Моделирование пространственно - временного распределения электронной концентрации в ионосфере для оценки алгоритмов адаптации к геофизическим условиям

Получено 17.10.12

УДК 621.396.96

А.В. Комиссаров, преподаватель,

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ В ИОНОСФЕРЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ АЛГОРИТМОВ АДАПТАЦИИ К ГЕОФИЗИЧЕСКИМ УСЛОВИЯМ

Рассматривается эффективность коррекции ионосферной модели IRI по данным спутникового радиозондирования (на примере пилотируемой космической станции «МИР») и наземных ионозондов. Основываясь на полученных экспериментальных данных, были получены скорректированные карты критических частот модели IRI, которые позволили выявить ионосферное возмущение, зафиксированное в районе проведения радиозондирования.

Ключевые слова: Международная модель ионосферы, мониторинг глобальной ионосферы, распределения электронной концентрации в ионосфере.

Многолетний практический опыт по реальному прохождению КВ радиоволн на трассах различной протяженности и ориентации в различных геофизических условиях показывает, что достаточно часто в удаленных районах очень сложно организовать устойчивую и надежную связь.

Так, известно, что в зимних условиях возможны дальние связи на длине волны 160 и 80 метров при минимуме солнечной активности или в предутренние часы. Существуют «универсальные диапазоны» 40, 30 и 20 метров, которые менее подвержены атмосферным помехам при использовании дальней связи. Летом, весной и осенью при максимуме солнечной активности прохождение открывается на длинах волн 10.. .16 метров.

В связи с этим актуальной задачей является прогнозирование прохождения КВ и УКВ радиоволн на основе использовании данных экспериментального прохождения радиоволн и моделей региональной ионосферы, корректируемых по мере поступления ее новых параметров в некоторой окрестности радиотрассы.

Наиболее используемым в настоящее время является прямой метод прогнозирования свойств КВ радиоканалов в окрестности трасс наклонного зондирования ионосферы, который основан на использовании адиабатических соотношений для характеристик канала в зависимости от изменений параметров ионосферы в некоторой окрестности радиотрассы и не требует решения обратной задачи восстановления пространственной структуры ионосферы по результатам измерений. Данные соотношения устанавливаются при анализе экспериментальных данных и результатов мо-

268

делирования частотных зависимостей групповых характеристик сигналов наклонного зондирования (НЗ) в различных гелиогеофизических условиях [1]. Установлено, что при изменении параметров ионосферы в пределах погрешности долгосрочного прогноза (20... 30%) они слабо меняются.

На основе наклонных ионограмм возможны различные способы экстраполяции максимально применимых частот (МПЧ) с целью оперативного прогноза характеристик сигналов. Среди различных схем краткосрочного прогноза оптимальным является способ линейной экстраполяции с использованием дополнительных модельных расчетов. Применение интерполирующих полиномов более высоких степеней нецелесообразно.

Для случаев, когда долгосрочный прогноз давал погрешность более 15.20 %, применение разработанной методики и текущих данных зондирования сигналом с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) снижает погрешность прогноза (с заблаговременностью 15 минут) до 4 % в спокойных условиях и 6.7 % в возмущенных условиях.

Одна из главных целей математического моделирования пространственно-временного распределения электронной концентрации в ионосфере - выделить довольно сложные регулярные циклические закономерности, чтобы можно было бы с определенной степенью точности планировать рациональное использование КВ эфира на основе расчетов модовой структуры сигналов для любой конкретной трассы.

Наиболее широко используемой моделью крупномасштабной структуры ионосферы является Международная модель ионосферы 1Ш [2]. Причиной нерегулярных отклонений пространственного распределения электронной концентрации от модели является не только солнечная активность, процессы в недрах Земли, энергоемкие атмосферные процессы (извержения вулканов), но и деятельность человека (запуски ракет, промышленные и испытательные взрывы большой мощности и др.). Считается, что погрешность долгосрочного прогноза составляет в среднем 20.30 %. Степень приближения усредненных моделей ионосферы к реальной ситуации демонстрируется на рис. 1, 2 [1 -5], где показана динамика глобальной пространственной структуры ионосферы (на основании коррекции 1Ш по данным внешнего КВ зондирования со спутника «ИНТЕРКОСМОС-19»).

Как видно из рис. 1, 2, скорректированный по текущим данным спутникового КВ локатора разрез ионосферы в плоскости орбиты спутника довольно сильно отличается от модели. Поэтому коррекция модели по комплексным измерениям в реальном времени - основное направление, обеспечивающее возможность эффективной адаптации средств КВ связи к непрерывно изменяющимся ионосферным условиям. Наиболее полную на сегодняшний день информацию о пространственно-временной структуре ионосферы можно получить, используя Систему ионосферных характеристик реального времени ^Т!С) Центра дистанционного зондирования

(CRS) [2]. Система принимает данные из различных источников, областей (регионов), затем ассимилирует эти данные в пределах структуры физической ионосферной модели, обеспечивая 4-0 описание ионосферы в любой географической точке.

Рис. 1. Математическая модель IRI

Рис. 2. Скорректированная модель IRI

Эта технология использует данные полного содержания электронов (TEC) от спутника до Земли, получаемые из измерений станций НЗ и высотного зондирования (ВЗ), радиолокаторов, радиовещательных станций, радаров некогерентного рассеяния, оптических наблюдений. В настоящее время система RTIC объединяется с интернетовскими услугами.

Для коррекции модели IRI по данным наземного и спутникового радиозондирования были выбраны некоторые серии ионограмм, получен-

270

ные на станции «МИР» 31 марта. Для численных расчетов был отобран участок траектории в Южном полушарии, в районе Австралии, поскольку в этой области находилось наибольшее число наземных ионосферных станций, рядом с которыми пролетала ПКС «МИР».

Участком траектории, использованным в численных расчетах, стал участок траектории ПКС «МИР» с 10:48 по 16:28 ит. При коррекции использовалась информация с 15 ионограмм с участка траектории, находящегося примерно в том же районе, что и пять наземных ионосферных станций, по данным которых проводились исследования.

Для коррекции модели 1Ш использовался метод кригинга [5], представляющий собой интерполяционный метод, в котором значение в расчетной точке получается путем взвешенного усреднения по начальным (заданным) значениям. Этот метод построен и применяется, в основном, для определения величин максимально применимых частот в средней точке радиотрасс по измерениям критических частот на наземных ионосферных станциях. Дополнительно в целях усиления влияния точек, наиболее близко расположенных к области коррекции и в ослаблении вклада точек, удаленных от данной области, вводился дополнительный множитель КавМ\) [6]

Кое/ю = ехр

Г 2 2 Л

ВШ ¡0 ВЬоп ¡0

БЬсй2 топ2

^ ^^ У

где 0Ьа{ /0 и ЭЬоп /0 - расстояния по широте и долготе, соответственно, между /-й экспериментальной точкой и точкой, в которой производится коррекция. Расстояния и В\оп представляют собой характерные расстояния по широте и долготе, на которых критическая частота меняется в е раз.

На основании входных данных была построена карта критических частот. На ней отмечены значения критических частот в местах расположения наземных ионосферных станций и места расположения ПКС «МИР» во время съемок ионограмм.

В результате коррекции по наземным данным, среднее отклонение экспериментальных данных от модели составило 15 % (3,5... 40,6 %).

При использовании данных, полученных от ПКС «МИР», среднее отклонение модельных критических частот от реальных в среднем составило 10 % (1,9...29,1 %).

В ходе проведения исследования было выявлено, что, как и в случае с наземными данными, в точках, расположенных в области широт от 0 до 15 градусов, величина относительного отклонения модели от эксперимента имеет наибольшее значение. Более того, в данной области сначала наблюдается рост критической частоты до 8,5 МГц, а потом критическая частота начинает спадать до уровня, соответствующего модельному. Можно предположить, что на этом участке траектории наблюдается некоторое

«возмущение» критической частоты. Эта экспериментальная особенность также подтверждает, что характер ионосферы в данной области отличен от спокойного.

Результат построения карты, скорректированной совместными данными от наземных станций и ПКС «МИР», приведен на рис 3. Общая картина говорит о наличии в области 10 132 °Е ионосферной неоднородности замкнутого типа. Данная неоднородность имеет положительный знак, поскольку значение критической частоты внутри нее превышает уровень, соответствующий частоте модели !Ы.

Рис. 3. Карта критических частот скорректированной модели 1Ш по данным совместного зондирования

Применение этого метода должно быть эффективно в условиях Дальнего Востока РФ. Так, на рис. 4 приведен один из моментов прохождения ПКС «МИР» над этим районом. Для наземных станций в числителе указаны значения критической частоты для 09.00, в знаменателе - 10.00 ит в марте 2009 года, время снятия ионограмм ПКС «МИР».

Из рис. 4 видно, что имеются заметные отклонения модельных значений от измеренных величин как на наземных станциях, так и измеренных бортовым ионозондом.

135 145 Долгота 155 165

Рис. 4. Сравнение данных наземных станций и бортового ионозонда

с моделью IRI

Таким образом, совместное использование данных наземного и спутникового радиозондирования ионосферы позволяет существенно улучшить региональную модель ионосферы IRI. В частности, на карте контуров foF2 появилась отдельная ионосферная неоднородность (см. рис. 3), неучет которой может существенно ухудшить условия радиосвязи, прогнозируемые по модели IRI.

Список литературы

1. Профили внешней ионосферы и их модельное представление. Н.П. Бенькова [и др.] // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 30. №6. 1990. С. 945947.

2. Азизбаев М.Р. Оценка модели IRI-2001 по данным ионограмм с «задержанным нижним следом» // Труды государственного института прикладной экологии. М., 2005. С. 140-144.

3. Барабашов Б.Г., Мальцева О.А. Ионосферное обеспечение одно-позиционных пеленгаторов-дальномеров диапазона декаметровых волн // Труды научно-исследовательского института радио. М., 2003. С. 122.

4. Данилкин Н.П. Котонаева Н.Г. Расчет высотных профилей электронной концентрации в ионосфере по ионограммам космической станции «Мир» // Радиофизика. Т. 75. №5. 2002 С. 367-374.

5. Samardjiev T., Bradley P.A. Ionospheric mapping by computer contouring techniques // Electronics Lett. V. 29. № 20. 1993.

6. Комиссаров А.В. Реализация метода кригинга для коррекции граничной частоты декаметровых радиолиний // Информационные системы и

технологии. № 1 (69) Январь-февраль 2012. С.-97-103.

A.V. Komissarov, S.A. Kurbatskiy

MODELING OF TIME-SPACE ELECTRON CONCENTRATION DISTRIBUTION IN IONOSPHERE FOR ESTIMATING GEOPHYSICAL CONDITIONS ADAPTATION ALGORITHMS

Efficiency of ionospheric IRI model correction according to ground ionosondes - and satellite radio sounding data (by the example of the "MIR" manned space station) is considered. Corrected charts of the IRI model cutoff frequency were got on the grounds of the obtained experimental data which made it possible to reveal an ionospheric agitation recorded in the radio sounding area.

Key words: international ionosphere model, global ionosphere monitoring, electron concentration distribution in the ionosphere.

Получено 17.10.12

УДК 621.396.96

А.В. Новиков, нач. сектора, (4872) 56-00-39, rts@cdbae.ru (Россия, Тула, ОАО «ЦКБА»),

А.В. Комиссаров, преподаватель,

ДВУМЕРНАЯ МОДЕЛЬ ИСКУССТВЕННОЙ ОБЛАСТИ ВОЗМУЩЕНИЯ ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК РАДИОВОЛН

Рассмотрен принцип построения двумерной аналитической крупномасштабной модели искусственной области возмущения. Приведены расчеты электронной концентрации при возмущении ионосферы полем радиоволны нагревного стенда с фиксированной эффективной мощностью.

Ключевые слова: область возмущения, электронная концентрация, ионосфера, высотный профиль концентрации.

Известно, что при воздействии на ионосферу мощным радиоизлучением возникают нелинейные явления, которые могут быть использованы для решения ряда практических задач радиосвязи, локации, навигации и пеленгации. В частности, функционирование радиотехнических систем и средств радиосвязи, работающих в диапазоне декаметровых радиоволн в значительной степени определяется геофизическими условиями на трассе распространения радиоволн. Одним из возможных путей уменьшения зависимости работоспособности этих систем и средств от геофизических условий может явиться искусственное изменение условий распространения радиоволн на трассах наклонного зондирования (НЗ) с помощью локальной области возмущения диэлектрической проницаемости. Искусственная область возмущения (ОВ) может быть создана при нагреве ионосферной плазмы мощным радиоизлучением декаметрового диапазона.

Следует отметить, что изучение влияния на характеристики сигна-