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

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

dа

= 0, т. е.

(

dp_

dа

= -2cosa

Л

h

0

ym

sin а

1 • 2 - sin а

x2

= 0.

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

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

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 ,

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

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

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

(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

1 - х С05 Ч1 - у,

х2

Я+к

-У,

эт 1,

•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 ,

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

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.