CC BY
10УДК 621.371:538.574.85
О. Н. Киселев
Томский государственный университет систем управления
и радиоэлектроники
Связь угла прихода УКВ-радиоволн с мезомасштабными флуктуациями метеорологических величин
при распространении над пересеченной местностью
Представлены результаты исследований зависимости медленных флуктуаций углов прихода от метеорологических условий и свойств подстилающей поверхности при распространении УКВ над пересеченной местностью.
Медленные флуктуации угла прихода, пересеченная местность, неоднородности тропосферы, радиационный баланс, затраты тепла на испарение
При распространении радиоволн над земной поверхностью наблюдаются слабо изученные медленные флуктуации горизонтальных углов прихода, относящиеся к категории мезомасштабных [1]. Одной из причин возникновения флуктуаций является наличие и временная эволюция в приземном слое атмосферы неоднородностей коэффициента преломления, сформировавшихся над участками подстилающей поверхности с разными свойствами (луг, лес, озеро и т. п.). Интенсивность таких неоднородностей медленно меняется при смене погоды и времени суток, что приводит к медленным флуктуациям угла прихода за счет изменения горизонтальной рефракции. Таким образом, флуктуации угла прихода оказываются прямо связанными с изменчивостью локальных пространственных неоднородностей коэффициента преломления в приземном слое атмосферы.
В настоящей статье представлены результаты исследований медленных флуктуаций угла прихода в УКВ-диапазоне в условиях пересеченной местности в летний период южной части Западной Сибири. На основе модели формирования мезомасштабных неодно-родностей коэффициента преломления в приземном слое атмосферы1 проведен анализ экспериментов и получены формулы для оценки среднеквадратической величины флук-туаций в различных метеорологических условиях.
Исследования выполнены на девяти трассах протяженностью 21.. .103 км с большим разнообразием в свойствах подстилающей поверхности (лесные массивы, болота, водные поверхности, луга). Регистрировались медленные изменения разности фаз, в дальнейшем пересчитываемые в изменения угла прихода. Длительность отдельных опытов менялась от 3 до 44 ч, отсчеты производились каждые 15.30 мин. Были приняты меры для исключения влияния временной нестабильности аппаратуры. Полное описание трасс, приемно-передающей аппаратуры, условий проведения экспериментов приводятся в работе [2].
1 См. наст. вып. журн., с. 47-51 52
© Киселев О. Н., 2006
Одновременно проводились метеорологические измерения у передатчика и приемника. Регистрировались температура, давление и влажность, измерялась скорость ветра на высотах 0.25, 0.5, 2.0 и 8.0 м. Использовались данные гидрометеорологических станций, в том числе результаты градиентных и актинометрических наблюдений.
Получена зависимость среднеквадратического отклонения (СКО) медленных флук-
туаций угла прихода Ода от расстояния: стда [...'] = 0.045^О|км]. Это соотношение определяет величину флуктуаций, типичную для средних метеорологических условий района проведения экспериментов. Классификация опытов по погодным условиям показала, что оценку СКО угла прихода для солнечной безветренной погоды следует увеличить в два раза, для пасмурной с ветром - уменьшить в два раза.
Эксперименты позволили проверить предложенную в предыдущей статье модель формирования мезомасштабных неоднородностей в приземном слое атмосферы на основе сравнения результатов измеренных и рассчитанных СКО углов прихода. Для расчета отклонений азимутальных углов прихода от направления на источник излучения (ось 0 у) с учетом изменения коэффициента преломления в плоскости х0у использовано соотношение, приве-
О дп ( х, у )
денное в работе [3]: Да = — | у
О 0 &
ёу (О - протяженность трассы распространяв
ния сигнала; п - коэффициент преломления). На его основе получена формула для оценки дисперсии углов прихода аДа в зависимости от расстояния О в предположении о случайном распределении неоднородностей коэффициента преломления у поверхности Земли с дисперсией адп, гауссовской корреляционной функцией и средним размером а:
аДа = (2л/Л/3а) ОаДп = 1.2 (Б/а) аДп. (1)
Дисперсия неоднородностей коэффициента преломления определена на основе модели, предложенной в указанной ранее статье2:
°2п = [К1 (дд/дЯ) - К2 (дТ/дЯ)]2а1я + [К (дд/дЕ) - К2 (дТ/дЕ)]2Г2а2АЬЕ, (2)
где К = (37.4-10-2/0.622)(р/т2); К2 = 77.6-10-6 (р/т2 ) + 74.8-10-2 (в/т3 ); д -удельная влажность; р, Т, в - давление, абсолютная температура и парциальное давление водяного пара соответственно; Е - скорость испарения; Г - скрытая теплота испарения;
22
адя и адтЕ - дисперсии радиационного баланса и затрат тепла на испарение; черта означает усреднение по ансамблю неоднородностей на поверхности Земли вдоль трассы.
Выражение (2) определяет адп в зависимости от свойств подстилающей поверхности (набора физических параметров поверхности почвы, воздуха, земного покрова) и в полном виде довольно громоздко. Однако с учетом реальных для летнего периода года значений параметров и их отклонений относительно среднего значения оказалось возможным существенно упростить (2) за счет пренебрежения малыми членами:
2 См. наст. вып. журн., с. 47-51.
а А п = 4-10-3 [у ( г )/п ]2 (а 2ак + 0.83а 2АЬЕ ), (3)
где у (г) = 1п [(г0 + г)/(^о + Л)] ; п = 1п (г0 + И)]; г - высота линии "передатчик - приемник" над поверхностью Земли; г0- параметр шероховатости, характеризующий неровности подстилающей поверхности; И - высота приземного слоя атмосферы, в пределах
которого формируются мезомасштабные неоднородности.
2
Сомножитель [ у (г)/п] в (3) определяет зависимость дисперсии флуктуаций коэффициента преломления от скорости ветра, размеров "пятен" неоднородностей подстилающей поверхности, величины просвета трассы. Второй сомножитель отражает флук-туационную составляющую, зависящую от характеристик мезомасштабных ландшафтных зон на поверхности Земли на трассе.
Для расчета по формуле (3) следует воспользоваться крупномасштабной топографической картой и определить по профилю среднюю величину просвета. Радиационный баланс (Я) и затраты тепла на испарение (ЬЕ) для каждой ландшафтной зоны также определяются по карте (луг, лес, поле и т. п.) при наличии табличных данных, характеризующих каждый вид поверхности соответствующими значениями этих параметров, что позволяет далее вычислить их дисперсию вдоль линии трассы.
Подставив (3) в (1), получим формулу для расчета дисперсии медленных флуктуа-ций угла прихода, обусловленных мезомасштабными атмосферными неоднородностями коэффициента преломления в приземном слое, возникающими за счет наличия участков поверхности с различными свойствами:
а2Аа = 4.8-10-3 [(у/п)г]2 (а^ + 0.83а^Е )(^¡а) . (4)
Средний размер неоднородностей на поверхности Земли и, соответственно, в приземном слое а вычисляется также при наличии топографической карты, для чего следует выделить участки с различными типами покрытий, определить поперечный размер каждого из них, затем найти среднее. Для района, где проводились эксперименты, величина а составила 4.2 км.
Выполним проверку возможности использования предложенной модели, оценив вначале влияние подстилающей поверхности и метеорологических условий на флуктуации углов
...'/л/КМ
0.15
0.10 0.05
0
3 6
Рис. 1
Да, ...' 1
0
- 1 - 2
16 20
24 4 Рис. 2
t, ч
0.9
0.6
0.3
_1_
_1_
0.3 0.6 Рис. 3
0.9 аДа :
прихода по экспериментальным данным. Как показано в [4], временные изменения перепадов температуры и влажности между участками с разными свойствами подстилающей поверхности должны быть пропорциональны между собой, поскольку объединены общими метеорологическими условиями, и, следовательно, должны быть пропорциональны величинам адп и ода, оцененным по временным
реализациям. Для проверки этого утверждения использовались измерения метеовеличин в двух пунктах трассы: у приемника (на границе
поймы р. Томь) и на метеостанции "Болотное", окруженной лугами и полями. В этих пунктах были рассчитаны индексы преломления N и N2 и получена разность АN=N - N2 . На рис. 1
представлена зависимость среднеквадратического значения флуктуаций угла прихода Ода,
полученного в соответствии с (4) и нормированного к 40, от величины л/ДN2 , вычисленной для каждого отдельного опыта. Видно, что статистическая связь между указанными величинами действительно существует; коэффициент корреляции между ними равняется 0.86.
При проведении измерений угла прихода одновременно на двух приемных пунктах, разнесенных на расстояние 1065 м, выявлена синхронность их изменений (рис. 2) в зависимости от времени суток ^. Это означает, что обе разнесенные трассы находятся в зоне влияния одних и тех же неоднородностей с размерами, превышающими величину разноса приемников (ранее указано, что средний размер приземных мезомасштабных неоднородностей в районе проведения опытов равен 4.2 км).
По группе опытов, обеспеченных метеорологическими данными, необходимыми для использования формулы (4), проведены расчеты величины ода . На рис. 3 представлено соотношение измеренных (стда и ) и рассчитанных по метеорологическим данным (ада р) сред-
неквадратических значений флуктуаций угла прихода. Прямая на рис. 3 - линия полного совпадения измеренных и рассчитанных данных. Результаты сравнения показывают, что по формуле (4) можно рассчитать ожидаемое СКО медленных флуктуаций угла прихода, используя крупномасштабную топографическую карту и необходимые данные о погоде. Отличие части рассчитанных величин от измеренных объясняется как наличием иных механизмов формирования неоднородностей, так и погрешностями при оценке метеорологических величин.
Проведенные исследования указывают на возможность оценки величины медленных флуктуаций горизонтального угла прихода по данным метеорологических измерений с учетом характеристик разнородных участков земной поверхности, сведения о которых имеются на крупномасштабных топографических картах. Предложена формула для расчета дисперсии таких флуктуаций.
Библиографический список
1. Мезометеорология и краткосрочное прогнозирование: Сб. лекций / Сост. Н. В. Вельтищев. Л.: Гид-рометеоиздат, 1988. 137 с.
2. Шарыгин Г. С. Статистическая структура поля УКВ за горизонтом. М.: Радио и связь, 1983. 140 с.
3. Редькин Б. А. Угловые ошибки в неоднородной среде // Тр. ТИРЭТ. Томск: Изд-во ТГУ, 1967. Т. 6. С. 23-25.
4. Прилепин М. Т. Определение показателя преломления воздуха при измерении расстояний светодаль-номерами // Геодезия и картография. 1957. № 3. С. 20-30.
O. N. Kiselev
Tomsk state university of control and radioelectronic
Interrelation between variations of the microwave arrival angle and mesoscale of refractivity index to propagation above cross-country paths
Results of researches of dependence of microwave arrival corner slow fluctuations from meteorological conditions and properties of a spreading surface at distribution of microwave above a cross-country terrain are presented.
Slow variations of arrival angle, cross-country paths, tropospheric inhomogeneities, radiative balance, heat evaporation consumption
Статья поступила в редакцию 10 октября 2006 г.
УДК 621.391.26
В. И. Тисленко, А. А. Савин
Томский государственный университет систем управления
и радиоэлектроники
Синтез квазиоптимального фильтра для оценки временного положения импульсного сигнала известной формы при многолучевом распространении радиоволн
Представлено решение задачи синтеза фильтра, реализующего квазиоптимальные совместные оценки временного положения сигнала на выходе многолучевого канала с рассеянием во времени и его импульсной характеристики. Алгоритм реализован в предположении гауссовской модели канала с независимыми рассеивателями. Показаны сходимость оценок и работоспособность алгоритма обработки.
Многолучевой радиоканал, пассивный прием, время прихода сигнала, алгоритм
Постановка задачи. Точность оценок времени прихода сигналов в пространственно-разнесенные пункты приема определяет погрешность пассивных разностно-дально-мерных систем определения местоположения. Многолучевой характер распространения радиоволн (РРВ) на приземных трассах является причиной случайных частотно-селективных замираний УКВ импульсных радиосигналов, которые проявляются как искажения их формы (комплексной амплитуды) [1]. Степень искажений зависит от соотношения ши-56 © Тисленко В. И., Савин А. А., 2006
