Способ зондирования ионосферы и устройство для его реализации
METHOD FOR IONOSPHERE SOUNDING AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к геофизике и предназначено для мониторинга окружающей среды, обеспечения радиосвязи и навигации. Технический результат состоит в повышении точности и надежности определения параметров каналов распространения радиоволн и упрощении используемого для этого устройства.
Известные способы зондирования плазменных слоев ионосферы и тропосферы подразделяются на следующие группы технологий:
1. Наклонное зондирование ионосферы (НЗИ);
2. Наземное и спутниковое радиозондирование ионосферы;
3. Зондирование на основе сигналов навигационных космических аппаратов (НКА);
4. Томография ионосферы;
5. Многочастотного зондирования с геостационарных космических аппаратов (ПСА).
В первой группе технологий зондирования в РФ используется редкая сеть наземных станций НЗИ. Для второй группы необходима система наземных ионозондов и ионозонды на отечественные космические аппараты (КА). Зарубежным аналогом этого направления является развитие американской сети современных цифровых ионозондов (например, «Диназонд 21») [1]. В третьей, четвертой и пятой группе для зондирования ионосферы используется просвечивание ионосферы сигналами НКА и ПСА [2] и требуется достаточно плотная сеть приемных станций для диагностики морфологии возмущений атмосферы.
Физической основой зондирования ионосферы является задержка и рефракция распространения сигналов КА в ионосфере и тропосфере из-за искажения траектории радиолуча (см. Фиг. 1). На основе диагностики этих эффектов при распространении сигналов, например, НКА и ГКА, оценивается содержание электронов в атмосфере, на основе которого определяются характеристики трассы распространения радиосигнала. Набег фазы при распространении сигнала НКА в неидеальной среде определяется протяженностью траектории распространения сигнала между приемником, передатчиком и коэффициентом преломления среды [3].
С учетом показателей преломления радиоволн в ионосфере и тропосфере, оценок задержек принимаемых сигналов и координат приемника и передатчика оцениваются характеристики просвечиваемой среды. При этом следует иметь в виду, что ряд характеристик просвечиваемой среды остаются недоступными для измерения, что при сложности процесса радиомониторинга и используемой при этом аппаратуры, характеристики трассы радиосигнала определяются с большой погрешностью.
Из известных способов зондирования ионосферы наиболее близким к заявляемому является способ, описанный в патенте РФ №2502080 С2 [4], который принимаем в качестве прототипа.
Указанный способ зондирования основан на использовании антенных устройств для приема сигналов от передатчиков, устанавливаемых как на Земле, так и во внеземном пространстве, зондирования ионосферы с последующей обработкой принятых сигналов на ПЭВМ оператора на базе процессора с устройством отображения информации, при этом процессор выполнен с возможностью управления приемными антенными устройствами в зависимости от уровня сигнал/шум путем обработки поступающих с выходов навигационных приемников сигналов и заданных сетевых планов приема информации.
Общая структура способа зондирования приведена на фиг. 1, где указано примерное расположение приемо-передающей аппаратуры и космических аппаратов (КА).
Для зондирования ионосферы и тропосферы с расчетом геодвижений используются принимаемые через антенные устройства (2, 3 фиг. 2) сигналы геостационарных КА. Антенны связаны с навигационными приемниками сигналов и с соответствующими блоками питания. Управление работой комплекса, планирование приема и обработка сигналов производится с помощью процессора (6, фиг. 2), в котором прошиты программы переключения антенных устройств через станцию приема-передачи данных (7, фиг. 2), решения прямой и обратной задачи радиопросвечивания атмосферы и восстановления высотных профилей, разрезов и полей концентрации заряженных частиц, характеристик тропосферной рефракции с использованием информации и верификации полученных результатов зондирования (8, фиг. 2), создания региональных моделей ионосферы.
Из изложенного следует, что процесс зондирования ионосферы и измерения фазовых сдвигов достаточно сложен, длителен, а результат измерения имеет недостаточную точность.
Для устранения указанных недостатков предлагается способ зондирования ионосферы, основанный на измерении мнимой составляющей входной проводимости антенны с управляемой диаграммой направленности.
Способ зондирования ионосферы, основанный на измерении мнимой составляющей выходного сигнала операционного усилителя, на неинверсный вход которого подается тестовый гармонический сигнал, а к инверсному входу которого подключается управляемая антенна, отличающийся тем, что по значению измеренной мнимой составляющей выходного сигнала операционного усилителя определяется высота отражающего слоя ионосферы h, исходя из следующей формулы:
0
где Y - входная проводимость антенны.
Рассмотрим сущность предлагаемого решения проблемы определения высоты отражающего слоя ионосферы на основе следующей модели расчета.
а
а
В первом приближении трассу распространения радиосигнала можно представить в виде волновода, нижней стенкой которого является земная поверхность, а верхней стенкой - отражающий слой ионосферы. На фиг. 3 представлена схема указанного волновода, где уровень z=0 означает земную поверхность, а уровень z=h - отражающий слой ионосферы. На этом рисунке использована цилиндрическая система, координаты которой обозначены через z, r и θ. Предполагается, что между земной поверхностью и отражающим слоем образован цилиндрический волновод, в центре которого располагается антенна. Диаметр этого цилиндра равен 2, а высота - h. В дальнейшем будем называть  граничным радиусом.
0
z
r
θ
r
z
Антенна 1 возбуждается генератором импульсов в виде дельта-функций Vδ(z) [2]. Вследствие осевой симметрии ненулевыми будут только компоненты электромагнитного поля E, E и Н [2]. Так как E становится равной нулю на обеих плоскостях 2 и 3, то компонент векторного потенциала A удовлетворяет граничным условиям
z
Уравнение, удовлетворяющее векторному потенциалу A во всех точках вне проводника, имеет вид
0
где k=2π/λ - волновое число (λ - длина волны).
Подходящая функция Грина может быть получена, используя принцип отражения. При отражении на двух проводящих плоскостях 2 и 3 (рис. 1) получается бесконечная последовательность отражаемых источников. Они располагаются в точках (2mh-z'), где m=0, ±1, ±2, …, и точках (2mh+z'), где m=0, ±1, ±2, … Исходя из этого, получим функцию Грина вида
которая удовлетворяет неоднородному волновому уравнению с периодически распределенными источниками
и граничным условиям Неймана ∂G/∂z=0 при z=0 и z=h, и условиям излучения при r→∞ (r и r' - координаты векторов поля и источников, соответственно),  - пространственная дельта-функция Дирака  - расстояние между точками поля и источников, которые определяются как
где ϕ=θ'-θ.
r
θ
z
z
Так как A-А=∂А/∂θ=0, а метод возбуждения такой, что только z-компонента тока I присутствует в вибраторе, то A должен удовлетворять следующим граничным условиям на поверхности антенны:
0
-7
где μ=4π⋅10 (Гн/м) - магнитная проницаемость свободного пространства.
Используя формулы (1)-(6), найдем
где ν - порядок интерференции (для целых чисел = максимумы, для полуцелых - минимумы).
Суммы, указанные в формуле (7), можно преобразовать, используя формулу суммирования Пуассона [3]
где F(ω) - преобразование Фурье функции ƒ(t), определяемое по формуле [2]:
Используем следующую формулу для косинус-преобразования Фурье [4]:
0
где K(•) - модифицированная функция Бесселя второго рода.
Подставляя выражения (8) и (10) в уравнение (7), получим
где
Напряженность электрического поля на поверхности вибратора 1 (рис. 1) будет
i
0
i
z
0
a
где Z - входной импеданс вибратора, Vδ(z) - напряжение сигнала в точке подключения антенны. Для относительно короткой антенны примем Z=0, тогда E()=-Vδ(z).
z
Через векторный потенциал A определим тангенциальную компоненту напряженности электрического поля на поверхности вибратора
Исходя из выражений (11)-(13), найдем
0
i
a
где ς=120 π - волновое сопротивление свободного пространства, Ом; , i ∈ 0, 1, 2, … - коэффициенты ряда Фурье-Бесселя [4].
Ток в антенне 1 (рис. 1) представим косинус-рядом Фурье [5]
m
0
0
m
2
a
где I=V/(jςh).
a
p
Обозначая через I(z) и I (z) активную и реактивную составляющие тока вибратора, получим
0
0
где I(•) и J(•) - модифицированная и обычная функция Бесселя первого рода нулевого порядка, соответственно;  - функция Ханкеля нулевого порядка [5].
Для достаточно больших m, используем следующие формулы:
0
0
В результате проделанных математических операций получено выражение для комплексной входной проводимости антенны Y (фиг. 1), возбуждающей напряженность Vδ(z)
0
0
0
а
В формуле (18) присутствуют функции Бесселя, как действительного, так и мнимого аргумента. В формуле (12) выражение под радикалом изменяет знак при kh=πm. При этом происходит бифуркация решения уравнения (14). Бифуркация относится к мнимой составляющей входной проводимости антенны. Это условие выполняется при длине волны излучения λ=2h. При этом резко (скачком) изменяются активная и реактивная составляющие входной проводимости антенны Y, что является условием точного измерения расстояния между проводящими поверхностями. Зависимость параметра  от радиуса r медного проводника для длины волны λ=20 м приведена на фиг. 4 [5].
Зависимость входной проводимости антенны от высоты отражающего слоя для длины волны λ=20 м приведена на фиг. 5, откуда видно, что активная составляющая входной проводимости мала, а модуль входной проводимости определяется мнимой составляющей.
Поэтому имеет значение вопрос о связи высоты отражающего слоя с мнимой составляющей входной проводимости. Для диапазона частот 50…200 кГц на фиг. 6 приведена зависимость мнимой составляющей входной проводимости от высоты отражающего слоя и частоты сигнала, откуда видно, что с увеличением частоты и высоты отражающего слоя модуль мнимой составляющей входной проводимости уменьшается, что позволяет определять среднюю высоту отражающего слоя на трассе радиосигнала.
В качестве измерителя мнимой составляющей входной проводимости можно использовать устройство, структурная схема которого приведена фиг. 7.
Устройство реализации способа зондирования ионосферы (фиг. 7), состоит из операционного усилителя 1, на неинверсный вход которого подается тестовый сигнал от генератора гармонического сигнала 2, а к инверсному входу которого подключается антенна 3, управление диаграммой направленности которой осуществляется блоком 4, подключенным к первому выходу процессора 5, неинверсный вход операционного усилителя связан со входом фазосдвигающей цепи 6, выход которой подключен ко второму входу фазочувствительного детектора 7, а первый вход, которого подключен к выходу операционного усилителя, а выход фазочувствительного детектора 7 подключен к первому входу блока регистрации результатов измерения 8, а второй вход блока 8 подсоединен ко второму выходу процессора 5.
Работа устройства реализации способа зондирования ионосферы (фиг. 7) состоит в следующем.
0
0
Комплексная входная проводимость антенны Y (антенны 3) определяется как Y=g+jbω, где g - действительная часть входной проводимости антенны, bω - мнимая часть входной проводимости антенны, ω - частота сигнала генератора гармонического сигнала 2.
S
Тогда напряжение на выходе операционного усилителя E определяется как
где Е - напряжение тестового сигнала генератора гармонического сигнала 2, R - номинал резистора обратной связи операционного усилителя 1 (фиг. 7).
S
Так как измеряется только мнимая часть входной проводимости антенны, то из напряжения на выходе операционного усилителя E необходимо выделить только квадратурную часть этого напряжения. С помощью фазочувствительного детектора 7 это достигается использованием фазосдвигающей цепи 6, подключаемой к его второму входу. Фазосдвигающая цепь 6 осуществляет сдвиг фазы тестового сигнала генератора Е на угол φ=π/2. В результате на выходе фазочувствительного детектора 7 появляется сигнал
где А - характеристика фазочувствительного детектора 7.
0
Напряжение Е прямо пропорционально мнимой части входной проводимости антенны 1. Блок регистрации результатов измерения 8 связан со вторым выходом процессора 5, с помощью которого осуществляется вычисление действительной высоты отражающего слоя ионосферы h с последующей визуальной регистрацией и запоминанием результатов расчета. В процессоре 5 также осуществляется выдача команд блоку 4 для управления диаграммой направленности антенны 1. Способы и аппаратура, используемые для управления диаграммой направленности антенны можно найти в [6].
Предложенная модель расчета высоты отражающего слоя необходима в чрезвычайных условиях, когда эта высота может изменяться непредсказуемым образом. В результате чего обычная радиосвязь становится невозможной. В этом случае предложенное устройство позволяет выбрать диапазон частот передачи сообщений и определить нужное направление излучения сигнала для обеспечения надежной связи.
Ссылки
1. Тертышников А. В. Технология мониторинга ионосферы с помощью приемников сигналов навигационных космических аппаратов GPS/ГЛОНАС (Galileo) / А.В. Тертышников, В.О. Большаков // Информация и космос, 2010, №1. - С. 100-105.
2. Афраймович Э.Л. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли / Э.Л. Афраймович, Н.П. Перевалова. - Иркутск: ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2006. - 480 с.
3. Смирнов В.М. Радиофизические методы исследования и мониторинга ионосферы Земли / Плазменная геофизика / Под ред. Л.М. Зеленого, И.С. Веселовского. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008, т. 2. - С. 350-367.
4. Патент RU 2502080 С2. Способ зондирования ионосферы, тропосферы, геодвижений и комплекс для его реализации. - Опубл. в БИ №4 20.12.2013.
5. Харченко К.П. KB антенны-рупоры без видимых стенок / К.П. Харченко. - М.: Радиософт, 2003. - 95 с.
6. Вендик О.Г. Антенны с электрическим сканированием / О.Г. Вендик, М.Д. Парнес - М.: САЙНС-ПРЕСС, 2002. - 232 с.