Вариации ото дня ко дню напряженности поля декаметровых радиоволн

ФИЗИКА

УДК 621.391.81

ВАРИАЦИИ ОТО ДНЯ КО ДНЮ НАПРЯЖЕННОСТИ ПОЛЯ ДЕКАМЕТРОВЫХ РАДИОВОЛН

© 2007 г. Е.В. Бойченко, Л.П. Радио

The values of variations from day to day of field strength obtained from results of measurements during long time on two middle-latitude paths 551 and 454 kms are given. Experimental values are completed by results of simulation modeling.

Точность расчета напряженности поля является определяющей при прогнозировании качества радиосвязи на декаметровых волнах (ДКМВ). Кроме того, для прогнозирования качества связи необходимо знать не только медианные месячные значения напряженности поля, но и возможные отклонения ото дня ко дню уровня сигнала от месячной часовой медианы. Наиболее надежным источником такой информации следует считать экспериментальные данные, полученные на радиотрассах.

В статье приведены значения вариаций ото дня ко дню напряженности поля, найденные по результатам измерений в течение продолжительного времени на двух среднеширотных трассах протяженностью 551 и 454 км (трассы 1 и 2 соответственно). Экспериментальные значения дополнены результатами имитационного моделирования.

Условия эксперимента

В работе используются две базы данных. Первая база получена в результате измерений напряженности поля на практически меридиональной среднеширот-ной трассе 551 км (азимут 102 °). Частоты излучения -2,5 и 5,0 МГц, мощность передатчика - 2,5 и 10 кВт. Время наблюдений - 2004-2006 гг. (36 мес.). Уровень солнечной активности W= 41, 30 и 16. Измерения проводились круглосуточно с шагом 10 мин. Время усреднения на каждом шаге измерений - 1 мин.

Вторая трасса протяженностью 454 км (азимут 187°), рабочие частоты - 2,5 и 5 МГц, время наблюдения - 11 лет (1978-1988 гг). Этот период охватывал годы максимальной и минимальной солнечной активности. Максимум приходился на 1979 г. (число солнечных пятен W=155), минимум - на 1986 г. ^=13). Сигнал принимался в течение 10 мин каждого часа. Таким образом, время усреднения составляло 10 мин.

На передаче и на приеме использовались слабонаправленные антенны с известными диаграммами направленности. Излучаемая мощность постоянно контролировалась, периодически проводилась калибровка приемного тракта.

Во время экспериментов, кроме сигнала, на обеих трассах регистрировался уровень шумов (помех). Высокая мощность излучения позволяла надежно выделять сигнал на фоне помех. Случаи, когда отношение

сигнал/шум было менее 10, исключались при обработке (табл. 1).

Таблица 1

Характеристика трасс

Методика обработки результатов

Результаты измерений обрабатывались в следующей последовательности. Для каждого месяца на плоскость «время суток - напряженность поля (уровень сигнала)» наносились все измеренные значения напряженности поля Е, затем для фиксированных моментов времени находились средние значения. Полученные таким образом точки соединялись кривой, которая рассматривалась как усредненный за месяц суточный ход напряженности поля.

Разброс точек вокруг среднего принимался за вариации ото дня ко дню.

В качестве меры вариаций принято среднеквадратичное отклонение. Типичные примеры таких зависимостей для исследуемых трасс приведены на рис. 1 а, б. Здесь среднеквадратичные отклонения нанесены вертикальными линиями.

Результаты

Для трассы 1 полученные вариации напряжения на клеммах приемной антенны на частотах 2,5 и 5,0 МГц в децибелах относительно 1 мкВ помещены в табл. 2. На частоте 2,5 МГц в дневные часы наблюдались устойчивые однократные отражения от слоя Е, а в ночное время сопоставимые амплитуды имели обыкновенный и необыкновенный лучи 1Б2. На частоте 5,0 МГц ночью, как правило, имели место неустойчивые диффузные отражения. По этой причине вариации поля в таблицу не включены.

Для трассы 2 результаты измерений напряженности поля на частоте 2,5 МГц представлены в виде графиков на рис. 2 а-г. Здесь для января, апреля, июля и октября за период с 1978 по 1988 г. нанесены средние за месяц значения Е, полученные в ночные часы,

Номер трассы Протяженность, км Частота, МГц Мощность излучения, кВт Время наблюдения

1 550 2,5; 5,0 2,5; 10 2004-2006 гг.

2 454 2,5; 5,0 2,0; 2,0 1978-1988 гг.

и среднеквадратичные отклонения ото дня ко дню. Отметим, что в ночное время наблюдались исключительно отражения от слоя Б2. Аналогичные графики

Напряжение, дБ(мкВ) 55 -л

Июль 20Ü6 D=551 км 2,5 МГц

"1—1—Г

12 16 Т, местнйс время, ч

а

для частоты 5,0 МГц и дневных часов при отражении от слоя Е представлены на рис. 2 д-з.

Напряжение, дБ(мкВ) 50 -|

45 -

40 -

35

30 -25 -20 -15 10 -5

Октябрь 1980 D=454 км 5 МГц

-1—'—I—1—I—1-Г"

0 4 8 12 16 Т, местное время, ч. б

Рис. 1. Суточный ход напряженности поля

~1

20

24

Таблица 2

Вариации напряжения на клеммах антенны

Частота, МГц Год Месяц За год

Время суток 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

2,5 2004 Ночь 5,02 3,08 3,76 3,87 3,66 4,06 4,84 3,15 3,46 4,46 7,53 3,91 4,23

День 5,91 5,40 5,64 3,50 3,30 4,27 4,09 4,00 3,68 5,53 6,29 5,21 4,73

2005 Ночь 6,33 4,33 5,74 3,81 5,91 4,15 3,42 4,11 4,75 4,01 3,78 5,28 4,77

День 9,91 6,60 4,33 4,27 2,43 4,09 4,06 4,53 3,55 5,01 5,56 8,53 5,24

2006 Ночь 9,09 6,34 4,85 2,30 3,36 2,79 2,84 3,26 3,09 4,49 5,62 7,59 4,64

День 5,34 4,03 3,69 4,84 4,36 3,69 2,96 3,15 4,25 4,01 4,29 5,42 4,17

5 2004 День 7,57 5,29 3,36 2,12 2,58 2,13 6,31 4,39 3,06 2,39 6,03 4,48 4,14

2005 День 5,96 4,53 2,95 2,31 4,40 2,64 8,43 3,76 7,94 1,85 5,61 4,65 4,58

2006 День 2,46 1,89 2,34 2,37 2,15 2,32 2,54 2,35 1,95 1,82 3,19 9,00 2,46

Из табл. 2 следует, что вариации напряженности поля ото дня ко дню на трассе 1 не имели ярко выраженного сезонного хода. Некоторое увеличение отклонений имело место в январе, что может быть связано с зимней аномалией поглощения. Не отмечалась также систематическая разница между наблюдениями на двух частотах за три года. Усредненное по всем периодам среднеквадратичное отклонение составило 4,6 дБ.

Для трассы 2 среднее за все 11 лет значение отклонений ото дня ко дню на частоте 2,5 МГц составило 3,3дБ. В ночные часы минимальные флуктуации приходились на летние месяцы, а максимальные - на зимние. При этом наблюдалась некоторая сезонная периодичность: перепад между летом и зимой составил около 3 дБ. Для дневных значений ситуация аналогичная, но максимальный разброс был около 5 дБ.

Вариации на частоте 5 МГц (трасса 2) несколько превышали (в пределах 1,5 дБ) отклонения на частоте 2,5 МГц. Для суточного хода ночью в среднем за 11

лет значение флуктуаций составило 4,6 дБ, а днем -3,9 дБ. Максимальное значение днем составило 7,7 (январь 1982) дБ и минимальное - 2 (ноябрь 1985).

Влияние солнечной активности на флуктуации ото дня ко дню на обеих трассах незамечено.

Некоторое различие между среднеквадратичными отклонениями, полученными на двух трассах, по-видимому, можно объяснить отличием используемых методик усреднения экспериментальных значений Е.

Для объяснения причин наблюдаемых вариаций напряженности поля было проведено имитационное моделирование распространения радиоволн для тех же условий, при которых проводились измерения. Рассчитывались значения Е по методике [1] с учетом возможных вариаций параметров ионосферных слоев и поглощения. Для описания ожидаемых вариаций ионосферных параметров принималось нормальное распределение с заданным среднеквадратичным отклонением [2]. Условия моделирования следующие:

50

-J- 45  щ

щ 40 -

35 -

25

Октябрь 2,5 МГц

Год

са 2

5 зо-

Декабрь 5 МГц

1978

—I-

1982

~~1-

1984

Год 1988

35 -

И

Апрель  5 МГц

-1-1-1-

1982 1984 е

Год

в

г

д

1978 1980 1982 1984 1986 1988

з

Рис. 2. Результаты измерения напряженности поля

- для ночной области Б относительные среднеквадратичные отклонения критической частоты, высоты максимума и полутолщины составили соответственно 10-15, 5-10, 20 %;

- для слоя Е в дневные часы ожидаемые отклонения аналогичных параметров принимались равными 5-10, 2-5, 5-7,5 %;

- возможные вариации поглощения учитывались отклонением профиля частот соударений в пределах 5-10 %.

Результаты моделирования позволили сделать следующие выводы.

Дневные вариации ото дня ко дню напряженности поля лучей, отразившихся от слоя Е, полностью объясняются возможными типичными отклонениями параметров ионосферы от средних значений. Причем для частоты 2,5 МГц получены несколько лучшие результаты, чем для 5,0 МГц.

Наблюдаемые в ходе эксперимента вариации поля в ночные часы при отражении от области Б значительно превосходят величины, полученные при моделировании. Основная причина - влияние интерференционных погрешностей, которые возникают при измерении напряженности в условиях одновременного приема нескольких лучей с сопоставимыми амплитудами и малыми (в пределах 0,05 Гц) относительными доплеровскими смещениями.

Ростовский государственный университет_

Из изложенного выше следует, что получены численные значения отклонений напряженности поля ото дня ко дню на двух среднеширотных калиброванных трассах малой протяженности. Измерения охватывали значительный временной интервал, проводились в дневные и ночные часы, что позволяет говорить о статистической достоверности полученных результатов.

В дневное время суток наблюдались устойчивые отражения от слоя Е. Им соответствовали вариации напряженности порядка ± 4,0 дБ. Ночью вариации возрастали до ± 4,6 дБ. Именно такие значения можно рекомендовать использовать при прогнозировании качества связи.

Наблюдаемые флуктуации имеют удовлетворительное объяснение, связанное с поведением параметров ионосферы и лучевой структурой поля, что подтверждено результатами имитационного моделирования.

Литература

1. Барабашов Г.Г., Анишин М.М. // Тр. НИИР. 2002. С. 99-

103.

2. Островский Г.И. // Геомагнетизм и аэрономия, 1992.

Т. 32. № 6. С. 78-83.

11 декабря 2006 г.