страница - 0
Коррекция модели ионосферы по данным о максимально-применимых частотах реперных радиолиний
Голыгин В.А. fstealth1024@yahoo.com), Сажин В.И., Унучков В.Е. Иркутский Государственный Университет
Введение
Работа радиосредств ВЧ диапазона (3-30МГц) во многом зависит от рефракционных свойств ионосферы на пути распространения сигнала. Эти свойства под влиянием различных факторов могут существенно изменяться, что приводит к флуктуациям параметров, описывающих состояние ионосферы, с широким спектром пространственно-временных масштабов. Учёт таких изменений при анализе и прогнозировании работы радиосредств затруднён и в настоящее время не нашел приемлемого для практики решения. Удовлетворительно описывается лишь среднемесячное состояние ионосферы с пространственным разрешением в сотни -тысячи километров и с характерным временем изменения несколько часов, для чего разработан и применяется на практике ряд моделей. В конкретной ситуации, определяемой заданным временем и пространственным регионом, можно, используя среднемесячную модель ионосферы, уточнить, скорректировать её параметры по какой-либо оперативной информации, полученной в близкие моменты времени. Конечно, уточнённая таким образом модель не будет учитывать быстрые изменения параметров с пространственными масштабами единицы - десятки километров, обычно отождествляемыми со случайными неоднородностями и с перемещающимися ионосферными возмущениями, однако для многих практических задач использования ионосферного распространения такой подход оказывается приемлемым, поскольку позволяет оперативно определить основные режимы работы радиосистем (частотный диапазон, определяемый рефракцией; углы излучения и приёма и т.д.).
В качестве корректирующей информации обычно используются данные геофизических измерений. Так, достаточно широко применяется в моделях уточнение солнечной и магнитной активности, дающее глобальную коррекцию модели (см., например, работу [1]). Для локальной коррекции модельных значений высотного профиля электронной концентрации N(h) применяются данные вертикального зондирования (ВЗ) ионосферы, получаемые в соответствующем пространственном регионе [2]. Однако регулярное ВЗ проводится лишь небольшой сетью ионозондов. Поэтому интенсивно развивается направление, в котором информация для коррекции получается на основе решения обратной задачи определения параметров модели по значениям характеристик наклонного распространения декаметровых радиоволн. В ряде работ (см., например, [3-5]) для этого использованы специализированные измерения с разделением модов распространения, когда и передатчик и приёмник должны обеспечивать определённые режимы работы. В некоторых случаях для получения
корректирующей информации можно обойтись без выделения модов распространения и использовать наблюдения за сигналами радиостанций общего назначения (например, радиовещательных, связных, служб точного времени и т.д.). Такие радиостанции при условии, что известно их местоположение и частотно-временной режим работы, будем называть реперными радиостанциями (РРС). Они расположены во многих областях земной поверхности, наблюдения за их сигналами доступны в любом регионе и могут быть организованы сравнительно простыми средствами. В работе рассмотрен способ, позволяющий определять значения максимально-применимых частот (МПЧ) реперных радиолиний и по этим данным выполнять коррекцию среднемесячной модели ионосферы для данного пространственного региона и определенных моментов времени.
Получение информации для коррекции
Известно, что МПЧ определяется как наибольшая частота, при которой ещё возможна связь на данной радиолинии посредством отражения радиоволн от ионосферы. Если в формировании сигнала участвуют несколько отражающих слоёв и существует несколько модов распространения, то под МПЧ понимается наибольшая МПЧ всех модов. МПЧ является главным параметром радиотрасс и измеряется специальными ионозондами при работе на скользящей частоте как точка смыкания на ионограмме верхнего и нижнего лучей данного мода.
Рассмотрим возможность получения информации об МПЧ по наблюдениям за сигналами РРС. Для простоты примем, что рабочая частота РРС f остаётся постоянной. В силу естественных суточных вариаций состояния ионосферы вдоль трассы распространения, изменяется МПЧ и в некоторый момент t0 возникают условия, когда f = МПЧ. Будем считать, что определённое из этого равенства значение МПЧ для момента t0 и есть измеренная величина МПЧМ, которую можно использовать в качестве корректирующих данных при уточнении модели.
Основная проблема в измерении МПЧМ с использованием РРС заключается в определении моментов времени t0. Как известно, во время смыкания верхнего и нижнего лучей происходит фокусировка поля и средняя амплитуда А сигнала должна увеличиться. Хотя этот эффект искажается интерференцией лучей на крупномасштабных ионосферных неоднородностях с размерами в сотни километров, он хорошо наблюдается даже на двухскачковых трассах [6]. В области высоких частот fp > МПЧ амплитуда поля в обычных условиях резко спадает, хотя случайные неоднородности ионосферы размерами 1-10 км могут вносить заметный вклад в принимаемый сигнал и уменьшить скорость этого спада [7]. На рис.1 а показан качественный ход А при изменении отношения f/МПЧ, получаемый из приведенного теоретического рассмотрения со сглаженной интерференцией верхнего и нижнего лучей. Скорость падения амплитуды в области fp > МПЧ определяется интенсивностью рассеивающих неоднородностей, поэтому из рассмотрения по известным признакам (особые суточные периоды, определённые географические регионы, геомагнитная возмущённость) исключены ситуации с развитой неоднородной структурой ионосферы. В этих условиях, как видно из рис. 1 а, определяя момент достижения максимальной амплитуды сигнала при переходе fp
через МПЧ, можно найти значение МПЧМ. К сожалению, определение максимальной амплитуды в эксперименте затруднено благодаря отмеченным эффектам интерференции лучей в области fp < МПЧ и из-за сложностей регистрации малых изменений амплитуды вблизи максимума, поэтому в измерениях используется область значительного уменьшения амплитуды при fp > МПЧ. Для этого введено пороговое значение амплитуды Апор (см. рис. 1а), которое и служит критерием для определения МПЧМ из условия МПЧМ = fp при А = Апор. Таким образом, наблюдая за ходом изменения амплитуды сигнала РРС с течением времени можно определить момент, когдаA(t) = Апор, а, следовательно, МПЧи=/р.
af\
1f/МПЧ5 10 15 20 гЕ 3o,ajuh
lFB
Рис. 1. а - качественный ход амплитуды сигнала при изменении отношения fp/МПЧ; б- пример измерений амплитуды сигнала во время радиовосхода;
Возникающая ошибка АМПЧ при таком способе определения МПЧ зависит от скорости спада А с ростом частоты в области fp > МПЧ и от величины «защитного» интервала Амакс - Апор. Как показали результаты предварительных наблюдений, значение Апор, отстоящее на -20 дБ от Амакс, с одной стороны, надёжно отсекает уменьшение сигнала из-за его флуктуаций в области fp < МПЧ. С другой стороны, при выборе f значительно ниже максимальных, «дневных» значений МПЧ трассы, когда скорость изменения А со временем при переходе через МПЧ составляет в среднем около 5 дБ/мин, указанное значение Апор даёт ошибку в определении момента равенства = МПЧ не превышающую нескольких минут. Величина Амакс определяется за предыдущие дни наблюдений.
На рис. 1б показаны относительные изменения амплитуды сигнала, полученные нами во время радиовосхода в один из дней наблюдений на односкачковой трассе Новосибирск - Иркутск, которая использовалась для получения корректирующей информации. В качестве РРС был задействован один из 18 маяков системы контроля декаметровых каналов, описанной в работе [8]. Для приёма применялась установка [9], включающая широкополосный вертикальный вибратор, радиоприёмник Р-160П и персональный компьютер с программой обработки данных. С выхода радиоприёмника принимаемый сигнал через аналоговый фильтр нижних частот подавался на звуковую карту. Для обработки данных использовалась программа BeaconSee [10], синхронизированная по
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3]