Прогнозирование характеристик дальнего распространения радиоволн в неоднородной ионосфере

• Автор: Агарышев, Анатолий Иванович
• Шифр специальности: 05.12.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Иркутск
• Количество страниц: 254 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
1. Методы и результаты измерений характеристик
декаметровых радиоволн на дальних трассах
1.1. Экспериментальная установка и методы измерений
1.2. Обработка и интерпретация экспериментальных данных
1.3. Анализ экспериментальных данных о регулярных и случайных
вариациях углов места
1.4. Определение эффективных ширин конусов рассеяния радиоволн по
результатам фазоразностных измерений
1.5. Особенности регулярных и случайных вариаций азимутальных
углов прихода радиоволн
1.6. Угловые характеристики радиоволн на двухскачковых трассах
1.7. Заключение к разделу
2. Сравнение результатов измерений и расчетов характеристик декаметровых радиоволн для
прогностических моделей регулярной ионосферы
2.1. Оценка точности расчетов характеристик радиоволн с
использованием теорем эквивалентности
2.2. Применение метода численного интегрирования системы лучевых
уравнений
2.3. Средние характеристики верхних лучей
2.4. О точности моделей ионосферы в условиях сильных
горизонтальных градиентов критических частот
2.5. Амплитудно-частотные и время-частотные характеристики
распространения радиоволн верхним лучом
2.6. Характеристики распространения радиоволн модом 1Е3
2.7. Напряженности поля радиоволн для трасс длиннее 3000 км
2.8. Заключение к разделу
3. Прогнозирование влияния случайных неоднородностей
ионосферы на характеристики радиоволн с частотами, близкими к максимально применимой
3.1. Методы измерений и расчетов МПЧ
3.2. Анализ результатов измерений характеристик радиоволн на
частотах выше максимально применимой
3.3. Расчет МНЧ мода №2 и МНЧ односкачковых верхних лучей
3.4. Расчет МНЧ при распространении модами 2Р2, ЗЕ2
3.5. Сравнение результатов измерений и расчетов МНЧ
модов 1Е2,2Е2,ЗЕ2
3.6. Методы оперативного прогнозирования МНЧ радиоволн
3.7. Заключение к разделу
4. Исследование регулярной и случайной структур ионосферы на основе измерений угловых
характеристик радиоволн
4.1. Крупномасштабные наклоны слоя Р2 по данным
вертикального и наклонного зондирования ионосферы

4.2. Случайные вариации азимутальных углов прихода радиоволн
при распространении способами 2F2,3F2
4.3. Методы и результаты исследований мелкомасштабных неоднородностей ионосферы на основе
фазоразностных измерений
4.4. Методы оперативной диагностики критических частот ионосферы на односкачковых трассах наклонного
зондирования
4.5. Коррекция критических частот ионосферы при измерениях характеристик многоскачкового распространения радиоволн
4.6. Заключение к разделу
5. Моделирование и прогнозирование влияния случайных неоднородностей ионосферы на
средние характеристики радиоволн
5.1. Метод расчета характеристик радиоволн, отраженных
случайно-неоднородной ионосферой
5.2. Влияние случайных неоднородностей ионосферы на
средние характеристики траекторий радиоволн
5.3. Влияние случайных неоднородностей ионосферы
на средние амплитуды радиоволн
5.4. Обоснование оперативных методов расчета МНЧ
5.5. Заключение к разделу
6. Исследования особенностей сверхдальнего
распространения декаметровых радиоволн
6.1. Методика измерений характеристик ДКВ
на сверхдальних трассах
6.2. Модель сигнала при сверхдальнем распространении ДКВ
6.3. Прием радиоволн с углами, близкими к критическим
6.4. Анализ результатов измерений азимутальных
углов прихода радиоволн на сверхдальних трассах
6.5. Особенности скачкового и волноводного распространения
ДКВ при различных уровнях солнечной активности
6.6. Основные результаты раздела
7. Перспективы применения разработанных методов в прогнозах характеристик
дальнего распространения радиоволн
7.1. Новые методы диагностики состояния ионосферы
7.2. Новые возможности применения средств
зондирования ионосферы
7.3. Оперативный расчет характеристик радиоволн
7.4. Расширение диапазонов дальностей и
частот приема радиоволн
7.5. Прогноз диапазонов однолучевого прохождения радиоволн
7.6. Оптимизация диаграмм направленности антенн
7.7. Настройка КВ радиостанций на оптимальную рабочую частоту
7.8. Повышение точности местоопределения объектов излучения
7.9. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ
Анализ ситуации
Проблема прогнозирования характеристик радиоволн диапазона 3-30 МГц возникла после первых опытов дальней радиосвязи в этом диапазоне. Важность таких прогнозов показывает хорошо известный факт, согласно которому радиосвязь на дальности более 2000 км можно обеспечить при мощности передатчика ~ 10 Вт и простых антеннах, но в тех же условиях на другой рабочей частоте уровень сигнала будет ниже порога приема при излучаемой мощности ~ 10® Вт. Поэтому прогнозы характеристик радиоволн необходимы при проектировании и эксплуатации радиотехнических систем, что важно для оптимизации излучаемых мощностей, рабочих частот, скоростей передачи информации, диаграмм направленности нриемо-передающих антенн, других параметров радиотехнических устройств, а также для выбора оптимальных способов кодирования и модуляции радиосигналов.
Результаты измерений показывают, что основные характеристики радиоволн (напряженности поля Е, максимально применимые частоты - МПЧ, углы приема в вертикальной плоскости, групповые задержки) сложным образом зависят от многих факторов. Среди этих факторов имеются полностью контролируемые (координаты передатчика и приемника, время суток, месяц), условно контролируемые (уровень активности Солнца) и случайные. В такой ситуации чисто эмпирические прогнозы этих характеристик малоэффективны, так как требуют больших объемов измерений для учета каждого из факторов. С другой стороны, теоретические долгосрочные прогнозы (ДП), основанные на модельном описании среды и расчетах характеристик радиоволн, не обеспечивают необходимую точность из-за невозможности учета случайных факторов. Поэтому представляют интерес так называемые оперативные прогнозы (ОП), разумным образом сочетающие моделирование процессов распространения радиоволн и результаты измерений характеристик радиоволн. Разработке таких прогнозов уделено значительное внимание в диссертации, что требует взаимно увязанных решений вопросов моделирования ионосферы, измерений и расчетов характеристик радиоволн, а также учета возможностей практического применения полученных результатов. Рассмотрим известные подходы к решению этих достаточно сложных задач. Выполненный ниже обзор не претендует на полноту и отражает результаты исследований, имеющих непосредственное отношение к диссертационной работе.
Моделирование ионосферы. В настоящее время исследованы важные особенности наклонного распространения декаметровых радиоволн (ДКВ) [1-7] для моделей регулярной ионосферы [8-16], в которых зависимости плотности электронов N в вертикальном и горизонтальном направлениях задают детерминированные функции географических координат, месяца, времени суток и индексов активности Солнца IV. Основой таких моделей являются данные мировой сети станций вертикального зондирования

Для анализа результатов измерений на трассе X арьков-Иркутск важно учесть следующие особенности сигнала, принимаемого в диапазоне / = 1,1 — 1,4МПЧ2К2: 1) в и 60% ситуаций распространение было одномодовым, максимальное число модов импульсного сигнала было равно 4; 2) уширение импульсов, характерное для мода 2¥2 на трассе Хабаровск-Иркутск (см.1.2), не наблюдалось; 3) систематическое отклонение азимутальных углов приема радиоволн от направления на передатчик, превышающее 0,1°, отсутствовало, а среднеквадратическое отклонение в от в0 составляло всего 0,5°. Эти особенности соответствуют односкачковому распространению радиоволн с отражением от ионосферного слоя Г2.
Рис.1.76 показывает также, что днем на рабочих частотах в диапазоне 14-17 МГц, близких к стандартной МПЧ2Г2, наблюдалось прохождение радиоволн с (3 = 7 — 13°, соответствующими способу 2Г2. Интересно, что середина этого диапазона (10°) практически не отличается от приведенных на рис. 1.4 околополуденных значений (Зу для трассы £>х и Лз/2. Согласно рис.1.7в распространение модом 2Р2 преобладало в на трассе Харьков-Иркутск в переходные и ночные часы суток.
Для трассы Москва-Иркутск угловые характеристики радиоволн измерялись без разделения модов распространения, что затрудняло интерпретацию экспериментальных данных из-за интерференции компонент суммарного сигнала, соответствующих различным модам. Однако можно выделить ряд аномальных особенностей, которые трудно объяснить на основе известных представлений. Например, утром в январе 1979
г., когда изменения параметров ионосферы вдоль трассы максимальны, измерены значения (3 « 30°, а вечером - 02 ~ 8° [48], что резко не согласуется с прогнозом [10], согласно которому в течение всего периода измерений (32 = 14°. Интерпретация таких весьма, существенных изменений (3 в течение суток выполнена в п.3.4.1.
1.7. Заключение к разделу 1.
Таким образом, в результате измерений по разработанным в 1.2,1.4 методикам получен наиболее полный к настоящему времени массив данных об угловых характеристиках дальнего распространения ДКВ. Этот массив включает средние значения углов места и азимутов модов 12,12Р, 2F2,
ЗК2 для разных месяцев, часов суток, уровней активности Солнца. Кроме того, для различных условий измерены дисперсии углов прихода эффективных центров пучков лучей, соответствующих разным модам, и эффективные ширины этих пучков, что позволяет судить об особенностях случайно-неоднородной структуры ионосферы в этих условиях. При этом дисперсии азимутов, как показано в 4.1, характеризуют неоднородности с размерами >100 км, а ширины пучков - интенсивность мелкомасштабных неоднородностей (см. подраздел 5.1). В результате обеспечена возможность исследования влияния неоднородной структуры ионосферы на средние характеристики радиоволн по данным НЗ ионосферы. В частности, из данных 1.3,1.4 следует, что в зимние