Влияние квазисинусоидальных неоднородностей на характеристики двух- и трёхскачковых отражений от ионосферы

Системы авиационной радиосвязи, радиолокации, радионавигации и методы их эксплуатации

УДК: 621.371.33 ББК 39.57

А. И. Агарышев Иркутск, Россия Нгуен Минь Жанг Ханой, Вьетнам М. А. Портнов Иркутск, Россия

ВЛИЯНИЕ КВАЗИСИНУСОИДАЛЬНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВУХ- И ТРЁХСКАЧКОВЫХ ОТРАЖЕНИЙ ОТ

ИОНОСФЕРЫ

В статье представлены результаты исследований влияния неоднородностей ионосферы на максимальную наблюдаемую частоту (МНЧ) и углы прихода радиоволн, отражающихся два и три раза от ионосферы (мод 2¥2 и 3Б2). Приведены расчётные МНЧ и углов прихода декаметровых радиоволн методом равных МПЧ в условиях квазисинусоидальных неоднородностей. Проведено сравнение результатов расчетов с результатами измерений.

Ключевые слова: максимально применимая частота, максимально наблюдаемая частота, неоднородность электронной концентрации, характеристики двух- и трёхскачковых отражений от ионосферы, углы прихода модов 2¥2, 3¥2.

A.I. Agaryshev Irkutsk, Russia Nguyen Minh Giang Hanoi, Vietnam M.A. Portnov Irkutsk, Russia

THE INFLUENCE OF QUASI-SINUSOIDAL INHOMOGENUITIES ON THE CHARACTERISTICS OF DOUBLE- AND THREE-HOP IONOSPHERIC REFLECTIONS

The article presents the results of researching the influence of ionosperic inhomogenuities on the maximum observed frequency (MOF) and the angles of arriving the radiowaves reflected two and three times from the ionosphere (2F2 and 3F2 modes). The authors present the calculated МOF and angles of arrival of decameter radio waves using the method of equal MUF under conditions of quasi-sinusoidal inhomogenuities. The results of calculations are compared with the results of measurements.

Keywords: maximum usable frequency, maximum observed frequency, inhomogeneity of the electron concentration, characteristics of double- and three-hop ionospheric reflections, the angles of arrival of 2F2, 3F2 modes.

Введение

Коротковолновая радиосвязь занимает важное место в области дальней радиосвязи, особенно в труднодоступных местах и малонаселенных пунктах, а также в авиации и на кораблях. Основные преимущества такой системы по сравнению с другими видами связи: требуется маломощный передатчик (от десятка до сотен ватт) для осуществления радиосвязи до нескольких тысяч км, возможность быстрого восстановления работоспособности после повреждения. Для повышения качества радиосвязи необходимо повысить

точность прогнозирования максимальной применимой частоты и других характеристик распространения радиоволн, в том числе углы прихода, напряжённость поля.

В настоящее время существуют методы прогнозирования МПЧ для односкачковых трасс, например, метод равных скачков [Девис, 1973], метод характеристик [Хазельгров, 1971], метод нормальных волн [Куркин, 1981]. Методы [1-3] обеспечивают прогнозирования МПЧ при отсутствии систематических отклонений между исходными данными и результатами расчетов МПЧ мода 1Б2. Расчетные МНЧ2Б2 и МНЧ3Б2 этими методами дают рассчитанные МНЧ. Это занижение объяснится наличием случайных неоднородностей различных масштабов в среде распространения радиоволн, которые не рассмотрены в этих методах. Повышение точности прогнозирования МНЧ и углов прихода радиоволн этих мод позволит применять более высокие рабочие частоты, что важно ввиду ограничения частотного ресурса, и проектировать КВ антенны с оптимальной диаграммой направленностью за счет уточнения диапазона углов прихода отдельных мод распространения радиоволн.

Цель статьи заключается в моделировании и исследовании влияния регулярных и случайных неоднородностей ионосферы на МНЧ и углов прихода радиоволн мод 2Б2, 3Б2.

Метод расчета МПЧ с учетом регулярных неоднородностей

ионосферы

В горизонтально-неоднородной среде точки отражения радиоволн смещаются от середины трассы в области более высоких критических частот Го. Этот фактор приводит к увеличению МНЧ и МПЧ по сравнению с расчетами в горизонтально-однородной ионосфере. Для учета влияния смещения точки отражения на расчетные МПЧ мы используем рисунок 1 и формулу для расчета значения МПЧ трассы с заданной длиной D (км) [Агарышев, 2009]:

МПЧ

В формуле (1) K(D) - это коэффициент коррекции на сферичность

2 ,a D

ионосферы, K(D) = 1 + a2 +-

a =

Re - радиус Земли, f0F2 -

2 • ЯЕ

критическая частота слоя Б2, ф - угол, под которым радиоволна подает на эквивалентную зеркальную отражающую поверхность.

Рисунок 1 - Геометрия отражения радиоволн от эквивалентного наклонного

зеркала

С учетом изменения параметров f0F2 и М (коэффициент для определения МПЧ на дальности 3000 км) вдоль трассы, выражение расчета MQ4(D) можно уточнить путем расчёта угла ф. Для этого мы рассчитываем угол наклона эффективного зеркала отражающего слоя по выражению:

tan( б) = h02 - h01 , D0

где D0 = 200 км, h01 и h02 - действующие высоты в точках, удаленных от середины трассы на одинаковых длин 100 км. Значение h01, h02 мы получим с использованием прогностической модели ионосферы [A simple HF propagation method for MUF and field strength: Document CCIR 6/288]. Угол смещения точки отражения от середины линии в сторону уменьшения действующей высоты определится из:

ат ~ tan (г)-

1 + A2 - 2 - A0 - cos

(а)]

A0 - cos(a)-1

tan

Aq — cos

где Aq = 1+, hQ - действующая высота отражающего слоя в середине re

трассы.

Подставляя значение ф из (2) в (1), мы можем рассчитать значение Mn4(D) с учетом регулярных неоднородностей ионосферы. Из рисунка 1 также найдутся углы излучения 0 и приема в для дальности D (км), когда рабочая частота равна МПЧ для этой трассы. В треугольнике OTB имеем:

в=-2—a—ф—aT-s

В треугольнике OAT имеем:

9 = П- a — ф + ат + s

2

Из (3), (4) следует, что с учетом смещения точки отражения в регулярной неоднородной ионосфере углы приема и излучения отличаются на 2 • |aT +S •

Расчет МНЧ мод 2¥2 и 3Р2 методом равных МПЧ для горизонтально-неоднородной ионосферы

Согласно методу равных МПЧ [Агарышев, 2009], условие равных

МПЧ:

МПЧ (Б1)= МПЧ(Б2) =МНЧ2Б2, где Б1 +Б2 =Б.

Расчет начинается с одинаковых длин скачков В1=В2=В/2 и проводится расчет МПЧ(Б1) и МПЧ(Б2) по формуле (1) и также значения углов излучения и приема (01, р1) и (62, Р2) для трасс Б1 и Б2 по формуле (3), (4). Если МПЧ(Б1) > МПЧ (Б2), тогда уменьшим длину на 10 км (или другое заданное значение), это значит = Б1-10 (км) и Б2 = Б - Б1, и повторно проводится расчет значений МПЧ (Б1) и МПЧ(Б2), 0! , р1 и 02 , Р2 и рассчитывается абсолютное значение разности |МПЧ(р1) - МПЧ^)| .Условие

остановки расчета |МПЧ(Э1) - МПЧ^) < 0.1 . Значение МНЧ2Б2 найдется по

лугитпио МПЧ(Б1) + МПЧ(Б1) выражению МНЧ2Е2 = - 1 -и Р2 - это угол прихода

радиоволн мода 2Б2 для трассы длиной Б. Если Б1 < Б2, тогда увеличится Б1 на 10 км и Б2 =Б - Б1 и проводится вышенаписанный процесс расчета. Алгоритм расчёта МНЧ2Б2 иллюстрируется рисунком 2 ниже.

Рисунок 2 - Алгоритм расчета МНЧ 2Б2 по методу равных МПЧ Для того чтобы рассчитать значение МНЧ3Б2, мы применим такой же алгоритм, отличие только в том, что мы разделим трассу длиной Б на участки Б1 и Б2. При этом Б1= Б/3, Б2=2Б/3. Из (1) для расчета значения МПЧ(Б1) и алгоритм расчета МНЧ2Б2(Б2) для участка Б2. Потом сравним МПЧ (Б1) и МНЧ2Б2(Б2), если МПЧ(Б1) > МНЧ2Б2(Б2), тогда уменьшится длина D1 на 10 км (или другое заданное значение) и рассчитываем длину участка D2 = D - D1, и повторно проводится расчет значений МПЧ(01) и МНЧ2F2(D2). Условие |МПЧ(Б1) - МНЧ2Б2(Б2) < 0.1 остановки расчёта.

Значение МНЧ3F2 найдется по выражению МНЧ3F2 = МПЧ

2

и Р2 значение угла прихода радиоволн для участка

D2. Если МПЧ (01) < МНЧ 2F2(D2), тогда увеличение D1 на 10 км: D1 = D1 +10, Б2 =Б - 01 и повторяется алгоритм.

Учет влияния крупномасштабных неоднородностей ионосферы

Для учета крупномасштабных неоднородностей (КМН) используется модель неоднородности ионосферы в виде перемещающегося квазисинусоидального возмущения высоты отражения радиоволн. КМН двигается со скоростью v по направлению от передатчика до приемника. Тогда высота отражающего слоя имеет вид функции от расстояния вдоль трассы и от времени:

Г2X ^ h

V ^ m

где Лу(1;) - величина изменения фазы КМН с учетом движения КМН по

V • Л1 • 2 • п V • (Тс — То ) • 2 • п времени. Лу^) =-= ————-, где V - скорость движения КМН, Т0

X т Х т

- начальное время для расчета, Иср - среднее значение высоты отражающего слоя, Хт - длина волнового возмущения; у 0 - начальная фаза волнового

возмущения, х - дальность от передатчика до рассмотренной точки, А -амплитуда возмущений высоты отражающего слоя.

Из (1) следует выражение угла наклона отражающего слоя е (хД):

s(x, t) = arctan

h02 - hoi |

02 01 1-еm • cos

Г 2 • n • x ^

V ^ m

- Ay

Б

где ет - амплитуда возмущений угла наклона отражающего слоя; И02, Ь01 -критические частоты отражающего слоя над передатчиком и приемником; Б - длина трассы.

Критическая частота в регулярной неоднородной ионосфере с учетом перемещающегося квазисинусоидального возмущения высоты отражения радиоволн определяется формулой:

fo (x, t) = fo1 + fo2 foi ^ X + Afo • sin

Г 2 • n • x ^

V ^ m

- Ay

Б

где Лf0 - амплитуда возмущения критических частот, Б - длина трассы.

О - f + (fo2-fo1x В правой части уравнения (7) член ioi +-^-- это выражение,

учитывающее линейное изменение критической частоты отражающего слоя от пункта передатчика до пункта приемника. Член Afo 'sin -'--^V(t) + W0

^ V

учитывает влияние КМН на значение критической частоты отражающего слоя. Рисунок 3 показывает возможность отражений радиоволн областями ионосферы с положительными возмущениями критических частот fo после прохождения радиоволн через случайно-неоднородную среду.

Рисунок 3 - Влияние случайных крупномасштабных неоднороднстей

В этом конусе часть лучей преломляется, а часть отражается от областей с критической частотой больше среднего значения ^ >£"ср, что повышает МНЧ по сравнению с МПЧ, рассчитанными по усредненным значениям ^

Сопоставление результатов расчета с результатами измерений углов прихода радиоволн мод 2¥2, 3Р2

Вышенаписанные методы и алгоритмы расчета МНЧ применялись для расчета МНЧ и углов прихода радиоволн мода 2Б2, 3Б2 по трассе Хабаровск - Иркутск. Результаты расчета используются для интерпретации результатов

измерений углов прихода радиоволн мода 2F2 и 3F2 по этой трассе в [Агарышев, 2009].

При расчете были использованы следующие входные данные: дата 30.01.1979, время проведения расчетов: от 8 ч 15 мин до 10 ч 45 мин, географические координаты пункта передачи (Хабаровск - Х): широта 48.55°, долгота 135.25o, пункта приёма (Иркутск - И) с широтой 51.82o, долготой 103.07o, число Вольфа в день проведения эксперимента - 167 по данным из [График среднемесячных чисел Вольфа]. Были использованы следующие параметры КМН: еm = 2.50, A,m = 380 км, Afo = f0F2(X) - f0F2 (И) и результаты измерений параметров ионосферы (критическая частота f0F2 и высота максимума hmF2) для времени с 8 ч до 12 ч методом вертикального зондирования. Значение скорости движения КМН составляет 540 км/час [Walton, 1976].

Для определения значения начальной фазы у 0 КМН в (5), (6) и (7) мы составим таблицу данных, в которой значение у 0 изменится от 00 до 3600 с шагом по углу 10° и проводится расчет значения МНЧ2F2 и углов прихода этого мода. Из данных расчета найдено значение у 0, которое равное 800, при

котором обеспечено наибольшее соответствие результатов расчета с результатами измерений в [Агарышев, 2009]. В таблице 1 представлены результаты расчета углов прихода мода 2F2 и сравнение результатов расчета и эксперимента.

Таблица 1 - Результаты расчета и измерений углов прихода радиоволн мода

2F2

8ч. 8ч. 15м 9 ч. 10 ч.

По расчетам 14.720 14.720 19.120 22.060

По измерениям Не наблюдался 150 190 220

Из таблицы 1 видно, что результаты расчета углов прихода радиоволн мода 2Б2 соответствуют с результатами измерений с погрешностью не более

10 для 9ч и 10ч. По результатам расчета МПЧ методом равных скачков и методом равных МПЧ без учета КМН значение МПЧ2Б2 в 8 ч.15 мин меньше

16,8 МГц.

Таблица 2 - Результаты методом равных скачков и методу равных МНЧ

Время Метод равных скачков Метод равных МНЧ с учетом регулярных неоднородностей Метод равных МНЧ с учетом регулярных неоднородностей и КМН

8:15 10,92 МГц 12,77 МГц 22,77 МГц

9:00 13,84 МГц 15,10 МГц 28,07 МГц

10:00 16,16 МГц 16,85 МГц 26,85 МГц

11:00 17,04 МГц 17,68 МГц 33,09 МГц

Из таблицы 2 мы видим, что метод равных МНЧ с учетом регулярных неоднородностей и КМН дает наблюдаемые МНЧ. По результатам измерений в [Агарышев, 2009] мод 2Б2 начинался наблюдаться с 8 ч 15 мин при рабочей частоте 16.8 МГц.

Для расчета мода 3Б2 мы используем такие же исходные данные для расчета мода 2Б2 кроме следующих отличий: радиоволны мода 3Б2 отражаются от ионосферы на высоте выше, чем мода 2Б2. Длина волны и скорость движения КМН для мода 3Б2 также больше, чем для мода 2Б2. Поэтому при расчете мы зададим следующие параметры КМН:

Длина волны Xт 390 км

Скорость движения 580 км/ час

Высота отражения волны И3р2 = И2р2 +30 км

Начальная фаза 70°

Результаты расчета характеристик мода 3Б2 представлены в таблице3. Таблица 3 - Результаты измеренных и рассчитанных углов прихода мода 3Б3

Время 8 ч 9 ч 9 ч 15 9 ч 30 9 ч 45 10 ч 10 ч 30

МНЧ3F2(МГц) 10,40 15,37 15,02 12,68 18,60 18,05 19,36

Р3Р2 по расчетам X X X X 29,290 31,90 29,350

р3Р2 по измерениям X X X X 290 300 27,50

Обозначение: x - мод не наблюдался.

Таблица 3 показывает, что по расчетам значение MH43F2 больше 16,8 МГц с момента 9 ч 45 мин. Это результаты расчета соответствуют результатам наблюдения мода 3F2. При сравнении результатов расчета с результатами измерений углов прихода радиоволн мода 3F2 в таблице 3 показано, что с учетом КМН и регулярных неоднородностей ионосферы погрешность расчета углов прихода радиоволн мода 3F2 не превышает 20-.

Выводы

1) Разработан и экспериментально проверен метод расчета МНЧ мод 2F2, 3F2 с учетом регулярных неоднородностей ионосферы и КМН.

2) Показано, что для радиоволн с частотами, близкими к максимально наблюдаемой частоте углы прихода и МНЧ мод 2F2,3F2 на трассах с регулярной горизонтальной неоднородностью ионосферы определяются равенством МПЧ отдельных скачков, а не скачком с минимальной МПЧ, как считалось ранее.

3) Показана возможность использования радиоволн с частотами больше классической МПЧ за счет увеличения значений MНЧ2F2 и MНЧ3F2 в регулярных и случайных средах.

Библиографический список

1. Агарышев А. И. Системы коротковолновой радиосвязи с подавлением многолучевости сигнала: монография / А. И. Агарышев и др. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. 160 с.

2. График среднемесячных чисел Вольфа // [Электронный ресурс]. URL: http://meteo-dv.ru/geospace/AverageMonthW (дата обращения: 10.10.2018).

3. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере / Пер. с англ. под ред. А. А. Корчака. М.: Мир, 1973. 502 с.

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

5. Хазельгров Д. Ж. Лучевая теория и новый метод расчёта траектории // Лучевое приближение и вопросы распространения радиоволн. М. : Наука, 1971. C. 36-50.

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

7. Walton, E.K. Observation of seasonal effects in traveling ionospheric disturbances by the directional deviation technique/ E.K. Walton, A.D. Bailey// Radio Sci. - 1976. - V. 11. - P. 175-178.

References

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

2. Agaryshev A. I.

3. Davies K.

4. Diagram of average monthly Wolf numbers // [Electronic resource]. URL: http://meteo-dv.ru/geospace/AverageMonthW

5. Hazel'grov D. ZH.

6. Kurkin V. I.

7. Walton, E.K.

УДК 629.7

ББК 39.56

Д. А. Шоманков Минск, Республики Беларусь

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ НЕИСПРАВНОСТЕЙ АЭРОМЕТРИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ И ПРИЕМНИКОВ ВОЗДУШНЫХ ДАВЛЕНИЙ НА

БЕЗОПАСНОСТЬ ПОЛЕТОВ

Определены основные виды отказов и неисправностей приемников воздушных давлений и аэрометрических приборов, выявлены причины их возникновения. Приведены результаты анализа влияния этих неисправностей на безопасность полетов.

Ключевые слова: неисправность, средний налет на отказ, авиационное событие, сложная ситуация, вероятность возникновения особой ситуации в полете, катастрофа, авария.

D. A. Shomankov Minsk, Republic of Belarus

ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF AEROMETRIC INSTRUMENTS

AND PITOT - STATIC PROBES FAULTS ON FLIGHT SAFETY

The main types of failures and faults of pitot - static probes and aerometric instruments are determined and the causes of their occurrence are revealed. The results of the analysis of these faults influence on flight safety are presented.

Keywords: faults, mean flight time between failures, aviation event, difficult situation, probability of occurrence inflight abnormal circumstances, air crash, accident.