Наклонное зондирование и прогнозирование максимально наблюдаемой частоты на трассах различной протяженности и ориентации

Вертоградов Г.Г.; Вертоградов В.Г.; Родионов Т.С.; Урядов В.П.

УДК 550.388.2

НАКЛОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ МАКСИМАЛЬНО НАБЛЮДАЕМОЙ ЧАСТОТЫ НА ТРАССАХ РАЗЛИЧНОЙ ПРОТЯЖЕННОСТИ И ОРИЕНТАЦИИ

The results of oblique chirp sounding observations for the short radiowave propagation major characteristics are presented. It is shown that the difference of IRI-2001 calculations and the values observed is not higher than 12 %.

Проблема повышения надежности радиосвязи в диапазоне декаметровых волн (ДКМВ) остается актуальной, несмотря на развитие альтернативных способов передачи информации. Для ее решения необходимо осуществлять моделирование характеристик ионосферного радиоканала на временных интервалах от 30 мин до нескольких часов. Построение подобных моделей связано также с решением задач выделения факторов, определяющих структуру поля ДКМВ, характеристики распространения парциальных лучей, природу и статистические свойства шумов в точке приема.

В конечном итоге адаптация как моделей канала, так и реальных систем связи диапазона ДКМВ к текущим ионосферным условиям возможна только при наличии средств зондирования ионосферного радиоканала, работающих в online режиме. Для этих целей применяются системы как импульсного [1], так и непрерывного [2] вертикального (ВЗ), наклонного (НЗ) и возвратно-наклонного (ВНЗ) зондирования. При всей простоте и надежности импульсных методов диагностики они имеют один весьма существенный недостаток - требуют большой мощности излучения в импульсе, которая редко опускается ниже 1 кВт.

На основе методов зондирования с использованием непрерывных широкополосных сигналов при значительно меньшей мощности излучения, которая обычно составляет 10 или 100 Вт, можно измерять не только традиционные параметры (модовая структура, относительные задержки, соотношение амплитуд лучей, отношение сигнал-шум и т.д.), но и квазимгновенные передаточные и импульсные характеристики ионосферного радиоканала. При этом в ионосферных исследованиях и практике радиосвязи наибольшее распространение получил метод диагностики ионосферы с излучением сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), так называемый chirp sounder [3]. С другой стороны, использование маломощных широкополосных сигналов при непрерывном зондировании налагает повышенные требования как при построении аппаратуры зондирования, так и в выборе и разработке средств и методов обработки получаемой информации. Роль последних особенно возрастает, если к средствам диагностики предъявляется требование работы в автоматическом режиме без участия оператора.

В работе представлены результаты регулярных наблюдений условий ионосферного распространения

КВ на радиолиниях различной протяженности и ориентации, полученные на базе сети ЛЧМ ионозондов. Измерения проводились на протяжении 2005-2006 гг. Получены обширные многомесячные непрерывные данные о дистанционно-частотных и амплитудно-частотных характеристиках ионосферного КВ канала, регистрация и обработка которых проводилась в автоматическом режиме.

Аппаратура и методика обработки данных

Измерения проводились на радиотрассах ЛЧМ зондирования различной протяженности и ориентации: Кипр (35°N, 34°E) - Ростов-на-Дону (47,3°N, 39,7°E) (протяженность трассы 1 470 км, азимут из Ростова-на-Дону 203,2°), Инскип (Великобритания, 53,8°N, 2,8°W) - Ростов-на-Дону (3000 км, 300°), Норильск (69,4°N, 88,1 °E) - Ростов-на-Дону (3 620 км, 29,8°), Иркутск (51,8°N, 104°E) - Ростов-на-Дону (4590 км, 57,8°), Магадан (59,7°N, 150,5°E) - Ростов-на-Дону (6 650 км, 33,4°). На первых двух трассах измерения проводились круглосуточно с интервалом съема одной ионограммы каждые 5 мин. На последних трех - с интервалом съема одной ионограммы на каждой трассе через 15 мин. Приемный пункт располагался в г. Ростове-на-Дону.

В измерениях использовался 2-канальный ЛЧМ зонд, построенный на основе приемника «Катран» Р-399А. Скорость перестройки частоты - 100 кГц/с. Для Кипра диапазон частот излучения составлял 830 МГц, для Инскип - 4,2-30, для остальных ЛЧМ передатчиков - 4-30 МГц. Прием осуществлялся на две 9-метровые штыревые антенны. Временная синхронизация старта приема ЛЧМ сигнала осуществлялась с помощью GPS с точностью не менее 10 мкс. Разностный сигнал оцифровывался по выходу промежуточной частоты (ПЧ) (f = 215 кГц) 14-разрядным

аналого-цифровым преобразователем (АЦП) с частотой дискретизации 50 000 Гц, что значительно превышало используемую полосу пропускания приемника по ПЧ (3 000 Гц).

Преобразования сигнала и его обработка включали следующие этапы [4]. Принятый сигнал подвергался процедурам переноса на нулевую частоту с получением квадратурных компонент (комплексная низкочастотная огибающая), низкочастотной фильтрации цифровым фильтром с полосой пропускания 500 Гц, де-

цимации с понижением частоты дискретизации до 3 000 Гц. Как следствие, описанная процедура увеличивала динамический диапазон анализа не менее чем на 10 дБ. Процедуры оцифровки, фильтрации, выделения квадратур сигнала и децимации построены таким образом, что вся предварительная обработка осуществляется автоматически в реальном масштабе времени и позволяет получать непрерывные записи неограниченной протяженности по времени. В результате обработки в реальном времени определялись следующие параметры: уровень спектральной плотности шума в полосе приема, количество обнаруженных лучей распространения, амплитуды всех лучей, отношение сигнал-шум для каждого луча, абсолютные задержки каждого из обнаруженных лучей.

Обработка предполагала, прежде всего, получение зависимостей максимальной наблюдаемой частоты (МНЧ) отдельных мод распространения от времени суток. При этом выполнялась процедура идентификации и формирования мод распространения [4].

Результаты наблюдений

На рисунке приведены результаты обработки ио-нограмм наклонного зондирования, полученные на трассах различной протяженности и ориентации за 2005 г.

Каждый график соответствует месячным непрерывным наблюдениям и содержит данные не менее чем за 6 тыс. сеансов зондирования. Значения МНЧ по каждому сеансу определялись автоматически в реальном масштабе времени на основе алгоритма, предложенного в [4]. Толстая линия на рисунках -результат месячного статистического усреднения. Одновременно с оценкой математического ожидания находилась оценка среднеквадратичного отклонения от математического ожидания. Тонкие штриховые линии на рисунках ограничивают полосу в окрестности математического ожидания, ширина которой равна удвоенному среднеквадратичному отклонению. Для середины каждого месяца рассчитывалось прогностическое значение максимальной применимой частоты (МПЧ) соответствующей трассы. При этом использовалась скорректированная по значению эффективного числа солнечных пятен модель ГО!-2001 [5].

Для коррекции использовались эффективные значения Ше.д- числа солнечных пятен [6], указанные для

каждого месяца. Полученные таким образом прогнозируемые МПЧ соответствующих трасс изображены на графиках крестиками.

По результатам обработки непрерывных суточных зависимостей МНЧ можно сделать следующие выводы.

Значения МНЧ отдельных мод распространения испытывают коротко периодические вариации с квазипериодами ~30 мин - 2 ч. В спокойных ионосферных условиях в полуденные часы суток амплитуда флуктуаций может достигать 2 МГц; в восходно-заходные часы суток при прохождении терминатора флуктуации на трассе Кипр - Ростов-на-Дону могут увеличиваться до 5-8 МГц.

Среднеквадратичные отклонения (СКО) МНЧ от математического ожидания на трассах всех протя-

женностей больше в дневное время суток и возрастают с увеличением протяженности трассы. Типичные значения СКО МНЧ в дневные часы для различных трасс составляют величины: 1,2 МГц (Кипр - Ростов-на-Дону), 1,7 (Инскип - Ростов-на-Дону), 2,0 (Норильск - Ростов-на-Дону), 2,2 (Иркутск - Ростов-на-Дону), 2,5 МГц (Магадан - Ростов-на-Дону).

В ночное время суток СКО МНЧ уменьшается (сохраняя весьма слабую зависимость от протяженности трассы) до следующих величин: 1,0 МГц (Кипр - Ростов-на-Дону), 1,5 (Инскип - Ростов-на-Дону), 1,5 (Норильск - Ростов-на-Дону), 1,5 (Иркутск - Ростов-на-Дону), 1,6 МГц (Магадан - Ростов-на-Дону). Сезонной зависимости СКО МНЧ по результатам измерений на трассах Кипр - Ростов-на-Дону и Инскип -Ростов-на-Дону не установлено. Таким образом, среднеквадратичные суточные вариации МНЧ ~1,5-2,5 МГц в окрестности максимальных значений МНЧ (днем) и ~ 1,0-1,6 МГц в окрестности минимальных величин МНЧ (ночью) следует признать типичными для среднеширотных трасс различной протяженности и ориентации в спокойных геофизических условиях.

Моделирование и обсуждение

Для интерпретации полученных экспериментальных результатов и подтверждения высказанных предположений выполнено имитационное моделирование на основе траекторных расчетов с использованием имитационной модели широкополосного ионосферного радиоканала [7-10]. В основе моделирования лежит решение расширенной системы характеристических уравнений в ионосфере, заданной Международной справочной моделью 1Ы-2001 [5]. При этом ионосферные столкновительные потери рассчитывались на основе приближения Эпплтона с эффективной частотой соударений, найденной по прогнозируемым ]Ш-2001 значениям концентрации ионов и электронов с привлечением модели нейтральной атмосферы М8В-90.

Расчеты МПЧ отдельных мод распространения показали, что модель ]Ш-2001, как правило, дает завышенные результаты. Причем это обстоятельство проявляется тем значительнее, чем длиннее трасса. Таким образом, модель ]Ш-2001 требует адаптации по данным текущей геофизической информации. В качестве обобщенной геофизической информации привлечены данные об эффективном числе солнечных пятен [6]. Результаты моделирования показали,

что при этом удается значительно приблизить прогнозируемые значения к измеренным величинам на трассах всех протяженностей и ориентации при всех рассмотренных сезонах и уровнях солнечной активности (см. рис.- крестики). Это позволяет рекомендовать использовать прогнозируемое или текущее значение в качестве индекса солнечной активности при

долгосрочном или краткосрочном прогнозировании характеристик распространения на основе модели ГО1-2001. При этом отличие прогнозируемых значений от среднемесячных измеренных не превышает 12 %. Отметим также, что после операции коррекции модели

]Ш-2001 по индексу солнечной активности прогнозируемые значения, как правило, укладываются в доверительный интервал, ограниченный снизу и сверху относительно математического ожидания МНЧ сред-28 24

немесячным среднеквадратичным значением вариаций МНЧ.

20 16 12 8 ■

28 24 20 16 12 8

0 6 МНЧ, МГц

12

18 UT 24

Кипр-Ростов

Ф евр ал ь2005 Wef37

h - . VW

0 6 МНЧ, МГц

12

18 UT 24

0 6 МНЧ, МГц

12

0 6 МНЧ, МГц

12

; А¿Jfßffir^^

'-Z&jJV'" КИПР-РОСТОВ

:JW> Май 200 5 Weff=32 v v^t

0 6 МНЧ, МГц

12

Li

ik

^ Л ^ "

Кипр-Ро____

Июнь 2005 Weff=3 1

28 24 20 16 12 8 4

Инскип-Ростов

Февраль 2005 Wff=3 7

0

6

12

18 UT 24

0

12

18 UT 24

28 24 20 16 12 8 4

МНЧ. МГц

0

6

Инскип-Ростов

Март 2005 Weff=3 8 12

18 UT 24

МНЧ,МГц

Инскип-Ростов

Апрель 2005 Wgff=30

0

12

18 UT 24

0

12

18 UT 24

6

N0

28

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

24

20

16

12

8

4

28

24

20

16

12

8

4

28

24

20

16

12

8

4

28

24

20

16

12

8

28

24

20

16

12

8

28

24

20

16

12

8

МНЧ, МГц

Инскип- Ростов

Июль 2005

12

18 иТ 24

МНЧ, МГц

Иркутск-Ростов Сентябрь 2005 Weff=35

+Й-++

12

18 иТ 24

МНЧ, МГц

'V Сентябрь 2005 Weff=35

—1-1-1-1-1-1—

6 12

МНЧ, МГц

Кипр-Ростов Октябрь 2005 Weff=35

6

12

18 иТ 24

МНЧ, МГц

12

МНЧ, МГц

28 24 20 16 12 8 4

МНЧ, МГц

Инскип-Ростов Август 2005 Weff=28

18 иТ 24

18 ЦТ 24

12

28

24

20

16

12

. Л ^ -

8

4

1 1

24

18 ЦТ 24

0

6

N0

28

24

20

16

12

8

28

24

20

16

12

8

28

24

20

16

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

12

8

4

28

24

20

16

12

8

4

28

24

20

16

12

8

28

24

20

16

12

8

МНЧ, МГц

:ЛЛ л " Январь 2006 Weff=18

6

12

МНЧ, МГц

Кипр-Ростов Февраль 2006 Weff=25

6

12

МНЧ, МГц

6

Инскип- Ростов Март 2006 Weff=15

12

18 ЦТ 24

МОГ, МН

МНЧ, МГц

рильск- Ростов" Март 2006 Weff=15

12

V.

18 ЦТ 24

Кипр-Ростов Апрель 2006 Weff=з

6

12

МНЧ, МГц

Май 2006 Weff=40

12

Ц++Н-++

18 ЦТ 24

28 МНЧ, МГц 24 20 16 12

8 -Т^^

4

28 24 20 16 12 8 4

Инскип-Ростов Январь 2006 Weff=18

^-н-шн-

18 ЦТ 24

12

18 ЦТ 24

Суточный ход МНЦ на трассах наклонного дозирования

6

0

6

Таким образом, на основании вышеизложенного результаты исследований можно резюмировать следующим образом.

Практически всегда МНЧ испытывают коротко периодические вариации с квазипериодами от 30 мин до 2 ч. Амплитуда флуктуаций может достигать в спокойных ионосферных условиях в полуденные часы суток 2 МГц; в восходно-заходные часы суток при прохождении терминатора флуктуации на трассе Кипр - Ростов-на-Дону могут увеличиваться до 5-8 МГц. Указанные флуктуации связаны с распространением перемещающихся ионосферных возмущений на высотах Б области ионосферы.

На основе анализа экспериментальных и расчетных данных наклонного зондирования на среднеши-ротных трассах различной протяженности и ориентации показано, что наилучшие результаты по прогнозированию МПЧ отдельных мод распространения удается получить при коррекции модели ]Ш-2001 по эффективному индексу солнечной активности.

Среднеквадратичные значения отклонения МНЧ от их среднемесячных математических ожиданий возрастают при увеличении длины трассы. В спокойных геофизических условиях оценены типичные значения

Ростовский государственный университет

СКО для трасс различной протяженности и ориентации.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, гранты № 05-05-08011, 02-06-16075.

Литература

1. Альпеpт Я.Л. Распространение электромагнитных волн

и ионосфера. М., 1972.

2. Poole, A.W.V., Evans G.P. // Radio Sci. 1985. Vol. 20. № 6.

P. 1617.

3. Fenwick R.B. // Communications News. 974. Febr. P. 32-

33.

4. Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г., Мятежников Ю.П.

// Распространение радиоволн: Сб. докл. XXI Всерос. науч. конф. Йошкар-Ола, 2005. Т. 1. С. 157-161.

5. BilitzaD. // Radio Science. 2001. Vol. 36. № 2. Р. 261-275.

6. Secan J.A., Wilkinson P.J. // Radio Sci. 1997. Vol. 32.

P. 1717-1724.

7. Барабашов Б.Г., Вертоградов Г.Г. // Математическое

моделирование. 1996. № 2. С. 3-18.

8. Вертоградов Г.Г. // Радиотехника и электроника. 2003.

Т. 48. № 11. С. 1322-1329.

9. Вертоградов Г.Г. // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 2004.

Т. 47. № 8. С. 51-59.

10. Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградов В.Г. // Изв.

вузов. Радиофизика. 2005. Т. 48. № 6. С. 455-471.

_28 ноября 2006 г.

Текст научной работы на тему «Наклонное зондирование и прогнозирование максимально наблюдаемой частоты на трассах различной протяженности и ориентации»