CC BY
32
УДК 621.396.932:639.2.061
РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНЫХ РАБОЧИХ ЧАСТОТ МОРСКОЙ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ РАДИОСВЯЗИ РЫБОПРОМЫСЛОВЫХ СУДОВ НА ОСНОВЕ ЭМПИРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИОНОСФЕРЫ
Анд. И. Кулинич
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003
e-mail: [email protected]
Показано, что расчет оптимальной рабочей частоты для ВЧ радиосвязи целесообразно проводить на основе эмпирической модели ионосферы. Следует принимать во внимание, что на состояние ионосферы оказывают влияние не только солнечная активность, но и мощные электромагнитные излучения с поверхности Земли.
Ключевые слова: рабочая частота, амплитуда, модель, ионосфера, частота.
Calculation of optimal operating frequencies of marinehigh-frequency fishing vessels radio communication on the basis of ionosphere empirical models. And. I. Kulinich (Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003)
It is shown that the calculation of the optimum working frequency for HF radio communications would be appropriate on the basis of an empirical model of the ionosphere. It should be taken into account that the state of the ionosphere is influenced not only by solar activity, but also by the powerful electromagnetic radiation from the surface of the Earth.
Key words: working frequency, amplitude, pattern, ionosphere, frequency.
В морском районе А4 ГМССБ ВЧ радиосвязь является единственным средством дальней связи, так как спутниковая система связи «Инмарсат» на широтах более 70° не работает.
Задача выбора оптимальной рабочей частоты в ВЧ диапазоне, выделенном для морской радиосвязи, является важнейшей. При неправильном выборе частоты радиосвязь не будет установлена из-за отсутствия отражений сигнала от слоев ионосферы и из-за потери мощности сигнала в этих слоях.
Текущее состояние ионосферы зависит прежде всего от солнечной активности и определяется концентрацией электронов в ионосфере. Задача выбора частоты может быть решена корректно, если используемая модель ионосферы адекватно отражает ее реальное состояние.
Существует большое число моделей ионосферы разной точности, которые разработаны разными группами специалистов. В России модели ионосферы разрабатываются в ИЗМИРАН. Каждая из моделей имеет характерные особенности, которые позволяют решать определенный круг задач, в частности задачи ВЧ радиосвязи.
Любая модель должна обладать глобальностью, адекватностью, возможностью учета возмущенного состояния ионосферы и способностью определять ее состояние в будущем времени. Адаптивность модели - это возможность ее коррекции по вновь полученным экспериментальным данным.
Модель ионосферы, используемая для радиосвязи, должна решать задачу определения максимальных применимых частот для данной трассы в заданное время. Если максимальная применимая частота (МПЧ) определена, то оптимальная рабочая частота выбирается из соотношения/р <(0,8...0,9)fMm .
Частотное окно между максимальными и минимальными значениями применимой частоты определяет диапазон частот, который может быть использован для радиосвязи. За пределами этого диапазона радиосвязь может отсутствовать.
Частотных окон со значениями максимальных применимых частот может быть несколько, обычно до четырех - по числу отражающих слоев ионосферы: D, E, F1, F2.
Адекватная модель ионосферы наряду с максимальными применимыми частотами позволяет определить величину затухания сигнала на трассе распространения, число отражений от слоев ионосферы для данной трассы радиосвязи, изменение уровня сигналов в месте приема (явление замирания).
Наиболее совершенной и точной является разработанная международным сообществом глобальная модель ионосферы GTIM (Global Theoretical Ionospheric Model). Эта модель построена на основе физической и химической теорий о структуре ионосферы, о процессах, протекающих на высотах 5...2500 км. Модель позволяет рассчитать кривизну траектории луча при прохождении через неотражающие и отражающие слои ионосферы, потери мощности в слоях, напряженность поля сигнала в месте приема и пр.
Для работы с этой моделью требуются суперкомпьютеры. Лишь при этом условии возможны расчеты в режиме реального времени. Модель GTIM используется научно-исследовательскими центрами, занимающимися проблемными разработками.
Гибридные полуэмпирические модели проще, так как громоздкие соотношения, используемые в теоретической модели, заменены на эмпирические коэффициенты. Эти коэффициенты должны непрерывно уточняться на основе текущих экспериментальных данных. Однако эти упрощения не позволяют намного снизить требования к вычислительным ресурсам. Полуэмпирические модели используются для обеспечения радиосвязи между магистральными пунктами: крупными
городами, стационарными центрами.
Для обеспечения мобильной радиосвязи, в частности, между судами используются эмпирические модели ионосферы, в которых конечное число переменных параметров представляется в виде функций. Коэффициенты этих функций определяются на основе статистики многолетних наблюдений, охватывающих несколько 11-летних циклов солнечной активности с солнечными вспышками - возмущениями. В этой модели особое место занимают отражающие слои ионосферы D, E, F1, F2, высота этих слоев, значения критических частот для каждого слоя. Все параметры эмпирической модели представлены в виде функций от времени.
В настоящее время наиболее законченной и динамично развивающейся эмпирической моделью ионосферы является медианная глобальная модель IRI (International Reference of Ionosphere - международная модель ионосферы). Термин «медианный» означает, что любой параметр модели с одинаковой вероятностью может отличаться от приведенной величины в большую или меньшую сторону. Степень отклонения определяется законом распределения вероятности величины этого параметра. Последняя версия модели IRI опубликована в 2001 г. как «Международная справочная модель ионосферы IRI-2001, предназначенная для долгосрочного и оперативного прогнозирования условий распространения дециметровых волн».
В г. Обнинске (Россия) разработана версия модели IRI, которая известна как «Справочная модель ионосферы» - СМИ-83. Более поздние версии этой модели СМИ-85, 88 описывают глобальную ионосферу для всех уровней солнечной активности. Однако работы над этой моделью с 1988 г. прекращены, и эта модель устарела.
В модели IRI предусмотрена возможность учета возмущений ионосферы, а также ее коррекция по данным текущих измерений. Пользуясь этой моделью, можно получить для любой трассы радиосвязи значения максимальных применимых частот как для спокойной, так и для возмущенной ионосферы, для текущего и будущего времени.
Коррекция эмпирической модели производится международным центром исследований по данным вертикального и наклонного зондирования ионосферы, а также по результатам измерений радионавигационных параметров сигналов, излучаемых спутниками глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС).
Как известно, переход на двудиапазонные измерения радионавигационных параметров сигналов в системе ГНСС позволяет измерять величины задержек сигналов и сдвигов
доплеровских частот в ионосфере. Комплекс измерений дает полное представление о концентрации электронов в вертикальном столбе ионосферы. Величины ТЕС (Total Electron Content) определяют с большой точностью искомые значения максимальных применимых частот.
Вертикальное и наклонное
зондирование ионосферы производится на ионосферных пунктах с помощью радиолокационных станций, излучающих периодические последовательности
Рис. 1. Номограмма величин задержек сигналов, отраженных от слоев ионосферы
импульсов на разных несущих частотах. Длительности импульсов ~ 30 мкс, несущая частота -2.. .30 МГц, излучаемая мощность - 1.. .10 Вт.
В результате вертикального зондирования определяются высоты отражающих слоев ионосферы и значения критических частот каждого слоя. На рис. 1 приведена экспериментально полученная номограмма величин задержек сигналов, отраженных от слоев ионосферы на разных несущих частотах сигналов.
В 1994 г. создана международная IGS-служба (IGS - International GNSS-Service -международная ГНСС-служба). Она призвана обеспечивать мониторинг эфемерид и поправок к шкалам времени спутников ГНСС, а также производить текущие измерения состояния ионосферы и тропосферы. В деятельности IGS участвует более 70 НИИ разных стран. В составе IGS работают около 400 постоянно действующих базовых станций, расположенных по всему земному шару. На рис. 2 приведена сеть этих станций.
Рис. 2. Расположенные по всему земному шару базовые станции ІОБ Архивы измерений хранятся в четырех международных и шести региональных центрах сбора данных. Обработка измерений производится в десяти вычислительных центрах.
По результатам измерений определяются значения критических и максимальных применимых частот для всех слоев ионосферы. На рис. 3, а и рис. 3, б приведены для зимы и лета значения критических частот в различное время суток для E, F1 и F2-слоев. В зимнее время слои F1 и F2 объединяются в один слой F.
Местное время, ч
а
Местное время, ч ' б
Рис. 3. Значения критических частот в различное время суток для слоев Е, Е1 и Е2
На рис. 3 следует обратить внимание на то, что зимой ближе к полудню величина критической частоты больше, чем летом. Это объясняется тем, что в зимнее время, хотя Солнце находится под меньшим углом, повышение критической частоты вызывается столкновением молекул газа в верхних слоях ионосферы.
В годы 11-летней солнечной активности значения критических частот для слоя F2 резко возрастают. На рис. 4 приведен экспериментально полученный график зависимости критических частот в летний полдень разных слоев ионосферы от числа пятен на Солнце.
На рис. 5 приведена траектория радиоволны, проходящей через ионосферу с четырьмя слоями повышенной концентрации электронов: D, E, F1, F2. Траектория радиоволны искривляется в слоях ионосферы и отражается от Fl-слоя.
В упрощенной эмпирической модели слои ионосферы
представляются в виде плоскостей, расположенных на разных высотах [1]. Каждая плоскость характеризуется своей критической частотой. Лучи радиоволн распространяются по прямым линиям. Если радиоволна падает на слой ионосферы под углом ©i (рис. 6), то она отражается от слоя под тем же углом и возвращается на Землю.
Значение максимальной применимой частоты для отражающего слоя определяется выражением Умпч = /кр sec ©i , где/кр - критическая частота слоя.
( h \
Из рис. 6 следует sin 0 = 1 1 + — I sin 0., где h - высота слоя ионосферы; а - радиус Земли.
Дальность радиосвязи определяется величиной r радианах.
2аФ = 2a(© -©i), где значения углов ©, ©i в
Рис. 5. Траектория радиоволны, проходящей через ионосферу с четырьмя слоями повышенной концентрации электронов: Б, Е, Е1, Е2
Рис. 6. Упрощенная эмпирическая модель ионосферы
С использованием приведенных выше выражений на рис. 7 для односкачковой трассы построена зависимость максимальной применимой частоты для Б2-слоя с высотой слоя И = 300 км от угла места ¥ = 90° - ©.
С помощью графика рис. 7 можно определить значения максимальных применимых частот для разных дальностей. Графиком можно пользоваться также для многоскачковых трасс. В случае таких трасс значения максимальных применимых частот уменьшаются по сравнению с односкачковой трассой. Подобные графики могут быть построены для любых слоев ионосферы, расположенных на меньших высотах. Эмпирическая модель ионосферы на основе специальной программы позволяет на ЭВМ рассчитать максимальные применимые частоты как в годы спокойного Солнца, так и в годы 11-летней солнечной активности. Именно по этой методике составляются месячные таблицы волнового расписания для максимальных применимых частот.
Между составлением месячного волнового расписания рабочих частот и прогнозом погоды имеется много общего. Точное предсказание погоды невозможно без суперкомпьютеров и
метеостанций, расположенных по всему земному шару. Суточные прогнозы более точны, чем недельные, а недельные, чем месячные. Точный прогноз погоды для заданной территории невозможен без сети метеостанций на этой территории [2].
Для точного прогноза максимальных применимых частот на трассе Северного морского пути должна непрерывно работать сеть ионосферных станций на побережье и островах. Данные должны поступать в исследовательский центр расчета волнового расписания как от службы Ю8, так и от местных ионосферных станций. Волновое расписание в центре должно непрерывно корректироваться.
Должна быть создана служба передачи волнового расписания для судов, подобная службе передачи прогнозов погоды.
На рис. 8 как пример показана рассчитанная в центре карта месячного волнового расписания (значения критических частот) для северных широт от 60° до 90°.
В оцифрованном виде карта передается на суда.
Значения оптимальных рабочих частот для разных трасс радиосвязи определяются на судах расчетным путем на ЭВМ по специальной программе, разработанной в центре. Кроме месячного волнового расписания на суда циклически передаются прогнозирующие коэффициенты.
..°0 2 4________________6_________________8________________/О________________/2________________<4_______________№ !Я______________20________________22________________24^
6(Р —---------------------------1____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
0 г 4 Л 8 '0 /2 /4 К /9 20 22 &
Местное Время
Рис. 8. Карта месячного волнового расписания для северных широт
При прогнозе критических максимальных применимых частот нельзя не учитывать случайные вспышки на Солнце, сопровождающиеся магнитными бурями на Земле и резким изменением ТЕС в
Г 3 • 5.
Й 2 • ^
Угол между направлением сигнала и нормалью на Земле (зенитом)
° 30° 60° 90
3840 км 3000 км^-''^" <
2000 км У
15000 км У
1000 км^/
500 км 200 км
Угол места
Рис. 7. Зависимость максимальных применимых частот от угла места и угла между направлением сигнала и нормалью на Земле
£
кр
90°
60°
30°
вертикальных столбах ионосферы, а также мощные электромагнитные излучения с Земли.
При солнечных вспышках, характерных во время 11-летнего цикла, слои ТЕС возмущаются по-разному в зависимости от интенсивности вспышек. Последствия вспышек достигают Земли лишь на третьи сутки после того, как вспышка на Солнце зарегистрирована.
На время такого возмущения ионосферы программа, описывающая модель ионосферы, должна быть скорректирована. Точность корректировки оценивается и уточняется с каждым годом [3].
Возмущения ионосферы с Земли связаны с ходом выполнения работ по программе HAARP (High Frequency Active Auroral Research Program - программа высокочастотных активных авроральных исследований). Программа выполняется в США и начала действовать с 1997 г. Цель программы секретна, но имеются сведения, что она предназначена, в частности, для связи с подводными лодками, действующими в Северном Ледовитом океане. Известно, что если лодки находятся в подводном положении или подо льдом, то для связи с ними необходимо использовать диапазон крайне низких частот - 3.. ,30Гц.
Полигоны HAARP развернуты на Аляске, в Пуэрто-Рико, в Норвегии.
Установленные на полигонах радары с фазированными антенными решетками, управляемые ЭВМ, излучают мощности до
3600 кВт в диапазоне частот 2,8.10 МГц.
На рис. 9 приведен вид такого радара с антенной решеткой.
Мощное электромагнитное излучение воздействует на ионосферу на высотах до 100 км и порождает ультра- и крайне низкие частоты от 1 до 30 Гц.
Во время работы радаров и вспышек на Солнце ВЧ радиосвязь будет затруднительна, если не удастся создать модель ионосферы, учитывающей эти воздействия.
Надежная и оперативная радиосвязь в ВЧ диапазоне должна строиться на основе оптимальных рабочих частот, рассчитанных по модели ионосферы, и путем зондирования трассы на выделенных для связи частотах, прилегающих к расчетным.
Подводя итог, следует отметить, что проводимые международным сообществом работы по совершенствованию моделей ионосферы могут быть использованы для расчета оптимальных рабочих частот для ВЧ радиосвязи в северных широтах. Наиболее законченной и динамично развивающейся моделью является эмпирическая модель IRI, на базе которой в исследовательском центре выполняются расчеты месячного волнового расписания и прогнозирующих коэффициентов.
На судах расчет максимальных применимых частот для заданной трассы радиосвязи производятся на ЭВМ по специальной программе.
Литература
1) Резников В.Ю., Устинов Ю.М., Дуров А.А. Судовая радиосвязь. Справочник по организации и радиооборудованию ГМССБ. - СПб.: Судостроение, 2002. - 480 с.
2) Цифровые терминалы спутниковых систем связи. Справочное издание / А.А. Ильин, А.Н. Маринич , А.В. Припотнюк, Ю.М. Устинов. - СПб.: Деан, 2005. - 192 с.
Шлюпкин А.С. Исследование эффективности применения международной модели ионосферы IRI-2001 для прогнозирования характеристик ВЧ радиосвязи: Дис. ... канд. техн. наук. - Ростов н/Д., 2006. - 145 с.
