CC BY
78
Исследование различий между результатами численного моделирования лучевой структуры радиоволн при использовании данных, полученных с помощью экспериментов и из эмпирической модели ионосферы
Ключевые слова: бихарактеристическая система, модель радиотомография, ионосфера, распространение радиоволн, лучевые структуры, траектории.
С помощью системы компьютерной алгебры Wolfram Mathematica, произведен ряд расчетов, направленных на изучение следующего вопроса: пригодны ли эмпирические модели ионосферы в качестве источников данных, используемых для построения лучевых структур распространения радиоволн. В качестве основы для исследований были выбраны данные о электронной концентрации в различных слоях ионосферы, полученные экспериментальным путем с помощью метода радиотомографии и данные, полученные с помощью модели IRI для той же местности и момента времени. Для проведения корректного сравнения необходимо было выбрать область, для которой картина распределения областей электронной концентрации не была бы достаточно простой. Иными словами были необходимы данные из областей аномальных, таких как экваториальная ионосферная аномалия. Экваториальная аномалия - наиболее значительная аномалия в слое F2, составляющая конкуренцию по своей величине регулярным суточным изменениям электронной концентрации. Для слоев E и F1 максимум ионизации приходится на подсолнечную область, однако для слоя F2 в зоне аномалии это не так. В нем электронная концентрация достигает своего максимума при приближении к низким широтам, однако у самого экватора начинают наблюдаться зоны локального минимума. Расчеты показали, что эмпирические модели демонстрируют достаточную (приемлемую) точность в зонах, не подверженных различным аномалиям. В зоне экваториальной аномалии распределения областей высокой и низкой электронной концентрации, результаты, полученные с помощью модели IRI иногда существенно расходились с результатами, полученным по экспериментальным данным. Общая картина распространения радиоволн оставалась схожей по данным из обоих методов, однако в случае использования эмпирических данных скрадывались многие интересные нюансы картины распространения. Обнаружено несколько ситуаций, в которых результаты расчетов на основе экспериментальных и эмпирических данных существенно различались. Показано, что на основе модели IRI не всегда возможно построение достоверных прогнозов радиосвязи, и необходима корректировка моделей экспериментальными данными, наиболее перспективным из которых является метод радиотомографии.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты № 12-02-00413-а, № 13-07-00937, ОФИ_М № 13-02-12121).
Крюковский А.С.,
д.ф.-м.н., профессор, декан факультета информационных систем
и компьютерных технологий, Российский Новый Университет (РосНОУ)
Лукин Д.С.,
д.ф.-м.н., профессор, Московский физико-технический институт (ГУ)
Бутримов М.А.,
аспирант, Российский Новый Университет
Введение
Значительный объём наблюдений за ионосферой, проводимых на земном шаре в течение нескольких десятилетий, дал большой фактический материал. Изучение этого материала позволило вскрыть ряд закономерностей изменения структуры ионосферы. Используя эти закономерности, можно предсказывать состояние ионосферы на большие сроки вперед, то есть составлять долгосрочные радиопрогнозы. Непрерывно продолжающиеся наблюдения за ионосферой дают возможность всё большего уточнения знаний в зтой области и повышения надежности радиопрогнозов.
Известны различные прогностические модели ионосферы: теоретические, эмпирические и полуэмпирические. Теоретические модели требуют больших вычислительных затрат как по ресурсам, так и по времени расчета. Поэтому они мало пригодны для реализации в автоматической системе прогнозирования. От этого недостатка не свободны и полуэмпирические модели, хотя они сочетают в себе достоинства теоретических и эмпирических моделей. Поэтому в послед-
нее время в прогнозировании большое распространение получили эмпирические модели ионосферы.
Наиболее распространенным является проект [R1 (International Reference Ionosphere) — международный справочник ионосферы |1-3]. Спонсируемый крупнейшими исследовательскими центрами, этот справочник представляет собой эмпирическую модель ионосферы, построенную па Основе данных из таких источников, как международная сеть специальных ионозондов для изучения ионосферы, мощных радаров некогерентного рассеяния, спутников, предназначенных для изучения ионосферы, и многих других. Данные в модели 1R[ обновляются ежегодно, IR[ позволяет пакетно выгружать большие объемы информации в удобном виде, что дает возможность использовать их для проведения вычислений в различном стороннем программном обеспечении. Сама модель IR1 написана на языке фортран и распространяется свободно вместе с исходными кодами и справочниками.
Механизм распространения радиоволн в ионосфере (многокомпонентной плазме) весьма сложен. Под действием радиоволн в ионосфере возникают как вынужденные колебания электронов и ионов, так и различные виды коллективных собственных колебаний. В зависимости от частоты радиоволны, основную роль играет то один то другой вид колебаний, что объясняет различные свойства ионосферы для различных диапазонов волн. Например, при высокой частоте в распространении радиоволн принимают участие только электроны.
Ионосфера состоит из нескольких слоен. При этом наиболее интересные перепады электронной концентрации отмечаются на высотах от 90 до 400 км. На высотах от 60 до
Рис.3. 16 МГц, радиотомография
Рис. 4. 16 МГц, модель 1К1
Посмотрим, что изменится ири переходе к 16 МГц
Многие волны, очевидно, будут распространяться внут- (рис. 7 и 8). Полностью потеряна сложная структура нижних
риионосферно, пока не покинут пределы аномалии, и лишь участков слоя ¥2, характер распространения передается
потом могут быть отражены на землю, в то время как по- крайне неточно. Однако поразительным образом некоторые
добные нюансы не получают отражения в На рис. 3 в углы места дают хорошее согласование для обеих моделей,
правой части видно возникновение канализированного рас- Тем не менее, это исключение из правил, лишний раз пока-
просгранения, отсутствующего на рис. 4. зывающее, что при желании можно подобрать такие данные,
при которых модель будет верно повторять результаты экс-
2. Дата: 07.10.1994, время 07:401!Т, перимеита. диапазон широт от 11,69 до 30,39 градусов. На рис. 5 и 6 сопоставлены модели для частоты 7 МГц.
Для этой области ионосферы характерна практически пол- 3. Дата: 18.10.1994, время 07:1 ОПТ,
пая потеря корреляции картины распределения электронной диапазон широт от 10.92 до 30.47 градусов,
концентрации. Лишь отражение распределения высот слоев Как и в предыдущих случаях на рис. 9 и 10 сопоставлены
с различной степенью ионизации можно назвать передан- результаты траекторных расчетов для частоты 7 МГц.
иым условно верно. Все нюансы в модели ¡11! полностью Следует отметить, что согласно данным радиотомогра-
исчезли. В зависимости от угла места точность прихода фии (в отличие от модели 1К1) экваториальная аномалий
лучевых траекторий гуляет в очень широких пределах. крайне несимметрична.
Рис,7. 16 МГц, радиотомографкя
Рис.8. 16 МГц, модель Ш
Рис. 9. 7 М1 ц, радиотомография
Рис. 10. 7 МГц, модель 1Ш
Чем выше угол места тем выше точность модели при траекторных расчетах. Однако, с уменьшением угла места расхождение результатов расчета, полученных по разным моделям, растет.
Рис» 11, 16 МГц, радиотомография
Рис. 12. 16 МГц, модель IИ [
Рассмотрим ситуацию с 16 мегагерцовой волной. Экспериментальные данные (полученные методом радиотомографии) показывают крайне интересное внутриионосферное мкогоскачковое распространение внутри нижней части слоя ¥2 для волны в 16 МГц, Для определенных углов места (достаточно больших) модель 1Ш пригодна для расчетов. Однако с уменьшением угла места увеличивается сложность характера распространения волн, что делает модель практически непригодной для траекторных вычислений при отсутствии дополнительной коррекции.
Зона экваториальной аномалии - настоящее испытание для эмпирических моделей, и они показывают определенно недостаточную точность относительно экспериментальных данных. Тем не менее, зачастую из-за отсутствия экспериментальных данных, и для некоторых частот и углов места для грубой оценки вполне можно использовать данные эмпирических моделей, однако многие интересные нюансы распределения электронных концентраций в данном случае будут недоступны.
1. Bilitza £>., McKimell L.-A., Reinisch В.. Fuller-Rowel! Т. Tlic International Reference Ionosphere (IRI) today and in the future // J. Geodesy, 85:909-920, DO! 10.1007/s00190-010-0427-x, 2011.
2. Bilitza D., Brown Steven A., Wang Matthew Y., Souza Jonas R,. Roddy Patrick A., Measurements and IRI Model Predictions during the Recent Solar Minimum // J. Atmos. Solar-Terr. Rhys., V. 86. P. 99106, doi:10.1016/j.jastp.2012,06.010, 2012.
3. Bilitza D. IRI - International Reference Ionosphere // NASA/GSFC, Heliospheric Physics Lab., Code 672, Greenbelt, Maryland 20771 and Space Weather Lab., George Mason University, Fairfax, Virginia http://iri.gsfc.nasa.gov.
4. Andreeva E.S., Franks S.J., Kimitsyn V.E., Yeh K.C. Some features of [lie Lquatorial Anomaly revealed by Ionospheric Tomography, Geophysical Research Letters, Vo!.27, No 16, P. 2465-2468. 2000.
5. Franke S.J., Yeh K.C., Andreeva E.S., Ktmitsyn V.E. A study of the equatorial anomaly ionosphere using tomographic images, Radio Science, 2003, v. 38, No. I, pp. 1011-1020.
6. Андреева E.C., Крюковский А.С,. Куницын B.E.. Лукин Д.С.. РастягаееД.В.. Кирьянова КС. Распространение радиоволн // Сб.докл. XXIII Всероссийской научной конференции. (23-26 мая
2011; Йошкар-Ола) /Йошкар-Ола: Марийским государственный технический университет, 2011. Т.З. - С. 288-291.
7. Куницын В.Е.. Е.Д.Терещенко. Е.С.Андреева. Радиотомография ионосферы. - М.: Фнзматлнт, 2007. - 345 с.
8. Kimitsyn V.E., Andreeva E.S.. Franke S.J., Yeh K.C. Tomographic investigations of temporal variations of the ionospheric electron density and the implied fluxes // Geophysical Research Letters, 2003, V.30, No. 16, pp. 1851-1854.
9. Крюковский A.C., Лукин Д.С., Растягаее Д.В. Исследование особенностей распространения коротких радиоволн в неоднородной анизотропной ионосфере // Электромагнитные волны и электронные системы, 2009. Т. 14. № 8. - С. 17-26.
10. Крюковский A.C.. Лукин Д.С.. Растягаее Д.В. Математическое моделирований распространения радиоволн в анизотропной неоднородной ионосфере // Весгаик Российского нового университета. Серия «Управление, вычислительная техника и информатика».-М.: РосНОУ, 2009. Выпуск 2.-С. 7-14.
11. Крюковский A.C., Лукин Д.С., Растягаее Д.В. Моделирование лучевой к каустической структуры электромагнитных полей но данным радиотомографии ионосферы в окрестности экваториальной аномалии // Электромагнитные волны п электронные системы. 2010. Т. 15, № 8.-С. 5-11.
12. Крюковский A.C.. Лукин Д.С., Растягаее Д.В. Исследование влияния локальных н еод но род н остей ионосферной плазмы на распространение коротких радиоволн // Вестник Российского нового университета. Серия «Управление, вычислительная техника и информатика». - М,: РосНОУ, 2010. Выпуск 3. - С. 17-25.
13. Крюковский A.C., Кирьянова КС. Особенности лучевого распространения радиоволн в окрестности экваториальной аномалии. // Электромагнитные волны и электронные системы, 2011, № 8. - С, 21-24,
14. Крюковский A.C. Особенности каустической и лучевой структур отражённых волн в линейном плазменном слое // Радиотехника и электроника, 2012. Т.57. №3, - С. 271-280.
15. Крюковский A.C.. Лукин Д.С., Кирьянова КС. Метод расширенной бнхарактеристическоЙ системы при моделировании распространения радиоволн в ионосферной плазме. // Радиотехника и электроника. - М.: Наука. 2012.Т.57. №9.-С. 1028-1034.
16. Kiryanova KS., Kryukovsky A.S., Lukin D.S. Simulation of decametric wave propagation un the ionospheric plasma. // Revista de Matcmatica. Tcoria y Aplicaciones, 2013. V. 20. № 1. P. 21-34.
17. Бутримов MA., Крюковский A.C., Лукин Д.С. Сопоставление результатов численного моделирования распространения радиоволн на основе модели ионосферы Земли, основанной на данных радиотомографии, и модели IR1 // Вестник Российского нового университета. Серия «Управление, вычислительная техника и информатика». - М.: РосНОУ, 2013. Выпуск4.-С. 7-11.
Заключение
Литература
Research of distinctions between results of numerical modeling of ray structure of radiowaves at use of the data received with the help of experiments and from empirical ionospheric model IRI
Kryukovsky A.S., doctor of physical and mathematical sciences, professor, dean of faculty of information systems and computer technologies,
Russian New University
Lukin D.S., doctor of physical and mathematical sciences, professor, Moscow Institute of Physics and Technology (SU) Butrimov MA, post-graduate student, Russian New University
Abstract
A number of calculations (in Wolfram Mathematica computer math system) directed on study of the following question is made: whether the empirical ionospheric models are suitable as sources given, ray structures, used for construction, of radiowave propagation. As a basis for researches the data about electronic concentration received by an experimental way by a method radio tomography fnd with the help of the model IRI for the same district and moment of time were chosen. It was important to choose not so ordinary place in terms of electronic concentration density. So the so-called zone of equatorial anomaly was chosen. In this particular zone local maximum of ionization in E and F1 layers is in solarized area. But in F2 layer things changed dramatically. Electronic concentration in F2 layer increases closer to the low altitudes, without any correlations to the solarized area. Nevertheless, local minimum still exists strongly above the equator. The calculations have shown, that the empirical models demonstrate acceptable accuracy in the zones which have been not subject to anomalies. However in a zone of equatorial anomaly of distribution of areas of high and low electronic concentration, the results received with the help of model IRI sometimes essentially missed results received on experimental data. Thus it is necessary to note, that the general picture of radiowave propagation remained similar on the data from both methods, however in case of use of the empirical data disappeared many interesting nuances of a picture of propagation. Is shown, that on the basis of model IRI the construction of the authentic forecasts of a radio communication is not always possible, and the updating of models by experimental data is necessary, most perspective of which is the radio tomography method.
Keywords: bi-characterislic system, modef IRI, radio tomography, ionosphere, propagation of radiowaves, ray structures, trajectory.
References
1. Bilitza D, McKinnell L.-A, Reinisch B, Fuller-Rowell T. (2011) The International Reference Ionosphere (IRI) today and in the future, J. Geodesy, 85:909-920, DOI 10.1007/s00190-010-0427-x
2. Bilitza D, Brown Steven A., Wang MatthewY., Souza Jonas R, Roddy Patrick A (2012), "Measurements and IRI Model Predictions during the Recent Solar Minimum," J. Atmos. Solar-Terr. Phys., V! 86. pp. 99-106, doi:10.1016/j.jastp.2012.06.010.
3. Bilitza D. "IRI - International Reference Ionosphere", NASA/GSFC, Heliospheric Physics Lab., Code 672, Greenbelt, Maryland 20771 and Space Weather Lab., George Mason University, Fairfax, Virginia http://iri.gsfc.nasa.gov/.
4. Andreeva E.S., Franke SJ, Kunitsyn VE, Yeh K.C. (2000) "Some features of the Equatorial Anomaly revealed by Ionospheric Tomography", Geophysical Research Letters, Vol.27, No 16, pp. 2465-2468,
5. Franke SJ, Yeh K.C., Andreeva E.S., Kunitsyn V.E. (2003) "A study of the equatorial anomaly ionosphere using tomographic images", Radio Science, v. 38, No.1, pp.1011-1020.
6. Andreeva E.S., KrukovskyA S, Kunitsin V.E, Lukin D.S., Rastegaev D.V., Kyrianova K.S. (2011) "Modeling of radiation and caustic structure of electromagnetic fields according to tomography of the ionosphere in the vicinity of the equatorial anomaly." Radiowave propagation, XXIII Russian scientific Conference, pp. 288-291
7. Kunitsin V.E, Tereshenko E.D., Andreeva E.S. (2007) "Atmosphere radiotomography", Phismatlit.
8. Kunttsyn V.E, Andreeva E.S, Franke SJ., Yeh K.C. (2003) 'Tomographic investigations of temporal variations of the ionospheric electron density and the implied fluxes", Geophysical Research Lelters,V30, No.16, pp. 1851-1854.
9. Krukovsky AS, Lukin D.S., Rastegaev D.V. (2009) "The study of the propagation of short radio waves in an inhomogeneous anisotropic ionosphere", Electromagnetic waves and electronic systems, No. 8, pp. 17-26.
10. Krukovsky A.S., Lukin D.S., Rastegaev D.V. (2009) "Mathematical modeling of radiowave propagation in anisotropic inhomogeneous ionosphere." RosNOU News, No. 2 pp. 7-14
11. Krukovsky AS, Lukin D.S., Rastegaev D.V., (2010) "Modeling of radiation and caustic structure of electromagnetic fields according to tomography of the ionosphere in the vanity of the equatorial anomaly." Electromagnetic waves and electronic systems, No. 8, pp. 5-11
12. Krukovsky AS, Lukin D.S, Rastegaev D.V., (2010) "Research of influence of local inhomogeneities of ionospheric plasma on the propagation of short radio waves." RosNOU News, No. 3 pp. 17-25
13. Krukovsky AS, Kyrianova K.S, (2011) "Features of radiation propagation in the vcinity of the equatorial anomaly.", Electromagnetic waves and electronic systems, No. 8, pp. 21-24
14. KrukovskyAS., (2012) "Features of caustic and radiation patterns of the reflected waves in the linear plasma layer.", Radiotechnic and electronic No.3, pp. 271-280
15. Krukovsky AS, Lukin D.S., Kyrianova K.S, (2012) "Method of extended bicharacteristic system lor modeling propagation in the ionospheric plasma.", Radiotechnic and electronic No.9, pp. 1028-1034
16. Kiryanova K.S, Kryukovsky AS, Lukin D.S. (2013) "Simulation of decametric wave propagation in the ionospheric plasma." Revista de Matematica. Teoria y Aplicaciones,. No. 1. pp. 21-34.
17. Butrimov MA., Krukovsky AS, Lukin D.S., (2013) "Comparison of the results of numerical modeling of radio waves propagation based on the ionosphere model of the Earth, based on the data of radio tomography, and the IRI model." RosNOU news, No 4, pp. 7-11.
