Анализ влияния регулярной горизонтальной неоднородности ионосферы на максимальные наблюдаемые частоты для различных способов распространения коротких радиоволн

УДК 621.396.2

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ РЕГУЛЯРНОЙ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ ИОНОСФЕРЫ НА МАКСИМАЛЬНЫЕ НАБЛЮДАЕМЫЕ ЧАСТОТЫ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ КОРОТКИХ РАДИОВОЛН

А.И.Агарышев1, В.А.Агарышев2

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Обсуждаются особенности прогнозирования максимальных наблюдаемых частот (МНЧ) при распространении декаметровых радиоволн по траекториям с различным числом n отражений от слоя F2 ионосферы. Приведены результаты сравнения измеренных и рассчитанных средних значений MH4nF2 для ряда среднеширотных радиолиний в условиях с различными регулярными горизонтальными градиентами параметров ионосферы вдоль радиолиний. Показано, что случайные неоднородности ионосферы существенно влияют на МНЧ только в условиях сравнительно слабых горизонтальных градиентов параметров ионосферы. В других условиях интенсивность этих неоднородностей практически не влияет на результаты прогнозов MH4nF2 и важен учёт влияния интенсивности регулярных градиентов ионосферы. Ил. 5. Библиогр. 13 назв.

Ключевые слова: расчёт характеристик коротких радиоволн; максимальная наблюдаемая частота; рассеяние радиоволн в ионосфере; дальняя радиосвязь.

ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF REGULAR HORIZONTAL IONOSPHERE INHOMOGENEITY ON MAXIMUM OBSERVED FREQUENCIES FOR VARIOUS METHODS OF SHORT RADIO WAVES PROPAGATION A.I. Agaryshev, V.A. Agaryshev

National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The article discusses forecasting features of maximum observed frequencies (MOF) during the propagation of decame-tric radio waves along the paths with a different number of n reflections from the F2 layer of the ionosphere. The authors provide the comparison results of the measured and calculated average values of MOFnF2 for a number of mid-latitude radio lines under various regular horizontal gradients of ionosphere parameters along the radio lines. It is shown that the random inhomogeneities of the ionosphere significantly affect MOF only under conditions of relatively weak horizontal gradients of ionospheric parameters. In other conditions, the intensity of these inhomogeneities virtually does not affect the forecast results of MOFnF2. Moreover, it is important to take into account the intensity effect of regular ionospheric gradients.

5 figures. 13 sources.

Key words: calculation of short radio waves characteristics; maximum observed frequency; scattering of radio waves in ionosphere; distant radio communication.

Введение. Прогнозирование максимальных наблюдаемых частот (МНЧ), определяемых для разных способов распространения коротких радиоволн (КВ) энергетикой радиолинии и чувствительностью приёмной аппаратуры, имеет важное значение для решения задач проектирования и эксплуатации линий радиосвязи, работающих в диапазоне частот f=3-30 МГц. Использование таких прогнозов позволит применять более высокие рабочие частоты, что важно ввиду ограниченности частотного ресурса в диапазоне КВ, а также уточнять прогнозы диапазонов однолучевого прохождения КВ [1].

Однако к настоящему времени разработаны только методы расчёта и прогнозирования [2-4] максимальных применимых частот (МПЧ) при распространении КВ с одним отражением от регулярного слоя Р2

ионосферы, параметры которого не меняются в направлении вдоль радиолинии. Поправки к МПЧ1Р2, обусловленные регулярными (прогнозируемыми) изменениями параметров слоя Р2 вдоль радиолиний, можно учесть с помощью разных методов, например, метода [5], использующего прогнозы этих параметров.

Методом наклонного зондирования ионосферы (НЗИ) [1] измеряют также максимальные наблюдаемые частоты (МНЧ) для траекторий с разным числом п=1,2,3 отражений от слоя Р2 (модов типа пР2), когда прохождение КВ в диапазонах АМ=МПЧпР2-МНЧпР2 обусловлено случайными неоднородностями плотности электронов N в ионосфере. Прогнозы параметров этих неоднородностей в зависимости от географических координат, месяцев, времени суток, уровней солнечной и геомагнитной активности до сих пор отсутст-

1Агарышев Анатолий Иванович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем, старший научный сотрудник, тел.: (3952) 405129, e-mail: reirem@istu.edu

Agaryshev Anatoly, Doctor of Physics and Mathematics, Professor of the Department of Radio Electronics and Telecommunication systems, Senior Researcher, tel.: (3952) 405129, e-mail: reirem@istu.edu

2Агарышев Виталий Анатольевич, соискатель кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем. Agaryshev Vitaly, Competitor for a scientific degree of the Department of Radio Electronics and Telecommunication systems.

вуют, что является одним из принципиальных затруднений при разработке прогнозов МНЧпР2.

В такой ситуации представляет интерес анализ возможностей методов расчёта МНЧпР2 [1,6,7], основанных на определении эффективных параметров рассеяния КВ в ионосфере Б. Важно, что эти параметры можно определять по результатам измерений диапазонов ДМ методом НЗИ. К настоящему времени разработаны программные реализации [8,9] методов расчёта [1,6,7], что позволяет прогнозировать значения МНЧпР2 при условии создания прогностической модели параметра рассеяния Б. Накопленных к настоящему времени данных НЗИ достаточно для создания такой модели, но при решении этой задачи необходимо учитывать представленные в данной статье результаты анализа измеренных и рассчитанных значений МНЧпР2, полученные для ситуаций с различными регулярными градиентами прогнозируемых параметров ионосферы вдоль радиолиний.

Цель статьи - анализ результатов измерений и расчётов МНЧпР2 для разных условий прохождения КВ на ряде радиолиний и оценка применимости разработанных методов прогнозирования МНЧпР2 в зависимости от горизонтальной неоднородности ионосферы.

Для достижения этой цели решены следующие задачи: 1) разработаны методы и алгоритмы расчёта амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) канала распространения КВ, учитывающие поглощения и рассеяния КВ в ионосфере с регулярной горизонтальной неоднородностью; 2) разработаны программные реализации этих алгоритмов, использующие прогностическую модель регулярной ионосферы; 3) разработаны алгоритмы определения МНЧпР2 по рассчитанным АЧХ и заданным порогам обнаружения радиосигналов; 4) выполнен анализ измеренных и рассчитанных МНЧпР2, что позволило выявить обсуждаемые ниже особенности влияния случайных неоднородно-стей N на характеристики КВ.

Анализ результатов измерений и расчётов МНЧпР2

В [6] предложен метод расчета характеристик радиоволн, отраженных случайно-неоднородной ионосферой. Основные особенности метода заключаются в учёте: 1) малоуглового рассеяния радиоволн вперед на восходящих участках траекторий; 2) случайных преломлений или отражений радиоволн от ионосферного слоя Р2; 3) малоуглового рассеяния вперёд на нисходящих участках траекторий, из-за чего возможно прохождение радиоволн над земной сферой (рикоше-тирование). Предложенный метод можно проверять экспериментально и применять в радиопрогнозах благодаря четкому определению модели неоднородной структуры ионосферы и способов задания модельных параметров. В работе [6] обоснована также модель рассеивающих КВ неоднородностей N в виде слоя, локализованного вблизи нижней границы слоя Р2, где интенсивность рассеяния задаёт эффективный параметр Б, т.е. СКО лучей, падающих на слой вперед от их первоначального направления.

Согласно методу [2] поле радиоволн, излучаемое антенной, представлено пучком лучей с углами излучения, заданными через шаг по углу 8. После прохождения рассеивающего слоя на восходящих и нисходящих участках траекторий направления лучей меняются по нормальному закону с нулевым средним и СКО=Б. Преломленные лучи и лучи, проходящие над Землей, исключаются. Отметим, что наличие таких лучей является главной причиной отличий средних характеристик радиоволн от рассчитанных для регулярной ионосферы.

Для падающих на поверхность Земли лучей на дальности D от источника определяются средние для заданного интервала дальностей AD углы излучения п, приема р, задержки, а также СКО от этих средних стр и относительные энергетические потери L на фокусировку и дефокусировку КВ в неоднородной среде. Эти потери рассчитываются по формуле

L = 10 lg {[Re Ad Sin (D / Re) Sin p] / (k 8 Cos п)}, (1) где k - число лучей, попадающих в интервал AD; RE -радиус Земли.

Отметим, что, меняя параметр рассеяния Б, можно обеспечить совпадение измеренных и рассчитанных стр, т.е. определить значение Б в условиях конкретного эксперимента и использовать это значение в расчетах и прогнозах других характеристик радиоволн. Именно эта возможность позволяет выполнять строгую экспериментальную проверку предлагаемого метода для полного набора характеристик радиоволн, включая энергетические.

Затем метод [6] был развит для расчёта АЧХ канала распространения КВ с учётом поглощения, рассеяния и отражения КВ от слоя с регулярными градиентами критической частоты и высоты, а также для многократных отражений от такого слоя [1, 7-9].

Анализ приведённых в [1, 6-9] результатов расчётов характеристик КВ показывает уменьшение напря-жённостей поля КВ для f<Mn4 по сравнению с регулярной ионосферой (Б=0), что обусловлено случайными преломлениями через слой F2, а также оттоком энергии в мёртвую зону и на рикошеты. Однако благодаря рассеянию КВ в ионосфере становится возможным приём с f>Mn4, когда возможен прогноз МНЧ при задании порога приёма ЕП. Показано, что по наклону зависимостей E(f) для ^МПЧ^2 можно определять параметры Б, но важно учесть зависимости этих наклонов от дальностей D [1, 6].

На рис. 1-3 приведены измеренные методом НЗИ медианные значения МНЧ для радиолинии Москва-Иркутск длиной 4200 км [10]. Приведены также МНЧ, рассчитанные разработанными нами методами [1, 69] для порогов регистрации МНЧ. В расчётах использованы соответствующие условиям измерений медианы табличных параметров ионосферы со станций вертикального зондирования (ВЗ) Москва, Горький, Свердловск, Томск, Иркутск, удалённых от радиолинии Москва-Иркутск на расстояния, не превышающие 100 км.

Измеренные MНЧ2F2 в период 8-15 МДВ на рис. 2 ограничены верхней частотой аппаратуры НЗИ =27 МГц. Для MНЧ3F2 такого ограничения нет и видно, что

М H42F2A

МГц ^ П

20

ц И 20 4 12 20п&В,ч

Рис. 1. Зависимости измеренных (точки) и рассчитанных для 8=1° (линии) медиан МНЧ от московского декретного времени (МДВ), март 1980 г.

измеренные в период 9-14 МДВ МНЧ3Р2 в среднем на =1 МГц выше расчётных значений. Отсюда следует, что в этот период, когда параметры ионосферы вдоль радиолинии практически не меняются, параметр Б незначительно выше использованного в расчётах значения Б=1°

В другие часы суток, когда вдоль радиолинии характерны регулярные изменения параметров ионосферы, измеренные и рассчитанные МНЧ2Р2(3Р2) практически не отличаются, что можно объяснить отсутствием существенной зависимости МНЧ от параметра рассеяния КВ Б в условиях регулярной горизонтальной неоднородности ионосферы. Отметим, что отсутствие влияния Б на расчётные значения МНЧ2Р2 в этих условиях было отмечено нами ранее в [7-9]. Поэтому в прогнозах МНЧ2Р2, МНЧ3Р2 для условий регулярной горизонтальной неоднородности ионосферы вдоль радиолиний можно использовать разработанный ранее метод равных МПЧ, не требующий задания Б и сложных расчётов.

Для улучшения соответствия измеренных и рассчитанных МНЧ3Р2 в период 9-14 МДВ на рис. 1 надо при расчётах задать Б=2°. Результаты выполненных нами исследований показывают, что такие значения характерны для высокой активности Солнца (1980 г.). Сравнение результатов измерений и расчётов МНЧ для средней активности даёт рис. 2.

3? лБЗ;<

6 1Т и

Рис. 2. Измеренные (• - мод 2Р2, х - мод ЗР2) и рассчитанные (сплошные линии 3=0, штрихи 3=1°) медианы МНЧ в зависимости от МДВ, март 1983 г.

Рис. 3 даёт сравнение измеренных и рассчитанных МНЧ на радиолинии Москва-Иркутск для низкой активности Солнца, когда нет систематических отличий измеренных МНЧ от рассчитанных методом равных МПЧ [11], кроме периода 9-12 МДВ для МНЧ2Р2.

20 IS 10

5

MH4ZFZ, МГц, +

/У/ ч- , \ vsl

/ /

~ ч.. г / / / «у

MH4 3F2, МГц,

^ / У ___./ \ N. 1 а 1 \

L----а- Ч. ^

йщТ

Рис. 3. Зависимости измеренных (точки) и рассчитанных различными методами (— [6] по данным ВЗ, --- [6] по прогнозу, - равных скачков по данным ВЗ) медиан МНЧ от МДВ, декабрь 1987 г., радиолиния Москва-Иркутск

Рис. 3 показывает, что использование реальных данных ВЗ ионосферы в сочетании с методом равных МПЧ [11] даёт более высокую точность расчётов МНЧ по сравнению с использованием метода [11] и прогностической модели ионосферы [4]. Из рис. 3 видно также, что при одинаковых исходных данных ВЗ метод равных МПЧ [11] существенно точнее известного (см., например, [4]) метода равных скачков, особенно в переходные часы суток (6-9 МДВ, 12-18 МДВ). Согласно методу равных скачков рассчитывают МПЧ для скачков равной длины и за MПЧ2F2(3F2) принимают наименьшую из рассчитанных МПЧ.

На рис. 4 штрихи соответствуют MНЧ2F2, измеренным 16.02.1989 г. на трассе Магадан-Иркутск длиной 3080 км [12], сплошной линией даны результаты расчётов методом равных МПЧ [11], штрих-пунктиром - результаты расчетов согласно алгоритму и программе расчётов [9] для S=2°. Отсюда видно, что задание параметра S позволяет приблизить результаты

измерений и расчётов МНЧ2Р2 в период 11-17 часов И, когда регулярные (прогнозируемые) изменения параметров ионосферы вдоль радиолинии менее существенны по сравнению с переходными часами суток (6-11 И и 17-23 И).

Рис. 4. Зависимости измеренных [12] и рассчитанных МНЧ2Р2 от местного времени LT для середины радиолинии Магадан-Иркутск

Приведённые на рис. 4, 5 результаты измерений и расчётов МНЧ подтверждают выводы об особенностях влияния рассеяния КВ на МНЧ, сделанные выше для рис. 1-3. Рис. 5 даёт результаты измерений и расчётов МНЧ1Р2(2Р2) для субполярных радиолиний Москва-Диксон длиной 2700 км (рис. 5,а) и Москва-о.Хейса длиной 2850 км (рис. 5,б). Эти результаты ограничены верхней частотой аппаратуры НЗИ =27,5 МГц. Приведённые на рис. 5 результаты расчётов МПЧ, МНЧ получены по данным прогностической модели параметров ионосферы [4] для наблюдаемых среднемесячных в 1980 г. индексов активности Солнца.

На рис. 5 приведены результаты расчётов МНЧ1Р2 вариантом метода [6], в котором, как и в методе [11], для МНЧ2Р2 применяются аналитические выражения, не требующие задания параметра рассеяния КВ в ионосфере Б. При этом, в отличие от методов [1, 7-9], используются предположения о формировании поля КВ в неоднородной ионосфере, позволяющие учесть рассеяние КВ только при достаточно интенсивных горизонтальных градиентах параметров ионосферы, что показывают превышения измеренных МНЧ2Р2 над рассчитанными в околополуденные часы суток для января и марта, а также для МНЧ1Р2(2Р2) в

33 -

МНЧ, МГЧ

7.Ш01

Рис. 5. Измеренные [13]

течение всех суток июня 1980 г. Заштрихованными прямоугольниками на рис. 5 показаны ночные часы суток, когда случайные неоднородности ионосферы и превышения МНЧ над МПЧ наиболее существенны, что даёт параметры рассеяния КВ в ионосфере Б=4°.

Выводы

1. При прогнозировании МНЧ модов 1Р2,2Р2,3Р2 можно использовать методы, основанные на определяемых по данным НЗИ параметрах рассеяния КВ Б.

2. Оперативные оценки МНЧ методами [6, 11] систематически занижают расчётные МНЧ при отсутствии существенных регулярных изменений параметров ионосферы вдоль радиолиний в дневные и ночные

часы суток, особенно полярной ночью зимой при высокой активности Солнца, когда неоднородности ионосферы наиболее интенсивны.

3. Интенсивность рассеяния радиоволн в ионосфере и превышения МНЧ над МПЧ возрастают с ростом активности Солнца и от средних широт к полярным.

4. При создании прогностической модели Б-параметра рассеяния КВ можно использовать определяемые по данным НЗИ превышения МНЧ над МПЧ мода 1Р2(2Р2) либо МНЧ1Р2(2Р2) для дневных и ночных часов суток и расчёты по методам [1, 6-9].

Библиографический список

1. Агарышев А.И., Агарышев В.А., Алиев П.М., Труднев К.И. Системы коротковолновой радиосвязи с подавлением мно-голучёвости сигнала. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009.150 с.

2. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир, 1973. 502 с.

3. Куркин В.И., Орлов И.И., Попов В.Н. Метод нормальных волн в проблеме коротковолновой радиосвязи. М.: Наука, 1981. 124 с.

4. A simple HF propagation method for MUF and field strength: Document CCIR 6/288. - CCIR XVI-th Plenary Assembly. -Dubrovnik, 1986. - 34 p.

5. Агарышев А.И., Королёва М.А. Оперативный расчет максимально применимых частот с учетом горизонтальной неоднородности ионосферы // Радиотехника. 1987. № 12. C. 74-76.

6. Агарышев А.И. Влияние неоднородностей ионосферы на распространение верхних лучей и радиоволн с частотами выше классической МПЧ // Геомагнетизм и аэрономия. 1994. Т. 34, № 6. С. 112-119.

7. Агарышев А.И., Михеев С.М. Обоснование и развитие метода равных МПЧ // Распространение радиоволн: сб. докл. XXI Всероссийской научной конференции. В 2-х т. Йошкар-Ола. 25-27 мая 2005г. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2005. Т.2. С. 268-270.

8. Агарышев В.А. Программная реализация алгоритма прогнозирования характеристик распространения декаметровых

радиоволн через горизонтально-неоднородную рассеивающую ионосферу // Вестник ИрГТУ. 2008, № 4(36). С. 72-75.

9. Агарышев А.И., Агарышев В.А., Куцый Н.Н. Расчёт максимальных частот и напряжённостей поля при распространении декаметровых радиоволн в горизонтально-неоднородной рассеивающей ионосфере // Вестник ИрГТУ, 2010. № 1. С. 249-253.

10. Куркин В.И., Орлов А.И., Пежемская М.Д., Чистякова Л.В. О прогнозировании модовой структуры КВ сигналов на среднеширотной трассе 4200 км // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М: Наука, 1986. Вып. 75. С. 164-172.

11. Агарышев А.И. Метод расчета максимальных наблюдаемых частот при двухскачковом распространении декаметро-вых радиоволн // Радиотехника. 1985. № 4. С.67-70.

12. Котович Г.В. Оперативный вариант комплекса программ расчёта характеристик распространения на основе метода Смита-Казанцева // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Новосибирск: Наука, 1995. Вып. 103. С. 214-219.

13. Агарышев А.И., Дашеев Н.Н., Лукашкин В.М. и др. Анализ результатов измерений и расчетов МПЧ для субполярных трасс // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Новосибирск: Наука, 1994. Вып.102. С. 73-80.