Научная статья на тему 'Определение параметров кв радиолинии по результатам возвратно-наклонного зондирования ионосферы'

Определение параметров кв радиолинии по результатам возвратно-наклонного зондирования ионосферы Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
1383
299
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук
Ключевые слова
ИОНОГРАММА / ВОЗВРАТНО-НАКЛОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ИОНОСФЕРЫ / ДИСТАНЦИОННО-ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА / СФЕРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЗЕМЛИ И ИОНОСФЕРЫ / IONOGRAM / BACK SCATTER IONOSPHERIC SOUNDING / DISTANCE-FREQUENCY CHARACTERISTIC / SPHERICAL MODEL OF THE EARTH AND IONOSPHERE

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Березовский В. А., Золотарев И. Д., Васенина А. А., Свешников Ю. К.

Рассматривается проблема построения дистанционно-частотной характеристики по данным возвратно-наклонного зондирования КВ-трассы. Проводится сравнительный анализ модели плоской Земли и ионосферы с параболическим распределением электронов с моделью сферических Земли и ионосферы. Результаты теоретических расчетов сравниваются с эмпирическими данными. Проводится аппроксимация массива значений группового пути отраженных сигналов прямой линией, и предлагается экстраполяция этой линии до 2000 км с ошибкой определения дальности по Земле относительно расчетной не более 15 %.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Березовский В. А., Золотарев И. Д., Васенина А. А., Свешников Ю. К.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Defenition of parametres of the hf-line by results of backscatter ionospheric sounding

The problem of construction of the distance-frequency characteristic according to backscatter ionospheric sounding of the HF-line is considered. The comparative analysis of model of the flat Earth and ionosphere with parabolic electron distribution and model of the spherical Earth and ionosphere is carried out. Results of theoretical calculations are compared to empirical data. Approximation of array values of the reflected signals group path by a straight line is carried out and extrapolation of this line to 2000 km with an error of definition of range by the ground concerning calculated no more than 15 % is offered.

Текст научной работы на тему «Определение параметров кв радиолинии по результатам возвратно-наклонного зондирования ионосферы»

ФИЗИКА

Вестн. Ом. ун-та. 2011. № 2. С. 98-102.

УДК 621.371.3

В.А. Березовский, ИД. Золотарев, А.А. Васенина

ФГУП «Омский научно-исследовательский институт приборостроения» Омский государственный университет иж. Ф. М. Достоевского

Ю.К. Свешников

ФГУП «Омский научно-исследовательский институт приборостроения»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КВ РАДИОЛИНИИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ВОЗВРАТНО-НАКЛОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ

Рассматривается проблема построения дистанционно-частотной характеристики по данным возвратно-наклонного зондирования КВ-трассы. Проводится сравнительный анализ модели плоской Земли и ионосферы с параболическим распределением электронов с моделью сферических Земли и ионосферы. Результаты теоретических расчетов сравниваются с эмпирическими данными. Проводится аппроксимация массива значений группового пути отраженных сигналов прямой линией, и предлагается экстраполяция этой линии до 2000 км с ошибкой определения дальности по Земле относительно расчетной не более 15 %.

Ключевые слова: ионограмма, возвратно-наклонное зондирование ионосферы, дистанционно-частотная характеристика, сферическая модель Земли и ионосферы.

Актуальной проблемой коротковолновой радиосвязи является адаптация системы связи к характеристикам радиоканала, к которым относятся амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и частотная структура помех. Процедура адаптации требует предварительного измерения указанных характеристик, для этого организуют диагностику ионосферной радиолинии путем передачи зондирующих сигналов [1]. Метод возвратно-наклонного зондирования (ВНЗ) является наиболее перспективным, так как позволяет оперативно выбирать наилучшую частоту для радиосвязи на данной трассе в данное время.

На рис. 1 представлена ионограмма, или дистанционно-частотная характеристика (ДЧХ) ВНЗ, полученная на полигоне ИСЗФ (АН) г. Иркутска в мае 2007 г. в 10:15 иТС. На рисунке видно, что на частотах / < 6 МГц ДЧХ переходит в высотно-частотную характеристику (ВЧХ), получаемую с помощью вертикального зондирования (ВЗ) ионосферы (рис. 2). Такая совмещенная ионограмма получается естественным образом в случае узконаправленной по азимуту приемной антенны, которая боковым лепестком ориентирована в зенит. Данные ВЗ могут использоваться в качестве исходных параметров для расчета эквивалентной длины полного пути луча и соответствующего ему расстояния по Земле.

При рассмотрении типичной ВЧХ (рис. 2) можно наблюдать три слоя (Е, Е и Е). Пока величина / такова, что отражение возможно в пределах слоя Е (на рис. 2 соответствует частотам / < 2,6 МГц),

© В А. Березовский, И.Д. Золотарев, А А. Васенина, Ю.К. Свешников, 2011

действующая высота меняется медленно. Далее, когда электронная плотность в слое Е оказывается недостаточной для отражения (на рис. 2 соответствует частотам f > 2,6 МГц), происходит скачкообразное изменение действующей высоты, так как отражение переходит от слоя Е к области Е1. В области Е2 наблюдаются две ветки ВЧХ, которые обусловлены расщеплением волны на обыкновенную и необыкновенную составляющие.

Рис. 1. Ионограмма возвратно-наклонного зондирования

Данное явление объясняется тем, что волны линейной поляризации расщепляются ионосферной плазмой, находящейся под действием магнитного поля Земли, на две волны круговой поляризации. Так как в нашем случае зондирование проводилось на среднеширотной радиотрассе, направление которой было близко к направлению магнитного поля Земли, то вращение вектора электрического поля по часовой стрелке соответствовало обыкновенной волне, а против - необыкновенной. При такой ориентации радиотрассы отклонениями радиоволн от прямолинейного распространения можно пренебречь.

Каждая составляющая при этом распространяется в ионосфере со своей групповой скоростью и, как видно на рисунке, отражается от различных высот ионосферы. Особенностью кривых ВЧХ является сильное увеличение действующих высот при приближении к критическим частотам слоев Е и Е [1], что позволяет нам с большой точностью определить критическую частоту слоя Е2 ( ^ Е2), которая будет использоваться в дальнейших расчетах. Как видно на рис. 2, ^Е2 = 5,18 МГц.

Г МГц

Рис. 2. Высотно-частотная характеристика ионосферы

Но необходимо отметить, что действующая высота Ьд всегда больше истинной высоты Ь отражения. Расхождение между Ьд и Ь тем больше, чем глубже волна проникает в слой, чем больше ионизированы нижележащие слои, т. е. чем больше время группового запаздывания. При отражении от слоя Е2 в условиях летнего дня, когда сигнал до области отражения проходит через слои Е и Ех, разница между Ьд и Ь может достигать 100 км и более [1].

В данной работе для перехода к истинным высотам используется полуэмпи-рическая модель ионосферы 1И-2001. Модель 1И является адаптивной моделью, и в качестве адаптирующего параметра мы будем использовать значение критической частоты слоя Е2 , которое было определено выше. Этот адаптивный параметр позволяет минимизировать ошибки при построении распределения электронной концентрации в модели 1И, так как наибольшие ошибки прогнозирования связаны со значительными вариациями ^ Е2 ото дня ко дню в течение суток, особенно в экваториальной области, и ни одна известная ионосферная модель не может описать их [2]. На рис. 3 представлен профиль электронной концентрации, построенный по данным модели 1И-2001, с использованием в качестве адаптационного параметра ^ Е2 = 5,18 МГц. По данным профиля мы определяем высоту максимума слоя ЬшЕ2 (ЬшЕ2 = 257 км) и полу-

толщину слоя УтЕ2 ( УтЕ2 = 72 км).

Нм-3

Рис. 3. Профиль электронной концентрации

Сначала рассмотрим модель плоской Земли и плоской ионосферы с параболическим распределением электронов. Для данного случая эквивалентная длина полного пути р луча и соответствующее расстояние по земле О равны [3]:

2h0 , f 1 + xsinа

p = —^ + xym ln

sin а

D = 2Д,^а + xym cos а ln

1 - xsin а 1 + xsin а

(І)

(2)

1 - жіп а _

где а - угол подъема луча, X = ї / їр , Ь0 -высота нижней границы слоя, - высо-

та максимума ионизации, ут = Ьт - Ь0 -полутолщина слоя, їр - критическая частота, ї - рабочая частота.

Из формулы (1) видно, что р имеет

минимум при некотором а = а

pmin

величи-

на которого определяется из уравнения dp

■ = 0, т. е.

(

dp_

= -2cosa

Л

h

0

ym

sin а

1 • 2 - sin а

x2

= 0. (З)

Уравнение (3) может быть удовлетворено при cos a = 0. При этом а = 90°, и из (1) следует, что

Pmin = 2h0 + ХУт ln (y-X

Полученное выражение может существовать только при X < 1 и соответствует обычному случаю двукратного отражения при вертикальном зондировании. Поэтому нас интересует случай, когда cos а Ф 0, и из (3), приравнивая выражение в скобках к нулю, следует, что

sin а„ =

pmin

-і,

h0

(4)

Ч + Ут

Отметим важное положение: минимальное расстояние по Земле (расстояние мертвой зоны) В3 всегда меньше рас-

стояния по Земле Dn

которому соот-

ветствует луч с минимальным временем запаздывания.

Минимальное расстояние по лучу получим, если формулу (4) подставим в выражение (1):

(

pmin = x

2чЙА

л

(5)

1 ~4 V Ьт

Из (5) видно, что рш1п (х), описывающее ДЧХ, линейно зависит от частоты, т. е. в случае плоской Земли ДЧХ представляет собой прямую линию - это одна из ее особенностей, определяющей выбор аппроксимации эмпирических данных для случая плоской Земли.

Дальность до границы зоны молчания, или минимальное расстояние по Земле, не может быть выражено в явном виде, но приближенно может быть заменено расстоянием, соответствующим лучу с минимальным временем запаздывания. Ошибка, которая при этом вносится, равна 10-20 км, так что найденное этим способом расстояние будет несколько больше действительного. Практически это имеет свою положительную сторону, обеспечивая некоторый запас при определении МПЧ [3]. С принятыми приближениями можно записать

П = П = р . соэа , (6)

Зш1„ Зрш|п Утт р„,„> V )

где cosaP = ../1 - sin

pmin

1

а

pmin

pmin

следовательно,

D3 = x

2V¥m + Zmln

1 +У У hm

1 -vm

Л

x 1 -

A_

x2 hm

(7)

Эмпирические данные после аппроксимации также умножаются на cos А p .

Все исходные данные для указанных расчетов берутся по известной методике [І; З] из участка данной ионограммы, относящейся к сигналам вертикального зондирования в диапазоне частот 2-б МГц.

На рис. 4 черные точки - эмпирические данные ВНЗ ионосферы, сплошная линия, переходящая в прерывистую, -экстраполяция эмпирических данных, сплошная линия - результат теоретиче-

ского расчета минимального расстояния по Земле по данным ВЧХ.

Рис. 4. Минимальное расстояние по Земле в зависимости от частоты (непрерывный график получен с использованием формулы, прерывистый - экстраполяция эмпирических данных)

Линия аппроксимации массива отраженных сигналов расположена близко к теоретической и соответствует МПЧ для

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

(1 ^

1 -^7 У,

дальностей по горизонтальной оси. Это выведено из метода обнаружения отраженных сигналов, а именно ранговым обнаружением по максимальным амплитудам [4], экспериментально проверено, что АЧХ КВ-трассы имеет круто падающий фронт, приблизительно 6 дБ на 10 % по частоте в сторону увеличения относительно максимума. Но линия экстраполяции, продолженная до 2000 км, уже существенно расходится с экспериментальными данными. Из вышесказанного можно сделать вывод, что при использовании модели плоской Земли и ионосферы ошибка в вычислениях значительно возрастает при значениях минимального расстояния по Земле Б > 1000 км.

Переходим к рассмотрению выражений для р и О в условиях сферической Земли и сферической ионосферы с параболическим распределением электронов [5]:

Л

Р = Р + Р2 = 2 Хуш 1П-

Я

1 - X2

эт а

2 Я эт(п/2 -а-10)

1 - х С05 Ч1 - у,

х2

Я+к

-У,

эт 1,

(8)

•0

Я к

где 1д - угол падения на ионосферу, а = агссоэ ^10 ^, Я - радиус Земли

(Я = 6370), групповые пути и расстояния по Земле р1, р2, Б1 и Б2 ясны из рис. 5.

Как следует из выражений (8) и (9), для модели сферических Земли и ионосферы рш1п и БЗ не могут быть получены таким

же простым путем, как в случае модели плоской Земли и параболической ионосферы. Практически обе характеристики находят графическим путем. На рис. 6 представлены зависимости длин полного пути р луча от угла подъема луча а при различных значениях параметра х, которые позволяют определить ар . Расчет

производился с использованием данных, полученных в результате ВНЗ, по формуле (8). На графиках видно, что в достаточно широком секторе углов по обе стороны от ар расстояние р изменяется незначи-

п

10р1 + 2ЯI 2 а 10 I ,

(9)

тельно. Так как временное запаздывание сигнала пропорционально р, то энергия принятого сигнала резко нарастает в сравнительно небольшом временном интервале. Это является одной из причин того, что сигнал имеет крутой передний фронт, а это, в свою очередь, способствует достаточно точному определению времени запаздывания. Для сферической Земли рост дальности с увеличением х начинает ускоряться, что вызвано сферичностью земной поверхности, а это ведет к изгибу ДЧХ.

По результатам расчетов мы можем сопоставить каждому значению параметра х значение ар , что позволяет рассчитать дальность пройденного пути по Земле для случая сферических Земли и ионосферы. Результат расчетов представлен на рис. 7 в виде непрерывной кривой, которая практически полностью совпадает с линией, полученной после экстраполяции эмпирических данных.

Рис. 5. Лучевая траектория в условиях сферических Земли и ионосферы

Рис. 6. Зависимость длины пути луча от угла подъема луча

Практическая ценность использования ВНЗ состоит в возможности иметь в зоне обслуживания регионального Центра только один активный ионозонд. При этом, переключая узконаправленные приемные КВ-антенны, можно получить полную картину прохождения сигналов в заданном направлении. Как было показано выше, модель сферической Земли и сферической ионосферы с параболическим распределением электронов дает результаты, наиболее близкие к экспериментальным.

Рис. 7. Минимальное расстояние по Земле в зависимости от частоты (непрерывный график получен с использованием формулы (9), прерывистый - экстраполяция эмпирических данных)

В практике текущей эксплуатации линий радиосвязи среднеквадратичное отклонение при экспериментальном определении МПЧ методом ВНЗ не превышает 3%. Данный метод удобен в периоды ионосферных возмущений на всех трассах и всегда на протяженных трассах, т. е. в тех условиях, для которых расчет МПЧ по данным долгосрочного прогноза дает наибольшие погрешности 40-50 %, а погрешность при определении МПЧ по данным ВЗ составляет 15-20 % [1; 2].

ЛИТЕРАТУРА

[1] Иванов В. А., Рябова Н. В., Шумаев В. В. Основы радиотехнических систем ДКМ диапазона : учеб. пособие. Йошкар-Ола : МарГТУ, 1998. 204 с.

[2] Барабашов Б. Г., Мальцева О. А. Ионосферное обеспечение однопозиционных пеленгаторов-дальномеров диапазона декаметровых волн // Труды НИИР. М. : НИИ радио. 2003. С.120-126.

[3] Чернов Ю. А. Возвратно-наклонное зондирование ионосферы. М. : Связь, 1971. 203 с.

[4] Патронова Е. С., Свешников Ю. К., Сизи-ков В. Д., Богданов Г. В. Способ обработки сигналов наклонного ЛЧМ зондирования ионосферы // Техника радиосвязи. 2007. Вып. 12. С. 35-49.

[5] Чернов Ю. А. О некоторых погрешностях в уравнении Эплтона - Бэйона для расстояния скачка // Радиотехника. 1959. Т. 24. № 3. С. 22.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.