Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Моделирование области Е ионосферы для задач распространения радиоволн

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Моделирование области Е ионосферы для задач распространения радиоволн"

комитет по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды институт прикладной геофизики имени академика федорова Е.К.

моделирование области е ионосферы для задач распространения радиоволн

(04.00.22 - геофизика)

автореферат диссертации на соискание ученоп степени кандидата физико-иатематиуеских наук

На правах рукописи

ПЕРЕКАЛИНА Елена Олеговна

УДК: 551.510.535

Москва - 1991

Работа, выполнена в Институте прикладной геофизики им академика Федорова Е.К. Роскомгидромета

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор КАЛИНИН Ю.К. '

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, с.н.с. Михаилов A.B. доктор технических наук, с.н.с. Шустов З.И.

Запита состоится 24 июня 1992г. в 10 часов на заседании специализированного совета Д 024.09.01 в Институте приклад* геофизики имени академика Федорова Е.К. по адресу: 129128, Моске Ростокинская ул., 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПГ.

Автореферат разослан <3£> 1992 г.

Учения секретарь специализированного совета

Вздувая организация:

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН

кандидат физ.-мат. наук

А.Г.Старков)

3

ж

Общая характористика. работы. уальность работы.

При расчетах распространения КВ сигналов, отраженных от области Е, используется упрощенное представление о постоянстве п#1Ы-профиля вдоль трассы. Высота максимума области Е считается постоянной при любых условиях. Если днем эти предположения позволяет осуществить устойчивую передачу информации по ионосферному радиоканалу, то в сумерки она нер""1^ нгпчшзется. Современные модели области Е показывают, что именно в сумерки существуют максимальные горизонтальные градиенты Достаточно точные экспериментальные данные о распространении радиоволн в этих условиях в области Е отсутствуют , что не позволяет выяснить особенности искажения траекторий радиосигналов, вносииые горизонтальными градиентами. Вместе с тем, развитие загоризонтноя радиолокации и радиоразведки привело к необходимости более точного вычисления длины скачка, чем позволяют перечисленные выше предположения. Следовательно, необходимо провести математическое моделирование распространения радиосигналов в этих условиях.

Для разработки более точных алгоритмов распространения радиоволн нужна соответствующая модель среди. В настоящее время существует много моделей области Е, но они либо в чем-то противоречат эксперименту, либо неполны и не позволяют производить подобных расчетов.

Все вышесказанное определяет актуальность данной работы, которая посвящена новому решению известной задачи моделирования области Е: разработке модели области Е, более точно по сравнению с другими описывающее пв<Ю-профиль и вариации отдельных его параметров вблизи терминатора. Такая модель позволит проводить детальные расчеты траектория радиосигналов, отраженных от области Е, в любое время суток в отсутствии Еж, и выявить особенности в распространении радиоволн, вызванные наличием в ней горизонтальных градиентов пв, близких к реальным.

Цель работы можно определить следующим образом:

1. разработать модель регулярной области Е на полные сутки, точнее, чем другие модели, описывающую пвШ-профиль и позедение отдельных его параметров в сумерки, когда существуют максимальные горизонтальные градиенты электронной концентрации.

2. На основе разработанной модели в рамках герметрической оптим провести расчеты траекторий односкачковых радиосигналов, распространяющихся перпендикулярно терминатору, отраженных от области Е. Выяснить, какие особенности в распространении радиоволн возникают при учете горизонтальных градиентов пв, близких к реальным.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые установлена причина отклонения поведения критически; частот области Е при больших зенитных углах ' Солнца от закона косинуса. Разработана аналитическая модель для описания поведения критических частот области Е при больших зенитных углах, точнее, чем другш модели, описывающая экспериментальные данные.

2. Впервые показано, что асимметрия суточного хода пв в области I возникает вследствие пренебрежения уравнением времени при расчета; зенитных углов Солнца.

3. Разработана численная детерминированная модель области Е, позволявшая рассчитывать пж(Ы-профиль на высотах 95-130 км в любое врем; суток в отсутствии Еш, причем в сумерки точнее, чем другие модели. Показано, что при переходе через терминатор меняется скачком.

4. Проведенное в рамках метода геометрической оптики, математическое моделирование распространения односкачковых радиосигналов I области Е, в условиях градиентов пв, близких к реальным, лозволилс установить следующие особенности распространения радиоволн, возникающие из-за учета горизонтального градиента Пв:

а) при отрицательном градиенте пв вдоль трассы и небольших угла>

возвышения сигналы распространяются по рикоштируюшим траекториям. Исследована зависимость интервала этих углов от времени суток.

б) из-за существования градиента пв вдоль трассы возникает дополнительная многолучевость сигнала, при которой в данную точку трассы могут приходить не два луча, как обычно, а четыре.

в) коэффициет N2000 не постоянен в течение суток, как это принято считать, а изменяется в интервале 4,73-5,45.

л Обналуязэна высокая стабильность обходного фактора (отношения группового пути вдоль траектории к дальности трассы по Земле) односка-чковых сигналов, отраженных от области Е. Получена формула для суточного хода обходного фактора на МПЧ-Е-2000. Формула позволяет по измерениям задержки определять дальность трассы с ошибкой не более 8 км.

Научная и практическая ценность работы заключается в том, что в ней уточнены механизмы образования области Е, разработана модель области Е, отражающая ее поведение максимально близко к эксперименту и позволявшая производить детальные расчеты распространения радиоволн в условиях градиентов пв, близких к реальным. Результаты детальных трае-кторных расчетов, полученные в диссертации, могут быть использованы в радиосвязи и загоризонгной радиолокации.

Внедрение результатов. Работа выполнялась в рамках темы 1. 7.25 плана НИР и ОКР Госкоыгидроыета и других тем, выполненных в ИПГ имени академика Федорова Е.К. в 1963-1990 гг. Результаты диссерации использовались при написании соответствующих разделов отчетов по этим темам.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Детерминированная аналитическая модель поведения критических частот области Е при больших зенитных углах Солнца.

2. Объяснение асимметрии суточного хода пв в области Е.

3. Детерминированная численная модель области Е на полные сутки в интервале высот 95-130 км, более точно, чем другие модели, описывающая

профиль электронной концентрации в сумерки и позволявшая производит! расчеты распространения радиосигналов в условиях градиентов п , близких к реальным. Поведение области Е при переходе через терминатор.

4. Результаты анализа распространения односкачковых радиосигналов, отраженных от области Е с градиентами пв, близкими к реальным.

5. Обнаружение высокой стабильности в течение суток обходноп фактора односкачковых радиосигналов, отраженных от области Е. Аппроксимация суточного хода обходного фактора на частоте МПЧ-Е-2000.

Содержание работы.

Во введении кратко рассмотрены актуальность работы, цель, научнаг новизна и практическая ценность работы, основные положения работы выносимые на защиту, структура и содержание диссертации по главам.

В первоя главе проведен анализ известных экспериментальных закономерностей поведения пвобласти Е и рассмотрено, как их отражают наиболее полные и точные модели области Е [1-5]. Установлено, что наиболее полно их отражает пара детерминированных моделей: 11] для дневны: условия и [2] - для ночных, а также эмпирическая модель [31 для полны: суток. Но, будучи стационарными, на условия сумерек модели [1,2] н< распространяются, и поведение высоты максимума в них вблизи терминатора противоречит модели [3]. Б [13 Ь.^ возрастает от полудня до %=90°, I [31 при Х5*80" ~ начинает уменьшаться. Для расчета распространения радиоволн по этим моделям необходимо разрешить указанное противоречие.

Обзор судаствусшх исследования по распространению скачковых радиосигналов, отраженных от области Е, показал, что детальные экспериментальные данные по этому вопросу отсутствуют. В теоретических работах, обеспечивающих радиопрогнозирование, не проводилось исследования распространения скачковых сигналов, отраженных от области Е с горизонтальными градиентами пв, близкими к реальным. Горизонтальные градиенты в области Е принято было считать малыми и не учитывать их.

Во второй главе объяснено поведение критических частот области Е при больших зенитных углах Солнца, и разработана аналитическая детерминированная модель, описывающая их поведение точнее, чем другие модели. Показано, что отклонение поведения критических частот в сумерки от закона косинуса объясняется более быстрым, чем в теории простого слоя, перемещением максимума ионизации на большие высоты, где интенсивность ионизирующего излучения больше. С помощью этой модели проведено косвенное сравнение высот максимума из моделей [1] и [33. Показано, что, если Ь ведет себя так, как в модели [13, то для описания поведения

т

критических частот достаточно ионизации солнечным излучением. В модели [3] 1г имеет меньшие значения при больших зенитных углах, чем в модели

гп *

[13, и при таком поведении потребовался бы неизвестный дополнительный источник ионизации для описания поведения критических частот.

Показано, что асимметрия суточного хода пв в области Е возникает из-за пренебрежения уравнением времени при расчетах зенитных углов.

Разработана численная детерминированная суточная модель области Е, включающая модель [1] целиком и ночной источник ионизации рассеянным излучением в линии Ьр, аналогичный используемому в модели [2]. Интенсивность ночного источника нормирована по величине электронной концентрации в максимуме Е-слоя из модели [33. В стандартную фотохимическую схему добавлены нестационарные члены, зенитные углы рассчитывались с учетом уравнения времени. Расчеты по модели показали, что по мере увеличения зенитного угла Солнца максимум ионизации, образованный прямым солнечным излучением, поднимается вверх и вблизи %=90° выходит из рассматриваемой области. При уменьшении электронной концентрации в нижней части области становится заметным максимум ионизации, образованный рассеянным излучением, высота которого не зависит от Т.е. получено, что 1гт области Е при переходе через терминатор меняется скачком, при этом пв изменяется плавно. Проведенное на материале 13 суме-

речных и 14 ночных ракетных профилей сравнение данной модели и модели 13] с экспериментом показало, что если ночью обе модели имеют одинаковую точность, то в сумерки, когда существуют наибольшие горизонтальные градиенты и , данная модель оказывается лучше. Отсутствие данных не позволяет сравнить горизонтальный градиент пв с экспериментом, но то, что данная модель точнее других описывает пв<1г)-профиль в сумерки, позволяет считать градиент пв, рассчитанный по модели наиболее близким «к реальному. Это позволяет отдать ей предпочтение при детальных расчетах распространения радиоволн вблизи терминатора.

Третья глава посвящена численному математическому моделированию в рамках геометрической оптики распространения односкачковых радиосигналов, отраженных от области Е, в условиях горизонтальных градиентов пв, рассчитанных на основе разработанной модели области Е.

Расчеты показали, что при небольших -углах возвышения при отрицательном градиенте 11в вдоль трассы сигналы распространяются по рикошетирующим траекториям. Интервал этих углов зависит от частоты сигнала и параметров ионосферы. Вблизи терминатора он возрастает до 5-6°.

При распространении сигналов вблизи терминатора при наличии горизонтального градиента пв вдоль трассы было обнаружено существование дополнительной многолучевости. При этом в данную точку трассы могут приходить не два луча, как обычно, а четыре. Эта особенность распространения радиосигналов сохраняется в течение получаса после восхода V перед заходом Солнца.

Показано, что коэффициент М2000 в течение суток изменяется в интервале от 4,73 до 5,45. Наибольшие отклонения М2000 от общепринятого значения 5,26 возникают вблизи терминатора и достигают 10%, что составляет приблизительно 1 МГц в рабочей частоте. Исследования суточногс хода интервалов углов возвышения А, в котором возможна регистраци* сигнала на Земле после отражения от области Е на частоте равной МПЧ-Е-

э

2000, показали что вблизи терминатора он сильно сужается. Это, а такзе изменение М2000, вероятно, и вызывает нарушения условия передачи информации на средних трассах в сумерки.

Для различных углов возвыпения и частот были рассчмтаны значения обходного фактора. Расчеты показали, что несмотря на сильную зависимость дальности от А обходные факторы для тех жэ условия слабо зависят от Д. На частоте МПЧ-Е-2000 разброс возмогаых значения обходного фактора для каздого момента времени ¿0,008. Такая высокая стабильность обходного фактора позволила аппроксимировать его суточный ход на частоте МПЧ-Е-2000 простой формулой, максимальные отклонения значения обходного фактора от которой £0,004. Таким образом, по измерениям задержки можно восстанавливать дальность трассы с ошибкой £8 км, что имеет большое значение для загоризонтной радиолокации и радиоразведки, т.к. современные средства не позволяют сделать ошибку <20 км.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. На основе рассмотрения известных закономерностей поведения электронной концентрации области Е проведен сравнительный анализ существующих моделей области Е и определены ограничения, связанные с их практическим применением для детальных расчетов распространения радиоволн.

2. Разработана детерминированная аналитическая модель, позволившая объяснить и описать поведение электронной концентрации в максимуме области Е при больших зенитных углах Солнца. Модель позволила такяе установить поведение 1гт области Е вблизи терминатора косвенным сравнением с экспериментом, проведенным на ее основе.

3. На основе анализа экспериментальных данных установлено, что использование уравнения времени в расчетах зенитных углов поэзоляет объяснить возникновение асимметрии суточного хода электронной концентрации области Е и учесть ее в детерминированных моделях.

4. Разработана численная детерминированная модель регулярной области Е на полные сутки, точнее других описывавшая поведение электронной концентрации в сумерки, когда горизонтальные градиенты электронно! концентрации максимальны. Показано, что высота максимума области I вблизи терминатора меняется скачком.

5. На основе разработанной модели области Е в рамках геометрической оптики проведены расчеты траекторий односкачковых радиосигналов

• отраженных от области Е и распространяющихся перпендикулярно терминатору в условиях градиентов электронной концентрации, близких к реальный. Анализ большого числа трактория показал, что:

а) при отрицательных градиентах пв в области Е возникают рикошетирующие траектории. Исследован суточный ход интервалов углов воэвыше ния рикошетирующих сигналов.

б) из-за существования горизонтального градиента электронной кон центрации вблизи терминатора возникает дополнительная ыноголучевость Исследован суточный ход, и дано качественное объяснение явления.

в) коэффициент М2000 изменяется в течение суток от значения 4,7 до 5,45, особенно сильные отклонения ( до 10% ) от общепринятое-значения 5,26 достигается- вблизи терминатора.

6. Обнаружена высокая стабильность обходного фактора односкачко вых радиосигналов, отраженных от области Е, Получена формула для суто чного хода обходного фактора на МПЧ-Е-2000, максимальные отклонения о формулы £0,004.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1. Перекалина Е.О., Нусинов A.A. Поведение электронной концентрации ; максимуме Е-слоя при больших зенитных углах Солнца.//Геомагнетизм : аэрономия. - 19S5. -Т.25. - № 3. - С.497-499.

2. Перекалина Е.О. Оценка задержек KB сигналов на протяженных трассах // Геомагнетизм и аэрономия. - 1965. - Т.25, - № 1. - С.137-140.

3. Перекалина Е.О. Распространение односкачковых радиосигналов, отраженных от области Е, в условиях градиентов электронной концентрации, близких к реальный.// Геомагнетизм и аэрономия. - 1932. - Т.32. - № 2. - С.106-110.

4. Перекалина Е.О. Расчет траектория скачковых радиосигналов при наличии продольных градиентов электронной концентрации ионосферы. // XV Всесоюзная конференция по распространению радиоволн.: "Тезисы докладов. - Алма-Ата, 1957. - С.144.

5. Перекалина Е.О. Расчет задержек скачковых сигналов в экспоненциальной ионосфере.//XIV Всесоюзная конференция по распространению радиоволн.: Тезисы докладов, ч.1. - Ленинград, 1984. С.183.

6. Разработать и внедрить усовершенствованные методы прогноза и расчета характеристик ионосферных трасс на основе моделирования свойств среды и процесса распространения радиоволн.:Отчет о НИР (заключит.! / Ин-т прикладной геофизики.- 01.07.25: № ГР 01.64.0. 022792, Инв.!* 0266.0 025735, М., 1966, 156с.

Литература.

1. Нусинов A.A. Детерминированная модель среднеширотного и экваториального Е-слоя (описание и сравнительные оценки точности). // Ионосферные исследования, М.¡Советское радио. - 1986. - К 4.- С.94-99.

2. Каширин А.И. Фотоионизация в ночной ионосфере.// Геомагнетизм и аэрономия. - 1985,- Т.26. - № 4. - С.563-568.

3. Ионосфера Земли. Модель глобального распределения концентрации, температуры и эффективной частоты соударений электронов. // И.: Издательство стандартов. - 1990. - 612с.