсена отдельных магнитоионных компонент влиянием вертикальных расслоений плазмы в области F Предложено использовать указанный эффект для диагностики тонкой неоднородной структуры ионосферной плазмы
Разработан новый метод мониторинга перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) по результатам наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы Его результаты не противоречат традиционным методам диагностики
Для систем с пространственно разнесенным приемом разработаны новые методы корреляционного обнаружения и локализации сигналов в частотно-временной области, для систем пеленгования предложен метод подавления влияния многолучевости на точностные характеристики интерферометрических угломерных комплексов Впервые введены и исследованы не зависящие от свойств зондирующих сигналов понятия полосы когерентности, времени стационарности и пространственной полосы когерентности
На основе теоретических и экспериментальных исследований создана ДАСФ-модель Она включает два блока. Первый - модель пространственного распределения электронной концентрации на основе IRI-200I, адаптируемая к текущим данным вертикального и наклонного зондирования (ВЗ, НЗ) Второй - геомет-рооптический метод расчета характеристик распространения радиоволн в неоднородной магнитоактивной ионосфере, свободный от ограничений, которые связаны с особыми точками расширенной системы лучевых уравнений Модель позволяет учитывать реальные механизмы формирования поля отраженных от ионосферы ВЧ волн и диагностировать радиоканал путем решения обратных задач методом подгонки
Разработана имитационная модель, позволяющая описывать временные, частотные, пространственные вариации радиоканала на основе динамически меняющейся передаточной характеристики
Достоверность полученных результатов, научных положений и выводов подтверждается применением современных цифровых методов моделирования и обработки результатов экспериментов, высокой разрешающей способностью разработанных программно-аппаратных средств, комплексностью исследований для различных гелио- и геофизических условий распространения, соответствием результатов экспериментальных и теоретических исследований, а также экспериментальными данными, полученными другими авторами
Практическая значимость полученных в диссертации результатов объясняется следующими факторами
1 ДАСФ-модель позволяет в полном объеме реализовать метод цифрового адаптивного моделирования ионосферного радиоканала без ограничения на длительность и полосу сигнально-кодовых комбинаций
Имитационная модель ионосферного радиоканала позволяет проводить исследования систем наклонного зондирования, связи и пеленгации в гелио- и геофизических условиях максимально приближенных к реальным, и получать еще на стадии разработки исчерпывающую информацию об их свойствах и возможностях Это позволяет сократить сроки разработки современных программно-аппаратных радиосистем и позволяет уменьшить объем испытаний на реальных радиотрассах
Созданы новые методы и алгоритмы обработки сигналов ЛЧМ-зондирования ионосферы, которые позволяют автоматически формировать в цифровом виде дистанционно-частотные (ДЧХ) и амплитудно-частотные (АЧХ) характеристики отдельных мод и лучей распространения определять интервалы много-лучевости, ННЧ и МНЧ отдельных мод, находить спектральную плотность шумов вычислять вторичные параметры широкополосного и узкополосного радиоканала на контролируемых частотах полосы когерентности, отношение сигнал-шум, коэффициента мутности, вероятности ошибки и надежности связи
Разработаны и доведены до практического использования методы подавления влияния многолучевости на работу интерферометрических угломерных радиосистем, корреляционный способ обнаружения и локализации сигналов в частотно-временной области, способ построения цифрового программно-аппаратного комплекса для однопозиционного местоопределения источников радиоизлучения (ИРИ) диапазона ДКМВ
ДАСФ и имитационная модели используются в настоящее время при разработке цифровых программно-аппаратных комплексов многочастотного наклонного зондирования, НЗ сигналами ЛЧМ, включая алгоритмы многоуровневой пороговой очистки, первичной и вторичной обработки ЛЧМ-ионограмм, однопозиционного местоопределения координат ИРИ диапазона ДКМВ
Реализация результатов работы. Работа выполнена в соответствии с планом госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских тем, проводимых лабораторией распространения радиоволн физического факультета Южного федерального университета и отделом ближнего космоса НИИ физики при ЮФУ в течение 1980-2006 гг Отдельные разделы работы вошли составной частью хоздоговорных научно-исследовательских тем "Строфа', ' Чек , "Шарм*, выполненных в ЮФУ по государственным заказам на конкурсной основе Часть результатов получена в рамках НИР выполняемых при поддержке РФФИ (гранты № 02-05-64383, №03-05-65137, №02-02-17475. №05-05-08011, № 06-02-16075), гранта CRDF-RPO-1334—N0-92 и фанта INTAS №03-51-5583 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 модель широкополосного ионосферного радиоканала- в ФГУП "НПП"Полет* (г Нижний Новгород) и в ФГУП 'ТКБ' Связь" (г Ростов-на-Дону), методы обработки результатов ЛЧМ-
зондирования ионосферы с получением дистанционно-частотных и амплитудно-частотных характеристик, идентификации мод и вторичной обработки ионограмм -в ФГУП 'НПП 'Полет" (г Нижний Новгород) и в ФГНУ НИРФИ' (г Нижний Новгород), методы спектральной обработки сигналов на основе модифицированного многооконного метода спектрального анализа - в ФГНУ НИРФИ" (г Нижний Новгород), результаты теоретических и экспериментальных исследований угловых характеристик ДКМВ, способы построения цифровых программно-аппаратных средств для их измерения и методы однопозиционного местоопределения координат источников излучения на основе разработанной адаптивной модели ионосферного канала- в ФГУП "ГКБ"Связь" (г Ростов-на-Дону)
Некоторые материалы диссертации используются в учебном процессе физического факультета Южного федерального университета по специальности 'Радиофизика" в курсах 'Каналы передачи данных", 'Современные методы спектрального оценивания", 'Физика волновых процессов", а также при выполнении курсовых, дипломных работ и подготовки магистерских диссертаций
Личный вклад автора. Диссертация обобщает результаты теоретических и экспериментальных исследований, в получении которых участие автора было определяющим, а также в соавторстве, в основном, с сотрудниками ЮФУ и ФГНУ НИРФИ" Во всех работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежат постановки задач в части, относящейся к имитационному адаптивному моделированию и цифровой обработке результатов измерений Методические, программно-алгоритмические разработки, численное имитационное моделирование, получение, обработка и интерпретация результатов экспериментальных исследований на радиотрассах различной протяженности и ориентации выполнены под руководством и при непосредственном участии автора Экспериментальные исследования с использованием Российской сети станций наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы были организованы и проведены совместно с В П Урядовым (ФНГУ 'НИРФИ'), В И Куркиным (ИСЗФ СО РАН), В А Валовым (ФГУП "НПП"Полет"), исследования с использованием нагревного стенда "Сура' были организованы и проведены совместно с В П Урядовым и В Л Фроловым (ФНГУ "НИРФИ")
На защиту выносятся следующие положения.
На среднеширотных трассах протяженностью до 3000 км на частотах меньших 0 95 от МПЧ, дополнительного затухания, вызванного рассеянием на случайных неоднородностях, по отношению к столкновительным потерям не существует Прогнозирование энергетических потерь в радиоканалах полностью обеспечивается газокинетической моделью эффективной частоты соударений электронов
Многооконный метод спектрального оценивания основных характеристик ВЧ волн при наклонном зондировании ионосферы узкополосными и широкополосными сигналами Результаты исследований с его помощью статистических.
частотных и временных свойств разделенных зеркальных и рассеянных компонент поля в условиях естественной и искусственно модифицированной ионосферы
Интерпретация эффекта модуляции амплитуды лучей Педерсена отдельных магнитоионных компонент в спокойных ионосферных условиях влиянием вертикальных расслоений плазмы в области F Использование указанного эффекта для диагностики тонкой неоднородной структуры ионосферной плазмы
Метод мониторинга перемещающихся ионосферных возмущений по данным наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы, основанный на автоматической цифровой регистрации и обработке ионограмм НЗ с последующим решением обратной нелинейной задачи
Методы корреляционного обнаружения и локализации сигналов в частотно-временной области для систем с пространственно разнесенным приемом метод подавления влияния многолучевости на точностные характеристики интерфе-рометрических угломерных комплексов, которые составили основу способов построения современных цифровых программно-аппаратных комплексов однопози-ционного местоопределения источников
Описание пространственно-временных радиоканалов на основе не зависящих от свойств зондирующих сигналов понятий полосы когерентности, времени стационарности и пространственной полосы когерентности Результаты исследования этих характеристик в различных гелио- и геофизических условиях
Динамическая адаптивная структурно-физическая и имитационная модели, позволяющие учитывать реальные механизмы формирования поля отраженных от ионосферы ВЧ волн и описывать временные, частотные, пространственные вариации характеристик распространения и радиоканала в целом на основе динамически меняющейся передаточной характеристики
Апробация результатов работы
Все основные результаты работы и положения, выносимые на защиту, докладывались и обсуждались на Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (XIX -Казань, 1999 г , ХХ-Нижний Новгород, 2002 г , XXI- Йошкар-Ола, 2005 г), на Международной научно-технической конференции "Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах' (IV - Москва, 1994 г ) на Международных конференциях и выставках "Цифровая обработка сигналов и ее применение" (3-я - Москва, 2000 г 6-я - Москва, 2004г 7-я - Москва 2005 г), на Международных научных конференциях "Излучение и рассеяние ЭМВ" (ИРЭМВ-2003 - Таганрог, 2003 г , ИРЭМВ-2005 - Таганрог, 2005 г ) на Millennium Conference on Antennas & Propagation AP2000 (Давос, Швейцария, 2000 г ), на 2-nd European Workshop on Conformal Antennas (Нидерланды, 2001 г ), на (Восьмой) Научной конференции по радиофизике посвященной 80-летию со дня рождения Б Н Гершмана (Нижний Новгород, 2004 г ). на (Десятой) Научной конференции по радиофизике, посвященной 90-летию ННГУ и 100-летию со дня рождения
Г С Горелика (Нижний Новгород, 2006 г ), на Региональных конференциях по распространению радиоволн (XXII - Санкт-Петербург, 1997 г ,Х - Санкт-Петербург, 2004 г), на COSPAR Scientific Assembly (35,h - Париж, 2004 г 36,h - Китай,
г ), на VI International Suzdal URSI Symposium 'Effects of Artificial Action on the Earth Ionosphere by Powerful Radio Waves" (Москва, 2004 г ), на 11 International Conference on Antennas and Propagation (ICAP-2001) (Манчестер, Великобритания, 2001 г), на Международных научно-технических конференциях "Радиолокация Навигация Связь" (V - Воронеж, 1999 г, X - Воронеж, 2004 г, XIII - Воронеж,
г), на Второй Всероссийской научной конференции-семинаре "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике" (Муром, 2006 г), на Региональной конференции "Актуальные проблемы моделирования на ЭВМ систем передачи информации" (Новосибирск, 1990 г), на Международной конференции "100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники" (Москва, 1995 г ), на III международной конференции 'Солнечно-земные связи и электромагнитные предвестники землетрясений" (ИКИР ДВО РАН, 2004 г), на Межвузовской научно-технической конференции 'Проблемы развития систем и техники связи" (Новочеркасск, 1999 г)
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 136 печатных работ в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе в журналах "Успехи физических наук", "Геомагнетизм и аэрономия", "Математическое моделирование", "Радиотехника", "Изв вузов Радиофизика", "Радиотехника и электроника", 'Изв вузов Радиоэлектроника", "Электромагнитные волны и электронные системы", "Изв вузов Сев -Кавк регион Естеств науки", "Радиофизика и Радиоастрономия", "Труды НИИР", "International Journal of Geomagnetism and Aeronomy", 'Annates Geophysicae" (из них 26 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов докторских диссертаций), получено 9 патентов РФ и 1 свидетельство РФ о регистрации программного обеспечения
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 432 страниц текста, 96 рисунков, 5 таблиц, библиофафию из 461 наименования
Математическое описание сигналов на выходе каналов связи
На основе ДАСФ-модели оценено влияние на статистические и корреляционные характеристики ДКМ полей и каналов суточных, сезонных и ге-лиоциклических вариаций ионосферы, прослежена их изменчивость в зависимости от протяженности трассы, рабочей частоты и параметров ПИВ. Результаты получены методом численного эксперимента для среднеширотных трасс. Установлено, что статистические характеристики поля существенно зависят от величины временной выборки. При выборке до 40 с функция распределения уровней практически не описывается распределением Релея и, как правило, имеет многомодальную структуру. С увеличением продолжительности сеанса распределение "расширяется" и имеет менее выраженную многомодальность. Количество ситуаций, в которых по статистическим критериям распределение Релея не противоречит статистике флуктуации амплитуд суммарного поля в точке приема увеличивается не более чем до 50%. Временная автокорреляционная функция флуктуации уровня поля в точке приема всегда имеет вид затухающей косинусоиды. Распределения фаз при длине выборки более 5 минут приближается к равномерному.
Применительно к функционированию современных цифровых радиосистем с пространственно разнесенным приемом, а также цифровых интер-ферометрических систем радиопеленгации введено понятие частотно-временной корреляционной функции, найденной пространственным усреднением поля ДКМВ по апертуре антенной решетки. В предположении 8-коррелированности шумов и некоррелированности сигнала и шума получено аналитическое выражение для этой функции через динамическую передаточную функцию ионосферного канала. Показано, что отражая свойства ионосферного канала, введенная функция служит основой построения решающего правила для частотно-временной локализации сигнала. Как следствие, сформулирован алгоритм частотно-временной локализации на основе корреляционного порогового критерия угловой близости частотно-временных компонент принимаемого сигнала. Установлено, что метод способен идентифицировать компоненты сигналов, принадлежащих одному источнику в полосе до 2 МГц на интервалах времени до 5 минут.
Проанализированы потенциальные возможности метода однопозици-онного местоопределения (МО) источника радиоизлучения (ИРИ) в диапазоне ДКМВ. Рассмотрены основные факторы, ограничивающие точность решения обратной задачи однопозиционного МО: ошибки определения углов прихода и ошибки задания профиля ионизации в ионосфере при восстановлении лучевой траектории. Рассмотрены возможные подходы коррекции пространственного распределения электронной концентрации: использование результатов пеленгования реперных ИРИ с высокостабильной частотой, данных ВЗ или НЗ. Предложено в качестве альтернативного подхода для решения обратной задачи однопозиционного МО применять разработанную модель канала с использованием полуэмпирических адаптируемых моделей ионосферы. Установлено, что в этом случае ошибки оценки расстояния, которые могут быть устранены путем текущей коррекции, имеют величину порядка 1% для Е-моды и порядка 10-12% для F-моды.
Проанализирована общая математическая модель угломерных комплексов, работающих по интерферометрическому принципу. Методом асимптотического разложения динамической передаточной характеристики оценены погрешности измерения двухмерных угловых координат ИРИ, обусловленные многолучевым распространением ДКМВ. Предложен способ эффективного (до 10-ти раз) уменьшения влияния многолучевости на качество определения углов прихода путем статистического углового усреднения фаз относительных линейных комбинаций напряжений на антенных элементах решетки интерферометра.
В пятой главе обоснованы способы построения аппаратных средств, методов и алгоритмов цифровой обработки сигналов для комплексной пассивной диагностики ионосферы на основе использования сети постоянно действующих узкополосных и широкополосных передатчиков ДКМВ. В главе представлены результаты регулярных наблюдений условий ионосферного распространения KB на радиолиниях различной протяженности и ориентации, полученные на базе сети источников с непрерывным узкополосным излучением (станция точного времени РВМ и вещательные радиостанции, около 200 000 сеансов) и сети ЛЧМ-ионозондов (Кипр, Инскип, Иркутск, Хабаровск, Магадан, Норильск, около 500 000 ионограмм НЗ). В период 2002-2005 гг. получены обширные многомесячные непрерывные данные по амплитудным, угловым, дистанционно-частотным и амплитудно-частотным характеристикам ионосферного КВ-канала, регистрация и обработка которых проводилась в автоматическом режиме с помощью разработанных программно-аппаратных комплексов пассивной диагностики характеристик распространения ДКМВ. Показано, что метод комплексного наклонного зондирования с высоким разрешением по углам прихода радиоволн, времени группового запаздывания и частоте позволяет уверенно получать все необходимые характеристики распространения для тестирования моделей ионосферы и ионосферного канала, а также детектировать тонкую пространственно -27 частотно-временную структуру ионосферных возмущений естественного и искусственного происхождения. Результаты адаптивного моделирования условий экспериментов с использованием ДАСФ-модели подтвердили не только достоверность положений, лежащих в ее основе, но и позволили дать объяснение ряду эффектов, обнаруженных впервые.
Для анализа многочисленных экспериментальных результатов реализован спектральный подход получения характеристик ионосферного распространения радиоволн, основанный на модифицированном адаптивном многооконном методе спектрального анализа [22]. Метод основан на разложении спектральной плотности мощности (СПМ) сигнала в ряд по базису, образованному вытянутыми сфероидальными волновыми функциями (ВСВ), которые являются собственными функциями ядра Дирихле. Проверка значимости оценки дискретной компоненты на частоте /0 основано на дисперсионном отношении, к которому приводит сравнение выделенной непрерывной СПМ с оценкой мощности дискретной составляющей сигнала. Если оценка значима, то форма спектра в окрестности частоты /0 изменяется и имеет вид суммы СПМ зеркальной и рассеянной компонент сигнала. Преимущества этого способа оценивания СПМ состоят в детерминированном выборе спектральных окон, способности работать с короткими временными выборками, дисперсионном анализе дискретных компонент, высоком спектральном разрешении, способности раздельной оценки СПМ дискретных (зеркальных) и непрерывной (рассеянной) компонент сигналов, отраженных от ионосферы. Одновременно в предположении, что цифровая полоса анализа существенно превышает полосу принимаемого сигнала, предложен гистограммный способ оценки СПМ шума, что обеспечивает определение спектральным методом анализа суммарной мощности сигнала, уровня шумов и отношения сигнал-шум.
Результаты зондирования широкополосными сигналами
В работе [104] приведены полученные нами новые данные о гирогар-монических свойствах сигналов ракурсного рассеяния радиоволн на неодно-родностях с/± «11-16 м, полученные во время экспериментов, проведенных в августе 2004 г. При этом регистрировались сигналы станции точного времени РВМ (Москва) одновременно на двух частотах 9996 и 14996 кГц. Масштабы рассеивающих неоднородностей поперек магнитного поля для этих двух частот составляли примерно 11 и 16 м, соответственно. В первом случае частота четвертой гирогармоники была 5.36 МГц. Спектр рассеянного сигнала был "узким" ( 0.5 Гц) в случае, когда частота fBH ВН была ниже 4fh. Его ширина существенно увеличивалась до 3 Гц уже при fBH = 4fh и продолжала нарастать до 10Гц (для 14996 кГц) с ростом частоты ВН до 5.40 МГц. Для частоты зондирования 9996 кГц максимальная ширина спектра рассеянного сигнала 6 Гц наблюдалась уже при fBH =5.38 МГц, и имело место его обужение при более высокой частоте ВН. Из этих результатов измерений также следует, что ширина спектра обратно пропорциональна масштабу рассеивающих неоднородностей или прямо пропорциональна частоте пробного сигнала. Таким образом, полученные данные позволяют заключить, что в случае рассеяния на неоднородностях с lL «11 м максимальная ширина спектра рассеянного сигнала наблюдается, когда частота ВН приблизительно на 40 кГц выше частоты гирогармоники, для 16 м-неоднородностей эта величина смещения несколько меньше, 20-30 кГц.
Полученные нами экспериментальные данные позволяют также оценить характерные времена формирования широкого спектра после включения ВН (?j) и его перехода к узкому типу спектра после ее выключения (/2): tx «3-5 с, t2 \ с. При этом время t2 оказывается существенно меньше характерного времени жизни рассеивающих неоднородностей, которое для /± «11 м составляет в обычных условиях 5-10 с. Последнее является свидетельством того, что уширение спектра рассеянного сигнала должно определяться индуцированным нагревом плазмы внутренними относительными движениями рассеивателей в возмущенной области ионосферы, причем скорость таких движений должна быть 100 м/с, не являться однонаправленной и не должна зависеть от их масштаба. Заметим, что природа таких движений до настоящего времени не вполне ясна.
В работах [105-110] представлены наши результаты экспериментальных исследований влияния на характеристики KB сигналов ИИТ, создаваемой при воздействии на ионосферу мощным радиоизлучением нагревного стенда "Сура". В основе работ лежат результаты экспериментов, проведенных в августе и октябре 2003 г. с использованием различных методов диагностики ионосферы: наклонное ЛЧМ-зондирование, доплеровский КВ-радар и ракурсное рассеяние на искусственных мелкомасштабных неоднородно-стях, создаваемых на высотах F-области с помощью мощного наземного радиоизлучения. Оба периода наблюдений сопровождались магнитными бурями. Целью экспериментов было исследование условий формирования поля KB сигналов на трассах различной протяженности, в том числе на частотах, превышающих максимально применимую частоту (МПЧ) стандартного скач-кового распространения, а также диагностика магнитосферно/ионосферных эффектов магнитных бурь путем локации модифицированной F области ионосферы с помощью бистатического доплеровского КВ-радара. Исследованы ионосферные эффекты магнитной бури, сопровождавшей период проведения эксперимента, по данным измерений доплеровского смещения частоты сигналов, рассеянных ИИТ. Представлены результаты экспериментальных исследований влияния ионосферных возмущений, как проявления отклика магнитной бури, на ДЧХ ионосферного канала в евроазиатском долготном секторе. Первая компания проходила 18-22 августа 2003 г. в период времени с 20:00 до 24:00 LT (LT=UT+4). Наиболее яркий эффект влияния ИИТ на дальнее распространение KB был получен 19 августа на радиолинии Иркутск-Сура-Ростов-на-Дону и проявился в появлении дополнительного сигнала на частотах выше максимально наблюдаемой частоты (МНЧ) при отражении от F-слоя в полосе частот 3-4 МГц во время работы нагревного стенда. Важно отметить, что в этот период принимался достаточно интенсивный сигнал, обусловленный отражением от спорадического слоя Es с максимальной наблюдаемой частотой 23-24 МГц, само появление которого, может быть также связано с ионосферными эффектами развития магнитной бури.
В период магнитной суббури 20-22 августа ДСЧ рассеянного сигнала достигал значений 8-10Гц. Интересно отметить, что в магнитно-возмущенный период наблюдались спорадически возникающие цуги квазипериодической модуляции ДСЧ рассеянного сигнала с периодом 40-60 с и амплитудой, доходящей до 2 Гц. При этом в отдельных случаях наблюдался как общий рост ДСЧ, так и уменьшение ДСЧ. В относительно спокойный день 19 августа квазипериодические вариации в доплеровском спектре рассеянного сигнала не наблюдались. Следует отметить, что такого рода вариации не регистрировались и в доплеровском спектре прямого сигнала во все дни наблюдений.
По данным доплеровских измерений для бистатического расположения КВ-радара определены скорости дрейфа неоднородностей, ответственных за ракурсное рассеяние радиоволн, в направлении ортогональном магнитному полю вдоль биссектрисы угла, составляемого направлениями из области рас -74 сеяния на передатчик и приемник зондирующего сигнала. Оценки показывают, что в относительно спокойной ионосфере (19 августа) измерялась северовосточная компонента скорости дрейфа неоднородностей, которая составляла величину 20 м/с. Во время магнитной бури (20-22 августа) измеряемое направление скорости дрейфа сменилось на юго-западное, а величина скорости выросла до 186 м/с, т.е. до значений, характерных для высокоширотной ионосферы. Оценки электрического поля, сделанные по скорости ЕхВ дрейфа, показывают рост значений поля Е в верхней ионосфере от 1 мВ/м в спокойных условиях до 8.6 мВ/м во время магнитной бури.
Вторая кампания проходила 20-25, 29-31 октября 2003 г. Проводились патрульные наблюдения на российской сети ЛЧМ-ионозондов, принимались также сигналы ЛЧМ-зонда, расположенного в Англии (Инскип). Таким образом, по данным наклонного зондирования контролировался обширный евроазиатский долготный сектор от Хабаровска до Англии. Особенно сильная возмущенность геомагнитного поля имела место 29-30 октября и была вызвана магнитной бурей, начавшейся в 06:00 UT 29.10.2003 г. резким увеличением модуля межпланетного магнитного поля с 10 до 35 нТл и резкой сменой ориентации Bz компоненты на южное направление с величиной Bz =-25 нТл.
Указанные эффекты были вызваны мощной солнечной вспышкой. Установлено, что во время магнитных бурь ионосфера средних широт приобретает черты высокоширотной ионосферы и это сказывается на появляемости достаточно интенсивных аномальных сигналов, связанных либо с рассеянием на интенсивных мелкомасштабных неоднородностях, либо с боковым отражением радиоволн от северной стенки ионосферного провала или от крупномасштабных структур типа глобул с повышенной электронной концентрацией, появляемость которых коррелирует с магнитной активностью и которые могут перемещаться на средние широты во время магнитной возмущенности. Такие сигналы могут приводить к ухудшению работы радиоэлектронных систем различного назначения. Во время магнитной бури на ЛЧМ-ионограммах для трасс Иркутск-Ростов-на-Дону, Хабаровск-Ростов-на-Дону и Инскип-Ростов-на-Дону наблюдались дополнительные сигналы.
Структурно-физическая модель ионосферного канала на основе метода геометрической оптики для нестационарной неоднородной анизотропной ионосферы
Ионосферные условия распространения на трассе задаются четырехмерным распределением электронной концентрации, зависящим от сферических координат ( р,в,г) и времени t. Очевидно, что для целей моделирования ионосферного радиоканала из всех перечисленных ионосферных моделей в качестве базовой модели пространственного распределения ионизации N0((p,6,r,t) следует выбрать ту, которая удовлетворяет следующим требованиям: - содержать всю необходимую информацию для реализации возможностей выбранного математического аппарата расчета траекторий, а ее точность должна соответствовать точности метода; - носить глобальный планетарный характер; - должна быть обеспечена доступным прогнозом высотного профиля ионизации и всех ее параметров, в том числе в исходных кодах на языке высокого уровня; - должна допускать адаптацию к реальным условиям по основным, измеряемым на практике параметрам; - с точки зрения оперативности при моделировании канала решающим может стать вычислительный аспект.
Перечисленным требованиям в значительной степени удовлетворяют модели "Ching-Chiu", СМИ-85 и Международная справочная модель ионосферы - IRI. Как следствие, с целью повышения оперативности расчетов трехмерных распределений электронной концентрации в первоначальных вариантах ДАСФ-модели декаметрового радиоканала была использована модель "Ching-Chiu" [36-40]. При этом она была дополнена в нижней ионосфере квазипараболическим слоем D, параметры которого, как и в [234-236], определялись на основе карт эмпирического поглощения обыкновенной волны на частоте 2.2 МГц при вертикальном распространении [222]. Однако опытная эксплуатации ДАСФ-модели, и прежде всего применительно к обработке и интерпретации результатов пеленгования и однопозиционного местоопре-деления источников радиоизлучения диапазона ДКМВ, показала, что модель ионосферы "Ching-Chiu" неадекватно описывает высотное распределение ионизации в годы минимума солнечной активности, как и отмечалось в [256,257]. В связи с тем, что модель "Ching-Chiu", хотя и удобна для теоретических исследований, но требует существенных доработок. От нее в последствии пришлось отказаться [41,263], сделав выбор в пользу прогностической справочной модели ионосферы - International Reference Ionosphere 1995 - (далее IRI-95), а затем более поздней ее версии IRI-2001, разработанной Рабочей группой в рамках URSI и COSPAR [113,114].
На сегодняшний день модель IRI полностью удовлетворяет перечисленным выше требованиям. Модель относится к классу эмпирических и базируется на всех имеющихся в наличии исследователей источниках. Для заданных координат, даты и времени суток IRI-2001 описывает электронную плотность, электронную температуру, ионную температуру, ионный состав в высотном диапазоне от 50 км до, примерно, 2000 км, а также дает полное электронное содержание.
Понятно, что значение плазменной частоты f , которое необходимо для нахождения входящих в уравнения (3.17) значений v и ее пространственных и временных производных, может быть вычислено в любой пространственно-временной точке. Однако проводить расчеты по модели IRI на каждом шаге при интегрировании системы нелинейных дифференциальных уравнений неразумно, особенно, если преследуется цель построения эффективного в вычислительном отношении алгоритма модели ДКМ-канала. Поэтому выбран рациональный подход, при котором пространственно-временное распределение электронов восстанавливается по N0 (г) -профилям, найденным в узловых пространственно-временных точках ( .,0., ). Для этого окрестность точки (ср0,в0) излучения (передатчика) разбивается пространственной сеткой [ р{,0.,гт },/ = 0,...,I-l;j = 0,...,7-1; т = 0,...,М-1,
где I, J и М - число узлов сетки по угловым координатам и высоте. Аналогичным образом временной отрезок, на котором планируется имитация ДКМ-канала, делится на отрезки с заранее выбранным шагом. В результате получается равномерная пространственно-временная сетка \(pi,0j,rm,tk ) в пространстве координат ( p,9,r,t). Выбор равномерного шага продиктован стремлением обеспечить максимальное быстродействие при вычислении распределения N0((p,6,r,t). Сам же таблично заданный профиль ионизации с носителем \(p ej,rm,tk } представляется кубическим четырехмерным сплайном по переменным ((p,6,r,t) [264]. Чтобы описать детали динамики ионосферной плазмы, обусловленные движением терминатора, шаг сетки по высоте не должен превышать 2.5 км, а по времени - 600 с
В целях привязки модели IRI к значениям эмпирического поглощения П22 обыкновенной волны при вертикальном распространении на частоте 2.2 МГц предусмотрена возможность коррекции высотного распределения ионизации ниже максимума Е-слоя ионосферы - в области высот h0 h hmDE, где hmD hmDE hmE. Для этого в каждой точке трехмерной сетки \(pi,ej,tk } (носитель сплайн-функции) предварительно прогнозируются значения Щь по методикам, представленным в работе [222]. Высотное распределение ионизации Ne(r) в области hQ h hmDE для каждого узла носителя сплайн-функции корректируется по следующей формуле: где Ne0 (г) - высотный профиль до коррекции в D-области, a. aD - высотный параметр, подлежащий определению по прогнозному значению ЩкК hmDE=100 км - высота, ниже которой осуществляется коррекция вертикального профиля ионоизации. Очевидно, что aD = 0 соответствует отсутствию коррекции ионизации в D-области. Высотный параметр aD подбирается таким образом, чтобы обеспечить в каждом узле носителя сплайна совпадение расчетного поглощения обыкновенной волны при вертикальном распространении на частоте 2.2 МГц с прогнозным значением Щр с заданной точностью (не хуже 0.5 дБ). Алгоритм решение этой задачи весьма прост и состоит, в основном, в следующем. Расчетное значение поглощения ц2 сравнивается с прогностическим Dyk . Высотный параметр aD увеличивается с постоянным шагом, если ЦІ Щ и уменьшается, в противном случае. После того, как найден отрезок значений aD, на котором разность Щ[ - Щк2 изменяет знак, применяется метод секущих.
Итак, распределение электронов в пространстве и во времени становится заданным, как только в узлах сетки станут известны параметры высотных Л е(/г)-профилей. Следует подчеркнуть, что этого можно достичь двумя путями: либо воспользоваться прогнозом, как это описано выше, либо непосредственно задать значения параметров по данным текущей диагностики (адаптация к текущим ионосферным условиям). Возможен, естественно, и компромиссный вариант, когда часть параметров прогнозируется, а остальные либо задаются непосредственно, либо корректируются в одной или нескольких точках по данным текущей диагностики.
Заметим, что такой подход не только обеспечивает высокую скорость вычислений, но и удовлетворяет необходимым при решении системы (3.17) требованиям непрерывности зависимости плазменной частоты и ее производных первого и второго порядков от пространственных координат.
Неоднородность ионосферы в окрестности точки излучения и ее временная нестационарность, связанная с движением среднемасштабных возмущений волновой природы, учитывается моделированием ВВ цугом бегущих монохроматических волн [179,210,213-215]:
Спектр передаточной характеристики по медленному времени
Остановимся теперь кратко на основных свойствах ВС, полученных в результате численного моделирования ионосферного канала, выполненного с помощью ДАСФ-модели [36-41,328-332] на трассах 100-5000 км и охватывающего различные сезоны, уровни солнечной активности, ночные, дневные и восходно-заходные часы суток. Параметры ВВ при имитационном моделировании соответствовали наиболее вероятным для выбранных условий. Остановимся кратко на основных методических моментах численного моделирования.
Поскольку лучевая структура в рамках ДАСФ-модели ионосферного канала известна точно, то вычисления проводились отдельно для каждого парциального луча, формирующего суммарную передаточную функцию КС. На квазипериоде ВВ выбирались примерно 30 равноотстоящих точек с шагом 60 с. Для каждой их них на заданной центральной частоте, на отрезке длительностью 300 с табулировались изменения передаточной характеристики канала во времени 8192 отсчетами. Затем с помощью алгоритма БПФ [64,155,362] находился спектры F(Q) при различных длинах выборки (от 1 с до 300 с) такие же, как показаны на рис.4.9. Для каждого спектра определялись эффективная ширина Оэфф и максимальная амплитуда. По полученным данным для каждого луча, наблюдаемого в заданных ионосферных условиях, численно строились зависимости, аналогичные изображенным на рис.4.10 и 4.11. Для обеспечения непрерывности и гладкости эти зависимости аппроксимировались кубическими сплайнами. Непрерывные гладкие сплайн-функции позволяли точно рассчитать интересующие ВС в соответствии с введенными здесь определениями.
Отметим ряд особенностей, присущих времени стационарности. Численное моделирование, в отличие от приведенного аналитического подхода к решению задачи, учитывало временную нелинейность фазы передаточной характеристики до четвертого порядка, одновременно принималось во внимание изменение во времени амплитуд парциальных лучей, которое в линейном приближении отражено в (4.25,4.26).
В результате анализа полученной базы данных выяснилось, что равенства (4.33) и (4.35) дают значения Ту и Та с погрешностью, не превышающей 1-5%. Это свидетельствует, во-первых, о том, что ВС действительно определяется величиной \ddf /dt\, во-вторых, о слабой изменчивости амплитуд лучей за время стационарности радиоканала, в-третьих, о том, что ВС может быть определено по значению производной \дд[fdt\, или, наоборот, последняя, а вместе с ней и ширина спектральной линии, может быть оценена по ВС.
Времена стационарности, полученные по всему объему условий распространения, для моды Е изменяются в диапазоне 100-200 с, для моды F они варьируются в пределах 20-100 с. Заметим, что здесь приведены наиболее вероятные значения интервалов стационарности. В то же время, величины для минимального и максимального ВС, например, при IF отражениях составили соответственно 2 и 150 с.
Для Е-моды летом и в равноденствие время стационарности днем больше, чем в восходные часы суток. Зимой ВС для этих временных интервалов мало отличаются, а иногда наблюдается превышение восходных значений ВС. По результатам моделирования нетрудно проследить тенденцию: зимой ТД /Тв « 1, в период равноденствия Тд /Тв «1.1, летом Тд ІТВ «1.23.
При одинаковой солнечной активности регулярной изменчивости ВС не наблюдается. В свою очередь, частотная зависимость от отношения //МПЧ может в первом приближении считаться линейной. Параметры этой линейной функции зависят от сезона, солнечной активности, протяженности трассы и времени суток (например, для трассы 1000 км при минимальной активности солнца летом в восходные часы суток Ту « -205//МПЧ + 330, а для полудня Ту «-103//МПЧ + 318). С увеличением порядка моды Та убывает, так для 2Е-моды ВС примерно в 1.5-2 раза меньше, чем для 1Е-моды.
Наконец, для необыкновенных лучей Та в большинстве случаев несколько превосходит ВС для обыкновенных лучей (примерно на 5-20 с). Для F-отражений характерны во многом сходные закономерности. Прежде всего, отметим, что ВС примерно линейно убывает от отношения //МПЧ (например, для трассы 1000 км при максимальной активности солнца зимой в полдень Tf « -70//МПЧ + 98.5).
ВС для верхних лучей меньше, чем для нижних. Это уменьшение определяется отношением //МПЧ и, если ограничить верхний луч по уровню 20 дБ относительно нижнего, достигает 50%.
При увеличении порядка моды ВС убывает с коэффициентом пропорциональности примерно 1.5-2. (Так например, для трассы 2500 км в максимуме солнечной активности в полдень Гу для 1F2, 2F2, 3F2 мод распространения принимает соответственно значения 55, 28, 17 с).
Большие значения ВС (100-150 с) характерны для периодов равноденствия. Летом и зимой наблюдаются меньшие значения Tf (30-50 с), что обусловлено, видимо, влиянием взаимной ориентации вектора волновой нормали волновых возмущений и радиотрасс (напомним, что при моделировании зимой и летом ВВ двигались примерно поперек трассам, в то время как осенью - примерно вдоль).
Вариации ВС ото дня к ночи достигают 30%, причем большие значения 7Л наблюдаются в ночные и дневные часы суток, а меньшие - в восходно заходные часы. Это обстоятельство вполне согласуется с тем фактом, что на восходе (заходе) больше нестационарность ионосферной плазмы и, как следствие, наблюдается большая изменчивость доплеровского смещения частоты каждого луча.
Нестационарность ионосферной плазмы, обусловленная движением типичных для средних широт ВВ, сопровождается вариациями интервалов стационарности F-мод распространения относительно медианных за квазипериод значений на ± 40... 60%.
В заключении отметим, что полученные теоретические выводы и результаты численного моделирования экспериментально подтверждены в работе [363]. Используя введенные в данном разделе понятия и определения ВС, авторами работы на трассе Москва-Казань были получены в дневное время следующие значения ВС: 30-200 с, среднее 56 с для частоты 4996 Гц; 18-90 с, среднее 27 с для частоты 9720 Гц; 18-90 с, среднее 24 с для частоты 9996 Гц.
