Прогноз угловых характеристик декаметровых радиоволн в неоднородной рассеивающей ионосфере

УДК621.371

ПРОГНОЗ УГЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕКАМЕТРОВЫХ РАДИОВОЛН В НЕОДНОРОДНОЙ РАССЕИВАЮЩЕЙ ИОНОСФЕРЕ

© Н.М. Жанг1

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

Предлагается алгоритм и программа расчета угловых характеристик декаметровых радиоволн для горизонтальной неоднородной ионосферы. Алгоритм расчетов угловых характеристик декаметровых радиоволн основан на применении закона Снеллиуса с учетом влияния случайной регулярной неоднородной ионосферы. Результаты расчета сравниваются с результатами измерений углов прихода декаметровых радиоволн по трассе Хабаровск -Иркутск. Обсуждаются полученные результаты. Ил. 3. Библиогр. 7 назв.

Ключевые слова: модели ионосферы; угловые характеристики; закон преломления; углы излучения и приема; дальность траекторий; программа расчетов траекторных характеристик; рассеяние радиоволн в ионосфере.

FORECASTING ANGULAR CHARACTERISTICS OF DECAMETER RADIO WAVЕS IN INHOMOGENEOUS SCATTERING IONOSPHERE N.M. Giang

Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article proposes an algorithm and a program to calculate angular characteristics of decameter radio waves for horizontally inhomogeneous ionosphere. The calculation algorithm for decameter radio wave angular characteristics is based on the application of the Snell's law that takes into account the effect of a random and regular inhomogeneous ionosphere. Obtained calculation results are compared with the results of measuring decameter radio wave arrival angles along the Khabarovsk-Irkutsk route. Discussion is given to the results obtained. 3 figures. 7 sources.

Key words: ionosphere models; angular characteristic; refraction law; emission and reception angles; range of trajectories; program for trajectory characteristics calculation; scattering of radio waves in ionosphere.

Введение

С целью повышения эффективности работы проектирования и эксплуатации радиотехнических систем, пеленгации, локации в диапазоне декаметровых радиоволн необходимо прогнозировать характеристики распространения этих радиоволн, такие как напряженности поля в пункте приема, углы излучения и приема радиоволн в вертикальной плоскости, максимальные применимые частоты. Эти характеристики необходимо прогнозировать для основных способов распространения декаметровых радиоволн, таких как одно, два, три, четыре отражения от слоев Е и F2 ионосферы. В настоящее время разработаны программы реализации прогнозов коротких волн (КВ) (например, в работе [7]), но в них не учитывается влияние регулярной и случайной неоднородности ионосферы на характеристики КВ, хотя, согласно результатам исследований [1], это влияние может весьма существенно менять средние характеристики КВ, особенно для дальностей распространения радиоволн больше 1500 км. Метод учета влияния случайных (рассеивающих) радиоволн неоднородностей обоснован в работе [1] и требует высокого качества и быстродействия расчетов траекторий радиоволн. В работе [1] не учитывается влияние регулярных изменений N вдоль радиолинии, либо для такого учета используется тонкий горизонтально -неоднородный отражающий слой, что не позволяет рассчитать характеристики верхних лучей (лучей Педерсе-на), отраженных слоем F2, а также прогнозировать частотные зависимости углов излучения и приема радиоволн. Известны достаточно строго обоснованные подходы к расчетам характеристик распространения радиоволн регулярной ионосферы, основанные на геометрооптическом приближении [5], учете дифракционных эффектов [2] или суммировании ряда нормальных волн [4], однако эти методы не нашли широкого применения на практике из-за сложности расчетов для моделей регулярной горизонтальной неоднородной ионосферы.

Цель статьи заключается в анализе возможностей применения программной реализации на основе применения закона преломления для прогнозов углов прихода декаметровых радиоволн с учетом случайной регулярной неоднородной ионосферы.

Для прогнозирования характеристик распространения КВ необходимо задать модель ионосферы, выбрать метода расчета этих характеристик, разработать алгоритм расчета и соответствующую программу расчета на ЭВМ. С этой целью используем известную трехслойную модель ионосферы, где зависимости плазменных частот

1Жанг Нгуен Минь, аспирант, тел.: 89245450622, e-mail: nmgiang44@gmail.com Giang Nguyen Minh, Postgraduate, tel.: 89245450622, e-mail: nmgiang44@gmail.com

в слоях E, F1, F2 от высот задают следующие выражения:

f0Б(h) — frn

1

fh-hmE\2 V УтЕ J

,kmE — 110 км,

утЕ — 20 км ,90 < h< 110 км;

foF1 — fmE •

(hmF1-hmEy

110 км < h < hmF1 км;

h — h

hmF1 — hmF2

foF2(h) — fm

1

(h-hmF{V v ymFi j

, hmF1 <h<hn

Входящие в формулы (1)-(4) критические частоты ионосферных слоев Е и F2 ([тБ,[тр2) и высота максимума плотности ионов слоя F2 (ктР2) могут прогнозироваться в зависимости от географических координат, времени, активности солнца с использованием известных статистических моделей ионосферы [7]. При задании рабочих частот [раб, времени, координат точек вдоль радиолинии, уровней активности солнца из формул (1)-(4) можно рассчитать зависимость показателя преломления ионосферы от высоты и дальностей вдоль радиолинии п (1, г) по формуле

П = -

Задание зависимости показателей преломления в виде зависимостей п (1, г) позволяет применить закон преломления для горизонтально неоднородной ионосферы радиоволн, известный как закон Снеллиуса:

^ • V - sm

где п0 - коэффициент преломления среды радиуса Д0; <р0 - угол между траекторией и радиусом для уровня 0 (рис. 1); п1 - коэффициент преломления среды радиуса й1, <р1 - угол между траекторией и радиусом Я1 для уровня 1 и т.д.

Рис. 1. Построение траектории коротких волн в соответствии с законом Снеллиуса

Из формул (1)-(4) и формулы (5) найдены аналитические выражения расчета дп/дв слоев E, F1, F2 через

/дfmF дРт2*

градиенты критических частот ^), градиенты высот максимума концентрации ионов

,дктЕ дктР1 дкт2, ,дутЕ дутР1 дут2, _ __

и градиенты полутолщин слоев E, F1, F2.

дв дв дв В слое Е:

В слое F2:

В слое F1:

где

!f [l ^[c_f2 (RmE-R) дПш f2 (RmE-R)2 дут\ 1

дв f2 (Jc (УтЕ)2 ] дв Jc дв + Jc УтЕ дв } n

[ч Hj£_f2 (RmF2-R) dRmE f2 (RmF2-R)2 dymF^ 1

дв f2 (Jc (ymF2)2 i de Jc у2пР2 дв +Jc y~mF2

дв ) n

dn дв

2-n-f2

(2A + B - C),

л _ j7 "1 mE

Л — >mE • дв

dfmE (h-0,225+hmFi-1,225-hmE)2

(hmFi-hmE)2

i

i

в =

/,2ir2^O0,225+hmF1-l,225^mE>(

)-№mF1-kmE)2

С =

№mF1-kmE)4

/¿r2<W-ftmE>(^p-^)№A225+ftmF1-1,225^mg)2

(йтР1-йтЕ)4

Интеграл на правой части уравнения (6) рассчитывается приближенными преобразованиями:

/^С^ ^ • ^^ - ^^ • (^(^1) - ^(^о)) = - • ,

где 6э - шаг по дальности.

Согласно рис. 1, траектория декаметровых радиоволн состоит из трех участков: 1) прямая между радиопередатчиком и нижней границей отражающего слоя; 2) искривленная траектория в отражающем слое; 3) прямая между нижней границей этого слоя и приемником. Алгоритм построения траектории КВ в отражающем слое заключается в разбиении его на отдельные участки, длины которых существенно меньше общей длины траектории. На каждом участке рассчитываются значения критических частот ионосферных слоев Е и Р2 (/тВ ,/тР2) и высот максимума слоя Р2 (^тР2) на концах этого участка. На основании этого найдем градиенты критических частот ионосферных слоев, высот максимума концентрации ионов и полутолщин слоев. По формулам (7)-(9) найден градиент коэффициента преломления дп/50. Затем закон преломления применяется последовательно для каждого участка.

Программа расчета характеристик распространения КВ

Рассмотрим блок-схему программы расчета угловых характеристик распространения КВ (рис. 2).

Блок!

Б-1рк 2

Блик 3

Расчет параметров ионосферы /нги/тяз Pacifr углов излучения,, приёма и Vi.ßvAi PacMfcr параметр он средней траектории КВ

Дата, время,число Вольфа

дальностей распространи ния КБ

Рис. 2. Блок-схемы программы

т£

,225

80

80

В качестве входных данных используются: дата О, время Т, число Вольфа географические координаты передатчика и приемника Д2,^2, коэффициент рассеяния 3, высоты рассеивания слоя Е минимальный и максимальный углы излучения 0т;п,0таж, шаг по углу Д0, град., шаг по дальности 63, км. По входным данным в блоке 1 определяются параметры ионосферы (критические частоты слоев Е и Р2, градиент высот максимума концентрации электронов и полутолщин слоя Р2) вблизи передатчика и приемника с использованием табличных параметров ВЗ ионосферы, измеренных в дни и часы проведения экспериментов. В блоке 2 рассчитываются траектории распространения радиоволн с углами излучения , которые меняются в секторе 0тт,0та;с с постоянным шагом по углу Д0. В блоке 3 рассчитываются средние значения углов прихода декаметровых радиоволн. При расчетах характеристик радиоволн предлагаем, что параметры ионосферы менялись по линейному закону, то есть учитывалась регулярная горизонтальная неоднородность ионосферы. Случайные возмущения (рассеяние) лучей задает генератор случайных чисел, распределенных по нормальному закону с нулевым средним и заданным среднеквадратичным отклонением (СКО).

Сравнение результатов расчета углов прихода КВ с результатами измерений

Измерения углов прихода радиоволн для трассы Хабаровск - Иркутск

Установка измерения располагалась в 100 км к юго-западу от г. Иркутска (район д. Торы). Угловые характеристики радиоволн измерялись фазоразностным методом. Измерения проводились в различные месяцы и часы суток на трассе Хабаровск - Иркутск длиной О = 2300 км.

Реализация расчетов углов прихода радиоволн

Для реализации прогнозов КВ вводятся следующие исходные даны: географические координаты передатчика и приемника ^ = 48,55°, Л1 = 135,25°, <р2 = 51,82°, Л2 = 103,7°, время с 8 ч до 16 ч, число Вольфа № = 50, минимальный и максимальный углы излучения = 1°, 0таж = 80°, шаг углов Д0 = 0,01°, параметр интенсивности рассеяния б = 1°, шаг по дальности 6$ = 1 км.

Для сравнения в одной и той же системе координат дополнительно построены результаты расчетов углов прихода радиоволн по трассе Хабаровск - Иркутск, полученные по методу, описанному в работе [7], основанному на теоремах эквивалентности между вертикальным и наклонным отражением радиоволн в ионосфере [3], который не учитывает регулярные и случайные неоднородности ионосферы (рис. 3).

а)

б)

ж)

з)

Рис. 3. Рассчитанные методом 1

На основе анализа результатов измерений углов прихода декаметровых радиоволн показаны квазипериодические изменения углов места мода 1F2 по времени суток. Также видно, что углы прихода радиоволн практически монотонно растут от утра к вечеру. Такие изменения объясняют регулярным (прогнозируемым) возрастанием плотности электронов с запада на восток утром и обратным изменением вечером, а также влиянием случайных неоднородностей структуры ионосферы. При сравнении результатов измерений с результатами расчетов показано, что результаты моделирования углов прихода радиоволн, полученные по программе, реализующейся по рассмотренному методу (сплошные кривые) более согласуются с результатами измерений. Выводы:

1. С учетом свойства горизонтальной неоднородности и рассеяния ионосферы достигается лучший результат моделирования угловых характеристик КВ, чем при пренебрежении этим свойством.

2. На основании анализа особенностей угловых характеристик распространения декаметровых радиоволн показано, что углы прихода радиоволн изменяются по времени суток и по сезонам года. Также показано, что эти изменения можно прогнозировать с помощью рассмотренной программной реализации.

3. Отмечено существование отличия между результатами измерений и расчетов (например, в марте и апреле), показана возможность учета влияния мелкомасштабных возмущений на угловые характеристики распространения декаметровых радиоволн.

Статья поступила 04.09.2014 г.

Библиографический список

1. Агарышев А.И., Агарышев В.А. Анализ результатов измерений и расчетов максимальных наблюдаемых частот для траекторий с различным числом отражений от слоя F2 ионосферы // Распространение радиоволн: сб. докл. XXIII Всерос. науч. конф. (Йошкар-Ола, 23-26 мая 2011 г.). Йошкар-Ола: Изд-во МарГТУ, 2011. Т. 3. С. 9-14.

2. Гуревич А.В., Цедилина Е.Е. Сверхдальнее распространение коротких радиоволн. М.: Наука ФМ, 1979. 248 с.

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

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

5. Лучевые приближения и вопросы распространения радиоволн / пер. с англ. под ред. К.М. Кияновского. М.: Наука ФМ. 1971. 312 с.

6. Системы коротковолновой радиосвязи с подавлением многолучевости сигнала: монография / А.И. Агарышев, В.А. Агары-шев, П.М. Алиев, К.И. Труднев; под ред. А.И. Агарышева. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. 160 с.

7. A simple HF propagation method for MUF and field strength // Document CCIR 6/288. CCIR XVIth Plenary Assembly. Dubrovnic, 1986.