Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Прогнозирование характеристик среднеширотных трансионосферных радиосигналов сверхвысокой частоты

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Прогнозирование характеристик среднеширотных трансионосферных радиосигналов сверхвысокой частоты"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ГЕОФИЗИКИ _____ИМЕНИ АКАДЕМИКА ФЕДОРОВА Е.К.

На правах рукописи

ЕВСТРАТОВА Елена Адольфовна

УДК: 551.510.535

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СРЕДНЕШИРОТНЫХ ТРАНСИОНОСФЕРНЫХ РАДИОСИГНАЛОВ СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

(04.00.22 - геофизика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1991

Работа выполнена, в Ордена Трудового Красного Знамени Институте прикладной геофизики имени академика Федорова Е.К. Госкомгидромета СССР.

Научный руководитель: доктор физико-матёматических наук, профессор КАЛИНИН Ю.К.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Нусинов A.A. кандидат физико-математических наук Куницын В.Е.'

Ведущая организация: Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн АН СССР, г. Троицк, Московской обл.

Защита состоится 2 октября 1991 г. в • 14 часов на заседании специализированного совета Д 024.09.01 в Институте прикладной геофизики имени академика Федорова Е.К. по адресу: 129126, Москва, Ростокинская ул., 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПГ. Автореферат разослан Д>э> 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат физ.-мат. наук

А.Г. Старкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: В последнее десятилетие в развитии Р8зличных__о0ластэй_кос!!ичбской радиотехники (локации, навигации и

др.) моано отметить тенденций, звключающуюс'я з существенном--------

повышении требований к точностным характеристикам радиосистем, работающих в СВЧ-диапазоне. Так, например, на локвционннх трассах протяженность» в несколько тысяч километров требуется осуществлять намерения группового запаздывания трансионосферних сигналов с погрешностью менее Ю3 см. В широкополосной связи планируются к использованию сигнала с относительной частотной нестабильностью менее 10"". При таких требованиях к точностным характеристикам радиотехнических систем становится существенным учет воздействия среди на параметры СВЧ-сигналов. Такое воздействие представляет практический интерес на этапах проектирования, планирования условий работы и непосредственной эксплуатации космических радиотехнических систем. В ситуации проектирования и планирования условий работы важно знать возможные величины а интервалы изменений воздействия ионосферы в различной гелиогеофизической обстановке. На втапе эксплуатации радиотехнических систем важно знвть возможные вариации атих воздействий в ближайшем будущем. Все это делает необходимым поиск нового решения известной задачи об ионосферной радиопрогнозировании, а именно - прогнозирование воздействия ионосферы на распространение трансионосферних СВЧ-сигналов. То есть необходимо разработвть алгоритмические схемы долгосрочного и краткосрочного прогнозирования воздействия ионосферы на параметры трансионосферных СВЧ-сигналов с построением статистических моделей погрешностей прогнозов. Этим и определяется актуальность темы диссертации. Прогноз должен учитывать детерминированную изменчивость ионосферы.

Разработка прогнозных правил такого вида может быть осуществлена различными способами. При больших потоке* информации естественно отдавать предпочтение более простым схемам."" Поэтому новое решение актуальной задачи содержит примеры подобных алгоритмических схем в терминах элементарных функций и правил.

Целью роботы является: - обоснование применимости метода геометрической оптики для описания процесса ионосферного распространения СВЧ-радиосигналов при заданном уровне точности;

построение схем прогноза характеристик среднеширотных трансионосферных радиосигналов сверхвысокой частоты, включая статистическое моделирование погрешностей прогнозов.

Работа посвящена исследованию экспериментальных данных об ионосфере, исследовании пределов применимости известных - методов описания процесса■распространения радиоволн в неоднородной среде, установлению связи между характеристиками . трансионосферных СВЧ-сигналов в различных пространственно-временных объемах, как основе прогнозирования.

Научная новизна. Наиболее важными, определяющими научную новизну диссертации является следующие результаты: '

1. Впервые в точном дифракционном решении задачи о прохождении волной слоя Эвитвйна, моделирующего ионосферу,

выделены слагаемые, соответствующие приближению геометрической

>

оптики и дифракционным поправкам, что позволило определить необходимое число слагаемых для достижения заданного, уровня точности оценки воздействия среды на трансионосферные СВЧ-сигналы. Показано, что в рамках заданной точности можно пренебречь влиянием неоднородностей ионосферы и магнитного поля на погрешность измерений ряда параметров СВЧ-сигвала.

2. Получена новая математическая модель профиля электронной

концентрации среднеширотной ионосферы, реализованная з терминах элементарных (регулярных и нерегулярная) функций, применительно к задачам описания полного ?лектропяого содеряания в интервале высот .100+1000 ки.___

3. Разработаны не вне 8.1горитмйческяе""схвмя~долгосрочного_н краткосрочного прогнозировании полного содержания электронов (ПЭС).

4. Построены статистически модели погрешности прогнозирования полного содержания электронов, допускающие калибровку сглаяенными параметрами эмпирических множеств как в торминих инвариантов, тая и в терминах хваятллей.

Защищаемые положения:

1. Обоснование пределов применимости метода .геометрической оптики при современном уровне требований к оценкам влияния среды не параметры СВЧ-радносигналов.

2. Алгоритмические схема долгосрочного ж краткосрочного прогнозирования ПЭС и параметров трапсиопосферных СВЧ-еигнвлов.

3. Статистические модели погрешностей долгосрочного и краткосрочного прогнозирования ПЭС.

Практическая значимость работы. Значение работы заключается в том, что в ней осуществляется построение новых алгоритмических правил прогнозирования воздействия ионосферы на параметры трансионосферных СВЧ-сигпалов, аффективных при больших потоках информации. Данная работа является этапом создания' нового поколения алгоритмов прогнозирования условий ионосферного распространения СВЧ-радиоволн, характвриэуювегося широким использованием элементарных функций в алгоритмических правилах и разработкой четырехпараметрических статистических моделей погрешности прогнозирования. Ряд результатов .работы (учет влияния неоднородностей, новые методы синтеза функций плотности

вероятности случайных процессов) выходят за рамки темы к могут быть использованы в других радиофизических и геофизических областях. у

Прикладное .значение работы определяется возмовностьо непосредственного внедрения разработанных алгоритмических схем прогноза, а'такае развития на их основе тех пли иных схем, учитывающих специфику условий работы различных потребителей ионосферного прогнозирования.

Личный вклад автора включает в себя участие в постановке задачи, обоснование применимости метода геометрической оптики, разработку правил долгосрочного а краткосрочного прогноза ПЭС в статистических моделей ошибок прогнозирования» участив е обсукдении полученных результатов.

Апробация работа. Основные результаты диссертаци! докладывались на IX конференции молодых ученых МИГ (Москва, октябрь 1988г.), IX Всесоюзном семинаре по моделированию ионосфер! (Звенигород, ноябрь 1988г.), 10-и заседании секции по ионосфере 5 распространенно радиоволн Ученого совета ИЗМИРАНа (ИЗМИРАН, ноябр] 1988г.), VI Всесоюзном семинаре по ионосферному прогнозирована] (Мурманск, сентябрь 1989г.), X Всесоюзном симпозиуме "Ионосфере 1 взаимодействие декаметровых радиоволн с ионосферной плавкой' (Звенигород, ноябрь 1989г.), X конференции молодых ученых ИШ (Москва, май 1990г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит и: введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы В ней содержится 86 страниц печатного текста, 9 таблиц и И рисунков. Библиография включает 85 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показана актуальность теми исследований,

-охарактеризованы_цель работ, научная новизна, научная в

практическая значимость получопних результатов—Сформулированы основные положения, вывосимыэ аа защиту. Приводится краткое изложение содержания работы.

Первая глава ("Моделирование профилей электронной концентрации ионосфер» з зодачах определения полного содержания электронов в единичном столбе") является обзорной. Тематический обзор научной литературы проводится по геофизическим вопросам, связанным с методами получения информации об ионосфере нияэ и впив главного максимума электронной концентрации, и по радиофизическим вопросам, связанным с процессом распространения трансаоносферннх СВЧ-сигналов (диапазон рабочих чвстот Юа+Ю4 МГц). Рассматриваются экспериментальные данные об ионосфере, полученные методом некогерентного рассеяния на станциях Миллстоун-Хилл и Харьков, расположенных в среднеширотной зоне западного и восточного полушарий. Также рассматривается измерения, полученные с помощью ГФР "Вертикаль" (в районе Волгограда) и геостационарных ЙСЗ - ЕТ5-И (Япония), АТБ-б (США, Англия). Сравниваются различные модели среднеширотной ионосферы применительно к включенному в диссертацию кругу вопросов.

Из числа приближенных методов описания распространения радиоволн в неоднородной сроде основное внимание уделено методу геометрической оптики и методу возмущения. На основании обзоре формулируются задачи исследования.

Вторэя, третья и четвертая главы являются оригинальными.

Во второй главе ("Обоснование применимости метода геометрической оптики для моделирования с заданной точностью

свойств трансионосферннх СВЧ-радиосигналов") рассматривается ряд эффектов, возникающих при распространении радиоволн в неоднородной среде - ионосфере. Существенно возросшие в последнее десятилетне требования к погрешности описания воздействия среди на параметры трансионосферных СВЧ-радиосигналов приводят к необходимости более тщательного анализа методов приближенного решения волнового уравнонпя. Роль дифракционных эффектов как поправки к геометрооптическому ревешш исследуется на примере известного точного решения волновой задачи о прохождении волны сквозь слой Эпштейна. Известное строгое выракениа для коэффициента прозрачности разлагается в ряд, соответствующий высокочастотному приближению. При этом сущоетвонпо выполнение принципа супорпозЕЦНИ для геомзтрооптаческих и дифракционных эффектов. Определяются условия, при которих дифракцией можно пренебречь.

Рефракционные эффекты рассматриваются па примере специального вида профиля диэлектрической проницаемоств ионосфера для трассы, соизмеримой по протяженности с радиусом Землн. На основе рассмотрения аналитических выразопий для задержка делается вывод о возможности пренебрежения искривлепием траектории при расчете рефракционных иптегралов, моделирующих тренсионосферное распространенно СВЧ-радиосигналов.

Далее обосновывается возможность пркненимости пра заданных трббовапиях к погрешности в рамках метода гоометрической оптики

у ^

метода возмущения. Одним из наиболее вааных следствий этого рассмотрения является пропорциональность эффектов воздействия средн на параметры СВЧ-рвдиосагналов полному электронному содержанию вдоль траектории -распространения волны. Цетод возмущения позволяет также обосновать возможность пренебрежения влиянием пеоднородпостей ионосферы и магнитного поля, на погрешность измерения задержки радиосигналов.

&

Третья глава ("Моделирование профилей электронной (опцентрации ионосферы в задачах определения полного содерзаная

»доктронов в единичном столба") посзяцонй вопроса« прикладного !оделироввийй_ срсдц - средневиротной иоиосфорн в интервале eucoï

iï 100 ки до 1000 кн. Сформулирован» основпшГ~тр'0бовзпня—кморни-----------

[алтеи удовлетворять математические модели профиля электронной юнцентрацнп в задачах определения полного электронного •одзргопая. Предложена математическая модель арофвлей п вздо политической Функций для регулярной аоносферн (a d ш;до ■«голоморфной функции для особцк условий в ионосфера). Но качи^ельпс?.; тяеле »кснй»>ии^цг«'ал^ЗЕГ rtpi^js.»»« «ослвдоасн ппрокспмацнп математический» моделям!. Проверка проводилось яа анк-ЭБИ (IBM PC/AT). Опредолопы статистические инварианта ассзвов погрешности для различная моделей. Зто позволяет интезироватъ функции плотности вероятности погрешности оделпровапия с поиовьв известных методов (нормальный закон, ряд ■•■«сорте), з s8r.se с цокоаьв споциа, ьннх методов, рвзвпваоццг второй с четвертой главе. Для аналитической модели рассмотрен арактер связи меаду ее параметрами н параметрами функций, ходящих в уравнение непрерывности для'электронов.

Четвертая глава ("Прогноз параметров травсаоносферзох ЗЧ-сигналов" ! посвящена разработке алгоритмических правил ¡лгосрочного и краткосрочного арогиоза полного электронного )Дорьг>ния, о tax«? разработке статпстпческяг моделей погроапостп

ЮГПОЗИрОВЬИйН.

Диализ простейших алгоритмических схем позволил •горптмя'те^кое правило долгосрочного прогнозирования •рмудя, содеркеадв два слвгзокш, первое из •одорцйонально лзадрзту крятпчвскоП частоты, а ьхороа

твой суточной гермовике, арв отсчете от полулия:

выбрать в виде

которых первой

К = а-г" + Ь'СО8(0^+ф),

где Вв - полное содервапие электронов. - критическая частоте слоя ?2 ионосфоры (значение г берется из существующего долгосрочного ирогпоза "Прогноз максимально применимых частот"), 1 - текущее время, й - циклическая частота вращения Земли, <? -значение аргумента периодической функции в начальный иомев! отсчета времени. Константы а и ь являются параметрами "обучения" алгоритмического . правила и определяются методом наименыш квадратов.

Структуре правиле обоснована с помощью уравнения непрерывности для электронов. Правило является одним из самыг простых и, следовательно, экономичных при больших потоке* информации в рамках допустимой погрешности.

Алгоритмическое правило краткосрочного прогнозирование разработано в виде, предполагающем знание величины полного електронпого содержания (Н,^)], в какой-либо фиксированный монет времени I, от которого начинается собственно прогнозирование. Значение БЭС в фиксированный момент служит начальным отсчетом, с величина прогнозируемой относительной вариация [Нв(иа)1 (т -длительность нвт&рввлв прогнозирования) принимается равно! относительной вариация полного электронного содержания столба 1 приближении одноионной модели:

1К («1.

(И <г+т)1 = —г--£Н (г+х)1 ,

• [н (г))

• в

где Ш^Ц) 1 - модельное значение ПЭС в момент времени I [Н#(и*)1 - модельное значение ПЭС в момент времени 1+1.

Проверка этого правила показала его высокую эффективность

величине дисперсии такого прогноза в четыре раза меньше дисперсия погрешности инерционного прогноза.

Для разработанных правил провзденн исследования их точностных характеристик:_получвци оценки четырех статистических ппвариаитов

погрешности прогноза ПЭС. Разработана------специальная^

зксцессивно-ассиметричная модель погрешностей, прогнозирования. Модель является одним из немногих примеров функций, у яоторнх ипсарнантн резни заданным, не обязательно малым по модулю, величинам.

В связи с там, что во многих случаях огяаааиная модельная информации о вариациях ПоС представляется и торияявк различных квантилей (медиана, квартили и т.д.) разработан новый аариапт модели погрешности прогнозирования ПЭС. Модель имеет структуру аналогичную ряду Эдаворта, в котором инварианты асимметрия л а эксцесс Е вырааавтся с помощью соотношений:

б/г-я-О .48)а.6 -8

„ о . г ь о . г з

Л --■-1--■—

(6 - а )•

о.ав о.зв

4

^ _ _о. г& о. а б_о ■ _ 2

(9 - б ) • 9

0.4» О.15 0.49

где величины и выракаются через медиану уо в и симметричные

относительно нее величин! относительная погрешность):

относительно нее величины квантилей у » и у » (у

'0.5-5 *

б - V - У°-в-Е 4

Е 'о. в 2

С - помощью этих формул впервые реализована четырех-пэраметри^еская аналитическая модель функции плотности вероятности погрешности прогноза, допускающая калибровку в терминах выборочных значений квантилей (в качестве параметра цептрирования при этом выбирается медиана, а в качестве параметра рассеяния - величина, пропорциональная вероятному отклонению).

Заключение содержит основные результаты, полученные в диссертации:

1. Проведен анализ методов получения информации о прохождении через ионосферу СВЧ-радиоснгналов, свидетельствующий о необходимости разработки специализированных методов моделирования среды в процесса распространения радиоволн применительно к рассматриваемым в работе задачам прогноза.

2. Обоснованы пределы применимости метода геометрической оптики, используемого в оценках влияния среды на параметры СВЧ-радиосигналов при современных требованиях к точности такик оценок. Для этого потребовалось рассмотрение известных решений в специализированных задачах дифракции и рефракции волн, что позволило оценить погрешности метода геометрической оптики в его различных вариантах, существенных для задач, прогнозирования условий распространения СВЧ-радиосигнвлов.

3. Обосновано применение метода возмущения к рефракционным интегралам геометрической оптики, что позволило свести задачу прогнозирования влияния среды на параметры СВЧ-рвдиосигналов к задача прогнозирования ПЭС.

4. Предложена новая специализированная аналитическая модель профилей электронной концентрации среднеииротной ионосферы для интервала высот 100+1000 км применительно к задачам определения полного электронного содержания; построена статистическая модель погрешностей аппроксимации предложенной математической моделью

реальних профилей.

Б. Разработвна новая алгоритмическая схема долгосрочного

прогнозирования ПЭС, основанная на использовании долгосрочного

прогноза-----критических____частот,_ и схема краткосрочного

прогнозирования ПЭС, осповэапэя на использовании текущей-------

информации об этой величине и на одноконной модели средповиротпой зоцосфери.

6. Разработана статнстачвскиа модели погрешностей цолгосрочасго и краткосрочного прогнозирования ПЭС на основэ зизактая спопкйяьяях методов статистического моделирования.

Таким образо«, ззвоставя «вдйча .ирогпозйровв»«« во$хе2с?зкя зрэднеширотной 'ионосферы на параметры трансиоиосфорши ЗВЧ-сигнвлов получило свое новое решение, заключающееся в создании ювых алгоритмических схем долгосрочного а краткосрочного 1рогнозпроваяая ПЗС s в построении статистических моделей югравности профилей а прогнозов.

Основано результаты диссертации опубликована в следующих заботах:

[. Евстратовв Е.А. Оо оценке точности прогнозирования задержки трансионосферных сигналов // Распространение радиоволн в ионосфере. - М.: ИЗМИРАН, 1989. С.66-69. !. Евстратовв Е.А, Статистические характеристики эффективности краткосрочного прогноза вариации содержания электронов в единичном, столба // Вопросы голиогеофизикп и геофизические аспекты наблюдений за состоянием природной среды / Под ред. А.Д.Данилова. - Ii.: Гидромотеоиздвт, 1990. С.6-10. I. Евстратова Е.А. Аналитическое моделирование полного содержания электронов в единичном столбе // Ионосферное распространенна радиоволн. - М,: ИЗМИРАН, 1989. C.II2-II3. :. Евстратова Е.А., Калинин D.H., Рождественская Л.Л. Новая

аналитическая аппроксимация профиля электронной концентрации ионосфбры // Всесоюзный симпозиум "Ионосфера и взаимодействие деканетровых радиоволн с ионосферной плазмой": Тезисы докладов. 4.1. - И., 1989. СЛЭ.

Б. Всехсвятская И.С., Евстратова Е.А., Калинин Ю.К., Романчук ¿.А. аналитическое моделирование статистических свойств контрастности крупномасштабных неоднородностей ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. - 1989. - Т.XXIX. - * 4. С.691-693.