CC BY
76
В.А. Иванов1, Л.В. Лыонг2, A.M. Насыров2, Н.В. Рябова1
'Марийский государственный технический университет, Йошкар-Ола
[email protected], [email protected] 2Казанский государственным университет, Казань [email protected], [email protected]
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИОНОГРАММ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПЕРЕМЕЩАЮЩИХСЯ ИОНОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СУТОЧНЫЕ ХОДЫ МАКСИМАЛЬНО НАБЛЮДАЕМЫХ ЧАСТОТ
В работе представлены результаты численного моделирования влияния перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) на МНЧ. Приведены модельные ионограммы наклонного зондирования на протяженных радиолиниях. Результаты моделирования сравниваются с экспериментальными данными, полученными методом зондирования с использованием линейно-частотной модуляции (ЛЧМ) сигнала.
Введение
Одним из важных параметров, определяющих возможности коротковолновой радиосвязи через ионосферу, является максимально наблюдаемая частота (МНЧ). Известно, что особенность ионосферы приводит к изменениям в суточных ходах МНЧ декаметровых линий связи.
Изменчивость и неоднородность ионосферы обусловлена различными процессами, один из них связан с прохождением в ионосфере внутренних гравитационных волн, вызывающих эффект перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ). Последние приводят к вариациям МНЧ радиолиний. ЛЧМ ионозонд позволяет исследовать влияние этих эффектов на характеристики радиолиний.
Существует проблема интерпретации натурных экспериментальных данных, связанная с необходимостью решения обратных задач наклонного зондирования ионосферы.
Цель работы
• Разработка методики моделирования ионограмм наклонного зондирования (НЗ) ионосферы и суточных ходов МНЧ с учетом ПИВ.
• Исследование связи между характеристиками остаточной компоненты СХ МНЧ и параметрами ПИВ.
• Интерпретация данных натурных экспериментов по наклонному зондированию ионосферы с использованием результатов модельных экспериментов.
Задачи исследования
• Построение метода синтеза ионограмм наклонного зондирования (НЗ) ионосферы с учетом ПИВ;
• Построение метода разделения суточных ходов МНЧ на регулярную и остаточную (случайную) компоненты;
• Выделение связи между характеристиками остаточной компоненты СХ МНЧ и параметрами ПИВ с использованием метода синтеза ионограмм;
• Анализ связи между модельными и натурными ионограммами для оценки эффективности метода моделирования. Интерпретация данных натурных экспериментов по наклонному зондированию ионосферы.
Методика моделирования ионограмм наклонного зондирования ионосферы и суточных ходов максимально наблюдаемых частот с учетом перемещающихся ионосферных возмущений
Для проведения вычислительного эксперимента были выбраны математические модели как для профиля электронной концентрации ионосферы, так и для распространения радиоволн. Модель профиля электронной концентрации, учитывающая как регулярную, так и нерегулярную составляющие, задавалась в виде (Афраймович, 1982; Фаткуллин, 1981):
ЗД) = 1 + ЛГи(А)) , (1)
где N (И) - регулярная составляющая профиля, Ин (й) = ехр(- (/г —/гс)2/г^)- 8ш(2яй II) - его нере-
N
гулярная составляющая, 8Ы = АЫ/Ы - вариация электронной концентрации, И. - высота стратификации перемещающихся ионосферных возмущений, 2т - диапазон стратификации, I - вертикальный масштаб перемещающихся ионосферных возмущений.
Параметры ионосферы получены из международной статистической модели Ш1, позволяющей рассчитывать профиль электронной концентрации для любой точки на Земле при заданных: сезоне, времени суток, активности Солнца и геомагнитной активности.
Для расчета МНЧ радиолинии решалось волновое уравнение в приближении геометрической оптики для сферически симметричной ионосферы. Использовались теоремы эквивалентности (Дэвис, 1973), когда за основу брались результаты расчетов характеристик вертикального зондирования, которые затем по полученным формулам, положенным в основу алгоритма расчета МНЧ, пересчи-тывались на наклонное распространение:
f Н f I
научно-технический журнал
I еоресурсы 2 (19) 2006
Щ
с
1-COi
D
1+-
™ • D
2/csin— 2Rs
ств+Щ
1—cos
D_
(4)
где/ - критическая частота вертикального распространения, т - задержка вертикального распространения, Б -протяженность трассы, / - МНЧ эквивалентного наклонного распространения, тн - задержка эквивалентного наклонного распространения, в ~ Ии
и
= — I-(со-п(Н.а>))сИг = — I—
с1ю
h h т(Л = ^Г = - ]-^{co-n{h,co))dh = - J-
с q аса с J1
В этой работе разработана дискретная модель наклонного распространения КВ радиоволн в ионосфере, основанная на теоремах эквивалентности (Дэвис, 1973).
Вычислительные эксперименты по исследованию вариаций МНЧ радиолиний были проведены для сети радиолиний, представленных в табл. 1. Расчеты охватытали разные сезоны одного периода активности Солнца (11 лет) с 1994 по 2005 годы. Исследовался главный (односкачко-вой) мод распространения декаметровых радиоволн в ионосфере (мод 1¥).
Результаты исследования
Предполагалось, что суточные ходы МНЧ заданы последовательностью, содержащей как регулярную, так и остаточную компоненты:
u{t) - иг (/) + и (У)
(4)
где иг (У) - регулярная компонента суточныгх ходов МНЧ; и (У) - остаточная компонента суточных ходов МНЧ.
Суточные ходы МНЧ разделялись методом фильтрации низких частот, с частотой среза 8 - 10 ¥ф, на регулярную и остаточную компоненты (Иванов и др., 2004). Для исследования зависимости вариаций остаточной компоненты су-
мг ц
/
/ \
i / \
■v У
Рис. 3. Зависимость суточных вариаций остаточной компоненты1 МНЧ радиолиний Иркутск -Йошкар-Ола от уровня солнечной актив-
o{u(t)}, МГц 1.5
1.25 1
0.75 0.5
1 1 1 1 _ г = 0.83 -1-++ _ 1 1 1 _ г = 0.86 i i
■И-
1 1 1 1 i i i 1 1
0 30
60 90 120 R12
50 75 100 125J50 175 F10.7
ности за период с 1994 по 2005г.
лето 1999
L I \ М > I
•: I
лето 2000 .
М
1 i • 1 *
w -L
0 4 8 12 16 20 24
3:00 7:00 11:00 15:00 19:00 23:00 3:00
0 4 8 12 16 20 24
3:00 7:00 11:00 15:00 19:00 23:00 3:00
0 4 8 12 16 20 UTC
3:00 7:00 11:00 15:00 19:00 23:00 |_J
Рис. 1. Пример модели СХ МНЧ радиолинии Кипр - Йошкар-Ола и результаты,I разделения СХ МНЧ.
ст{и(г)}, М1ц 2.5
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 амплитуда ПИВ 814, (х100%)
Рис. 4. Связь между амплитудой перемещающихся ионосферные возмущений и летними вариациями остаточной компоненты,I суточныгх ходов МНЧ радиолинии Кипр - Йошкар-Ола.
точных ходов МНЧ от времени суток использовался метод скользящего временного окна с перекрытием 50% ^^^ = 0.5 ) и апертурой, равной 3 часам ( Зч. ). Исследовалась зависимость вариаций остаточной компоненты суточных ходов МНЧ от времени суток. В качестве характеристик использовались математическое ожидание (ц) и стандартное отклонение (а).
Пример модели СХ МНЧ радиолиний г. Кипр - г. Йошкар-Ола (2600км), полученный с использованием модели 1Ш и программы, разработанной по вышеприведенному методу, представлен на рис. 1. Показан результат разделения СХ МНЧ на регулярную и остаточную компоненты с помощью цифрового метода, реализующего фильтр низких частот (ФНЧ) с прямоугольным окном.
Результаты исследования характеристик стандартного отклонения остаточной компоненты суточных ходов МНЧ (/)}) для весеннего времени, полученные для радиолинии Кипр - Йошкар-Ола (2600 км), представлены на рис. 2. Аналогичные зависимости имеют место и для других радиолиний. Их анализ позволяет сделать следующие обобщающие заключения:
• весной, осенью и зимой суточные вариации остаточной компоненты суточных ходов МНЧ выше днем, чем ночью;
• летом разница между вариациями остаточ-
Р
0.3
0.2
0.1
0 3 6 9 12 15 18 21 0 3 6 9 12 15 18 21 0. 3 6 9 12 15 18 21 24
3:00 9:00 15:00 21:00 3:00 9:00 15:00 21:00 ?:00 9:00 15:00 21:00 ЬТ
Время, ч
Рис. 2. Суточным вариации стандартного отклонения остаточной компонентыI суточныгх ходов МНЧ радиолинии Кипр - Йошкар-Ола для весеннего времени.
Т
^т эмпирическое
распр. .- - нормальное распр.
)С2= 2.023 / in »«I = 7.82/
°-4 -2 0 2 МГц 4
Рис. 5. Нормальныш закон распределения остаточной компонентыI СХ МНЧ в разное время.
2 (19) 2006
научно-технический журнал
Георесурсы
ной компоненты суточных ходов МНЧ в течение суток менее выражена;
• вариация остаточной компоненты суточных ходов МНЧ достигает максимума в периоды около полудня, восхода и захода Солнца. Минимум вариации имеет место в моменты времени 22:00 - 4:00 ЬТ, т.е. сразу после захода и до восхода Солнца.
Результаты моделирования суточных ходов МНЧ на разных радиолиниях за период 1994 - 2005 г. обнаруживают почти линейные зависимости (ст{и(/)}) от среднего числа солнечных пятен (В12 ), среднего значения солнечной радиации (^10 л). Для радиолинии Иркутск - Йошкар-Ола такая зависимость показана на рис. 3. Аналитически их можно представить следующей формулой:
о-АМя) = а0Мя +4, (0 < < 150) (5)
) = Ъфр + ¿1, (50 < цр < 200) (6)
где <ге -сг{и{{)}, =Я\2 и =^10 7, а. , Д - константы.
Исследовалась связь между вариациями остаточной компоненты суточных ходов МНЧ и характеристиками перемещающихся ионосферных возмущений. Результаты исследований, проведенных для всех радиолиний в разное время суток, указывают на линейную возрастающую зависимость вариации остаточной компоненты суточных ходов МНЧ от амплитуды перемещающихся ионосферных возмущений. Кроме этого, вариация остаточной компоненты суточных ходов МНЧ из-за перемещающихся ионосферных возмущений днем (7:00 - 19:00 ЬТ) выше, чем ночью (19:00 - 07:00 ЬТ). Это объясняется более высокой дневной электронной концентрацией в ионосферном ^-слое.
На рис. 4 показаны функциональные зависимости вариации остаточной компоненты суточных ходов МНЧ с амплитудой перемещающихся ионосферных возмущений для радиолинии Кипр - Йошкар-Ола в летное время.
Результаты исследования показывают, что вариации остаточной компоненты суточных ходов МНЧ, вызванные влиянием перемещающихся ионосферных возмущений, выше в полуденное время (10:00 - 14:00 ЬТ) и ниже ночью. Такая зависимость от времени суток проявляется в большей степени в периоды высокой солнечной активности (1999 - 2003 г.).
Математический анализ позволил установить связь между вариацией остаточной компоненты суточных ходов МНЧ (ст{м(/)}) и амплитудой перемещающихся ионосферных возмущений (Ш) в форме полинома четвертой степени:
аШ} = Р{5М) = ^апЩ)п (7)
1 1 и=0 где Ю"1 <5Ы< 5-10
Полученные теоретические результаты представляют основу методики интерпретации результатов наклонного зондирования радиолиний большой протяженности и позволяют сформулировать методику измерения характеристик перемещающихся ионосферных возмущений по данным об остаточной компоненте суточных ходов МНЧ, определенным из результатов НЗ радиолиний с помощью ЛЧМ ионозонда.
Далее, представлена интерпретация результатов натур-
ного эксперимента путем сопоставления их с данными проведенных в работе теоретических исследований. С использованием критериев Стьюдента, Дарбина-Уотсона, Пирсона доказан случайный характер остаточной компоненты натурных суточных ходов МНЧ для радиолиний с протяженностью 2,6 - 5,7 Мм. На рис. 5 представлен нормальный закон распределения остаточной компоненты СХ МНЧ для радиолинии Инскип - Йошкар-Ола.
Обнаружена корреляция мощности остаточной компоненты суточных ходов МНЧ разных модов распространения радиоволн в ионосфере с уровнем геомагнитной активности, иллюстрацией которой является рис. 6. На нем показана зависимость мощности (дисперсии - с {и (/)} ) остаточной компоненты суточных ходов МНЧ мода 1Б от уровня геомагнитной активности. Видно, что в области частот 5 - 28 Еф с ростом возмущенности увеличивается мощность остаточной компоненты.
Результаты анализа показали, что для спокойных дней полоса частот остаточной компоненты, имеющей связь с уровнем геомагнитной активности, превышает 40 Еф, а для возмущенных дней меньше 40 Еф. В частотных областях 10 - 16 Еф и 22 - 28 Еф были выделены периодические составляющие остаточной компоненты суточных ходов МНЧ с амплитудами ~ 0.2 - 1 МГц, которые согласно полученным результатам теоретических исследований обусловлены перемещающимися ионосферными возмущениями с периодами ~1 - 3 часа. Исследование вариаций текущего спектра остаточной компоненты суточных ходов МНЧ позволили выделить «восходно-заходные» эффекты, которые выражаются в значительных изменениях спектральных амплитуд и расширении полосы в область высоких частот в периоды восхода (4:00 - 8:00 ЬТ) и захода (16:00 - 20:00 ЬТ) Солнца по местному времени (ЬТ).
На рис. 7 представлены спектры остаточной компоненты суточных ходов МНЧ радиолиния Инскип - Йошкар-Ола в периоды разной геомагнитной активности. Видно, что с увеличением геомагнитной возмущенности амплитуда синусоидальных составляющих растет, а занимаемый ими диапазон расширяется в область высоких частот. Это означает, что в области терминатора возбуждаются перемещающиеся ионосферные возмущения, амплитуда и частотный диапазон которых увеличиваются с ростом геомагнитной активности. Оценены амплитуды перемещающихся ионосферных возмущений для восходного и заходного времени.
Результаты проведенных комплексных исследований свидетельствуют о том, что остаточная компонента суточных ходов МНЧ является чувствительным индикатором состояния космической погоды на уровнях верхней атмосферы Земли. В этой связи в работе предположен подход в исследовании одновременного влияния на дальнее распространение декаметровых радиоволн перемещающихся ионосферных возмущений, а также методика мониторинга ионосферы в областях отражения сверхширокополосных зондирующих ЛЧМ сигналов на дальних декамет-ровых радиолиниях.
Заключение
1. Разработаны новые методики: интерпретации данных наклонного зондирования ионосферы с помощью ЛЧМ ионозонда, позволяющая в остаточной компонен-
научно-технический журнал
I еоресурсы 2 (19) 2006
Рис. 6. Мощность остаточной компоненты суточных ходов МНЧ мода Ш трассы Инскип - Йошкар-Ола.
2 11.09Кр=1.9, Ар=9, Dst=6nT
те суточных ходов МНЧ радиолинии выделять эффекты влияния перемещающихся ионосферных возмущений; измерения характеристик перемещающихся ионосферных возмущений по экспериментальным данным об остаточной компоненте суточных ходов МНЧ.
2. Получены экспериментальные и математические функциональные зависимости между характеристиками остаточной компоненты суточных ходов МНЧ и основными параметрами перемещающихся ионосферных возмущений. Установлена их связь с уровнем солнечной активности и оценены параметры перемещающихся ионосферных возмущений.
3. Получены зависимости мощности остаточной компоненты суточных ходов МНЧ двух мод 1¥ и 2¥ от уровня геомагнитной активности и определены полосы частот, для которых остаточная компонента в большей степени связана с уровнем геомагнитной активности.
4. Обнаружены «восходно-заходные» эффекты в уровне и частотном диапазоне остаточной компоненты суточных ходов МНЧ на среднеширотных радиолиниях и высокоширотной радиолинии и определена их связь с уровнем геомагнитной активности.
5. На основе анализа остаточной компоненты суточных ходов МНЧ предположен подход в исследовании одновременного влияния на дальнее распространение дека-метровых радиоволн перемещающихся ионосферных воз-
Владимир Алексеевич Иванов д.ф-м.н., профессор, засл. деятель науки, академик Меж. академии технологической кибернетики и Нью-Иорк-ской АН, проректор Марийского гос. технического университета по научной работе. Круг научных интересов: исследование распространения в ионосфере широкополосных радиосигналов, разработка новых принципов диагностики ионосферы и ионосферных каналов КВ-связи.
'о "О "ф 10.12.04
0
МГц fc LT 14.12.04 Время, ч.
_.
; ;'! ■!11 Ц7
A J::!va
тЯШ ш ги 1
Лыонг Вьет Лок
аспирант Казанского государственного университета. Круг научных интересов: цифровая обработка сигналов, моделирование ионосферы, зондирование ионосферы.
%
ЧО Ч? 10.12.04
у> % 1
11.12.04
Ь ^о 12.12.04
%
'О ЧО 'J0 13.12.04
Ъ
о
МГц
О и
14.12.04 Время, ч.
Рис. 7. Спектры остаточной компоненты суточных ходов МНЧ радиолиния Инскип - Йошкар-Ола, полученные в период с 10.09.2001 по 14.09.2001.
мущений, а также методика мониторинга ионосферы в областях отражения сверхширокополосного зондирующего ЛЧМ сигнала.
Литература
Афраймович Э.Л. Интерференционные методы радиозондирования ионосферы. М. Наука. 1982.
Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. М. Мир. 1973.
Иванов В.А, Лыонг Вьет Лок, Насыров А.М, Рябова Н.В. Фильтрация случайной компоненты суточных вариаций максимально наблюдаемых частот дальних ионосферных радиолиний. Десятая международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь». Воронеж, 04.2004. Т. 2. 1129-1139.
Фаткуллин М.Н., Зеленова Т.И., Козлов В.К. и др. Эмпирические модели среднеширотной ионосферы. М. Наука. 1981.
Альберт Махмутович Насыгров д.ф.-м.н., профессор, заслуженный деятель науки РТ, зав. кафедрой радиоэлектроники КГУ, действительный член Межд. академии информатизации РТ и академии естествознания РФ. Круг научных интересов: физика неоднородной ионосферы, ионосферное распространение радиоволн в естественных и искусственно-возмущенных условиях, метеорные явления в атмосфере Земли, электроника.
Наталья Владимировна Рябова д.ф.-м.н., зав. кафедрой радиотехники и связи МарГТУ. Круг научных интересов: статистическая теория радиосвязи, прогнозирование, моделирование и диагностика ионосферных радиолиний.
2 (19) 2006
^ научно-техническим журнал
Георесурсы
