Метод мониторинга состояния ионосферы радиотехническими системами наземного базирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Литвинов Святослав Викторович

• Литвинов Святослав Викторович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Литвинов Святослав Викторович

ВВЕДЕНИЕ

Глава1. Исследование ионосферы

1.1 Ионосфера. Методы исследований

1.1.1 Краткая история исследований ионосферы

1.1.2 Строение ионосферы

1.1.3 Изменчивость ионосферы

1.1.4 Моделирование ионосферы

1.1.5 Вертикальное зондирование

1.1.6 Наклонное зондирование

1.1.7 Возвратно-наклонное зондирование

1.2 Обзор актуальных средств зондирования ионосферы

1.2.1 DPS-4, «Lowell Digisonde International», США

1.2.2 CADI, «Scientific Instrumentation Limited», Канада

1.2.3 Парус-А, ФГБУ «ИПГ», Россия

1.2.4 Авгур и Вектор, АО «НПК «НИИДАР», Россия

1.2.5 Радуга, ООО «НПП «Технос-РМ», Россия

1.2.6 Томион, ООО «ТОМИОН», Россия

1.2.7 БСД, ООО «СИТКОМ», Россия

1.2.8 Сравнение ионозондов

Выводы по первой главе и постановка задачи

Глава 2. Влияние методов определения ионосферы на радиолокацию и радисвязь

КВ-диапазона

2.1 Сравнение моделей построения дальностно-частотных характеристик

2.1.1 Модель плоской земли и ионосферы с отражением сигнала по закону секанса и построение ДЧХ по результатам ВЗ

2.1.2 Модель плоской земли и параболическая модель ионосферы

2.1.3 Модель сферической земли и ионосферы с отражением сигнала по закону секанса. Построение ДЧХ по результатам ВЗ

2.1.4 Модель сферической земли и параболическая модель ионосферы

2.1.5 Сравнительный анализ различных моделей построения ДЧХ

2.2 Расчет погрешности измерения дальности до цели

2.2.1 Модель Ш

2.2.2 Вертикальное зондирование

2.2.3 Наклонное зондирование

2.2.4 Результаты расчета

2.2.5 Зависимость ошибки определения дальности по земле от метода оценки

параметров ионосферы

2.3 Алгоритм работы системы ионосферного обеспечения

2.3.1 Определение условий РРВ

2.3.2 Алгоритм определения условий распространения радиоволн с учетом системы ионосферного обеспечения

2.4 Построение станции вертикально-наклонного зондирования

2.4.1 Разработка структуры перспективного ионозонда вертикально-наклонного зондирования ионосферы

2.4.2 Модернизация приемной части инозонда

Выводы

Глава 3. Система подстройки под гелиогеофизические условия

3.1 Исходные данные

3.1.1 Научно-технические положения

3.1.2 Дискретная многолучевость на радиолокационных трассах

3.1.3 Проблемы адаптации загоризонтных радиолокационных станций ионосферной волны

3.1.4 Определение геофизических условий, в которых получены данные

3.1.5 Точность определения координат цели в РЛС ЗГО

3.1.6 Система подстройки к гелиогеофизическим условиям

3.1.7 Технические параметры СПГУ

3.2 Состав системы подстройки под гелиогеофизические условия

3.2.1 Программный комплекс анализа гелиогеофизических данных (ПК АГД)

3.2.2 Программно-аппаратный комплекс радиофизической диагностики

параметров ионосферы (ПАК РДПИ)

3.2.3 Программный комплекс расчета и прогнозирования гелиогеофизических параметров (ПК РПГУ)

3.2.4 Программный комплекс управления и отображения данных (ПК УОД)

3.3 Программа моделирования СПГУ КВ РТС

3.4 Технико-экономические оценки внедрения системы ионосферного обеспечения на действующих и перспективных РЛС ЗГО

Выводы

Глава 4. Экспериментальные данные

4.1 Результаты наклонного зондирования ионосферы

4.1.1 Прием сигналов НЗ импульсного ионозонда

4.1.2 Прием сигналов НЗ ЛЧМ-радиолокатора

4.2 Результаты совмещенного зондирования ионосферы

4.2.1 Прием сигналов НЗ в европейской части России

4.2.2 Прием сигналов НЗ в сибирской части России

4.2.3 Прием сигналов НЗ в дальневосточной части России

4.2.4 Отдельные случаи

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод мониторинга состояния ионосферы радиотехническими системами наземного базирования»

ВВЕДЕНИЕ

Обострение международной обстановки показало необходимость совершенствования радиотехнических систем (РТС) различного назначения, с особенности средств коротковолновой (КВ) радиосвязи и загоризонтной радиолокации. Эти средства используют эффект отражения радиоволн от ионосферы для передачи радиосигнала на дальности до 3000 км. Для эффективной работы радиосистем коротковолнового диапазона необходима актуальная информация о параметрах области ионосферы, от которой происходит отражение радиосигнала.

Ионосфера является слоем атмосферы, ионизированным в результате солнечного и иного космического облучения, а, следовательно, непрерывно изменяется в зависимости от географического положения, времени суток, года, а также 11-летнего солнечного цикла. При этом ионосфера не является зеркальной поверхностью, а представляет из себя неоднородные слои ионизированных частиц. Отечественные службы геофизического мониторинга и прогнозирования не были спроектированы таким образом, чтобы обеспечивать гелиогеофизические потребности средств дальней радиолокации России в оперативном режиме, с заданным уровнем надежности. В Российской Федерации действуют две такие службы: Гелиогеофизический центр Института прикладной геофизики (ИПГ) и Центр прогнозов космической погоды ИЗМИРАН. Исследованиям ионосферы посвящены научные работы сотрудников этих институтов: Репин А.Ю., Котонаева Н.Г., Минлигареев В.Т., Денисова В.И., Журавлев С.В., Данилов А. Д., Гивишвили Г.В., Лещенко Л. Н., Крашенинников И. В., Данилкин Н. П.

Используемые в настоящее время средства и методы не обеспечивают необходимой информацией об ионосфере с требуемым темпом обновления. Из-за этого, в частности, в радиолокационных станциях загоризонтного обнаружения (РЛС ЗГО) систематическая ошибка определения координат целей может составлять до 100 км при среднеквадратическом отклонении ~ 18 км, а системы КВ-радиосвязи не обеспечивают связь с заданным районом. Поэтому возникло противоречие между повышенными требованиями к обеспечению РТС актуальной информацией о состоянии ионосферы и возможностями существующих средств зондирования ионосферы. Противоречие обуславливает

актуальность темы диссертационной работы, имеющей существенное хозяйственное значение.

Работами по решению задач оперативного обеспечения современных радиотехнических средств геофизическими данными известны АО «НПК «НИИДАР», ПАО «МАК «Вымпел» и др. Этому посвящены работы Боева С.Ф., Рахманова А.А., Линкевичиуса А.П,, Сапрыкина С.Д., Якубовского С.В., Ткачева Г.Н., Сучкова А.Е., Шведова В.Н., Полтавского О.В. Из зарубежных работ выделяются труды Giuseppe A. Fabrizio и John C. Wise по системе управления частотой в Австралийской системе загоризонтного обнаружения Jindalee Operational Radar Network (JORN).

Ранее проводились работы по близким тематикам, в частности исследование излучателей и сигналов ионозонда (Гарбацевич В.А.), использование доплеровского метода наклонного радиозондирования (Петрова И.Р.), диагностические возможности ионозондов с использованием непрерывных ЛЧМ-сигналов (Подлесный А.В.).

Целью исследования является повышение эффективности применяемых методов мониторинга ионосферы в интересах радиотехнических систем КВ-диапазона.

Для достижения цели и разрешения противоречия поставлена и решена актуальная научная задача, заключающаяся в разработке метода мониторинга состояния ионосферы с использованием наземных средств вертикального зондирования, комплексно учитывающего их размещение и технические особенности.

Объект исследования - средства мониторинга ионосферы.

Предмет исследования - Модель, методы и алгоритмы получения информации о состоянии ионосферы для повышения эффективности радиотехнических систем коротковолнового диапазона.

Задачи исследования:

1. Проведение анализа существующих наземных радиотехнических средств и методов зондирования ионосферы для обеспечения работы КВ РТС и постановка задачи исследования.

2. Разработка предложений по модернизации существующих наземных

радиотехнических средств зондирования ионосферы, для повышения оперативности получения информации о состоянии ионосферы.

3. Разработка системы подстройки под гелигеофизические условия, а также метода размещения ее элементов.

4. Практические рекомендации по подстройке под гелиогеофизические условия с целью обеспечения РТС КВ-диапазона оперативной информацией о состоянии ионосферы для рациональной перестройки рабочих режимов РТС.

Научная новизна результатов исследования:

1. Разработан метод мониторинга ионосферы, заключающийся в определении условий распространения радиоволн и отличающийся тем, что включает модель сферической Земли и параболическую модель ионосферы и учитывает результаты процедуры поиска рабочих каналов, возвратно-наклонного зондирования, а также данные от внешних вертикальных и наклонных ионозондов.

2. Разработана структура приемника перспективного ионозонда вертикально-наклонного зондирования ионосферы, отличающаяся тем, что за счет применения многочастотной структуры из ^приемных каналов ионозондов, повышается оперативность получения информации о состоянии ионосферы.

3. Разработан алгоритм определения оптимального размещения наземных радиотехнических средств зондирования ионосферы, отличающийся тем, что наземные радиотехнические средства зондирования ионосферы обеспечивают радиотехнические системы коротковолнового диапазона не только данными вертикального зондирования, но и данными вертикально-наклонного зондирования.

4. Разработана инженерная методика подстройки под гелиогеофизические условия, предусматривающая обработку результатов как вертикального и возвратно-наклонного зондирования ионосферы, так и обработку результатов зондирования по трассе ионозонд-ионозонд и ионозонд-радиолокатор.

В работе использовались методы исследования: теории распространения радиоволн в ионосфере, методы вычислительной математики и цифровой обработки сигналов, применялись экспериментальные и теоретические методы исследований пространственно-временных характеристик ионосферы.

Теоретическая значимость заключается в развитии радиофизических методов исследования ионосферы наземными радиотехническими средствами, а также обработки результатов зондирования ионосферы.

Практическая значимость:

Инженерная методика подстройки под гелиогеофизические условия предусматривающая обработку результатов как вертикального и возвратно-наклонного зондирования ионосферы, так и обработку результатов зондирования по трассе ионозонд-ионозонд и ионозонд-радиолокатор, что позволит выбрать рабочий диапазон частот (от 3 до 30 МГц) в РЛС ЗГО и уменьшить систематическую ошибку обнаружения целей со 100 км до 10-15 км.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод определения условий распространения радиоволн позволяет выполнять совместную обработку результатов как вертикального и возвратно-наклонного зондирования ионосферы, а также учитывать результаты зондирования по трассе ионозонд-ионозонд и ионозонд-РТС.

2. Структура приемника ионозонда, позволяет повысить оперативность зондирования ионосферы путем применения многочастотной структуры из N приемных каналов ионозондов.

3. Алгоритм определения рационального размещения наземных радиотехнических средств зондирования ионосферы, позволяет выполнить моделирование их выносных позиций, необходимых для повышения эффективности мониторинга ионосферы с учетом возможности вертикально-наклонного зондирования.

4. Инженерная методика подстройки под гелиогеофизические условия позволяет выбрать рабочий диапазон частот (от 3 до 30 МГц) в радиолокационной станции загоризонтого обнаружения и уменьшить систематическую ошибку определения координат цели со 100 км до 10-15 км.

Внедрение. Результаты диссертационной работы внедрены в работу ФГБУ «ИПГ им. ак. Е.К. Федорова», АО «НПК «НИИДАР», РТУ МИРЭА.

По результатам диссертации получены три акта о внедрении:

1. Внедрение в учебный процесс подготовки бакалавров РТУ МИРЭА по направлениям 11.03.01 - «Радиотехника» и 11.03.02 - «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», а также подготовки специалистов по направлению 11.05.01 - «Радиоэлектронные системы и комплексы» при проведении лекционных, практических и лабораторных работ.

2. Результаты диссертационного исследования использованы ФГБУ «ИПГ им. ак. Е.К. Федорова» при реализации мероприятий Целевой научно-технической программы «Научно-исследовательские, технологические и другие работы для государственных нужд в области гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды» (2017-2019 гг.) согласно раздела 2, пункта 2.3. Поверочные работы, выполняемые НИУ Росгидромета для подведомственных Росгидромету учреждений, подпункта 2.3.1. Поверка средств измерений (в том числе эталонных) для учреждений государственной наблюдательной сети Росгидромета.

3. Результаты диссертационного исследования использованы при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполненных в АО "Научно-производственный комплекс "Научно-исследовательский институт дальней радиосвязи".

Соответствие паспорту специальности

Задачи диссертационной работы и полученные результаты соответствуют областям исследований специальности 1.3.4. Радиофизика (технические науки) в части пунктов №2, №5 и №7.

Достоверность полученных результатов подтверждена сравнением результатов численного расчета дальностно-частотных характеристик с реальными значениями, а также проверкой моделирования сети ионосферного обеспечения известной системы загоризонтного обнаружения. Достоверность полученных экспериментальных данных совмещенного зондирования ионосферы определяется использованием современных методов и средств анализа и обработки цифровых сигналов, а также повторяемостью результатов на больших объемах данных.

Обоснованность научных положений и выводов обеспечивается и подтверждается апробацией результатов исследования в публикациях, докладах и выступлениях на следующих конференциях:

1. Всероссийская научно-техническая конференция РТИ Системы ВКО, АО «РТИ» г. Москва в 2014, 2016, 2017, 2018, 2022 гг.

2. Всероссийская научно-техническая конференция молодых конструкторов «Минцевские чтения», АО «РТИ» г. Москва в 2015, 2017, 2018 гг.

3. Молодежная научно-техническая конференция «Радиолокация и связь -перспективные технологии», ПАО «Радиофизика» г. Москва в 2016, 2017, 2018, 2019, 2020, 2022 гг.

4. Научно-техническая конференция НИИЦ ЦНИИ ВВКО Минобороны России, г. Москва в 2017, 2018, 2019 гг.

5. Научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов ПАО «НПО «Алмаз», г. Москва в 2017, 2019 гг.

6. Всероссийская научно-техническая конференция «Репинские чтения», ПАО «МАК «Вымпел», г. Москва в 2017, 2018, 2019 гг.

7. Всероссийская открытая научная конференция «Армандовские чтения», МИВлГУ г. Муром в 2018, 2019, 2020, 2021, 2022, 2023 гг.

8. Всероссийская научно-практическая конференция, ЯВВУ ПВО г. Ярославль в 2018, 2019 гг.

9. Военно-научная техническая конференция ЦНИИ Войск ВКО Минобороны России, г. Тверь в 2018, 2019 гг.

10.Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» ^N0), ФГБОУ ВО «ВГУ» г. Воронеж в 2019,2020,2021,2022,2023 гг.

11. Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН г. Москва в 2019, 2022 г.

12. Всероссийская научно-практическая конференция «Общество. Наука. Инновации» г. Киров в 2021, 2022 гг.

13. Международная научная конференция «Региональные проблемы дистанционного зондирования Земли» (РПДЗЗ) г. Красноярск в 2022, 2023 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 статей в научных журналах и в сборниках конференций, из них 5 статей опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК, 4 статьи в изданиях, входящих в библиографическую базу данных Scopus. Автором получены 4 свидетельства о государственной регистрации программ для электронных вычислительных машин.

Личный вклад автора. Результаты по теме диссертации получены автором лично или при его непосредственном участии. Автором разработана структура системы мониторинга ионосферы, а также алгоритм работы системы подстройки под гелиогеофизические условия. Автором разработана структура многочастотного приемного устройства для ионозонда, способного работать одновременно в нескольких диапазонах частот. Проведен эксперимент по совмещенному зонидрованию на импульсных ионозондах серии «Парус-А» ионосферной сети Росгидромета (ФГБУ «ИПГ им. ак. Е.К. Федорова»). Разработана архитектура программного обеспечения для моделирования рационального размещения элементов системы мониторинга ионосферы.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения; четырех глав, заключения, списка литературы и приложения с актами внедрения результатов исследования. Общий объем диссертации 165 страниц, включая 7 таблиц, 68 рисунков и схем. Список использованной литературы содержит 130 наименований.

ГЛАВА1. ИССЛЕДОВАНИЕ ИОНОСФЕРЫ 1.1 Ионосфера. Методы исследований

1.1.1 Краткая история исследований ионосферы

В 1902 году английские ученые Кеннеди и Хевисайд высказали гипотезу о существовании в атмосфере поверхностей, отражающих радиоволны, т. е. ионизированной области. Согласно гипотезе, от этой области происходит отражение радиоволн и благодаря этому распространение их на большие расстояния. Большую роль в подтверждение этой гипотезы сыграли радиолюбители, которые с помощью маломощных коротковолновых передатчиков устанавливали радиосвязи на очень большие расстояния. [1]

Исключительно важное для практики свойство ионосферы отражать радиоволны, благодаря чему можно создавать линии радиосвязи на очень большие расстояния, побудило исследователей многих стран, и в том числе Советского Союза, начать интенсивные экспериментальные и теоретические исследования структуры ионосферы, а также процессов, происходящих в ней.

Особо большой размах ракетные наследования в верхней атмосфере приняли в период Международного геофизического года. Осуществляя программу МГГ, 21 февраля 1958 г. с территории европейской части СССР была запущена одноступенчатая геофизическая ракета, достигшая рекордной по тому времени высоты (473 км). В числе других важных измерений, проводимых с помощью ракеты, впервые было экспериментально измерено распределение электронной концентрации в ионосфере до высоты 473 км. [2]

1.1.2 Строение ионосферы

Ионосфера — верхняя часть атмосферы Земли, сильно ионизированная вследствие облучения космическими лучами, идущими, в первую очередь, от Солнца. [3] В зависимости от плотности заряженных частиц N в ионосфере выделяются слои D, Е и F. Схематически расположение слоев ионосферы по высоте изображено на рисунке 1.1.

Земля

Рисунок 1.1 — Схематичное расположение слоев ионосферы Слой D — самый нижний из ионизированных слоев ионосферы и единственный поглощающий слой для радиоволн коротковолнового диапазона (КВ-диапазон). Существует только днем, а ночью исчезает. Так как положительные ионы здесь представляют собой не первичные ионы NО+, О2+, Н+ или 0+, а вторичные кластеры -их соединения с молекулами воды: N0+Н2О, Н+*(Н2О)2 и т. д. Наличие этих кластеров приводит к увеличению скорости рекомбинации (гибели свободных электронов) на порядок величины. Таким образом, химические процессы взаимодействия положительных ионов друг с другом и с нейтральными молекулами, образования сложных ионных кластеров, прилипания свободных электронов к нейтральным молекулам с образованием отрицательных ионов, играют существенную роль в формирование области D. Из-за малой плотности свободных электронов область D слабо влияет на направление распространения радиоволн, ее воздействие на них проявляется иным образом. А именно: вследствие высокой плотности нейтральных частиц на этих высотах, частота соударений электронов с ними столь велика, что распространяющиеся сквозь среду радиоволны теряют в этих взаимодействиях значительную часть своей энергии, фактически поглощаются нижней ионосферой. Область D проявляется на ионограммах вертикального зондирования (ВЗ) косвенно, через параметр ^п, характеризующий самую низкую частоту следа отражения сигналов, отражающихся от ионосферы. Это обусловлено

тем, что концентрация электронов в области D в невозмущенных условиях меньше 1,24-1010 м-3, и стандартный ионозонд ВЗ, излучающий и принимающий сигналы в диапазоне от 1 до 20 МГц, не диагностирует наличие области D.

Слой Е — отражающий слой, наименее подвержен солнечной активности. Максимальное распространение для связи одним скачком до 2000 км. МПЧ зависит только от угла отражения. В этом слое полностью отсутствуют отрицательные ионы, из положительных ионов доминируют NО+ и О2+, а процессы переноса плазмы еще не столь влиятельны, как в области F. Поэтому считается, что конфигурацию этого слоя можно в первом приближении описать так называемым слоем Чепмена. Он соответствует простейшим условиям образования ионосферы. К ним относятся: постоянство температуры ТП, экспоненциальное падение с высотой давления Рп (концентрации нейтральных частиц пп и их плотности р), а также наличие нейтральных частиц лишь одного сорта.

Слой Еs — слой Е спорадический, представляет собой устойчивое скопление ионизированных облаков повышенной ионизации. При этом размеры облаков и расстояния между ними должны быть достаточно большими, чтобы обеспечить как интенсивное отражение от Еs, так и хорошее прохождение волны сквозь них. Если расстояние между этими облаками уменьшается настолько, что слой Еs становится сплошным, то он полностью экранирует всю вышележащую ионосферу. Причем предельные частоты, на которых еще фиксируются отражения от Еs, зачастую намного превышают даже критические частоты foF2. Следовательно, электронная концентрация в максимуме слоя Еs может превышать предельные значения N в слое F2. В этих случаях высотно-частотные характеристики имеют лишь одну ветвь на высоте от 100 до 110 км.

Слой F1 — существует только днем, а ночью этот сливается со слоем F2. Максимальное распространение для связи одним скачком до 3000 км. Слой образуется на высотах, переходных с точки зрения ионного состава с ионов О2+ (и в меньшей степени NО+) к ионам О. Скорость рекомбинации электронов с последними значительно ниже, чем с О2+, поэтому значения N здесь заметно выше, чем в слое Е.

Слой F2 — самый верхний из ионизированных слоев ионосферы. Концентрация этого слоя повышается днем, а летом она выше, чем зимой. Максимальное распространение для связи одним скачком до 3000 км. Чем выше концентрация слоя, тем более высокая частота может ещё отразиться от ионосферы. Максимальная частота, при которой происходит отражение, называется максимально передаваемой частотой — МПЧ. С увеличением угла отражения МПЧ увеличивается.

Явление «Аврора» — отражения радиоволн от северного сияния. Таким видом связи впервые воспользовался Румянцев Г. А., легендарный советский радиолюбитель, радиоспортсмен и конструктор.

В нормальных условиях состояния ионосферы для отражения лучей коротких волн основным оказывается слой F, а лежащие ниже его слои Е и D создают вредное поглощение энергии коротких волн. [4] Такое «нормальное» прохождение коротких волн показано на рисунке 1.2а, а на рисунке 1.2б изображается возможность увеличения дальности коротковолновой связи путем «двух скачков», т.е. двукратного отражения от ионосферы (с однократным отражением от Земли). Дальность такой связи определяется углом, под которым волны падают на границу ионосферы и отражаются от нее: чем больше угол падения, тем больше дальность «скачка» (рис. 1.3). [5]

а ^ б

Рисунок 1.2 — Распространение пространственных коротких волн: а - при одном «скачке»; б - при двух «скачках».

Выгодность же связи достигается благодаря тому, что при правильном выборе длины волны поглощение энергии в слоях ионосферы на коротких волнах

незначительно (гораздо меньше, чем на средних волнах). Поэтому в пунктах возвращения отраженных волн к Земле напряженность их поля может оказаться достаточной для приема даже при сравнительно небольшой мощности передатчика.

Для того чтобы пояснить смысл выбора выгодной частоты коротковолнового диапазона, рассмотрим рисунок 1.3. Здесь изображаются лучи распространения короткой волны, частота которой выше критической частоты слоя ионосферы. [6]

Рисунок 1.3 — Распространение волн, частота которых выше критической при излучении под

разными углами.

Крутизну падения оценивают не углом падения, а углом возвышения, который образован между лучом волн и касательной прямой к поверхности Земли в пункте излучения.

При крутом падении (0^90°) волны проходят сквозь ионосферу в космос. При некотором угле Окр (критический угол для данной степени ионизации слоя и для данной частоты радиоволн) происходит полное внутреннее отражение и луч направляется в ионосфере параллельно земной поверхности. При углах, меньших критического, лучи возвращаются к Земле и тем дальше от пункта излучения, чем меньше угол О. При излучении касательно к Земле достигается наибольшая дальность «скачка», составляющая приблизительно 3000 км.

При организации коротковолновой связи необходимо учитывать, что между зонами приема поверхностных и пространственных волн может наблюдаться зона

молчания. Для передатчика, антенна которого имеет равномерное излучение в горизонтальной плоскости, это явление представлено в плане на рисунке 1.4. Видно, что зона молчания имеет вид кольцевой площади, разделяющей зоны слышимости. Границы этого пояса определяются минимальной напряженностью поля, еще обеспечивающей прием на фоне помех. [7]

Суточные вариации

Ночью свободные электроны в области D практически отсутствуют, первые электроны на высотах от 60 до 75 км появляются с рассветом - при зенитных углах Солнца х от 90° до 95°. Далее в светлое время суток плотность электронной концентрации N здесь строго следует за изменением в течение дня угла х. [4]

Ночной слой Е на ионограммах ВЗ не виден. Критическая частота/оЕ также хорошо повторяет временной ход угла х в течение светлого времени суток, а изменения минимальной действующей высоты слоя h'E в течение дня не превышает единиц километров.

Основной особенностью спорадического слоя Еs является сильная и как бы случайная изменчивость вероятности его появления, а также его параметров от часа к часу. Представление о разбросе единичных значений критической частоты слоя Es (foЕs) могут дать результаты измерений в течение месяца.

Зона прортранетёеящх волн

Рисунок 1.4 — Внутренний (г) и внешний (р) радиусы зоны молчания.

1.1.3 Изменчивость ионосферы

Слой F1 хорошо выражен лишь в летний сезон. В это время его суточный ход подобен суточному ходу слоя Е.

Слой F2 наблюдается круглые сутки. Но разность между дневными и ночными значениями fоF2 велика зимой и мала летом. Напротив, суточные вариации минимальной действующей высоты h 'F2 велики и летом и зимой. [8]

Применительно к КВ РТС самыми важными параметрами являются:

1. foF2 - критическая частота О-компоненты, отраженной от слоя - F2;

2. hmF2 - минимальная действующая высота слоя F2;

3. M3000F2 - коэффициент, показывающий отношение максимально применимой частоты (МПЧ), отражающейся от слоя F2 при наклонном падении на расстояние скачка, равное 3000 км, к критической частоте foF2.

На рисунке 1.5 приведены изменения этих параметров в московском регионе в течение суток 23 ноября 2017 года. [9] Данные получены с ионозонда «ПарусА», размещенного в городе Троицк. Сезонные вариации

Годовой ход содержания свободных электронов в области D хорошо следует сезонным изменениям зенитного угла Солнца. Т. е. N и параметр /тт, как правило, выше летом, чем в равноденствие и некоторые периоды зимы. Но именно зимой в средних широтах часто наблюдаются события, длящиеся от нескольких дней до нескольких недель, во время которых значения N и /тт значительно превышают нормальные не только зимние, но и летние.

Какие-либо сезонные особенности в слое Е практически отсутствуют: критическая частота/оЕ почти строго следует за сезонными вариациями угла /. В среднеширотной зоне вероятность появления развитого Еs слоя зависит от сезона наблюдений. Она велика летом, когда следы Еs присутствуют почти на каждой ионограмме, и мала зимой, когда Еs практически всех типов наблюдается весьма редко.

<

в

гт

Время, ЦТС

а) Изменение параметра foF2 в течение суток 23.11.2017 над Москвой

- — -

-- я - - =1 =к ь Л

N 1 —1 А 1-

(= ь= =Ь =Й =£ ц Н-

- ь=

- \ 1 , =ф

- ¥ к ь

- V

16

13

20

22

10 12 14

Вреыя. "ЦТС

б) Изменение параметра hmF2 в течение суток 23.11.2017 над Москвой

24

О!

с=>

(4-1 £

24

Время, ЦТС

в) Изменения параметра Ы(3000^2 в течение суток 23.11.2017 над Москвой

Рисунок 1.5 — Изменения параметров foF2, hmF2, М(3000^2 в течение суток 23.11.2017 над

Москвой

Слой F1, как говорилось, появляется весной, становится четко отделимым от слоя F2 летом, и исчезает осенью. Иначе говоря, он представляет собой сугубо летнее явление. Годовой ход foF2 ведет себя аномальным образом: летом в средних и умеренно высоких широтах foF2 существенно ниже, чем зимой, т. е. меняется обратно годовому ходу зенитного угла Солнца. При этом высота максимума hmax летом от 20 до 30 км выше, чем зимой. На рисунке 1.6 приведены изменения параметров ионосферы в московском регионе в течение 2018 года. [10,11]

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Литвинов Святослав Викторович, 2024 год

- V

16

13

20

22

10 12 14

Вреыя. "ЦТС

б) Изменение параметра hmF2 в течение суток 23.11.2017 над Москвой

24

О!

с=>

(4-1 £

24

Время, ЦТС

в) Изменения параметра Ы(3000^2 в течение суток 23.11.2017 над Москвой

Рисунок 1.5 — Изменения параметров foF2, hmF2, М(3000^2 в течение суток 23.11.2017 над

Москвой

Слой F1, как говорилось, появляется весной, становится четко отделимым от слоя F2 летом, и исчезает осенью. Иначе говоря, он представляет собой сугубо летнее явление. Годовой ход foF2 ведет себя аномальным образом: летом в средних и умеренно высоких широтах foF2 существенно ниже, чем зимой, т. е. меняется обратно годовому ходу зенитного угла Солнца. При этом высота максимума hmax летом от 20 до 30 км выше, чем зимой. На рисунке 1.6 приведены изменения параметров ионосферы в московском регионе в течение 2018 года. [10,11]

Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябь Октябрь Ноябрь Декабрь

а) График изменения параметра foF2 в течение 2018 года над Москвой

- 1

Л 1 1 Mi й

jWu ijijA ФФ Wi

Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябь Октябрь Ноябрь Декабрь

б) График изменения параметра hmF2 в течение 2018 года над Москвой

А- "ЩШ уЩ

у ¥ 25- MVrn —»fc-fl h —)ьЙ № ун [у/1 V у! *.г

3- 75- Г щ И1- Iм

Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябь Октябрь Ноябрь Декабрь

в) График изменения параметра M(3000)F2 в течение 2018 года над Москвой

Рисунок 1.6 — Изменения параметров foF2, hmF2, M(3000)F2 в течение 2018 года над Москвой 11- летний цикл солнечной активности

Прямая зависимость электронной концентрации от уровня солнечной активности проявляется во всех областях ионосферы. В области D она проявляется в росте параметра fmin, в слоях Е, F1 и F2 - в росте критических частот.

Для среднеширотных станций отношения критической частоты в максимуме слоев Е и F1 при переходе от максимума (max) солнечной активности к минимуму (min) изменяются примерно в следующих пределах:

(foE)max/(foE)min - (foFl)max/(foFl)min - 1,2-1,4

На средних широтах в слое F2 отношение (зимой может достигать даже 3)

(foF2)max/(foF2)min -1,6-2,0

Более подробно особенности регулярных слоев ионосферы рассмотрены в материалах автора. [12,13]

1.1.4 Моделирование ионосферы

Одним из методов оценки параметров ионосферы является моделирование на основе статистических данных. Самой известной моделью ионосферы является IRI (International Reference of Ionosphere - международная справочная модель ионосферы) разных годов выпуска. [14, 15] Последняя версия - IRI-2020 - является глобальной медианной моделью ионосферы (т.е. позволяет строить долгосрочные прогнозы в любой точке земного шара). На рисунке 1.7 приведены данные, полученные с применением программы расчета параметров ионосферы по IRI-2020 и параметры, измеренные реальным ионозондом «Парус-А» в ИЗМИРАН, г. Троицк. [16]

Результаты расчета на 05.06,2015

Суточный ход ч

а станции Москва (2015.06.05)

!i 5

• *. ♦ • >•

• • 1

•

• ■ * * • •

• < 3 *

1 • •

в * г ■ *

0 1 2 3 4 5 6 7

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Рисунок 1.7 — Прогноз дневного хода слоев ионосферы на 5.06.2015, сделанный в программе (слева) и реальный суточный ход слоев ионосферы (справа)

Видно, что прогнозирование слоя Е (зеленая нижняя линия) очень близко к реальному положению, а слой F1 (синяя средняя линия) в прогнозе присутствует более короткое время. Однако со слоем F2 (красная верхняя линия), прогноз даже приблизительно не дает похожего результата. В целом долгосрочные радиопрогнозы позволяют определять критические частоты слоев ионосферы, их высоты, значения максимальных и наименьших применимых частот для радиолиний различной протяженности. Однако, долгосрочные прогнозы не учитывают текущих изменений в ионосфере, которые могут достигать значительных величин. Уклонения истинного состояния ионосферы от прогнозируемого могут привести к нарушениям радиосвязи, ошибках в загоризонтной радиолокации. Таким образом прогнозирование ионосферы дает возможность лишь приблизительно оценить состояние ионосферы.

1.1.5 Вертикальное зондирование

Основным методом изучения ионосферы явился импульсный метод радиолокации, предложенный Брайтом и Тьювом в 1926 г. [17] Они установили, что если посылать вертикально вверх короткие радиоимпульсы, то время распространения их туда и обратно может быть измерено с приемлемой степенью точности. Положив скорость распространения импульсов равной скорости света, по времени запаздывания отраженного от ионосферы сигнала относительно испущенного можно получить действующую (виртуальную) высоту отражения (Н') на данной частоте (/). Так как в действительности скорость распространения сигналов в ионосфере меньше скорости света (из-за их взаимодействия с заряженными частицами), h' всегда превышает истинную высоту (Н). Это превышение тем больше, чем выше плотность заряженных частиц в ионосфере и, соответственно, сильнее ее влияние на распространяющиеся в ней сигналы. Изменяя частоту радиоимпульсов от низких к высоким, получают высотно-частотную/(Н')-характеристику (панорамное изображение) следов их отражений от ионосферы -ионограмму. Эти следы будут наблюдаться до тех пор, пока частота излучаемого сигнала не сравняется, а затем и превысит некую предельную для данных условий плотность заряженных частиц. Процедуру снятия высотно-частотной характеристики ионосферы называют методом вертикального зондирования.

Он является самым чувствительным и информативным методом исследования и контроля состояния ближнего космоса. Потому что в его основе лежит эффект резонанса между частотой, падающей (снизу) на ионосферу электромагнитной волны, испущенной ионозондом, и частотой плазменных колебаний, возбуждаемых ею в среде, в которой существуют в заметных количествах не только ионы, но, прежде всего, свободные электроны. В силу того, что последние значительно легче массивных ионов, они гораздо эффективнее, нежели ионы, взаимодействуют с радиосигналами.

Измерения методом вертикального зондирования (ВЗ) проводятся с помощью панорамных ионосферных станций (ионозондов), состоящих из импульсного генератора (возбудителя), широкополосного передатчика с

передающей антенной, приемного устройства с приемной антенной, вычислительного комплекса.

Возбудитель генерирует короткие прямоугольные импульсы (50 —200 мкс), меняющиеся с частотой, как правило, в пределах от 1 до 20 МГц. Они усиливаются в передатчике и излучаются вертикально вверх. Синхронно с перестройкой частоты передатчика, перестраиваются и входные каскады приемника, настроенные на ту же частоту, что и передатчик. В блоке преобразователя частоты формируются высотные и частотные метки. В блоке индикатора эти метки смешиваются с отраженными сигналами, в результате чего возникает панорамное изображение ионосферы - ее высотно-частотная характеристика.

Первые, регулярно действующие ионосферные станции ВЗ были установлены для научных целей, а именно, для выявления причин образования отражающих слоев ионосферы и для определения их пространственно-временных характеристик. [18]

Завершающим этапом метода ВЗ является расчёт Мг(^-профиля ионосферы, N - концентрация электронов. Формально это численное решение интегрального уравнения Вольтерра для каждой в отдельности из магнитоионных компонент отражённого от ионосферы сигнала. Действующая высота отражения h' для радиоволны с частотой / падающей на ионосферу вертикально, вычисляется по формуле:

К = ко + 40оп'(М)^ (1.1)

где ho - нижняя граница ионосферы (высота, где ионизация отсутствует); h - истинная высота отражения от ионосферы, являющаяся искомой величиной; п ' - групповой показатель преломления частоты /

В результате решения уравнения (1) находится зависимость частоты от истинной высоты отражения - /(Щ-профиль, то есть каждой высоте ставится в соответствие плазменная частота /о. Пример типичной ионограммы приведен на рисунке 1.8.

Вертикальное зондирование Иркутск 16-»1ар-1934 01:01.00 ИТ

400 300 200

100 о

Рисунок 1.8 - Типичная ионограмма вертикального зондирования

1.1.6 Наклонное зондирование

Рассмотренный выше метод ВЗ дает локализованную оценку о состоянии ионосферы в окрестности точки зондирования и позволяет оценить верхнюю границу частотного диапазона односкачкового прохождения радиоволн (максимально применимую частоту - МПЧ) в предположении одномерно неоднородного распределения электронной плотности ионосферной плазмы, в частности, параметр M3000F2. Однако, как известно, реальная ионосфера имеет горизонтально-неоднородную структуру, что особенно сильно проявляется в утренние и вечерние интервалы времени, и это обстоятельство приводит к сильной ограниченности получаемых из ВЗ оценок ионосферного распространения радиоволн. Метод наклонного радиозондирования ионосферы, суть которого со стоит в пространственном разносе приемной и передающей систем ионозонда (рисунок 1.9) и синхронизации процессов излучения и приема, дает принципиальную возможность прямого экспериментального исследования как прохождения радиоволн на фиксированной дальности, так и возможность оценки состояния ионосферы в области средней точки радиотрассы при односкачковом распространении. [19]

■ / I ,

1 \/

1* 1....... ■ т

....... и р .......1

2 3 4 5 6 7 8 Г .МНЕ

Рисунок 1.9 - Схема наклонного зондирования Если изменение частоты происходит в достаточно широком диапазоне, то результатом является ионограмма наклонного радиозондирования ионосферы (рисунок), которая отражает частотную зависимость группового запаздывания сигналов, прошедших различными путями в ионосфере, в точке приема, т. е. модовую структуру волнового поля.

Связь между частотами наклонного /з и вертикального /вз зондирования определяется согласно теореме Мартина, известной как закон секанса,

/н = /зБес(о (12)

Для учёта кривизны Земли и ионосферы в соотношение (1.2) вводится эмпирический поправочный коэффициент keff и тогда

/н = ^/Зес(о (13)

где keff - функция действующей и истинной высот, дальности и т. д., не имеет общего аналитического представления. Область допустимых значений keff в зависимости от дальности Do лежит в пределах от 1,0 до 1,2. Действующая высота отражения вертикально падающей на ионосферу радиоволны с частотой /вз, обозначаемая h', и групповой путь Р' связаны соотношением

к' =— ге(1 — соб а1) +

N

Кн)Г

геБ1па1

2

(1.4)

где re - радиус Земли; ai = Do /(2re); P'tfm) - групповой путь радиоволны с частотой fH3 падающей наклонно. Значение cos фо можно определить из соотношения

cos <0 =

+2 rPh'+h'2

P'(fHXre+h')

(1.5)

Последовательно применяя соотношения (1.4), (1.5) и 1.3), ионограмму НЗ пересчитывают в эквивалентную (эффективную) ионограмму ВЗ и далее в высотный профиль электронной концентрации. Существенным ограничением данной методики пересчёта является пренебрежение эффектом магнитоионного расщепления и влиянием горизонтальной неоднородности ионосферы. Пример ионограммы наклонного зондирования на трассе протяженностью 3000 км приведен на рисунке 1.10.

Наклонное зондирование Магадан - Иркутск П7 Изонь-1989 23: 33. ОС УТ

Р „km ЗЭОС

3500

330G

3100 230«

■ 11;. I. ' ' :' ■' i" ': i:' ■'■ i 1 ! 1 '

. кШ \

'Ш Ч 1

■¡.гЫ"! Жжг'

7 11 15 19 23 Г, МНЕ

Рисунок 1.10 - Типичная ионограмма наклонного зондирования

1.1.7 Возвратно-наклонное зондирование

Некоторой разновидностью метода НЗ можно считать случай совмещения пунктов излучения и приема - возвратно-наклонное радиозондирование ионосферы (ВНЗ). [20] На рисунке 1.11 приведена схема ВНЗ, из которого следует, что дальность по лучу Dл, а, следовательно, и время распространения сигналов,

рассеянных различными участками земной поверхности (освещенной зоны), разные. Начало освещенной зоны удалено от передающей антенны на расстояние, называемое «мертвой» зоной. Существенную помощь в распознавании сигналов DYP дает использование техники с перестраиваемой частотой в широкой полосе частотного анализа AFA■

Рис. 1.11 Схема распространения радиоволн при ВНЗ При синхронном изменении частоты передатчика и приемника приемник будет регистрировать зависимость группового пути Dл = стл (1.6) (где Тл - время группового запаздывания сигнала) от частоты в координатах «частота -дальность». Такая зависимость называется дистанционно-частотной характеристикой или ионограммой возвратно-наклонного зондирования.

Регистрируя время запаздывания переднего фронта сигнала ВНЗ относительно времени излучения зондирующего сигнала (ЗС), можно определить дальность по скачковому лучу до мертвой зоны Dл,min(f) при излучении ЗС с частотой/. С повышением частоты радиоволны, падающей на ионосферу: -увеличивается дальность по лучу до мертвой зоны - Dл,min(f) -увеличивается угол падения волны на ионосферный слой - фо/) При параболической модели отражающего слоя в приближении плоской Земли и неучете влияния магнитного поля эквивалентная длина полного пути луча Dл и соответствующее расстояние по земле Dз определяются как

D = ^0L + xy 1п(1-хзЫЩ (17)

л sin (a) Jm \1+xsin(a)J y ' J

D3 = 2 h0ctg(a) + хУт coS (o) Ы (l+XS^fro)' (18)

где - угол излучения, отсчитываемый от касательной к поверхности Земли; f

х = —, - критическая частота, f - рабочая частота, ym = hm — h0 - полутолщина

f кр

слоя, h0 - высота нижней границы слоя, - высота максимума ионизации,

Этот метод нашел широкое применение в загоризонтной радиолокации (РЛС ЗГО). Использование режима возвратно-наклонного зондирования дает возможность улучшить точность определения координат цели за счет калибровки трассы распространения сигнала. Кроме того, экономит финансовые затраты - нет необходимости в дополнительных станциях. Конструктивно режим ВНЗ может быть реализован в самостоятельной РЛС, входящую в состав основной РЛС, со своим возбудителем и отдельными приемными устройствами. [21] В качестве примера можно привести станцию ВНЗ «Круг», входившую в РЛС ЗГО 5Н32 «Дуга». Также этот режим реализуется в режиме работы самой РЛС на тех же аппаратных средствах, что и обнаружение, именно такое решение применено в РЛС ЗГО «Контейнер». Пример ионограммы возвратно-наклонного зондирования ионосферы показан на рисунке 1.12.

P,kfTi 7000

5000

3000

1000

Рисунок 1.12 - Типичная ионограмма возвратно-наклонного зондирования

Воз врат но - наклонное зондщювани е Иркутск

28—fев-1996 04:49.00 UT

4 а 12 16 20 F,MHz

1.2 Обзор актуальных средств зондирования ионосферы

Для проведения эксперимента, как и осуществления любого зондирования, будь то ВЗ или НЗ, требуется ионозонд, а в случае наклонного зондирования требуются как минимум два ионозонда.

Следует подчеркнуть, что ионозонд не дает геофизической или радиофизичекой информации непосредственно. Продуктом работы ионозонда является ионограмма, которая в зависимости от ее качества и степени детальности обработки может дать различную информацию о состоянии основных ионосферных слоев (F2, F1, E, Es), о высотном профиле электронной концентрации в ионосфере, а также о параметрах, определяющих условия распространения радиоволн (критические частоты указанных слоев, параметр M3000F1 (M3000F2)). Правильная и максимально полная обработка ионограмм представляет собой сложный процесс и является важным этапом цепочки получения геофизической и радиофизической информации при ионосферном зондировании. [22]

Ионозонд обеспечивает решение следующих задач:

- измерение частотной зависимости действующих высот отраженных ионосферой сигналов (ионограмм ВЗ);

- автоматическое построение высотного профиля электронной концентрации ионосферы Ne(h);

- автоматическое формирование стандартных телеграмм с измеренными параметрами ионосферы;

- организацию базы данных ионосферных измерений;

- подготовку данных для передачи потребителям по протоколу FTP по сети интернет.

Ниже приведено описание ряда наиболее известных отечественных и зарубежных ионозондов, а также размещение на территории нашей страны (для сетевых ионозондов).

1.2.1 DPS-4, «Lowell Digisonde International», США

Самым распространенным в мире средством ВЗ является дигизонд «Digisonde™ Portable Sounder» модификация 4 (DPS-4). Он пришел на смену предыдущим моделям DPS-128 и DPS-256. [23] Общий вид ионозонда DPS-4 и ионограмма, полученная им представлены на рисунке 1.13.

Рисунок 1.13 — Внешний вид ионозонда DPS-4 и ионограмма ВЗИ, полученная им Цифровой ионозонд DPS-4 выпускается Лоуэлловским центром атмосферных исследований Массачусетского университета США с середины 90-х годов. В настоящее время функционируют около 100 таких ионозондов различных модификаций. Четыре ионозонда DPS-4 развернуты в городах Иркутск, Норильск, Якутск и Жиганск, один - в г. Троицк Московской области.

На данный момент на территории страны развернуто 6 ионозондов DPS-4, их размещение приведено в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Размещение ионозондов DPS-4 на территории России

Название Шифр Размещение Регион Год Координаты

Saint Petersburg LD160 Горьковская Ленинградская область 2012 60.00 с.ш. 30.70 в.д.

Moscow MO155 Троицк Московская область 2006 55.47 с.ш. 37.30 в.д.

Zhigansk ZH466 Жиганск Респ. Саха (Якутия) 2002 66.80 с.ш. 123.40 в.д.

Yakutsk YA462 Якутск Респ. Саха (Якутия) 2002 62.00 с.ш. 129.60 в.д.

Norilisk N0369 Норильск Красноярский край 2002 69.20 с.ш. 88.26 в.д.

Irkutsk IR352 Иркутск Иркутская область 2002 52.40 с.ш. 104.30 в.д.

1.2.2 CADI, «Scientific Instrumentation Limited», Канада

Ионозонд CADI (Canadian Advanced Digital Ionosonde) является прибором канадского производства. В нашей стране он получил применение в качестве сетевого ионозонда для осуществления мониторинга состояния высокоширотной ионосферы, который осуществляет Арктический и антарктический научно-исследовательский институт. [24, 25] Общий вид ионозонда CADI и ионограмма ВЗ, полученная им, представлены на рисунке 1.14.

Di»w Itland СМИ (НЮ ES1H lonofra

и nvwu <ш> тгчи vi wai m>

Рисунок 1.14 — Внешний вид ионозонда CADI и ионограммы ВЗИ, полученная им Т.к. в ионозонде CADI изучающий сигнал представляет собой простой прямоугольный импульс, а пиковая мощность излучения всего 600 Вт, его возможности контроля слоев D, E и Es весьма ограничены. Поэтому его основное назначение состоит в контроле динамики слоя F2. Силами ААНИИ на побережье Северного ледовитого океана развернуто 8 ионозондов CADI, их размещение приведено в таблице 1.2.

Таблица 1.2. Размещение ионозондов CADI на территории России

Название Шифр Размещение Регион Год Координаты

Dixon DI373 Диксон Красноярский край 2011 73.55 с.ш. 80.57 в.д.

Pevek 47701 Певек Чукотский АО 2013 70.80 с.ш. 170.90 в.д.

Amderma AM269 Амдерма Ненецкий АО 2012 69.80 с.ш. 60.70 в.д.

Murmansk MM168 Ловозеро Мурманская область 2012 67.97 с.ш. 35.08 в.д.

Salekhard SH266 Салехард Ямало-Ненецкий АО 2012 66.50 с.ш. 66.50 в.д.

Petersburg LD160 Горьковская Ленинградская область 2012 59.57 с.ш. 30.19 в.д.

Tiksi TX471 Тикси Респ. Саха (Якутия) 2012 71.60 с.ш. 128.90 в.д.

о. Хейса Архангельская обл. 2014 80.60 с.ш. 58.05 в.д.

Баренцбург Шпицберген 2014 78.10 с.ш. 14.30 в.д.

1.2.3 Парус-А, ФГБУ «ИПГ», Россия

Новейший ионозонд «Парус-А», создан по заказу ФГБУ «ИПГ» специалистами ИЗМИРАН совместно с предприятием НТЦ «Радикон-М» на базе имеющихся разработок. [26, 27] Наземные станции ВЗ ионосферы Парус-А изготавливаются в рамках реализации мероприятия «Оснащение станций геофизических наблюдений современными средствами вертикального и наклонного зондирования ионосферы, средствами подготовки и передачи ионосферных данных в каналы связи» федеральной целевой программы «Создание и развитие системы мониторинга геофизической обстановки над территорией РФ на 2008 - 2015 г.г.». [28]

Станция является дальнейшим развитием ионозондов Авгур и Парус объединяя их достоинства. Внешний вид последней модификации станции ПарусА приведен на рис. 1.15.

ЗШюп № овсе* (N10153) 1а1- 53,50 1_опд; 37,30 Тип» 2015-06-20 11 30:00 ЦТС МГц

Суточный ход часто! на егвнции Мости {2015 Ов 05)

1 1 1 1 _

1

V /

1 1

................(

/ и

1 1 1 1 1

6 в

Ргецие^су (МНг)

Л ++ ■ и

•а д» К» г-» • ос о* о»< >+ + Л + + О • • с»

О * ■ о 0 • О•

1 •

• 0 • о •• ■ а • • •

1 Л • * о о" : •о ■ • О** Ч* N ь • »

1 •у • • о

о * Т # т т • ' I 1 (1 г!1 I т ■ о т о • <*о<

0 1 2 Э 4 5 б 7 6 6 10 11 12 13 14 15 16 17 1в 19 20 21 22 23 ч

Рисунок 1.15 — Общий вид ионозонда «Парус-А», ионограмма ВЗИ и суточный ход частот

Станция Парус-А работает в автоматическом режиме и предназначена для диагностики состояния ионосферы методом импульсного ВЗ, прямого (ТИЗ) и обратного (ОТИЗ) трансионосферного зондирования. Основные метрологические характеристики, полученные в результате испытаний и внесенные в описание типа ионозондов «Парус-А», представлены в таблице 1.3. [29]

Таблица 1.3. Метрологические характеристики ионозондов «Парус-А»

Метрологические характеристики Значение

Диапазон измерений времени задержки радиоимпульса с частотой заполнения от 1 до 20 МГц, мс 0,5 - 10

Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерений времени задержки радиоимпульса с частотой заполнения от 1 до 20 МГц, мкс ± 12

Диапазон воспроизводимых частот заполнения радиоимпульса, МГц 1 -20

Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерений частоты заполнения радиоимпульса, кГц ±5

Порог чувствительности РПУ ионозонда, мкВ, не более 0,35

Пределы допускаемой погрешности установки секундных импульсов относительно шкалы времени аппаратуры GPS, мкс ±1

С данными характеристиками ионозонды утвержденного типа выпускались

в течении 5 лет, в соответствии со свидетельством на утвержденный тип, выданный Росстандартом (номер в Госреестре СИ 51425-12). В 2010 году было изготовлено две станции, в следующем 2011 году еще две, а в течение 2014-2015 годов были установлены еще 6 ионозондов по всей стране. На данный момент на территории страны развернуто 10 ионозондов Парус-А, их размещение приведено в таблице 1.4.

Таблица 1.4. Размещение ионозондов Парус-А на территории России

Название Шифр Размещение Регион Год Координаты

Moscow MA155 г. Троицк Московская область 2010 55.49 с.ш. 37.29 в.д.

Tunguska TZ362 п. Бор Красноярский край 2010 61.60 с.ш. 90.00 в.д.

Rostov RV149 г. Ростов-на- Дону Ростовская область 2011 47.20 с.ш. 39.70 в.д.

Elektrougli MO156 п. Тимохово Московская область 2011 55.80 с.ш. 38.30 в.д.

Magadan MA560 п. Палатка Магаданская область 2014 60.09 с.ш. 150.93 в.д.

Salekhard SH266 г. Салехард Ямало-Ненецкий АО 2014 66.50 с.ш. 66.50 в.д.

Novosibirsk NV355 п. Коченево Новосибирская область 2015 54.80 с.ш. 83.20 в.д.

Kaliningrad KL154 п. Ладушкин Калиниградская область 2015 54.40 с.ш. 20.10 в.д.

Petropavlovsk PK553 с. Паратунка Камчатский край 2015 52.95 с.ш. 158.23 в.д.

Khabarovsk KB547 п. Вяземский Хабаровский край 2015 48.50 с.ш. 135.10 в.д.

1.2.4 Авгур и Вектор, АО «НПК «НИИДАР», Россия

Авгур

Ионосферные комплексы радиозондирования ионосферы «Авгур», созданные в АО «НПК «НИИДАР», известны с конца 70-х годов прошлого века. [30] Комплекс «Авгур-С» с 1994 года по настоящее время функционирует в составе службы Росгидромета. Ионосферные радиолокационные комплексы «Авгур» нового поколения строятся на основе современных технических решений и способны решать задачи исследования ионосферы методами вертикального и наклонного зондирования, синхронной работы в режиме прямого и обратного трансионосферного зондирования. Семейство включает, как исследовательские ионозонды, оснащаемые многоканальными приемными устройствами, так и упрощенные сетевые.

Комплексы Авгур оснащаются в зависимости от требований по применению передающими устройствами мощностью от 300 Вт до 15 кВт, способны излучать широкий класс зондирующих сигналов. Комплексы строятся на основе серийно выпускаемой аппаратуры приемных устройств и вычислительной техники, разработанной на предприятии. В конструкции передающих устройств также используются имеющиеся разработки.

Компактность исполнения и более высокая надежность позволит устанавливать ионозонды Авгур следующего поколения не только на Земле, но и на КА.

Вектор

Станции вертикального зондирования «Вектор» содержат передающую и приемную антенны, излучатель и приемник. Передающая антенна типа антенны бегущей волны «Дельта» с вертикальным лепестком диаграммы направленности работает в широком диапазоне частот. В качестве приемной антенны используются два полуволновых вибратора, дополненные конструктивными элементами до конических вибраторов с целью расширения частотного диапазона. Два конических вибратора расположены перпендикулярно друг другу для приема эллиптически поляризованных волн, отраженных от ионосферы. На антенну

подается сигнал ~ 400 В по амплитуде. Приемник принимает радиосигналы, отраженные от ионосферы, усиливает их и преобразует по частоте. Промежуточная частота приемника равна 215 кГц. [31]

На рисунке 1.16 показана ионограмма, полученная в результате корреляционной обработки сложного сигнала. По вертикали отложена «кажущаяся» действующая высота области отражения в ионосфере. Она соответствует групповому пути радиоимпульса в ионосфере. Вблизи критической частоты групповая скорость радиоимпульса уменьшается. Это приводит к резкому возрастанию высоты отражения. На высоте 100 км просматривается «след» при отражении радиоимпульса от Е — области ионосферы. Далее следует скачкообразное увеличение действующей высоты отражения за счет перехода области отражения к F2 слою ионосферы. «След» от одной магнитоионной компоненты практически повторяет «след» от второй.

В настоящее время неизвестно были ли изготовлены ионозонды серии «Вектор» и в каком количестве, а также их реальные характеристики.

Рисунок 1.16 — Ионограмма вертикального зондирования ионосферы

1.2.5 Радуга, ООО «НПП «Технос-РМ», Россия

Кроме перечисленных ионозондов вертикальное зондирование также способен осуществлять комплекс вертикального зондирования ионосферы «Радуга», разработанный специалистами НПП «Технос-РМ» в сотрудничестве с НТЦ «Радикон-М». Комплекс ВЗИ «РАДУГА» предназначен для вертикального зондирования и оперативного определения параметров ионосферы в режиме реального времени, а также формирования и ведения региональной модели ионосферы, и её коррекции по данным вертикального зондирования. Отличительной особенностью является то, что Радуга использует фазированную антенную решетку (ФАР) из восьми элементов. Использование ФАР позволяет измерять угол места и азимут прихода отражённых ионосферой сигналов. Внешний вид приёмно-передающего устройства и АРМ комплекса представлено на рисунке 1.17. [32]

Использование ФАР позволяет измерять угол места и азимут прихода отражённых ионосферой сигналов.

Рисунок 1.17 — Внешний вид приёмно-передающего устройства и АРМ комплекса (слева) и типичная ионограмма ВЗ, полученная ионозондом Радуга (справа)

Комплекс ВЗИ «РАДУГА» предназначен для вертикального и наклонного зондирования и оперативного определения параметров ионосферы в режиме реального времени, а также формирования и ведения региональной модели ионосферы, и её коррекции по данным вертикального зондирования.

1.2.6 Томион, ООО «ТОМИОН», Россия

Томский университет купил первый в нашей стране Диназонд 21 и адаптировал его к российским условиям. На базе этого американского диназонда, и после получения специального гранта правительства РФ, был создан «ТОМИОН». [33]

Он выполнен по стандартной схеме, характерной для многих известных ионозондов. Отличительной чертой этого ионозонда является цифровое представление излучаемых и принимаемых ВЧ сигналов. Все цифровые блоки (ЦАП и АЦП) ионозонда выполнены в виде PCI плат. Управление ионозондом осуществляется управляющим персональным компьютером. Общий вид ионозонда Томион и ионограмма ВЗ, полученная им, представлены на рисунке

1.18.

Рисунок 1.18 — Внешний вид ионозонда Томион и ионограммы ВЗИ, полученная им Сетевой ионозонд «Томион» является исследовательским, и предназначен как для непрерывного мониторинга состояния ионосферы, так и для разработок новых методов диагностики ионосферы. Ионозонд «Томион» прошел испытания в течении 2-х лет в режиме непрерывного мониторинга с тактом 15-минут на Томской ионосферной станции, результаты этих испытаний отражены в отчетах Госконтрактов Минобрнауки РФ № 02.740.11.5203 и № 14.740.11.1086.

1.2.7 БСД, ООО «СИТКОМ», Россия

В настоящее время фирмой ООО «СИТКОМ» (Йошкар-Ола) изготавливается несколько модификаций автоматизированных базовых станций (БС) диагностики ионосферы и КВ радиолиний ЛЧМ сигналами. Они предназначены для проведения наклонного зондирования ионосферных радиолиний и вертикального зондирования ионосферы с разнесенными передающей и приемной антеннами в активном режиме. На рисунке 1.19 показан внешний вид некоторых модификаций станций. [34]

Рисунок 1.19 — БРПС в 19'' телекоммуникационном шкафу (слева) и БРПДС (справа) В рамках целевой федеральной программы «Создание и развитие системы мониторинга геофизической обстановки над территорией РФ на 2008 - 2015г.г.» в 2010-2013 гг. по государственному контракту с ААНИИ семь северных геофизических станций (ГФС) Росгидромета на арктическом побережье РФ оснащены двухканальной автоматизированной АЗИ сигналами с ЛЧМ (Табл. 1.5). Таблица 1.5. Размещение ионозондов серии БСД на территории России

Название Шифр Размещение Регион Год Координаты

Dixon DI373 Диксон Красноярский край 2011 73.55 с.ш. 80.57 в.д.

Pevek 47701 Певек Чукотский АО 2013 70.80 с.ш. 170.90 в.д.

Amderma AM269 Амдерма Ненецкий АО 2012 69.80 с.ш. 60.70 в.д.

Murmansk MM168 Ловозеро Мурманская область 2012 67.97 с.ш. 35.08 в.д.

Salekhard SH266 Салехард Ямало-Ненецкий АО 2012 66.50 с.ш. 66.50 в.д.

Petersburg LD160 Горьковская Ленинградская область 2012 59.57 с.ш. 30.19 в.д.

Tiksi TX471 Тикси Респ. Саха (Якутия) 2012 71.60 с.ш. 128.90 в.д.

1.2.8 Сравнение ионозондов

Из сравниваемых характеристик наиболее важны те, которые используются при расчетах радиотрасс, анализе космической погоды, оценке состояния ОКП и т.д., и которые содержатся в требованиях УРСИ и ВМО. [35] А это -характеристики, оценивающие качество и полноту предоставляемой информации (ионограмм ВЗ), включая погрешности измерений параметров Е, Еs, F1 и F2 слоев ионосферы:

- их критических частот (foЕ,foЕs,foF1,foF2) [36, 37];

- минимальных действующих высот ^ 'Е, h 'Еs, h Т1, h F2);

- наименьшую частоту, на которой появляются следы отражений от ионосферы /тп);

- наинизшую частоту (экранирования), на которой появляются следы отражений от вышележащих над слоем Еs отражения (fbЕs)

Кроме того, необходимо учитывать качество определения безразмерных характеристик:

- МПЧ Т2, Т1) - максимально применимой частоты (МПЧ), отражающейся от слоя Т2 или Т1 при наклонном падении на расстояние скачка, равном 3000 км;

- М3000 Т2, Т1) - коэффициент, показывающий отношение МПЧ к критической частоте данного слоя;

- типа Es - типа спорадических слоев, по которым классифицируются отражения от Es.

- типа Т-рассеяния - классификацию вида рассеянных отражений.

Столь же значимо наличие или отсутствие программного обеспечения автоматической обработки и представления данных измерений:

- для построения профилей электронной концентрации N(h);

- для определения критических частот /о, минимальных действующих высот h', типа Es, МПЧ (Т2, Т1) и М3000 (Т2, Т1).

Сравнительные характеристики ионозондов приведены в таблице 1.6.

Таблица 1.6. Сравнительные характеристики ионозондов

Характеристики Ионозонд

DPS-4 САБ1 Парус-А Вектор Авгур-К Радуга Томион БСД

Страна США Канада ИЗМИРАН НИИДАР НИИДАР Технос-РМ Томион Ситком

Диапазон частот, МГц 1-30 1-20 0,5 - 25 1-20 1-20 1-30 0,5-30 1,6-35

Длительность сеанса измерения, с 150-180 30 7-30 ? 30 10-40 ? ?

Излучаемая мощность в импульсе, кВт 0,3 0,6 12 0,6 0,3 - 15 0,064 0,1-4 0,001 - 1

Тип модуляции ФКМ ПИС ПИС ФКМ Программ. ФКМ, ЛЧМ, ПИС Программ. Программ.

Потребляемая мощность, Вт 500 ? 800 3000 ? ? ? ?

Погрешность определения йо, кГц 10 35 15 ? 50 ? ? ?

Погрешность определения км 1 6 1,5 0,3 2 ? ? ?

Автоматическое построение ^^-профиля + + + ? - + + +

Автоматическая обработка информации + — + ? - + + +

О

Выводы по первой главе и постановка задачи

Ионосфера представляет собой область средней и верхней атмосферы (высоты от 50-60 до 1200-1300 км), содержащую свободные электроны в достаточном количестве чтобы влиять на распространение радиоволн декаметрового диапазона (3-30 МГц или 10-100 м). Она является верхней границей волновода, от которого отражаются радиосигналы при их распространении вокруг Земли. Вследствие чего состояние этого «отражающего зеркала» непосредственно влияет на условия и качество радиосвязи в данном диапазоне частот. Следовательно, оно должно контролироваться тем или иным способом. Так как ионосфера образуется благодаря солнечному ультрафиолетовому и рентгеновскому излучению, а также многочисленным процессам, происходящим в земной атмосфере, она очень изменчива. Особенно, в периоды вспышек на Солнце и геомагнитных возмущений. Поэтому контроль за ее структурой и динамикой должен быть круглосуточным и регулярным, с периодичностью не менее четырех сеансов в час. Мониторинг может осуществляться различными методами и средствами.

В основе ионосферного моделирования лежит справочная модель ионосферы 1М, предназначенная для расчета электронной концентрации и частоты соударений электронов на высотах 60-1000 км в низких, средних и высоких широтах. [38] Она описывает поведение среднемесячных (медианных) значений ионосферных параметров, но можно попробовать применить ее и в конкретных текущих условиях, используя предоставляемую возможность задания параметров главного ионосферного максимума. Таким образом, модель подстраивается (корректируется) по текущим геофизическим условиям и может быть использована в задаче краткосрочного прогнозирования.

Современное радиозондирование осуществляется пятью основными видами, среди них ключевое место занимает вертикальное зондирование (ВЗ). Принцип его действия состоит в следующем. Передающее устройство ионозонда (радара декаметрового диапазона) излучает вертикально вверх импульсные радиосигналы переменной частоты ^ а его приемное устройство регистрирует времена задержки

сигналов, отражающихся от ионосферы. Тем самым находятся действующие (виртуальные) высоты отражений h', соответствующие частотам f Двумерные h'(f) кривые называются ионограммами. Указанный метод является беспрецедентным по точности и информативности результатов измерений, поскольку его основу составляет эффект резонансного отражения радиоволн от структурных особенностей ионосферной плазмы. Условием резонансного отражения является равенство частоты зондирующей (диагностирующей) радиоволны f и плазменной частоты (электронной концентрации - Ne) на данной высоте ионосферы.

У ионозонда наклонного радиозондирования ионосферы приемная и передающая части разнесены в пространстве и поэтому их работа должна быть синхронизирована. [39] В остальном, принцип его работы совпадает с ионозондом ВЗ. В качестве зондирующих сигналов могут быть использованы те же импульсы излучения с длительностями несколько сот микросекунд. Однако, как показывает практика исследований, более предпочтительными являются широкополосные сигналы, типа излучения с линейно меняющейся частотой.

В настоящее время в мире создано и находится в эксплуатации несколько типов ионозондов. Характеристики наиболее распространенных типов приведены в таблице 1.6. Наиболее обширная - мировая сеть, оснащаемая ионозондами DPS-4. Современная высокоширотная (арктическая) сеть радиозондирования Росгидромета оснащена ионозондами CADI и ЛЧМ-ионозондами. Сеть Росгидромета под руководством ФГБУ «ИПГ» оснащается отечественными ионозондами «Парус-А». Есть отдельные успешные разработки, по различным причинам не пошедшие в серийное производство.

Исследованием ионосферы и ее изменениями вследствие влияния различных факторов занималось много авторов, и результаты этих исследований достаточно широко известны. Большой интерес представляют также исследования влияние состояния ионосферы на радиосвязь и радиолокацию. Важность решения этой задачи подтверждается наличием соответствующих научных публикаций, появившихся в последние 5-10 лет. В них рассматриваются различные методы

оценки параметров ионосферы начиная от использования статистических моделей и заканчивая мониторингом с использованием космических аппаратов. К сожалению, не всегда удается адекватно сопоставить результаты, полученные разными авторами, учитывая, порой, недостаточно подробные публикации. Отдельный интерес вызывает влияние ионосферы на работу коротковолновой радиосвязи и загоризонтной радиолокации, в которых она является средой распространения радиосигнала, в то же время отражая его. К тому же, пока мало исследований, посвященных вопросам системного зондирования ионосферы в интересах РТС КВ-диапазона.

В рамках диссертационной работы проводится разработка и обоснование метода мониторинга состояния ионосферы с использованием наземных средств вертикального зондирования, комплексно учитывающего их размещение и технические особенности. Целью исследования является повышение эффективности применяемых методов мониторинга ионосферы в интересах радиотехнических систем КВ-диапазона.

В ходе исследования необходимо решить следующие задачи:

1. Проведение анализа существующих наземных радиотехнических средств и методов зондирования ионосферы для обеспечения работы КВ РТС и постановка задачи исследования.

2. Обоснование предложений по модернизации существующих наземных радиотехнических средств зондирования ионосферы, что позволит повысить оперативность получения информации о состоянии ионосферы.

3. Обоснование и разработка метода размещения наземных радиотехнических средств зондирования ионосферы.

4. Практические рекомендации по подстройке под гелиогеофизические условия с целью обеспечения РТС КВ-диапазона оперативной информацией о состоянии ионосферы для рациональной перестройки рабочих режимов РТС.

ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНОСФЕРЫ НА РАДИОЛОКАЦИЮ И РАДИСВЯЗЬ КВ-ДИАПАЗОНА

2.1 Сравнение моделей построения дальностно-частотных характеристик

Для задач построения ДЧХ существует множество моделей, различающихся используемыми приближениями и исходными данными. Из всего разнообразия разработанных моделей, в данной работе используются модели плоской и сферической земли и ионосферы с отражением сигнала по закону секанса и построение ДЧХ по результатам ВЗ и модели плоской и сферической земли в приближении параболического распределения электронной концентрации. [40]

2.1.1 Модель плоской земли и ионосферы с отражением сигнала по закону

Данная модель основывается на том факте, что если на высоте Ид отражается частота в fв вертикального падения, то на той же высоте должна отражаться частота/ при падении волны под углом а, так называемый закон секанса. Таким образом, имея результаты ВЗ, можно сделать простейший расчёт ДЧХ по данному закону.

По результатам ВЗ имеем зависимость действующей высоты hд от частоты. Поэтому высота, от которой отразится сигнал частотой / с углом подъема а, будет соответствовать высоте отраженного луча, падающего вертикально на ионосферу с частотой/sec(а).

секанса и построение ДЧХ по результатам ВЗ

В

Рисунок 2.1 — Геометрические соотношения в модели плоской земли и ионосферы

Используя приведённую выше зависимость, на основе геометрических соотношений, представленных на рисунке 2.1, можно рассчитать теоретическую ДЧХ.

Из рисунка 2.1, используя простые геометрические формулы, получим следующие зависимости группового пути p и дальности по земле D:

2 К

Р=—Д' (2.1)

sin (а)

D = 2 /д ctg(a), (2.2)

где а - угол подъема луча, находится из условия минимума p, hd- функция действующей высоты от частоты, полученная в результате ВЗ.

2.1.2 Модель плоской земли и параболическая модель ионосферы

Для данного случая эквивалентная длина полного пути p и соответствующее

расстояние по земле D равны [41]:

2^о , , /l-xsin(a)\

Р= ——r^" + xymln(--. . ч (2.3)

и sin (а) 7т \1 + xsin(a)y v у

(1-х sin (а)\

1 + xsin (а)/' (2.4)

где а - угол подъема луча, x= f/fp

fup - критическая частота, f - рабочая частота, Ло - высота нижней границы слоя, Лт - высота максимума ионизации, Ут = Лт — Ло - полутолщина слоя, Все параметры поясняются рисунке 2. Формула применяется для интерпретации эмпирических данных ВНЗ в случае плоской модели земли и ионосферы.

2.1.3 Модель сферической земли и ионосферы с отражением сигнала по закону секанса. Построение ДЧХ по результатам ВЗ

Физическая природа данного метода расчета ДЧХ аналогична рассмотренному выше методу, то есть используется сопоставление по закону секанса частоты наклонного зондирования частоте вертикально падающей волны. Отличие заключается в том, что при расчете используются формулы, учитывающие сферичность Земли. Геометрические соотношения для модели сферической земли и ионосферы приведены на рисунке 2.2. Схеме на рисунке 2.2 соответствуют следующие зависимости группового пути и дальности по земле:

h + R(1 — cos (я/2 — а — ¿о) )

Р = 2 f. л ,

cos (¿о)

D = 2 R (я/2 — а — ¿о),

где R = 6700 км - радиус Земли,

i = arcsin cos (а)) — угол падения на ионосферу

В

(2.5)

(2.6)

Рисунок 2.2 — Геометрические соотношения для модели сферической земли и сферической ионосферы

2.1.4 Модель сферической земли и параболическая модель ионосферы

В приближении сферической земли и ионосферы выражения для группового пути р и дальности по земле D имеют вид [42]:

Р = Р1 + Р2 =

2xymZn-

(1 — 1 —х2^ 4 — х2 N 1 2 R /2* V . 2 \ 1—r—Ь sm2aj

1 — х * cos (í0) Л 4 1 R + fc/™ х2 R + Л0 Ут

2 R sin(rc/2 — а — i0)

+-^^- (2.7)

sin ( i0)

R

D = D1 + D2 = ——— sin i0 * p1 + 2 * R(n:/2 — а — i0), R + д0

Все параметры поясняются рисунке 2.3.

(2.8)

а = arccos I—r—sm (m —

угол подъема луча

JU

\Q

D/2

Di

d,/2

R

Рисунок 2.3 — Геометрические соотношения для модели сферической земли и параболической ионосферы

2.1.5 Сравнительный анализ различных моделей построения ДЧХ

Для назначения рабочих частот радиолинии по ДЧХ в зависимости от расстояния до корреспондента путём экстраполяции экспериментальных данных, полученных при проведении сеанса ВНЗ, необходимо выбрать модель построения ДЧХ, у которой среднестатистическая погрешность относительно линии аппроксимации наименьшая. [43]

Для сравнительного анализа приведенных моделей были использованы данные ионограммы ВЗ, полученные на интервале времени, не превышающем интервал стационарности ионосферы. Для построения зависимостей, использующих модель плоской земли извлекалась зависимость высоты отражающего слоя от рабочей частоты. Для моделей сферической земли использовались численные параметры той же ионограммы.

На рисунке 2.4 в приведены ДЧХ, рассчитанные по формулам, для различных моделей построения ДЧХ.

ДЧХ для разных моделей распространения

2000

1750

1500

с 1250 х

1000

750

1111111 /

■ -Модель плоской земли и плоской ионосферы -Модель плоской земли и параболической ионосферы -Модель сферической земли и сферической ионосферы -Модель сферической земли и параболической ионосферы

[

У

0 2 4 6 3 10 12 14 16 13 20

Частота £ МГц

Рисунок 2.4 — График дальность - частота для ДЧХ различных моделей

2.2 Расчет погрешности измерения дальности до цели

Для определения текущих параметров ионосферы в интересах РТС КВ-диапазона используются следующие основные методы: глобальная модель ионосферы, возвратно-наклонное зондирование собственными средствами РТС, вертикальное зондирование на вынесенных позициях, наклонное зондирование на трассах РТС-ионозонд и ионозонд-ионозонд. Лучшим случаем очевидно является комплексное использование всех доступных источников. Отдельно каждый из этих способов не обеспечит необходимой точности. Для демонстрации этого проведем расчет определения дальности по земле для известной радиотрассы Москва-Калининград. При использовании модели плоской Земли и ионосферы ошибка в вычислениях возрастает при значениях минимального расстояния по Земле D > 1000 км. Поскольку расстояние между Калининградом и Москвой 1093 км, применение в данном случае для расчетов модели плоской Земли и плоской ионосферы неоправданно. Поэтому для расчетов будем использовать условия сферической Земли и сферической ионосферы с параболическим распределением электронов.

Для оценки дальности до цели используем формулу для расчета дальности для сферической Земли:

д

D = Di + £>2 = sin ¿o * Pi + 2 * ДО/2 - а - ¿o), (2.9)

где групповые пути и расстояния по Земле pi, p2, D1 #D2 ясны из рисунка 2.3, i = arcsin cos (а)) — угол падения на ионосферу,

а = arccos

I—-—sm (m — угол подъема луча, R - радиус Земли (R = 6700 км),

x= / jf рр - критическая частота, f - рабочая частота 10,5 МГц.

Л.0 - высота нижней границы слоя, Л.т - высота максимума ионизации, Ут = ^m — - полутолщина слоя,

2.2.1 Модель ТО

Для расчета погрешностей определения дальности до цели при оценке параметров ионосферы с помощью статистической модели, подставим в формулу 3.9 значения, полученные при моделировании.

Для определения параметров воспользуемся программой «Расчет параметров ионосферы по ГО1-2016», разработка М.В. Ладанова (Радиан-М) [44].

В программе зададим координаты области отражения и интересующую нас дату (7.11.2017) и рассчитаем параметры с заданными характеристиками. Окно программы с рассчитанными параметрами представлено на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 — Суточный ход ионосферы 7.11.2017, полученный в результате расчета