Экспериментальная проверка методов расчета напряженности поля ВЧ радиоволн на трассах малой протяженности

ФИЗИКА

УДК 621.391.81

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННОСТИ ПОЛЯ ВЧ РАДИОВОЛН НА ТРАССАХ МАЛОЙ ПРОТЯЖЕННОСТИ

© 2007 г. Б.Г. Барабашов, Л.П. Радио

Experimental check results of calculation methods accuracy of field HF strength on middle-latitude paths are given.

Точность расчета напряженности поля является определяющей при прогнозировании качества радиосвязи на декаметровых волнах (ДКМВ). Сказанное в равной мере относится как к традиционным для ДКМВ расстояниям (1000-10000 км), так и к трассам, длина которых не превышает 500-600 км. В то же время специфика трасс малой протяженности (низкие рабочие частоты, глубокое проникновение волны в ионизированные слои и значительное поглощение, много большее, чем при пологих траекториях) выдвигает повышенные требования к точности расчета потерь.

В 80-е гг. в Ростовском госуниверситете был разработан специальный метод, учитывающий особенности распространения ДКМВ на малые расстояния [1]. В дальнейшем он неоднократно дополнялся. Так, версия, изложенная в работе [2], позволяет рассчитывать набор характеристик ДКМВ на трассах со скачковым механизмом распространения произвольной протяженности, но короткие трассы по-прежнему оставались в центре внимания.

В данной статье приводятся результаты экспериментальной проверки метода [2] на двух среднеши-ротных трассах протяженностью 446 и 551 км (трассы 1 и 2). Одновременно оценивается эффективность применения для расчета потерь на малых расстояниях метода 1СЕРАС [3].

Краткая характеристика метода РГУ [2]. Двумерное пространственно-временное распределение ионизации задается в равноудаленных узловых точках вдоль дуги большого круга, соединяющей пункты передачи и приема. В этих точках невозмущенный высотный профиль электронной концентрации описывается Международной справочной моделью Ш1-2001. Затем этот профиль аппроксимируется 9 прямыми и обратными квазипараболами. В произвольных пространственно-временных точках квазипараболическое высотное распределение находится в результате аппроксимации кубическим двухмерным сплайном по значениям квазипарабол в узловых точках.

Для вычисления столкновительного ионосферного поглощения используется неизменный вдоль трассы профиль эффективных частот соударений, близкий к газокинетическому. Профиль корректируется по эмпирическим мировым картам !Ти-Я по поглощению.

Для расчета траекторных характеристик используется модифицированный метод рефракционного интеграла.

Влияние геомагнитного поля учитывается при определении модовой и лучевой структуры поля, углов места парциальных лучей, их фазовых и групповых задержек, пространственного ослабления, максимально применимой частоты (МПЧ) трассы, поглощения, а также поляризационного рассогласования. Используются приближенные подходы, разработанные в РГУ.

Таким образом, в описываемом методе повышение точности расчета характеристик распространения ожидается за счет использования наиболее достоверной и развитой модели ионосферы, корректного задания профиля соударений, учета потерь во всех ионизированных слоях, применения авторских методов расчета энергетических и траекторных характеристик волны в магнитоактивной пространственно-неоднородной ионосфере. Отметим, что в методе [2] вклад приемо-передающих антенн учитывается при произвольных углах излучения (приема).

Краткая характеристика метода 1СЕРАС [3]. Метод 1СЕРАС - эмпирический. Он основывается на обширной базе данных, включающей многолетние измерения потерь на 33 трассах протяженностью от 55 до 15 000 км в диапазоне частот 2 - 20 МГц. Программная реализация метода помещена на сайте http://elberg.its.bldrdoc.gov/.

Условия эксперимента. Для проверки методов в работе были использованы две базы данных. Первая -результаты измерения напряженности поля на сред-неширотной трассе протяженностью 446 км (азимут 130 °). Передача велась в режиме непрерывного излучения на частоте 3,33 МГц; мощность передатчика -3 кВт. Продолжительность эксперимента - 10 мес. январь-октябрь 2003 г. Среднее число солнечных пятен W за этот период составило 65. Измерения велись круглосуточно с шагом 5 мин. Интервал усреднения на каждом шаге ~ 0,5 с.

На передаче и приеме использовались слабонаправленные антенны с известными диаграммами направленности. Мощность передатчика постоянно контролировалась; периодически проводилась калибровка приемного тракта. Все это позволило корректно

провести пересчет напряжения на входе приемника в напряженность поля Е. Инструментальная погрешность определения напряженности при этом составила не более 2 дБ.

Вторая база данных получена в результате измерений на практически меридиональной среднеширот-ной трассе 551 км. Частота несущей - 2,5 МГц, мощность передатчика - 2,5 кВт. Время наблюдений -2004 - 2005 гг. (24 мес.). Уровень солнечной активности W= 41 и 30. Измерения проводились круглосуточно с шагом 10 мин. Время усреднения на каждом шаге - 1 мин.

Как и в первом случае, на передаче и приеме применялись слабонаправленные антенны, однако учесть все потери в антенно-фидерных трактах не представлялось возможным. Поэтому при проверке метода на трассе 2 использовались значения напряжения на входе измерительного приемника.

1-15 et

64 60 56 52 48 44 40 36 32 28 24 20 16 12

Февраль 2003 г. D=446 км 3,33 М3ц

. &!*} Uff.-!'Ж. »

J.X... Т-------- .1

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.

Порядок обработки результатов. Была принята следующая последовательность обработки результатов измерений. Для каждого месяца на плоскость «время суток - напряженность поля (уровень сигнала)» наносились все измеренные значения. Затем для фиксированных моментов времени находились средние значения Е. Полученные таким образом точки соединялись кривой, которая рассматривалась как средний за месяц суточный ход напряженности поля (уровня сигнала). Типичные примеры таких зависимостей для исследуемых трасс приведены на рис. 1, 2.

1—1—I—1—I—1—I—1—I—1—I

4 8 12 16 20 24

60 55 50 45

40 Ч 35 30 25 20

15 Ч 10 5

0

Февраль 2004 г. D=55B км 2,5 МГц

0

12

16

I

20

\

24

Т, местное время, ч

Т, местное время, ч

4

8

0

Рис. 1. Суточные вариации поля

Следует отметить, что 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. Используемая методика измерений на трассе 2 (время усреднения на каждом временном шаге 1 мин) позволила исключить влияние интерференционных флуктуаций и рассматривать разброс точек вокруг среднего за месяц суточного хода как вариации ото дня ко дню. В качестве меры вариаций принято среднеквадратичное отклонение. На рис. 2 эти отклонения нанесены вертикальными линиями.

Результаты проверки методов. На последующих этапах обработки суточные зависимости напряжен-

Рис. 2. Суточные вариации напряжения на клеммах антенны

ности поля, аналогичные экспериментальным, рассчитывались для каждого месяца методами [2, 3]. Для трассы 1 на рис. 3 приведены суточные зависимости напряженности поля в дБ относительно 1 мкВ/м для изотропных антенн при излучаемой мощности 1 кВт. Здесь измеренные значения Е - сплошные кривые; рассчитанные методом [2] - пунктирные; методом [3] -штрихпунктирные.

Для снижения влияния инструментальной погрешности дополнительно проводилась калибровка рассчитанных зависимостей Е(Т) по измеренным ночным значениям Е. Для каждого месяца в интервале 23 - 3 ч находились средние значения напряженности и достигалось совпадение рассчитанных и прогнозируемых Е.

55 -50 45 -40 35 -30 25 -20 -15 10 5 0

Январь

Февраль

1 - Ч \

* J1

%

ч - «•  - V 1 <

>

2 IV 3

//

4 8 12

Т, местное время, ч

16

20

24

55

50

45

40

я

m 35

s

t 30

ол 25

G

ь

т с 20

но

не 15

& 10

ca

5

0

_

r • \

к t ** V /1 *

/У

% . / *#

t "м

V\ / /

V*

к

\ /

!

i

/

8 12 16

Т, местное время, ч

20

24

Март

55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

X

V \

\ \ //

\ \ 1 V r

V \ /1

X \ К i

t

% 4 2 ,

\ ** -

V

/

\3

/

55 50

^ 45 -

1 40 s

£ 35 -

t*

g 30

S

g 25-

Я Я

i 20«

р

g 1510 5 0

Апрель

\ s "Г

4

4 \ /)

v Л Г f /г

\\ 1 t

%

\ 2 > <

„ - * 7

/

\ 3

/

4 8 12 16 20 24

Т, местное время, ч

0 4 8 12 16 20 24

Т, местное время, ч

Май

55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -

- .

* \ \ //

_ /

\

*> У

X 1

%

\

V --- - - /

* 2

/

3

55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

1

_ * \ __

А /Г

* «

\ 3 f

1

\v / (, "

\ \

\ ' А 2

Л • /#

!j У/

•

4 /

•

8 12 16

Т, местное время, ч

20

24

8 12 16

Т, местное время,ч

20

24

0

0

0

4

0

4

0

Июль

Август

55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

, 1 ^ •

\ ft

• lf 1

3 / 1

\ / + 2

\ ч

А

.1* ( Л

Г/

1

/

8 12 16 20

Т, местное время, ч

55 50 45 40 -

m

и

¿ч 35

ял, 30 о

С

ьт 25

с

о н

нне 20

й

я

р 15

К

10 5 0

2

\ * \ * - «.

*

\ \ ' ч

\ • 3 • г /

Ч \ /1

1 \ " ' к

\\ \ /

• /

У

f

*

24

8 12 16

Т, местнон время, ч

24

4

0

0

д

~>п

Сентябрь

55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

2

I

\ . «s / /

% щ /Д > /

/

/ €

, # 1

1 ft

V V J

•S V,

V

\ .

55 50

^ 45

1s

<3 40 s

Ч 35

I 30

ь

сот25

н

н

М 20-

я &

Октябрь

15 10 5 0

1

-л М //S

\

2

V \

\ //

и* /у

ЧЛ /

>

У

*

\ /

3

8 12

Т, местное время,

16

20 24

8 12 16

Т, местное время, ч

20

24

0

4

0

4

Рис. 3. Суточный ход напряженности поля на трассе протяженностью 446 км: 1 - измеренные значения Е, 2 - рассчитанные методом РГУ; 3 - рассчитанные методом 1СЕРАС

Степень совпадения наблюдаемых и рассчитанных зависимостей Е(Т) оценивалась средней и средней арифметической погрешностями за сутки для каждого

месяца: | ДЕ | и ДЕ. Результаты такой оценки при-

ведены в табл. 1. Отдельно в табл. 2 вынесены результаты сравнения измеренных и прогнозируемых значений напряженности поля для полуденных часов, когда доминировал луч 1Е.

Таблица 1

Погрешности прогнозирования напряженности поля на трассе 446 км

Метод Погрешность, дБ(1мкВ/м) Месяц

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

РГУ И 3,7 2,7 4,7 4,4 2,9 0,7 1,2 2,3 3,1 1,8

ДБ -1,8 -0,7 -4,7 -4,4 -1,5 0,5 0,8 1,5 2,6 1,3

MSISE N 4,9 2,4 7,7 9,2 7,5 4,8 3,7 4,1 4,0 2,0

ДЕ 3,9 1,3 -7,7 -9,2 -6,5 -2,6 -1,6 -1,6 0,6 0,1

ICEPAC N 3,6 6,1 7,7 6,4 5,9 4,4 5,8 5,7 7,0 3,7

ДЕ -1,6 -5,4 -7,7 -5,9 -3,0 1 3,3 1,7 2,9 -0,4

Таблица 2

Погрешности прогнозирования напряженности поля на трассе 446 км в полуденные часы

Метод Погрешность, Месяц

дБ(1мкВ/м) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

РГУ AE 2,2 0,3 4,5 4,7 2,2 0,1 0,3 0,1 0,2 1,0

MSISE » 6,7 3,2 10,4 11,8 9,2 4,9 3,8 4,6 4,0 2,2

ICEPAC » 6,0 12,73 18,6 14,1 11,4 5,9 4,9 7,5 7,0 6,7

В условиях возросших возможностей вычислительной техники представляется заманчивым для расчета столкновительного поглощения наряду с прогнозом пространственного распределения ионизации использовать прогнозируемый высотный профиль частот соударений электронов с нейтралами, в котором учитывались бы суточные и сезонные вариации. В рамках данной работы эффективность такого подхода оценивалась следующим образом. Газокинетический профиль эффективных частот соударений находится по формулам из работы [4]:

V

эфф = Vn2 +VQ2 +VO , Vn2 = 2,9-10-7NNT(1 + TeV2)~\

vo2 = 1,6-10-8 N0Tev2(1 + 4,5Te1/2), vo = 3,0 -10-8 NOTe1/2 .

В свою очередь данные по N О, 02, брались из модели М8ШЕ-90, а Те - из 1М-2001. Погрешности прогноза напряженности поля, полученного с использованием профиля (1), приведены в табл. 1, 2 в строках М8ШЕ.

Отметим, что приведенные на рис. 1 суточные зависимости измеренных значений напряженности поля могут быть использованы для тестирования других методов расчета Е.

Результаты проверки методов на трассе 2, по данным измерений за два года, представлены в табл. 3 и 4. Здесь, как и для трассы 1, погрешности прогноза для полуденных часов вынесены в отдельную табл. 4.

Таблица 3

Погрешности прогнозирования напряженности поля на трассе 551 км

Год Метод Погрешность, дБ(1мкВ) Месяц

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

2004 РГУ N 2,3 3,1 4,8 4,3 2,1 2,7 4,6 2,5 3,8 4,0 1,6 2,2

AE -1,5 -0,3 -4,4 -4,0 -1,6 -2,1 -3,7 -2,1 -3,6 -4,0 -0,2 -0,2

MSISE N 2,5 3,8 8,6 9,6 8,8 9,6 7,6 7,2 7,5 7,0 2,8 2,0

AE -0,2 -3,2 -8,6 -9,6 -8,8 -9,6 -6,7 -7,2 -7,5 -7,0 -2,8 -2,0

2005 РГУ |AE| 2,7 2,6 7,8 6,7 1,9 2,3 3,4 3,0 2,8 4,1 3,1 3,0

AE -2,7 -0,6 -7,8 -6,7 -1,2 -1,4 -3,1 -3,0 -2,6 -3,9 -2,9 -2,2

MSISE |AE| 4,1 3,2 11,6 11,8 7,6 7,9 7,4 7,6 6,2 6,8 4,7 5,0

AE -4,0 -2,4 -11,6 -11,8 -7,6 -7,9 -7,4 -7,6 -6,2 -6,8 -4,5 -4,4

Таблица 4

Погрешности прогнозирования напряженности поля на трассе 551 км в полуденные часы

Год Метод Погрешность, дБ(1мкВ) Месяц

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

2004 РГУ AE 0,9 0,8 5,2 3,8 1,6 1,9 5,4 1,7 1,1 3,9 1,5 3,5

MSISE » 0,2 6,8 12,5 12 10,9 11,2 11 8,7 6,7 9,4 3,0 0,7

2005 РГУ » 4,9 0,7 10 3,4 0,8 0,7 1,5 1,0 0,4 2,3 0,2 0,7

MSISE » 6,1 5,0 16,5 10,8 9,0 9,1 7,7 7,1 5,7 7,1 3,4 3,7

Как уже отмечалось, методика измерений на трассе 2 позволила получить вариации ото дня ко дню напряжения на клеммах приемной антенны относительно месячной медианы. Значения вариаций для освещенного времени суток в условиях отражения рабочих частот от слоя Е помещены в табл. 5.

Таким образом, экспериментальная проверка методов РГУ и 1СЕРАС показала, что наибольшую точность расчета средних значений напряженности поля

обеспечивает метод РГУ. Для него усредненная по всем периодам наблюдений средняя арифметическая погрешность не превышала для первой трассы 2,8 дБ и для второй - 3,4 дБ трассы. Эти значения близки к полученным ранее [5]. В часы максимального поглощения (11 - 16 ч местного времени) эта погрешность составила 1,6 и 2,4 дБ для трасс 1 и 2, т.е. была на уровне инструментальной ошибки.

Таблица 5

Вариации напряженности поля ото дня ко дню на трассе 551 км

Частота, Время Месяц

МГц измерения, г. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

2,5 2004 5,9 5,4 5,6 3,5 3,3 4,2 4,0 4,0 3,6 5,5 6,2 5,2

2,5 2005 - 6,6 4,3 4,2 2,4 4,1 4,1 4,5 3,5 5,0 5,5 8,5

Погрешность расчета Е методом 1СЕРАС на трассе 1 достигла в среднем (за 10 мес.) 5,6 дБ, однако в полуденные часы в ряде случаев она превосходила 10 дБ (например, в марте 2003 г. - 18,6 дБ). Для метода 1СЕРАС характерно устойчивое превышение в дневное время наблюдаемых значений Е над рассчитанными.

Для прогноза напряженности поля с использованием модели нейтральной атмосферы М818Е-90 в составе метода РГУ погрешность, усредненная за весь цикл наблюдений, была для трассы 1 - 5,0 дБ и для трассы 2 - 6,7, при максимальных значениях 12,016,0 дБ (трасса 2, полдень, март, 2005 г.).

Вариации ото дня ко дню (среднеквадратичные отклонения) измеренных значений напряженности

Ростовский государственный университет_

поля (напряжения на клеммах антенны) относительно месячной медианы в дневные часы при отражении от слоя Е составили в среднем 4,7 дБ, при этом наибольшие отклонения наблюдались в зимние месяцы.

Литература

1. БарабашовБ.Г. и др. // Тр. НИИР. 1983. № 4 . С. 18-24.

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

103.

3. Lane G. // IES. 2005. P. 202-209.

4. Гуревич А.В., Шварцбург А.Б. // Нелинейная теория рас-

пространения радиоволн в ионосфере. М., 1973.

5. Барабашов Б.Г., Вертоградов Г.Г., Кулешов Г.И. // Тр.

НИИР. 1997. С. 98-103.

20 ноября 2006 г.