Исследование особенностей распространения высокочастотных сигналов на наклонных и NVIS радиолиниях в периоды солнечных затмений Текст научной статьи по специальности «Математика»

Радиофизика

Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 2 (1), с. 59-65

УДК 537.86

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ НА НАКЛОННЫХ И NVIS РА ДИОЛИНИЯХ В ПЕРИОДЫ СОЛНЕЧНЫХ ЗАТМЕНИЙ

© 2012 г. В.А. Иванов, Д.В. Иванов, Н.В. Рябова, М.И. Рябова

Марийский государственный технический университет, Йошкар-Ола

[email protected]

Поступила в редакцию 07.04.2011

Методом наклонного зондирования изучались вариации максимально наблюдаемых частот исследуемых радиолиний в периоды полных солнечных затмений 2006 и 2008 годов. Развита методика восстановления профиля электронной концентрации в контролируемой точке зондирования (КТЗ). Рассчитаны коэффициенты рекомбинации в КТЗ исследуемых радиотрасс. Исследовано влияние затмения на МУК-ионограммы.

Ключевые слова: ионосфера, полное солнечное затмение, квазизенитное распространение, электронная концентрация, максимально наблюдаемая частота.

Введение

Квазизенитное распространение (КЗР или №УК) решает задачу осуществления радиосвязи на коротких трассах (40-400 км) со сложным рельефом местности [1]. Ведомственная принадлежность пользователей постоянно расширяется. В гражданских целях используют

в телемедицине [2]: для координации действий медицинского персонала, а также контроля за эвакуацией и лечением пациентов во время стихийных бедствий и чрезвычайных ситуаций в регионах с разрушенной или слабо развитой коммуникационной инфраструктурой.

Выбор оптимальной рабочей частоты при КЗР очень важен для установления надежной связи между передатчиком и приемником. Из-за изменчивости среды распространения (ионосферы) системы связи должны работать в адаптивном режиме, используя результаты панорамного зондирования ионосферы и канального зондирования высокочастотных (ВЧ или HF) радиоканалов [3]. Для развития алгоритмов адаптации необходимо проведение исследований вариаций характеристик распространения сигналов, и в первую очередь в периоды редких событий, например, таких как солнечные затмения [4]. Расширение полосы каналов требует исследования дифференциальных частотных характеристик ионосферных линий связи.

Радиоволны, проходящие через область затмения в ионосфере, будут испытывать вариации углов прихода, уровня принимаемого сигнала, доплеровского смещения частоты [5]. Регистрация и анализ этих эффектов в сочетании с

моделированием имеют важное значение для оценки параметров ионосферных процессов и для практики радиосвязи.

Кроме того, солнечные затмения предоставляют уникальную возможность для исследования ионизационно-рекомбинационных процессов в верхней атмосфере Земли, в условиях сравнительно кратковременного и контролируемого изменения интенсивности источника ионизации.

Для исследований важно использовать метод наклонного зондирования ионосферы [3] на трассах большой протяженности. В этом случае ионограмма зондирования трассы определяется профилем электронной концентрации в КТЗ, а максимально наблюдаемая частота (МНЧ) наклонного распространения является индикатором его изменений.

Цель работы: исследование влияния солнечных затмений на ионограммы наклонного зондирования протяженных радиотрасс и КЗР-№УК-распространения, а также их характеристики, оценка параметров ионизационно-рекомбинационного баланса в верхней атмосфере.

Техника эксперимента и условия его проведения

Экспериментальные исследования были проведены с использованием ЛЧМ-ионозонда, созданного в МарГТУ [3]. Основным достоинством ионозонда является сложный широкополосный сигнал с линейной частотной модуляцией, позволяющий применить методы оптимального приема при сжатии сигнала в частот-

Таблица 1

Основные параметры радиолиний

Радиолиния Максимальная фаза Протяженность радиолинии, км Дата затмения Дата контрольного дня

г. Инскип - г. Йошкар-Ола 0.49 3260 29 марта 2006 г. 28 и 30 марта 2006 г.

о. Кипр - г. Йошкар-Ола 0.89 2642 29 марта 2006 г. 28 и 30 марта 2006 г.

г. Иркутск - г. Йошкар-Ола 1 3682 1 августа 2008 г. 31 июля и 2 августа 2008 г.

ной области, что обеспечило отношение сигнал/шум, приемлемое для получения надежных результатов.

Частота зондирующего сигнала изменяется в диапазоне от 4 МГц до 30 МГц со скоростью 100 кГц/с. Для синхронной работы пространственно разнесенных частей ионозондов использовались приемники системы GPS [6].

В приемнике осуществлялась оптимальная обработка зондирующего сигнала. С этой целью сигнал сжимался в частотной области, а его спектр переносился на полосу разностной частоты F £ (0.7 кГц; 1.2 кГц). Далее сжатый аналоговый сигнал преобразовывался в цифровую форму и над элементами длительностью 0.4 с выполнялось быстрое преобразование Фурье. Каждый спектр сигнала разностной частоты представлял собой матрицу-столбец, порядковый номер элементов которой соответствовал задержке принимаемого сигнала, а величина элемента - логарифму его мощности. Отдельные элементы содержали смесь сигнала и шума, а другие только шум. Получаемый спектр имел разрешение 2.5 Гц, что соответствует разрешению по задержке сигнала 25 мкс. Элементы сигнала брались с перекрытием 0.5, и для устойчивости спектральной оценки осуществлялось усреднение четырех последовательных спектров. Поэтому разрешение ионозонда по зондирующей частоте составляло 100 кГц. Последовательность вектор-столбцов представляла собой матрицу - ионограмму наклонного зондирования ионосферы. Порядковый номер столбцов в ней соответствует номиналу зондирующей частоты [7]. Таким образом, матрица-ионограмма содержит информацию о задержке сигнала, его мощности и рабочей частоте. Для снижения влияния помех на результаты измерений был разработан комплексный алгоритм «очистки» ионограмм [8].

Для исследований использовались следующие протяженные односкачковые радиотрассы:

о. Кипр - г. Йошкар-Ола, г. Инскип - г. Йошкар-Ола и г. Иркутск - г. Йошкар-Ола. В таблице 1 представлены основные параметры для указанных радиолиний.

Известно [9], что на состояние ионосферы кроме затмения оказывают влияние вариации

уровня геомагнитной активности. Поэтому нами рассматривались суточные ходы Кр индекса в контрольный день и период затмения для обоих затмений, представленные на рис. 1.

Видно, что в рассматриваемые периоды уровень геомагнитной активности показывает низкие значения и слабую изменчивость своих суточных ходов Кр. Это позволяет сделать заключение о слабом влиянии геомагнитной возму-щенности на значения электронной концентрации в ионосфере. Несколько более высокие вариации и значения индексов Кр 1 апреля 2006 г. могли приводить к возникновению неоднородностей ионосферы и, как следствие, усилению высокочастотной случайной компоненты суточного хода МНЧ.

Результаты эксперимента

В таблице 2 приведены цифровые данные об изменении МНЧ обыкновенного луча моды 1 F2, происходящие во время затмения по сравнению с контрольным днем. Анализ спектрального состава случайной компоненты суточных вариаций МНЧ показал, что 1 апреля 2006 г. спектр был вдвое шире, чем 29 марта 2006 г.

Методика определения электронной концентрации в средней точке трассы

Исследования характеристик профиля электронной концентрации проводились на основе численного эксперимента, который позволял синтезировать ионограммы наклонного зондирования с использованием данных международной модели ионосферы ]Ш, внешними параметрами которой являются: уровень солнечной активности, задаваемый числом Вольфа W, уровень магнитной активности, дата, время и географические координаты точки на Земле. Для определения профиля концентрации в КТЗ радиолиний в заданный момент времени за пределами возмущения модель ионосферы корректировалась за счет изменения W до совпадения расчетной и экспериментальной МНЧ. Для периода возмущения адаптация модели проводилась за счет изменения текущего времени. При этом для моментов времени от начала затмения до минимума хода МНЧ брались вечерние часы, а после него - утренние.

Кр|

Л

Кр

-I

I

III

мШпЛш.

наШя»

12345678 9 101112131415161718192021222324 1 1234667» 9 1011121314 1516171*1920 21 222324 1

б

Кр,

Кр

НННшш

ишЛш

12345678 9 1011121314151617181920 21222324 1 1234567* 9 1011121314151617181920 21222324 1

в г

Рис. 1. Суточный ход Кр индекса: а - 1 апреля 2006 г.; б - 29 марта 2006 г.; в - 2 августа 2008 г.; г - 1 августа 2008 г.

Таблица 2

Абсолютные (ДМНЧ№2) и относительные (8 МНЧ1И) вариации МНЧ моды 1 F2

а

Дата затмения Фаза затмения ДМНЧ1И, МГц (5 МНЧ1И, %)

Начало затмения Максимум затмения Окончание затмения

29 марта 2006 г. 0.49 0.5 (3) 2 (10) 1.7 (9)

29 марта 2006 г. 0.89 0.8 (6) 3.2 (16) 3.4 (17)

1 августа 2008 г. 1 18 (9) 4.2 (21) 3.1 (17)

Модель Ж] позволяет получать дискретные значения зависимости электронной концентрации от высоты. При решении задачи определения непрерывных профилей использовалось их представление в виде квазипараболических функций [7]:

1 (Г ~ Гт У

у2

У т

(1)

где Ыепцг - максимум электронной концентрации в ^слое; г - геоцентрическое расстояние; гт -значение г в максимуме слоя; гь - значение г в нижней границе слоя; ут - полутолщина слоя.

Синтез ионограмм НЗИ [10] осуществлялся с использованием выражения (1). Задача решалась в рамках плоскослоистой модели ионосферы с учетом кривизны Земли. Предполагалось, что в свободном пространстве и в ионосферных слоях, лежащих ниже слоя F2, показатель преломления равен 1. Таким образом были получены суточные вариации МНЧ, идентичные экспериментальным.

На рис. 2 представлен пример сопоставления экспериментальной (сплошная линия) и синтезированной (точки) ионограмм для радиолинии Кипр - Йошкар-Ола.

Такой подход позволил определить и проанализировать вариации параметров аппроксимирующей функции для слоя F2 [11]: максимума электронной концентрации (Ыет) и высоты максимума (Ит).

На рис. 3 представлены графики зависимостей максимума электронной концентрации и высоты максимума слоя F2 для средней точки трассы для максимумов затмений (темная линия) и в контрольные дни (светлая линия), восстановленные по параметрам слоя и рассчитанные по предложенной методике.

Ионизационно-рекомбинационный баланс во время затмения

Электронная плотность ионосферы N зависит не только от процессов ионизации, приводящих к образованию электронов и ионов, но и от обратного процесса их исчезновения, который называется рекомбинацией. Для описания процесса рекомбинации вводят понятие эффективного значения коэффициента рекомбинации - аэфф, который определяет количество воссоединившихся частиц в единице объема за единицу времени [12]. Процесс ионизации харак-

2

г

ь

2

г

Рис. 2. Пример сопоставления экспериментальной и синтезированной ионограмм

10 45 1145 12:45 13 45 14.45 ЦТ, Ч «:45 7:45 »:45 9:41 10:45

Рис. 3. Зависимости максимума электронной концентрации (^т) и высоты максимума (Ит) слоя Е2: а - трасса Кипр - Йошкар-Ола; б - трасса Инскип - Йошкар-Ола; в - трасса Иркутск - Йошкар-Ола

теризуется эффективным коэффициентом ионизации - д, который определяет количество ионизированных частиц, появившихся в единице объема за единицу времени.

Таким образом, уравнение баланса ионизации, которое характеризует изменение во времени электронной концентрации на высоте И, можно записать в виде:

^ = Ч(0-а эфф^. (2)

В этом уравнении для контрольного дня обозначим: N = N(,0, д(') = дс(0, а для случая затмения: N = NeE, д(0 = дс(0£(0, где Е(') - функция затмения (см., например, [13]):

^ = Ч ('У Е (0-а эфф • N2Е, (3)

Таблвца 3

Значения коэффициента рекомбинации для исследуемых трасс

Радиолиния Постоянная времени, мин Коэффициент рекомбинации, см3с-1

г. Инскип - г. Йошкар-Ола 25 1.58^ 10-10

о. Кипр - г. Йошкар-Ола 22 1.8-10-10

г. Иркутск - г. Йошкар-Ола 19 2.09^ 10-10

- Чс (')_аэфф • 91с .

(4)

Пусть п = - 9ес и 9еЕ - 92 - 9ес +

+ 2Ыесп + и2 - 9е2 « 2Ыесп, тогда с учетом уравнений (3) и (4) получим:

Лп

^ - Чс(')-(1 -Е('))-2-аэфф • 9сп Ли - МІ (і - е(, ))-Чс (,) f -

,, Ли , + N — |. Л' ес Л'

ЛЧс п лыес При —- « 0 и ---------

л л

0 , поскольку затме-

Л2п (\ЛЕ , ът Лп

л2 = -Чс(') ‘ЛГ “2а

гг ЛЕе

Пусть —- 0 , тогда

Л

^ --2а 9 ЛпЕ

Л'2 “ эфф 9'

Л'

ЛпЕ Л пЕ

1

Ж ' Я2 2а эфф^с ’

Кроме того, согласно формуле Тейлора:

Яп ЯпЕ Я2пЕ „

= ---- + ----Е Д?.

Я? Я? Я?

В экстремуме п при ? = ?и получим:

Лпи

Л

- 0, тогда

- + -

Л' Л

ЛпЕ /ЛгпЕ . .

-лЫ--'* -'е> '” -'е -

1

2а фф9

эфф ес

Эффект инерционности ионосферы можно проиллюстрировать сопоставив ионосферный радиоканал (7) с линейной индуктивной цепью [14]:

Я 2Q RdQ 1 ЯЕ

Л'

(5)

(6)

ние происходило около полудня, тогда уравнение (6) примет вид:

(7)

(8) (9)

(10)

2 ('и - 'е ) - 0, (11)

. (12)

Перейдя к исходным переменным получим:

аэфф = 2(и ?е )N0 • (13)

В момент полного затмения коэффициент ионизации уменьшается до минимума, но соответствующая электронная концентрация продолжает снижаться. Таким образом, существует временная задержка с момента минимального значения коэффициента ионизации до момента минимального значения электронной концентрации и разность ?и - 'Е характеризует постоянную времени ионосферы.

, + _^-__, (14)

L Л' L Л' где Q - электрический ток, протекающий по цепи сопротивлением R и индуктивностью Ь под действием электродвижущей силы Е. Видно, что существует аналогия между постоянной

времени ионосферы 'и - 'Е = -----1---- и по-

2а , ,Ы

эфф ес

стоянной времени электрической цепи Ь . Поэтому когда ч достигает своего минимума, электронная концентрация достигнет своего минимума только через промежуток времени, соответствующий 'и - 'Е. В результате, используя выражение (13), можно оценить аэфф.

Вычисленные значения аэфф приведены в таблице 3.

Из таблицы видно, что в период затмения

эффективный коэффициент рекомбинации со, п-10 3 -1

ставляет аэфф ~2-10 см с и увеличивается на ~ 30% с ростом фазы на ~ 100%.

Влияние затмения на №УК-ионограммы

Далее решалась обратная задача - синтеза №УТБ-ионограмм в КТЗ для трасс протяженностью D = 40 - 400 км с использованием профилей электронной концентрации. На рис. 4а и 4б показаны примеры синтезированных №УТБ-ионограмм обыкновенного луча моды 1 £2 для трасс протяженностью 40 и 400 км соответственно. Профили концентрации относились к КТЗ трассы Иркутск - Йошкар-Ола и соответствовали времени минимума МНЧ для дня затмения (темная линия) и контрольного дня (светлая линия).

Для ионограмм, приведенных на рис. 4а и 4б, были получены соответствующие дифференциальные ионограммы 5 = -т/df, характеризующие частотную дисперсию временной задержки. На рис. 5 представлены частотные зависимости разностей ь’р(/) между дифференциальными №УТБ-ионограммами, полученными для дня затмения и контрольного дня.

Видно, что в периоды затмения значения отсчетов на дифференциальных ионограммах воз-

п

а б

Рис. 4. Синтезированные NVIS-ионограммы: а - трасса протяженностью 40 км; б - трасса протяженностью 400 км

Рис. 5. Разностные кривые дифференциальных NVIS-ионограмм для трасс протяженностью 40 км и 400 км

Таблвца 4

Трасса ///кр, при Spffp) = 5sp(0.5fp) ///кр, при s^/кр) = 10sp(0.5fw)

40 км 0.8б 0.94

400 км 0.91 0.97

растают и они быстрее изменяются с частотой на трассах меньшей протяженности (см. таблицу 4). Во втором столбце таблицы 4 представлены значения //р, когда значение разности наклонов ионограмм в день затмения и контрольный день изменяются в 5 раз, а в третьем столбце - в 10 раз.

Выводы

Наклонное зондирование ионосферы является эффективным методом исследования изменчивости профиля электронной концентрации в периоды солнечных затмений, определения константы ионизационно-рекомбинационного баланса на высотах максимума F-слоя, оценки влияния затмения на дифференциальные ионо-граммы КЗР (№УТБ) для КТЗ исследуемых трасс. При зондировании ионосферы в периоды солнечных затмений на трассах Кипр - Йошкар-Ола (с фазой 0.89 в КТЗ), Инскип - Йошкар-Ола (с фазой 0.49 в КТЗ), Иркутск - Йошкар-Ола (с фазой 1 в КТЗ) установлено, что электронная концентрация в глобальном максимуме и в соответствующих КТЗ менялась на 24.8% в первом случае, на 18.2% во втором и на 27.5% в

третьем, а эффективный коэффициент реком-би=нации в среднем составлял ~ 1.8-10-1°смЗс-1.

Оценка влияния затмения на дифференциальные NVIS-ионограммы, определяющие частотную дисперсию в КТЗ радиотрасс, показала, что изменение их значений составляет 0.45-103 - 1.4-103 мкс/МГц на частотах 0.В/р - 0.95/р для радиолинии 40 км и 0.З2-103 - 0.99-103 мкс/МГц на соответствующих частотах для радиолинии 400 км.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ: проекты М 10-02-00620; 09-07-00331-а; 10-07-00466-а; ФЦП: ГК М 02.740.11.0233; АВЦП: проекты М 2.1.1/3896, М 2.1.1/12022.

Спвсок лвиераиуры

1. Иванов В.А., Иванов Д.В., Рябова М.И., Сорокин Н.А. Искажение сложных декаметровых радиосигналов в дисперсных ионосферных радиоканалах при квазизенитном распространении // Вестник МарГТУ: Радиотехнические и инфокоммуникацион-ные системы. 2010. № 1. С. 43-53.

2. Subekti A.A., Usman K., Ohyama F. et al. Study of NVIS for Communication in Emergency and Disaster Medicine // Proc. APAMI &CJKMI-KOSMI Conference. 2003. P. 259-2б2.

3. Иванов В.А., Иванов Д.В., Рябова Н.В. Зондирование ионосферы и декаметровых каналов связи сложными радиосигналами // Вестник МарГТУ: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2010. Т. 8. № 1. С. 3-37.

4. Gerasopoulos E. et al. The total solar eclipse of March 2006: overview // Atmos. Chem. Phys. 2008. V.

8. № 17. P. 5205-5220.

5. Иванов В.А., Иванов Д.В., Рябова Н.В. и др. Глобальные вариации максимально применимых частот ВЧ радиолиний в период солнечного затмения 29 марта 2006 г. // Вестник МарГТУ: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2008. Т. 4. № 3. С. 21-28.

6. Иванов В.А., Катков Е.В., Чернов А.А. Устройство и алгоритмы синхронизации радиотехнических систем связи и зондирования ионосферных высокочастотных радиоканалов // Вестник МарГТУ: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2010. Т. 9. № 2. С. 114-126.

7. Рябова Н.В. Диагностика и имитационное моделирование помехоустойчивых декаметровых радиоканалов: Монография. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003.

8. Егошин А.Б., Иванов В.А., Иванов Д.В., Рябова Н.В. Информационно-аналитическая система для исследования ионосферы и каналов декаметровой связи: Монография. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006.

9. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир, 1973. 502 с.

10. Иванов Д.В. Методы и математические модели исследования распространения в ионосфере сложных декаметровых сигналов и коррекции. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006. 268 с.

11. Huang X., Reinisch B.W., Kuklinski W.S. Midpoint electron density profiles from oblique ionograms // Annali di geofisica. V. XXXIX. N. 4. P. 757-761.

12. Rishbeth H. Solar eclipses and ionospheric theory // Space Sci. 1968. Rev 8. P. 543-544.

13. Bamford R.A., Far L. The Effect of the August 11th Total Solar Eclipse on radio propagation at 1440 kHz // The Radio Science Bulletin, International Union of Radio Science. 2000. № 293. P. 28-31.

14. Appleton E. V. A note on the sluggishness of ionosphere // J. Atmos. Terr. Phys. 1953. V. 3. P. 228.

THE STUDY OF HF SIGNAL PROPAGATION FEATURES ON INCLINED AND NVIS RADIO PATHS DURING SOLAR ECLIPSES

V.A. Ivanov, D. V. Ivanov, N. V. Ryabova, M.I. Ryabova

Maximum usable frequency variations along inclined and NVIS radio paths during 2006 and 2008 total solar eclipses are studied using the oblique sounding method. The technique of electron density profile restoration at a control point of sounding (CPS) has been developed. Recombination coefficients at CPSs of the radio paths studied have been calculated. The effects of eclipse on NVIS ionograms and differential ionograms have been investigated.

Keywords: ionosphere, total solar eclipse, near vertical incidence skywave propagation, electron density, maximum usable frequency