СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ИОНОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ ВЕРТИКАЛЬНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
METHOD OF DETERMINING VALUES OF INTENSITY OF IONOSPHERE IRREGULARITIES FROM VERTICAL PROBING DATA

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к радиолокации, радиосвязи и радионавигации и может быть использовано для радиозондирования ионосферы, построения высотно-частотных характеристик, определения критической частоты отражения, определения интенсивности ионосферных неоднородностей в условиях проявления диффузности.
Уровень техники
Известен способ вертикального зондирования ионосферы [1]. Осуществляется вертикальное зондирование ионосферы специальными станциями, работающими в импульсном режиме, у которых излучение и прием радиоволн производятся с помощью диапазонной антенны зенитного излучения. Станция имеет передатчик, приемник и индикаторное устройство, работа которого синхронизирована.
Однако данный способ не позволяет по измеренным высотно-частотным характеристикам (ВЧХ) автоматически определять параметры ионосферы в условиях ее диффузности, которая проявляется в виде уширения (расплывчатости, размытости) ВЧХ [2].
Известно определение диффузности ионосферы как явления, связанного с интенсивным образованием неоднородностей различных масштабов в области F ионосферы, приводящего к рассеянию радиоволн и изменению формы зондирующих радиосигналов [3]. В настоящее время диффузность принято оценивать в баллах по продолжительности явления и степени искажения принимаемых сигналов [2]. Однако, судя по определению диффузности ионосферы, ее целесообразно оценивать первопричиной ее проявления (т.е. интенсивностью неоднородностей), а не последствиями (степенью ухудшения качества приема).
Известен метод определения интенсивности ионосферных неоднородностей по данным вертикального зондирования ионосферы [4], позволяющий количественно оценить величину интенсивности неоднородностей (β).
Раскрытие изобретения
д
B
д
в
Задачей изобретения является разработка способа, позволяющего на основе результатов вертикального зондирования ионосферы производить построение ВЧХ, определять критическую частоту отражения, величину интенсивности неоднородностей ионосферы β по уширению ВЧХ (т.е. зависимости h=ψ(f) действующей высоты отражения h от частоты вертикально направленной волны (частоты вертикального зондирования) f) в условиях диффузности.
Технический результат, который может быть получен с помощью предлагаемого изобретения, сводится к определению глубины интерференционных замираний принимаемых сигналов в декаметровых каналах связи, которая прямо пропорционально зависит от величины интенсивности неоднородностей β ионосферы [5].
Для разработки способа проанализируем процесс формирования ВЧХ известной [1] станции вертикального зондирования ионосферы (СВЗИ) (Фиг.1) в условиях отсутствия (Фиг.2а) и наличия (Фиг.2б) диффузности ионосферы.
В состав СВЗИ входят: передатчик 1, приемник 2, индикатор 3, синхронизатор 4, антенный переключатель 5, антенна 6.
в
в1
вN
в
Формируемые синхронизатором 4 синхроимпульсы одновременно поступают на передатчик 1 и горизонтальные пластины индикатора 3. Передатчик 1 формирует радиоимпульс с частотой f (в диапазоне от f=1 МГц до f=30 МГц с шагом перестройки Δf=1 кГц), который через антенный переключатель 5 поступает на антенну 6 вертикального (зенитного) излучения.
в1
1
д1
д1
в1
д1
1
д1
в1
вi
дi
вi
в1
вN
вi
в1
вN
вi
дi
дimin
дimax
дj
вjmin
вjmax
2
После отражения волны от ионосферы радиоимпульс с частотой f через антенный переключатель 5 поступает на вход приемника 2 со временем задержки τ=2h/с, зависящим от действующей частоты ионосферы h(f). Значение последней h=0,5cτ измеряется в индикаторе 3 и подается на его вертикальные пластины [1]. Синхронизатор 4 координирует работу передатчика 1 и индикатора 3. В результате на экране индикатора 3 с длительным послесвечением образуется яркостная отметка (точка), соответствующая значению действующей высоте отражения h волны с частотой f. Аналогично формируются радиоимпульсы с другими частотами f и яркостные отметки с соответствующими значениями действующих высот отражения h. В результате за множество (~10) циклов изменения f от f до f на экране индикатора 3 вырисовывается ВЧХ вида Фиг.2а при отсутствии диффузности ионосферы. В условиях проявления диффузности ионосферы за множество циклов изменения f от f до f на экране индикатора 3 будет вырисовываться уширенная ВЧХ вида Фиг.2б. При этом частоте f будет соответствовать не одно значение действующей высоты отражения h, как на Фиг.2а, а множество значений в интервале от h до h со средним значением  Поэтому очевидно, что при наличии диффузности ионосферы от некоторой высоты отражения h будут отражаться волны с частотами в диапазоне от f f средним значением
вk
кp
дk
дk
m
По ВЧХ вида Фиг.2а вручную приближенно находят критическую частоту отражающего слоя ионосферы как частоту вертикально отраженной волны f=f, для которой действующая высота стремится к бесконечности (h→∞), а истинная высота отражения соответствует высоте максимума ионизации слоя (h≈h).
Многие современные станции зондирования позволяют проводить статистическое усреднение результатов. Вид ВЧХ в условиях диффузности после усреднения будет выглядеть как штрихпунктирная линия на Фиг.2б (соответствующая ВЧХ на Фиг.2а в отсутствие диффузности). Однако проводимое усреднение приводит к потере информации, необходимой для определения величины интенсивности ионосферных неоднородностей.
Для определения величины интенсивности ионосферных неоднородностей (β) по ВЧХ предлагается способ, реализованный в несколько этапов.
вi
дi
i
На первом этапе происходит сбор данных вертикального зондирования ионосферы. На каждой из частот зондирования f определяются действующие высоты отражения по формуле h=0,5 сτ.
вi
в
дi
дimin
дimax
На втором этапе происходит сортировка полученных данных по частоте. Здесь каждой из частот зондирования f (1…30 МГц с шагом перестройки Δf=1 кГц) ставятся в соответствие все те действующие высоты отражения h, от которых отражалась волна (например интервал значений действующих высот от h до h, как на Фиг.2б).
дj
вj
вj min
вj max
На третьем этапе происходит сортировка полученных данных по высоте. Здесь каждой из высот отражения h (обычно 90-2000 км с шагом  ставятся в соответствие все те частоты f, на которых происходило отражение от данной высоты (например, интервал частот в диапазоне от f до f, как на Фиг.2б).
дj
д
д
На четвертом этапе происходит определение среднего значения критической частоты отражения  Сначала проводится статистическое усреднение результатов с целью определения средних значений частот отражения  соответствующих каждой из высот h. Усредненная ВЧХ (т.е. зависимость  действующей высоты отражения h от среднего значения частоты вертикально направленной волны  получаемая при этом (Фиг.3), выглядит как штрихпунктирная линия на Фиг.2б. После этого происходит сравнение средних значений частот отражения на соседних (по шагу квантования Δh) высотах отражения  поочередно, начиная с первой (т.е.  и т.д.). Когда разница между двумя средними значениями частот отражения на соседних высотах (например,  и  будет меньше, чем половина шага перестройки , определяется среднее значение критической частоты как
дn
m
На пятом этапе определяется действующая высота отражения, соответствующая среднему значению критической частоты  т.е. h≈h.
кр j
кр j min
кр j max
m
На шестом этапе вычисляется значение среднеквадратического отклонения (СКО) критической частоты  Для этого производится статистическая обработка случайных значений критической частоты f в интервале f…f, соответствующем высоте h (Фиг.4). Вычисление СКО критической частоты  происходит по формуле
где  - среднее значение критической частоты, определяемое в четвертом этапе.
На седьмом этапе происходит определение величины интенсивности неоднородностей ионосферы согласно известному [4] выражению
Разработанный выше 7-этапный алгоритм измерения интенсивности неоднородностей ионосферы по данным вертикального зондирования позволяет реализовать способ измерения интенсивности неоднородностей (β) на основе автоматической обработки ВЧХ и оценок ее статистических характеристик
Для реализации предлагаемого способа за прототип взята известная (Фиг.1) СВЗИ [1].
В нее добавлены следующие блоки (Фиг.5): вычислительный блок 7, высотный блок 8 обработки данных, блок 9 перебора данных, частотный блок 10 обработки данных, усреднитель 11, блок 12 определения среднего значения критической частоты  блок 13 выбора, блок 14 определения СКО критической частоты  и блок 15 определения величины интенсивности неоднородностей ионосферы.
д
Синтезатор передатчика 1 формирует сетку частот от 1 МГц до 30 МГц с шагом перестройки 1 кГц; сигнал с выхода синтезатора поступает на вход индикатора 3, а также усиливается передатчиком 1 и через антенный переключатель 5 подается на антенну 6 и излучается вертикально вверх. Отраженный сигнал возвращается к станции через время τ и через антенну 6 и антенный переключатель 5 поступает на вход приемника 2. С выхода приемника 2 сигнал поступает на вход вычислительного блока 7, в котором вычисляется значение высоты отражающего слоя ионосферы (действующей высоты) по формуле h=0,5сτ. Данными устройствами реализуется первый этап.
д
Вычисленное значение h поступает на вход высотного блока 8 обработки данных, в котором записывается в ячейку памяти (ЯП) действующей высоты, соответствующей частоте сигнала  реализуя тем самым второй этап. Синхронная работа синтезатора передатчика 1, вычислительного блока 7 и высотного блока 8 обработки данных обеспечивается синхронизатором 4.
Данные с каждой из ячеек памяти высотного блока 8 обработки данных  поступают на вход блока 9 перебора данных и на вход усреднителя 11 значений действующей высоты  отражения, с выхода которого сигнал, соответствующий  подается на индикатор 3.
дj
вj
Блок 9 перебора данных производит сортировку данных и каждому из значений высот отражения h (90-2000 км с шагом  ставит в соответствие все те значения частот f, на которых происходило отражение на данной высоте. Далее данные поступают на вход частотного блока 10 обработки данных, где записываются в ячейку памяти, соответствующую частоте отражения (ЯП  Этим реализуется третий этап.
д
На четвертом этапе данные с первых выходов каждой из ячеек памяти частотного блока 10 обработки данных  поступают на вход блока 12 определения среднего значения критической частоты  В данном блоке определяются средние значения частоты отражения  соответствующие каждой из высот  после чего происходит сравнение средних значений частот отражения на соседних (по шагу квантования Δh) высотах отражения  поочередно, начиная с первой (т.е.  и т.д.). Когда разница между двумя средними значениями частот отражения на соседних высотах (например,  и  будет меньше, чем половина шага перестройки  определяется среднее значение критической частоты как
дn
m
m
m
кр j min
кр j max
m
Пятый этап заключается в определении действующей высоты отражения h≈h, соответствующей среднему значению критической частоты  Блок 12 определения среднего значения критической частоты подает данное значение  на первый вход блока 15 определения величины интенсивности неоднородностей ионосферы и на вход блока 13 выбора. В последнем определяется номер ячейки частотного блока 10 обработки данных  в которой среднее значение частоты  равно среднему значению критической частоты  отражения от высоты h. Блок 13 выбора формирует сигнал на выбор ячейки памяти ЯП  которая соответствует высоте h максимума ионизации слоя. В данной ячейке содержится информация о частотах в интервале f…f, на которых происходило отражение от высоты h. Далее сигнал на выбор ячейки памяти ЯП  подается на управляющий вход частотного блока 10 обработки данных.
Со второго выхода выбранной ячейки памяти  сигнал поступает на вход блока 14 определения СКО критической частоты  Происходит вычисление СКО критической частоты  - шестой этап.
С выхода блока 14 определения СКО критической частоты  сигнал поступает на второй вход блока 15 определения величины интенсивности неоднородностей ионосферы. В блоке 15 определения величины интенсивности неоднородностей ионосферы  происходит удвоение измеренного значения СКО критической частоты  и деление удвоенного значения СКО критической частоты на среднее значение критической частоты  поступающее с блока 12 определения среднего значения критической частоты, реализуя седьмой этап.
Таким образом, в разработанном устройстве (Фиг.5) реализуются все семь этапов, составляющих предлагаемый способ, и на основе измеренных параметров ВЧХ и  согласно известному выражению [4] определяется значение величины интенсивности неоднородностей β ионосферы.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 представлена функциональная схема известной станции вертикального зондирования ионосферы; на Фиг.2 представлены высотно-частотные характеристики ионосферы в отсутствие (а) и наличии (б) диффузности; на Фиг.3 представлен порядок определения среднего значения критической частоты; на Фиг.4 представлены основные параметры ВЧХ, используемые для определения величины интенсивности неоднородностей ионосферы; на Фиг.5 представлена функциональная схема станции вертикального зондирования ионосферы, реализующей предлагаемый способ.
Осуществление изобретения
Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на Фиг.1. Устройство состоит из передатчика 1, выход которого соединен с антенным переключателем 5; первый выход антенного переключателя 5 соединен с антенной 6, второй выход антенного переключателя 5 соединен со входом приемника 2, выход которого соединен со входом вычислительного блока 7; выход вычислительного блока соединен со входом высотного блока 8 обработки данных; первый выход высотного блока 8 обработки данных соединен со входом усреднителя 11, выход которого соединен со входом индикатора 3; синхронизатор 4 координирует работу передатчика 1, высотного блока 8 обработки данных и индикатора 3; второй выход высотного блока 8 обработки данных соединен со входом блока 9 перебора данных, выход которого соединен с первым входом частотного блока 10 обработки данных, первый выход которого соединен со входом блока 12 определения среднего значения критической частоты; выход блока 12 определения среднего значения критической частоты соединен со входом блока 13 выбора, выход которого соединен со вторым входом частотного блока 10 обработки данных; второй выход частотного блока 10 обработки данных соединен со входом блока 14 определения СКО критической частоты, выход которого соединен со входом блока 15 определения величины интенсивности неоднородностей ионосферы.
Предлагаемый способ реализован следующим образом.
в
д
Синтезатор передатчика формирует сетку частот от 1 МГц до 30 МГц с шагом перестройки Δf=1 кГц; сигнал с выхода синтезатора поступает на вход индикатора, а также усиливается передатчиком и через антенный переключатель подается на антенну и излучается вертикально вверх. Отраженный сигнал возвращается к станции через время τ и через антенну, и антенный переключатель поступает на вход приемника. С выхода приемника сигнал поступает на вход вычислительного блока, в котором вычисляется значение высоты отражающего слоя ионосферы (действующей высоты) по формуле h=0,5 сτ. Вычисленное значение поступает на вход высотного блока обработки данных, в котором записывается в ячейку памяти, соответствующую частоте сигнала  Синхронная работа синтезатора передатчика, вычислительного блока и высотного блока обработки данных обеспечивается синхронизатором.
Данные с каждой из ячеек памяти высотного блока обработки данных (ЯП  поступают на вход блока перебора данных и на вход усреднителя, с выхода которого сигнал подается на индикатор.
дj
вj
д
кр
m
кр
m
m
кр
m
кр
m
Блок перебора данных производит сортировку данных и каждому из значений высот отражения h (90-2000 км с шагом  ставит в соответствие все те значения частот f, на которых происходило отражение на данной высоте. Далее данные поступают на вход частотного блока 10 обработки данных, где записываются в ячейку памяти, соответствующую частоте отражения  Данные с первых выходов каждой из ячеек памяти частотного блока обработки данных  поступают на вход блока определения среднего значения критической частоты. В данном блоке определяются средние значения частоты отражения  соответствующие каждой из высот  после чего происходит сравнение средних значений частот отражения на соседних (по шагу квантования Δh) высотах отражения  поочередно, начиная с первой (т.е.  и т.д.). Когда разница между двумя средними значениями частот отражения на соседних высотах (например,  и  будет меньше, чем половина шага перестройки  определяется среднее значение критической частоты как  Блок определения среднего значения критической частоты подает данное значение  на первый вход блока определения величины интенсивности неоднородностей ионосферы и на вход блока выбора. В последнем определяется номер ячейки частотного блока обработки данных  в которой среднее значение частоты равно среднему значению критической частоты (ЯП f(h)). Блок выбора формирует сигнал на выбор соответствующей ячейки памяти ЯП f(h), которая соответствует высоте максимума ионизации слоя h. Далее сигнал на выбор ячейки памяти ЯП f(h) подается на управляющий вход частотного блока обработки данных. Со второго выхода выбранной ячейки памяти ЯП f(h) сигнал поступает на вход блока определения СКО критической частоты . Происходит вычисление СКО критической частоты
С выхода блока определения СКО критической частоты  сигнал поступает на второй вход блока определения величины интенсивности неоднородностей ионосферы. В блоке определения величины интенсивности неоднородностей ионосферы  происходит удвоение измеренного значения СКО критической частоты  и деление удвоенного значения СКО критической частоты на среднее значение критической частоты  поступающее с блока определения среднего значения критической частоты.
Таким образом, в разработанном устройстве на основе измеренных параметров ВЧХ  и  согласно известному выражению [4] определяется значение величины интенсивности неоднородностей β ионосферы.
д
B
Предлагаемое изобретение позволяет на основе результатов вертикального зондирования ионосферы производить построение высотно-частотных характеристик, определять среднее значение критической частоты отражения и величину интенсивности неоднородностей ионосферы β в зависимости от уширения высотно-частотной характеристики h=Ψ(f) в условиях диффузности.
Источники информации
1. Ионосферно-волновая служба связи/ Под ред. М.М.Крылова. - М.: Военное издательство, 1989. - 152 с.
2. Серков В.П., Слюсарев П.В. Теория электромагнитного поля и распространение радиоволн. Часть 2. Распространение радиоволн. - Л.: ВАС, 1973. - 255 с.
3. Толковый словарь по радиофизике. Основные термины. - М.: Рус. яз., 1993. - 357 с.
4. Пашинцев В.П., Омельчук А.В., Коваль С.А., Галушко Ю.И. Метод определения интенсивности неоднородностей по данным ионосферного зондирования // Двойные технологии, 2009, т.46, №2. - С.38-42.
5. Пашинцев В.П., Колосов Л.В., Тишкин С.А., Антонов В.В. Применение теории фазового экрана для разработки модели односкачкового декаметрового канала связи // Радиотехника и электроника, 1996, т.41, №1. - С.21-26.