СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНОСФЕРНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ
METHOD OF DETERMINING SPATIAL DISTRIBUTION OF IONOSPHERIC INHOMOGENEITIES

Изобретение относится к радиофизическим методам исследования ионосферной плазмы и предназначено для определения пространственного распределения ионосферных неоднородностей радарным методом с помощью ЛЧМ ионозонда - радиопеленгатора. Исследование ионосферных неоднородностей имеет важное значение как для понимания физических процессов в верхней атмосфере, так и для решения практических задач радиосвязи, радионавигации, радиопеленгации и радиолокации, поскольку неоднородности приводят к замираниям и вариациям углов прихода радиосигнала, что снижает эффективность работы радиоэлектронных систем различного назначения. Для изучения ионосферных неоднородностей и определения их параметров применяются различные экспериментальные методы и техника измерений. Наибольшее развитие получил метод вертикального зондирования ионосферы (Singleton D.G. The morphology of spread F occurrence over half a sunspot cycle. J. Geophys. Res. 1968, v.73, pp.295-308; патент РФ №2403592 на изобретение «Способ определения величины интенсивности неоднородностей ионосферы по данным вертикального зондирования»). Кроме этого, для исследования неоднородностей применяются такие методы, как метод мерцаний с использованием радиосигналов спутника (Crane R.K. Ionospheric scintillation. Proc. IEEE. 1977, v.65, p.180), прямые зондовые измерения с борта ракет и спутников (Dyson P.L., McClure J.P., Hanson W.B. In situ measurements of the spectral characteristics of ionospheric irregularities. J. Geophys. Res. 1974, v.79, p.1497; Pfaff R.F., Kelley M.C., Fejer B.G. et al. Electric field and plasma density measurements in the auroral electrojet. J. Geophys. Res. 1984, v.89, pp.236-244; Kelley M.C., Arce T.L., Salowey J. et al. Density depletions at the 10-m scale induced by the Arecibo heater J. Geophys. Res. 1995. v. 100, no. A9, p.17367-17376), трансионосферное зондирование с помощью радиосигналов навигационных спутников ГЛОНАСС (патент РФ №2421753 на изобретение «Способ определения параметров ионосферы и устройство для его осуществления»), используются также радары некогерентного и когерентного рассеяния радиоволн (Hagfors Т. The EISCAT facility. High-latitude space plasma physics. New York; London: Plenum Press, 1983, p.1-9; патент РФ №2251713 «Способ определения электронной концентрации в заданной области ионосферы и устройство для его осуществления»; Ruohoniemi J.M., Villain J.P. et al. Coherent HF radar backscatter from small-scale irregularities in the dusk sector of the subauroral ionosphere. J. Geophys. Res. 1988, v.93, pp.12871-12882). Каждый их этих методов имеет свои достоинства и недостатки. Так измерения с борта ракет и спутников хотя и имеют высокое пространственное разрешение, но носят эпизодический характер. Низкая разрешающая способность станций вертикального зондирования не позволяет осуществлять детальную локализацию рассеивающих неоднородностей. Этим же недостатком отличается и метод мерцаний радиосигналов спутника. Радар некогерентного рассеяния обладает высоким пространственным разрешением, но является весьма дорогостоящим инструментом. Радары когерентного рассеяния, объединенные в сеть радаров SuperDARN (Greenwald R.A., Baker К.В., Dudeney J.R. et al. Darn/Superdarn: A global view of the dynamics of high-latitude convection // Space Sci. Rev. 1995, v.71, p.761), предназначены для исследования только высокоширотных неоднородностей и имеют ограничения на позиционирование ионосферных неоднородностей. Дело в том, что в условиях сильных геомагнитных возмущений авроральная область с неоднородностями смещается в южном направлении (на более низкие широты), и неоднородности оказываются вне зоны видимости радаров по условиям ракурсного рассеяния радиоволн. Кроме того, радары сети SuperDARN работают только на ряде фиксированных частот в ограниченном диапазоне частот 8-20 МГц, что существенно снижает возможности таких радаров для мониторинга ионосферных неоднородностей.
В качестве прототипа взят способ определения высотного распределения величины интенсивности неоднородностей ионосферы по данным вертикального зондирования (патент РФ №2403592 «Способ определения величины интенсивности неоднородностей ионосферы по данным вертикального зондирования»), заключающийся в том, что обрабатывают данные вертикального зондирования ионосферы и на каждой из частот зондирования определяют действующие высоты отражения, сортируют полученные данные по частоте - каждой из частот зондирования ставятся в соответствие те действующие высоты отражения, от которых отражалась волна, сортируют полученные данные по высоте - каждой из высот отражения ставятся в соответствие все те частоты, на которых происходило отражение от данной высоты, определяют среднее значение критической частоты отражения, соответствующей каждой из высот отражения, сравнивают средние значения частот отражения на соседних высотах отражения поочередно, начиная с первой, при этом, когда разница между двумя средними значениями частот отражения на соседних высотах будет меньше, чем половина шага перестройки, определяют среднее значение критической частоты, определяют действующую высоту отражения, соответствующую среднему значению критической частоты, вычисляют значение среднеквадратического отклонения критической частоты, определяют значение величины интенсивности неоднородностей ионосферы.
д
Таким образом, весь интервал действующих высот отражения разбивается на ячейки с шагом Δh=2 км, далее в пределах каждого текущего интервала рассчитывается среднее значение частоты отражения и среднеквадратическое отклонение частоты отражения, и затем определяют величину интенсивности неоднородностей ионосферы как частное от деления удвоенного значения среднеквадратического отклонения частоты отражения на среднее значение частоты отражения.
Существенным недостатком данного способа определения высотного распределения величины интенсивности неоднородностей ионосферы, является низкая высотная разрешающая способность, которая может приводить к искажению измеряемой характеристики. Дело в том, что при наличии протяженного по высоте слоя с неоднородностями радиоволны на пути распространения до точки отражения могут испытывать рассеяние "вперед" на неоднородностях, расположенных ниже высоты отражения и имеет место эффект накопления влияния неоднородностей на регистрируемый сигнал вертикального зондирования. При этом, чем ближе исследуемый интервал действующих высот к высоте максимума ионосферного слоя, тем больше эффект влияния нижележащих неоднородностей на измеряемые характеристики отраженного сигнала. Поэтому, чтобы получить достоверные сведения об интенсивности ионосферных неоднородностей, необходимо определить их пространственную локализацию. Таким образом, предложенный способ оценки интенсивности неоднородностей не будет соответствовать реальному высотному распределению ионосферных неоднородностей.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности определения пространственного распределения мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации.
Решение указанной технической задачи обеспечивается с помощью технического результата, заключающегося в возможности обеспечения повышения частоты зондирования до величины, превышающей критическую частоту ионосферного F-слоя, что позволяет с высоким частотно-временным разрешением детектировать сигналы, рассеянные ионосферными неоднородностями, и уверенно сепарировать их от сигналов зеркального канала. В то время как при вертикальном зондировании на частотах ниже критической частоты ионосферы возникает проблема разделения вклада зеркального сигнала и сигнала, рассеянного "вперед" на эшелонированных по высоте ионосферных неоднородностях.
Для достижения указанного результата в способе определения пространственного распределения ионосферных неоднородностей электронной концентрации, включающем зондирование ионосферы широкополосным линейно-частотно-модулированным сигналом (ЛЧМ-сигналом) передатчика, прием излученного широкополосного ЛЧМ-сигнала осуществляют приемником синхронно с передачей ЛЧМ-сигнала, далее измеряют дистанционно-частотные (ДЧХ) и угловые частотные (УЧХ) характеристики всех зарегистрированных (принятых) сигналов, затем на основе ионосферной модели и измеренных ДЧХ и УЧХ проводят расчеты характеристик прямого сигнала, распространяющегося по дуге большого круга между передатчиком и приемником, корректируют ионосферную модель до совпадения измеренных и расчетных характеристик, после чего для скорректированной ионосферной модели и данных измерений ДЧХ и УЧХ рассеянного сигнала проводят расчеты характеристик рассеянного сигнала до совпадения измеренных и расчетных данных, и по ним для всего массива измеренных данных по параметрам принятого рассеянного сигнала (частота - задержка - азимут - угол места) определяют пространственное распределение ионосферных неоднородностей, ответственных за рассеяние: высоту h и географические координаты (широту φ и долготу λ) подионосферной области рассеяния.
В качестве приемника широкополосного ЛЧМ-сигнала используют ЛЧМ ионозонд-радиопеленгатор, работающий в режиме наклонного широкополосного зондирования для измерения ключевых характеристик радиосигналов, рассеянных ионосферными неоднородностями: дистанционно-частотных (ДЧХ), амплитудно-частотных (АЧХ) и угловых частотных (УЧХ) характеристик, моделирования распространения радиоволн и позиционирования неоднородностей на основе согласования измеренных и расчетных характеристик радиосигналов.
В основу способа положен радарный метод с использованием наклонного широкополосного ЛЧМ зондирования с бистатической конфигурацией размещения передатчика и приемника относительно исследуемой области ионосферы. Передатчик и приемник располагаются на расстоянии ~500-2000 км к югу от этой области и на расстоянии ~500-1500 км друг от друга. Такое расположение зондирующих средств обусловлено особенностями рассеяния радиоволн на мелкомасштабных магнитно-ориентированных ионосферных неоднородностях [Яковлев О.И., Якубов В.П., Урядов В.П., Павельев А.Г. Распространение радиоволн. Учебник для вузов. М.: ЛЕНАНД. 2009, 496 с.].
Использование в приемном пункте ЛЧМ ионозонда-радиопеленгатора позволяет разделять по задержкам (наклонной дальности) и углам прихода все моды распространения и проводить измерения дистанционно-частотных (ДЧХ), амплитудно-частотных (АЧХ) и угловых частотных (УЧХ) характеристик как прямых, так и рассеянных сигналов.
Процедура определения пространственного распределения ионосферных неоднородностей, ответственных за рассеянные сигналы, состоит в следующем:
1. По программе, привязанной к шкале времени ЛЧМ передатчика и параметрам излучаемого ЛЧМ-сигнала (начальной частоте, конечной частоте, скорости перестройки частоты, началу излучения, периоду зондирования,) производят запуск ионосферного зонда-радиопеленгатора.
2. Осуществляют прием сигнала ЛЧМ передатчика и измеряют ДЧХ и УЧХ на трассе зондирования.
3. Для каждого сеанса измерений ДЧХ и УЧХ корректируют модельный профиль электронной концентрации таким образом, чтобы получалось наилучшее согласование расчетной ионограммы прямого сигнала, распространяющегося по дуге большого круга между передатчиком и приемником, с экспериментальными данными (дистанционно-частотной характеристикой (ДЧХ) и зависимостью угла места и азимута приходящего в точку наблюдения сигнала от частоты (УЧХ)) прямого сигнала.
4. Для полученной таким образом адаптированной модели ионосферы выполняют моделирование рассеянных сигналов. Первичными данными для этого являются результаты измерений задержки и углов прихода (азимута и угла места) рассеянных сигналов. При этом из пункта приема с измеренными значениями азимута и угла места рассчитывают лучевые траектории в направлении области с ионосферными неоднородностями, ответственными за рассеяние. Для каждой лучевой траектории, проходящей через область ионосферы с неоднородностями, рассчитывают луч, приходящий в пункт расположения передатчика. Затем определяют суммарную задержку на трассе передатчик - область рассеяния - приемник. Как только эта задержка становится равной экспериментально измеренной, эту область рассеяния считают позиционированной. Такую процедуру выполняют для всего массива измеренных данных по параметрам принятого рассеянного сигнала (частота - задержка - азимут - угол места).
5. Далее, на основе согласования измеренных и расчетных характеристик рассеянных сигналов определяют пространственное месторасположение ионосферных неоднородностей, т.е. находят высоту h и географические координаты (φ, λ) подионосферной области рассеяния.
Заявленный способ может быть реализован с помощью устройства, блок-схема которого показана на фиг.1. Устройство состоит из двух отдельных блоков 1 и 2. Передающее устройство 1 и приемное устройство 2 обведены штрих пунктирными линиями на фиг.1.
В состав передающего устройства 1 входят: антенна GPS 3, подключенная к входу приемника GPS 4, блок временной синхронизации 5, антенна передатчика ЛЧМ сигналов 6, подключенная к выходу передатчика ЛЧМ сигналов 7, ЛЧМ генератор передатчика 8, компьютер 9 для управления работой передающего устройства 1. При этом выход приемника GPS 4 подключен к входу блока временной синхронизации 5, вход передатчика ЛЧМ сигналов 7 подключен к выходу ЛЧМ генератора 8, вход которого соединен с выходом компьютера 9, вход компьютера 9 подключен к выходу блока временной синхронизации 5.
j
j
2
Приемное устройство 2, представляющее собой ЛЧМ ионозонд-радиопеленгатор, включает антенну GPS 10, подключенную к GPS приемнику 11, блок временной синхронизации 12, первый вход которого подключен к выходу GPS приемника 11, TV-элементную антенную решетку 13, разветвитель 14, к входу которого подключен один из элементов антенной решетки 13 (опорная антенна), антенный коммутатор 15, к первому входу которого подключен первый выход разветвителя 14, к другим N-\ входам коммутатора 15 подключены N-1 - элементы антенной решетки 13, ЛЧМ генератор приемника 16, первый вход которого подключен к первому выходу блока временной синхронизации 12, первое радиоприемное устройство (РПУ1) 17, первый вход которого подключен ко второму выходу разветвителя 14, второй вход РПУ1 17 подключен к первому выходу ЛЧМ генератора приемника 16, второе радиоприемное устройство (РПУ2) 18, первый вход которого подключен к выходу антенного коммутатора 15, второй вход РПУ2 18 подключен ко второму выходу ЛЧМ генератора приемника 16, двухканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 19, первый вход которого подключен к выходу РПУ1 17, второй вход АЦП 19 подключен к выходу РПУ2 18, третий вход АЦП 19 подключен ко второму выходу блока временной синхронизации 12, выход двухканального АЦП 19 подключен к входу многопоточного вычислителя 20 (обведен на фиг.1 пунктирной линией). При этом на входе многопоточного вычислителя 20 установлен блок 21, где осуществляется оценка спектральной плотности мощности (СПМ) сигнала и шума, обнаружение лучей, определение их числа n, амплитуды каждого луча α, задержки каждого луча τ, коэффициента мутности ионосферы β, измерение двухмерных угловых координат каждого j-го луча путем Фурье-синтеза диаграммы направленности антенны. Первый вход блока 21 соединен с выходом двухканального АЦП 19. На выходе многопоточного вычислителя 20 установлен пользовательский интерфейс 22, первый выход которого, совпадающий с первым выходом многопоточного вычислителя 20, подключен ко второму входу ЛЧМ генератора 16, второй выход пользовательского интерфейса 22, совпадающий со вторым выходом многопоточного вычислителя 20, подключен к N+1 входу антенного коммутатора 15, третий выход пользовательского интерфейса 22, совпадающий с третьим выходом многопоточного вычислителя 20, подключен ко второму входу блока временной синхронизации 12, четвертый выход пользовательского интерфейса 22 соединен со вторым входом блока формирования измеренных характеристик прямого и рассеянного сигналов 21, выход которого подключен к входу программного блока 23 моделирования и определения пространственного распределения мелкомасштабных ионосферных неоднородностей, отображения выходной информации.
Работа устройства состоит из следующих основных этапов.
1. По программе, привязанной к шкале времени ЛЧМ передатчика и параметрам излучаемого ЛЧМ-сигнала (начальной частоте, конечной частоте, скорости перестройки частоты, началу излучения, периоду зондирования), с пользовательского интерфейса 22 производят запуск ионосферного зонда-радиопеленгатора, включая запуск блока временной синхронизации 12, а соответственно, подключенного к блоку временной синхронизации 12 АЦП 19, антенного коммутатора 15, ЛЧМ генератора 16 и блока формирования измеренных характеристик прямого и рассеянного сигналов 21.
2. Осуществляют прием сигнала ЛЧМ передатчика с помощью антенной решетки 13 приемника 2. С выхода опорной антенны (одного из элементов антенной решетки 13) через разветвитель 14 сигнал поступает на первый вход РПУ1 17 (опорный канал). К опорной антенне РПУ1 17 подключен постоянно, что обеспечивает получение непрерывной выборки сигнала по опорному каналу. На второй вход РПУ1 17 поступает сигнал с первого выхода ЛЧМ генератора 16. Разностный сигнал, сформированный при перемножении сигнала, поступающего на РПУ1 17 от разветвителя 14, с сигналом, поступающим на РПУ 1 17 от ЛЧМ генератора 16, поступает с выхода 2-ой промежуточной частоты (ПЧ) РПУ1 17 на первый вход АЦП 19.
3. С помощью антенного коммутатора 15 к РПУ2 18 поочередно подключают все антенные элементы, и сигнал ЛЧМ передатчика, принятый антенной решеткой 13, поступает на первый вход РПУ2 18 (предметный канал), на второй вход РПУ2 18 поступает сигнал со второго выхода ЛЧМ генератора 16. Разностный сигнал, сформированный при перемножении сигнала, поступающего на РПУ2 18 от антенной решетки 13, с сигналом ЛЧМ генератора 16, поступает с выхода 2-ой ПЧ РПУ2 18 на второй вход АЦП 19.
4. Когда в результате переключения антенного коммутатора 15 оба радиоприемные устройства РПУ1 17 и РПУ2 18 оказываются подключенными к опорной антенне (одному из элементов антенной решетки 13), по выборке сигнала с опорной антенны определяют комплексный коэффициент разноканальности (разность фаз и отношение амплитуд), описывающий отношение комплексных коэффициентов передачи опорного (образованного разветвителем 14 и РПУ1 17) и предметного каналов (образованного антенным коммутатором 15 и РПУ2 18). В дальнейшем этот коэффициент используют для коррекции комплексных относительных амплитуд сигналов, полученных по выборкам с других антенных элементов. В результате обеспечивается измерение относительных (по отношению к опорной антенне) комплексных амплитуд сигналов со всех антенных элементов, инвариантных относительно комплексных коэффициентов передачи каналов двух РПУ.
d
0
min
max
l
lm
nm
<mrow><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac bevelled="true"><mn>1</mn><mrow><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>n</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>M</mi><mi>N</mi><mi>l</mi><mo>+</mo><mi>M</mi><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mi>M</mi><mi>N</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mi>M</mi><mi>N</mi><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>l</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
5. Затем антенный коммутатор переключает предметный РПУ2 18 на новый антенный элемент и т.д. Коммутация осуществляется до тех пор, пока не закончится прием сигнала от ЛЧМ передатчика. В каждый момент времени двухканальный РПУ, состоящий из РПУ1 17 и РПУ2 18, подключен к опорной антенне (одному из элементов антенной решетки 13) и другому элементу из N-элементной антенной решетки 13. При этом с каждой пары антенных элементов делается выборка сигнала длиной М для оцифровки в АЦП 19 с частотой f и шагом дискретизации
. Величина M выбирается так, чтобы, обеспечивалось временное разрешение парциальных лучей распространения по групповой задержке. Так, при скорости перестройки частоты 100 кГц/с и полосе анализа ЛЧМ сигнала 20 кГц временная выборка составляет 200 мс. При этом для временного разрешения парциальных лучей по групповой задержке ~50 мкс величина M полагается равной 4096. Средняя частота принимаемого сигнала равна
, где h=1, 2, …N - номер опрашиваемого антенного элемента, l=1, 2, …, L - номер дискретной частоты, на которой будут оцениваться углы прихода,
λ - количество дискретных частот, µ - скорость перестройки частоты, f и f - минимальная и максимальная частоты из диапазона зондирования. Углы прихода при этом оцениваются на равномерной частотной сетке, а значения частот определяются соотношением
. После полного обхода всех N элементов антенной решетки 13 на промежуточной частоте приемников РПУ1 17 и РПУ2 18 при средней дискретной несущей частоте f для каждой пары каналов АЦП 19 получают когерентные выборки цифрового разностного сигнала для опорного канала {x} и предметного канала {x}, где n=1, 2…, N, m=1, 2, …, M.
j
j
lk
nk
lk
lm
nk
nm
j
j
j
j
2
2
6. Обработку оцифрованного разностного сигнала осуществляют с помощью многопоточного вычислителя 20. Для этого с выхода АЦП 19 оцифрованный разностный сигнал с двух РПУ поступает на вход блока 21, входящего в состав многопоточного вычислительного устройства 20, где осуществляется оценка спектральной плотности мощности (СПМ) сигнала и шума многооконным методом (МТМ-методом), происходит обнаружение лучей, определение их числа n, комплексных амплитуд α, задержек τ, коэффициента мутности β. По каждой паре выборок разностного сигнала для опорного канала {x} и предметного канала {x} вычисляются спектры сигналов {s}=FFT(x) и {s}=FFT (x), где k=1, …M/2, FFT - оператор дискретного преобразования Фурье, выполняемый на основе алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ). По каждой выборке сигнала длиной M с n-го антенного элемента с помощью алгоритма БПФ вычисляется комплексный спектр сигнала и вычисляется спектральная плотность мощности сигнала МТМ-методом. Комплексный спектр сигнала используют для вычисления относительного коэффициента передачи К в полосе РПУ при подключении РПУ1 17 и РПУ2 18 к опорной антенне (одному из элементов антенной решетки 13). Спектральная плотность мощности шума определяется гистограммным способом (Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградова Е.Г. Аппаратно-программный комплекс для определения оптимальных рабочих частот связной радиолинии по данным наклонного зондирования ионосферы. 1. Методы и алгоритмы обработки данных. // Труды XIII международной научно-технической конференции "Радиолокация Навигация Связь". 17-19 апреля 2007. г. Воронеж: САКВОЕЕ, т.2, с.1203-1214). На основе статистического критерия (F-статистики) в МТМ-методе осуществляется выделение дискретных лучей распространения (определение их количества J), задержек лучей τ(f), комплексных амплитуд a(f), определение мощности рассеянной компоненты и, как следствие, определение коэффициента мутности β. Здесь же для каждого выделенного j -го луча находится амплитудно-фазовое распределение (АФР) поля по апертуре антенной решетки
, где j=1, 2…J - номер луча, n=1, 2, …, N - номер антенного элемента, l=1, 2, …, L - номер дискретной частоты, на которой будут оцениваться углы прихода. АФР каждого луча используется далее для Фурье-синтеза диаграммы направленности и оценки двухмерных угловых координат луча α - азимута прихода в плоскости Земли и Δ - угла места в вертикальной плоскости.
a
j
j
j
с/ш
<mrow><msubsup><mi>β</mi><mi>j</mi><mn>2</mn></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>f</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
В этом же блоке осуществляется очистка ионограмм, выделение частотных ветвей и формирование зависимостей (f), τ(f), отношение сигнал/шум (с/ш)(f),
, определение наименьших наблюдаемых частот (ННЧ), максимальных наблюдаемых частот (МНЧ), интервалов многолучевости, интервала временного рассеяния Δτ, среднеквадратичного отклонения отношения (с/ш) σ, вероятности ошибки, надежности связи.
Здесь же осуществляется измерение двухмерных угловых координат каждого j-го луча путем Фурье-синтеза диаграммы направленности антенны антенной решетки и окончательная очистка ионограмм на основе критерия достоверности оценки углов прихода.
Здесь осуществляется формирование дистанционно-частотных, амплитудно-частотных и двухмерных угловых-частотных характеристик, а также МНЧ, ННЧ, уровня спектральной плотности шума, коэффициента мутности, вероятности ошибки, надежности связи.
7. С выхода блока 21 результаты измерений поступают на вход программного блока 23 моделирования характеристик ионосферного распространения радиоволн, где с учетом коррекции ионосферной модели осуществляется моделирование прямых и рассеянных сигналов, и на основе согласования измеренных и расчетных характеристик рассеянных сигналов находится пространственное распределение ионосферных неоднородностей, ответственных за рассеянные сигналы. При этом результаты работы устройства, реализующего заявленный способ, выводятся на печать в виде таблицы с 3-мерными координатами месторасположения ионосферных неоднородностей, ответственных за рассеяние: высота h и географические координаты подионосферной области рассеяния (широта φ и долгота λ).
Реализуемость данного способа подтверждена в серии экспериментов, проведенных авторами заявки на трассе наклонного ЛЧМ зондирования Кипр-Ростов-на-Дону.
В качестве передатчика ЛЧМ сигналов использовался широкополосный ЛЧМ передатчик, расположенный на Кипре, который работал в диапазоне частот 8-30 МГц, скорость перестройки частоты составляет 100 кГц/с.
2
В качестве приемного устройства ЛЧМ сигналов использовался ЛЧМ ионо-зонд-радиопеленгатор, расположенный в окрестности г. Ростов-на-Дону, созданный на основе двух когерентных радиоприемников Р-399А и антенной решетки в виде 16 вертикальных вибраторов высотой 9 м, размещенных на площадке размерами 100×100 м.
На фиг.2 показан пример работы устройства, реализующего заявляемый способ, на трассе Кипр-Ростов-на-Дону, когда в течение длительного времени с 17:30 UT 04 января 2012 г. до 02:00 UT 05 января 2012 г. регистрировались рассеянные сигналы. На фиг.2 приведены ДЧХ (а), АЧХ (б) и УЧХ (в - угол места Δ (град.), г - азимут α (град.)) всех зарегистрированных сигналов на трассе ЛЧМ зондирования Кипр-Ростов-на-Дону. 01:04 UT, 05.01.2012 г.
PC3
Прямой и рассеянные сигналы отмечены на фиг.2 маркерами ПС и РС1-PC3 соответственно. Для проверки заявляемого способа проводился анализ результатов измерений диффузного рассеянного сигнала PC3, который наблюдался на частотах, превышающих максимально наблюдаемую частоту (МНЧ) прямого сигнала, равную 13,5 МГц. Согласно результатам измерений характеристик рассеянного сигнала РСЗ, в среднем, он имел следующие параметры: диапазон задержек ~ 7-11 мс, диапазон частот ~ 14-19 МГц, интервал вертикальных углов прихода ~20-45°, интервал азимутальных углов прихода ~330-50°, амплитуда сигнала была на 50-60 дБ меньше амплитуды прямого сигнала. Как видно из фиг.2, наряду с сигналом РС1, на ионограммах регистрировались сигналы типа возвратно-наклонного зондирования (ВНЗ), отмеченные маркерами PC1 и PC2, для которых характерен рост задержки с ростом частоты (Чернов Ю.А. Возвратно-наклонное зондирование ионосферы. М.: Связь. 1971, 204 с.).
Для позиционирования областей, ответственных за появление рассеянных сигналов, было проведено моделирование характеристик прямого и рассеянных сигналов. В расчетах использовалась Международная справочная модель ионосферы IRJ (Bilitza D., International Reference Ionosphere 2000, Radio Sci. 2001, v.36, pp.261-275). На основе сопоставления расчетных и экспериментальных характеристик рассеянных сигналов по результатам измерений задержки (дальности), вертикальных и азимутальных углов прихода рассеянных сигналов РС1-РС3 проведено позиционирование областей с неоднородностями, ответственными за рассеянные сигналы. Результаты нанесены на физическую карту и показаны на фиг.3, где изображено месторасположение областей, ответственных за рассеянные сигналы PC1 -РС3, для сеанса зондирования 01:04 UT, 05.01.2012 г.
На основе результатов измерений и моделирования задержки (дальности), азимутальных и вертикальных углов прихода рассеянного сигнала РСЗ установлено, что этот сигнал обусловлен рассеянием радиоволн от неоднородностей электронной концентрации, расположенных в протяженной области среднеширотной ионосферы в интервале широт ~50-55°N и долгот ~35-48°E на высотах ~250-450 км. Детальные данные по определению пространственного месторасположения ионосферных неоднородностей по результатам работы устройства для анализируемого сеанса измерений характеристик рассеянных сигналов РС3 представлены в таблице 1 на фиг.4, где:
f - частота зондирования в МГц, t - задержка сигнала в мс, азимут - азимутальный угол прихода сигнала, отсчитываемый по часовой стрелке от северного направления для приемного пункта в градусах, угол места - угол прихода сигнала в вертикальной плоскости, отсчитываемый от горизонтали в градусах, h - высота расположения рассеивающих ионосферных неоднородностей в км, φ - широта проекции на поверхность Земли области с ионосферными неоднородностями в градусах, λ - долгота проекции на поверхность Земли области с ионосферными неоднородностями в градусах.
Представленные данные подтверждают реализуемость предложенного способа определения местоположения ионосферных неоднородностей.
Что касается аномальных сигналов РС1 и РС2, то по результатам измерений и моделирования установлено, что механизм распространения сигнала РС1 связан с рассеянием радиоволн от Иранского нагорья, а сигнала РС2 - рассеянием от Среднерусской и Приволжской возвышенностей.