Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Вертоградов Геннадий Георгиевич
КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИОНОСФЕРНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ ДЕКАМЕТРОВЫХ РАДИОВОЛН НА ТРАССАХ РАЗНОЙ ПРОТЯЖЕННОСТИ
01.04.03 - радиофизика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Ростов-на-Дону - 2007 г.
- 2 -
Работа выполнена на кафедре радиофизики физического факультета Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Южный федеральный университет"
Научный консультант: доктор технических наук Шевченко Валерий Николаевич
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, лауреат государственной премии СССР Попов Алексей Владимирович доктор физико-математических наук Сажин Виктор Иванович доктор физико-математических наук, профессор Таран Владимир Николаевич
Ведущая организация: Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск
Защита состоится У___У ________ 2007 г. в ___ час. на заседании диссертационного совета Д 212.208.10 в Южном федеральном университете по адресу:
344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 5, Южный федеральный университет, физический факультет, ауд. 2
С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.
Автореферат разослан У___Ф __________ 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.208.доктор физико-математических наук, профессор Г.Ф. Заргано - 3 -
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В современных условиях высоких технологий роль ионосферного КВ-канала непрерывно возрастает [1-3]. Под ионосферными мы имеем ввиду радиоканалы для связи, пеленгации, локации. В связи с огромной изменчивостью радиоканала [4-9], необходимо решение многопараметрической задачи:
определение количества мод распространения, учет вариаций амплитуд и фаз каждой из них, тонкой пространственно-временной структуры поля в зоне приема [911]. В настоящее время известно достаточно большое количество работ, описывающих ионосферное распространение радиоволн [4-11]. Однако в них глубоко проработаны отдельные аспекты, в частности, учет влияния регулярных вариаций ионосферных параметров на характеристики КВ, в основном, решен.
Наибольшую трудность представляет учет случайных факторов: перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ), явления F-рассеяния, случайных естественных и искусственных неоднородностей электронной концентрации. Учет влияния ПИВ может быть осуществлен в геометрооптическом приближении [12].
Задача учета рассеяния на неоднородностях крайне сложна и, как нам представляется, для практической реализации может быть решена в феноменологическом приближении [1,2].
Задача еще более усложняется, т.к. в последнее время наблюдается устойчивая тенденция по возрастанию требований к характеристикам систем передачи сообщений (СПС) и устройствам обработки сигналов (УОС), к их надежности и производительности [3]. Наряду с СПС, использующих новые виды сигналов и способы их кодирования, разрабатываются системы связи и системы пеленгации с адаптацией, с пространственно-, частотно-, поляризационно-временной обработкой полей. Наиболее широкое применение они находят при pазpаботке современных цифровых программно-аппаратных комплексов [3].
Современное состояние экспериментальной базы, основанной на современных цифровых программно-аппаратных средствах, позволяет провести комплексные исследования [7-9,12]. Подобные экспериментальные целенаправленные исследования дорогостоящи. Поэтому при их планировании необходимо уметь предсказывать, т.е. моделировать ожидаемые результаты.
В общем случае такое моделирование должно объединять в себе прогноз состояния ионосферы, данные о геомагнитном поле, прогноз поля помех, методы расчета МПЧ, модовой и лучевой структуры сигнала, возможность определения траекторных и энергетических характеристик отдельных лучей, способов восстановления статистических, корреляционных, временных, пространственных, поляризационных характеристик интерференционного поля в зоне приема. В итоге модель должна обеспечивать получение амплитудно- и фазочастотных характеристик канала и описывать их динамику в пространственно-временной области.
- 4 - Неоценимые данные такая модель способна дать и при интерпретации новых результатов, полученных во время комплексных экспериментальных исследований на основе вертикального (ВЗ) и наклонного зондирования (НЗ) ионосферы узкополосными и широкополосными сигналами в различных гелио- и геофизических условиях. В том числе, в условиях естественной и искусственной возмущенности ионосферной плазмы на ее основе могут быть разработаны новые методы мониторинга подобных возмущений и оценки их основных частотных, временных, пространственных параметров.
В связи с этим исследования, приведенные в диссертации, преследовали следующие цели:
1. Разработку адаптивного метода расчета пространственно-временных полей ДКМВ, обладающего не только прогностическими возможностями, но и позволяющего определять динамически изменяющиеся квазимгновенные передаточную и импульсную функции ионосферного радиоканала, а также статистические, частотные, пространственные характеристики сигналов, отраженных от ионосферы.
2. Теоретическое исследование свойств пространственно-временных полей ДКМВ в заданной частотно-пространственно-временной области на среднеширотных трассах различной протяженности и ориентации.
3. Развитие спектральных методов комплексных измерений статистических, частотных, пространственных и временных характеристик сигналов, отраженных от ионосферы.
4. Комплексные экспериментальные исследования характеристик распространения ДКМВ на основе развитого спектрального подхода к оценке характеристик распространения и адаптивного метода расчета полей ДКМВ. Проверка основных положений развитых методов.
5. Разработка методов мониторинга пространственно-временной структуры невозмущенной, естественно и искусственно возмущенной ионосферы на основе комплексных измерений характеристик сигналов и адаптивного метода расчета поля ДКМВ в зоне приема.
Поставленные цели предполагали решить следующие задачи:
1. Выполнить аналитический обзор современных подходов к моделированию ионосферного радиоканала и на этой основе разработать общую классификацию моделей КВ-канала; определить место разрабатываемой модели в общей иерархии.
2. Осуществить анализ имеющихся экспериментальных данных по распространению высокочастотных волн (ВЧ волн) в неоднородной магнитоактивной ионосфере и сформулировать основные положения, на которых должна базироваться разрабатываемая модель.
3. На основе сформулированных положений разработать эффективные в вычислительном отношении методы расчета и прогнозирования основных частот - 5 - ных характеристик распространения радиоволн, отраженных от ионосферы, учитывающих трехмерную неоднородность и анизотропию ионосферной плазмы.
4. Развить современные методы цифровой обработки сигналов, отраженных от ионосферы, и создать на их основе программно-аппаратные средства для проведения комплексных экспериментальных исследований статистических, частотных, временных, пространственных, энергетических и угловых характеристик распространения ДКМВ.
5. Провести комплексные экспериментальные исследования характеристик распространения ВЧ волн на среднеширотных трассах различной протяженности и ориентации в условиях спокойной, возмущенной и искусственно возмущенной ионосферы.
6. Разработать динамическую структурно-физическую модель (ДАСФмодель) радиоканала и протестировать ее в натурных экспериментах в различных гелио- и геофизических условиях при распространении узкополосных и широкополосных сигналов (без ограничений на их длительность и полосу).
7. Адаптировать ДАСФ-модель для обработки результатов комплексных экспериментов. Разработать на этой основе способы диагностики тонкой неоднородной пространственно-временной структуры ионосферной плазмы путем решения обратных задач методом подгонки.
8. Провести имитационное моделирование статистических, временных, частотных, пространственных характеристик распространения ВЧ волн и на этой основе сформулировать практические рекомендации для новых современных цифровых систем зондирования, связи и пеленгации.
Научная новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами, разработанными методами их решения, впервые полученными результатами и состоит в следующем.
1. Установлено, что на среднеширотных трассах протяженностью от 500 км до 3000 км на частотах меньших 0.95 от МПЧ, дополнительного затухания по отношению к столкновительным потерям не существует.
2. Применительно к обработке сигналов, отраженных от ионосферы, развит многооконный метод спектрального оценивания основных энергетических, временных, частотных характеристик ВЧ волн. С его помощью проведена селекция модовой структуры сигнала и для каждой моды исследован параметр мутности ионосферы на наклонных трассах протяженностью до 6500 км. Установлено доминирование зеркальных компонент сигнала над рассеянными.
3. Исследованы угловые характеристики рассеянного поля в естественных невозмущенных условиях и условиях модификации среднеширотной ионосферы нагревным стендом УСураФ. Они позволили установить и интерпретировать объемный эффект рассеяния радиоволн при прохождении солнечного терминатора.
- 6 - 4. На трассах средней протяженности в спокойных ионосферных условиях обнаружен, проанализирован и объяснен эффект модуляции амплитуды лучей Педерсена отдельных магнитоионных компонент влиянием вертикальных расслоений плазмы в области F. Предложено использовать указанный эффект для диагностики тонкой неоднородной структуры ионосферной плазмы.
5. Разработан новый метод мониторинга перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) по результатам наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы.
Его результаты не противоречат традиционным методам диагностики.
6. Для систем с пространственно разнесенным приемом разработаны новые методы корреляционного обнаружения и локализации сигналов в частотновременной области, для систем пеленгования предложен метод подавления влияния многолучевости на точностные характеристики интерферометрических угломерных комплексов. Впервые введены и исследованы не зависящие от свойств зондирующих сигналов понятия полосы когерентности, времени стационарности и пространственной полосы когерентности.
7. На основе теоретических и экспериментальных исследований создана ДАСФ-модель. Она включает два блока. Первый - модель пространственного распределения электронной концентрации на основе IRI-2001, адаптируемая к текущим данным вертикального и наклонного зондирования (ВЗ, НЗ). Второй - геометрооптический метод расчета характеристик распространения радиоволн в неоднородной магнитоактивной ионосфере, свободный от ограничений, которые связаны с особыми точками расширенной системы лучевых уравнений. Модель позволяет учитывать реальные механизмы формирования поля отраженных от ионосферы ВЧ волн и диагностировать радиоканал путем решения обратных задач методом подгонки.
8. Разработана имитационная модель, позволяющая описывать временные, частотные, пространственные вариации радиоканала на основе динамически меняющейся передаточной характеристики.
Достоверность полученных результатов, научных положений и выводов подтверждается применением современных цифровых методов моделирования и обработки результатов экспериментов, высокой разрешающей способностью разработанных программно-аппаратных средств, комплексностью исследований для различных гелио- и геофизических условий распространения, соответствием результатов экспериментальных и теоретических исследований, а также экспериментальными данными, полученными другими авторами.
Практическая значимость полученных в диссертации результатов объясняется следующими факторами:
1. ДАСФ-модель позволяет в полном объеме реализовать метод цифрового адаптивного моделирования ионосферного радиоканала без ограничения на длительность и полосу сигнально-кодовых комбинаций.
- 7 - 2. Имитационная модель ионосферного радиоканала позволяет проводить исследования систем наклонного зондирования, связи и пеленгации в гелио- и геофизических условиях, максимально приближенных к реальным, и получать еще на стадии разработки исчерпывающую информацию об их свойствах и возможностях.
Это позволяет сократить сроки разработки современных программно-аппаратных радиосистем и позволяет уменьшить объем испытаний на реальных радиотрассах.
3. Созданы новые методы и алгоритмы обработки сигналов ЛЧМзондирования ионосферы, которые позволяют автоматически формировать в цифровом виде дистанционно-частотные (ДЧХ) и амплитудно-частотные (АЧХ) характеристики отдельных мод и лучей распространения; определять интервалы многолучевости, ННЧ и МНЧ отдельных мод; находить спектральную плотность шумов;
вычислять вторичные параметры широкополосного и узкополосного радиоканала на контролируемых частотах: полосы когерентности, отношение сигнал-шум, коэффициента мутности, вероятности ошибки и надежности связи.
4. Разработаны и доведены до практического использования: методы подавления влияния многолучевости на работу интерферометрических угломерных радиосистем, корреляционный способ обнаружения и локализации сигналов в частотно-временной области, способ построения цифрового программно-аппаратного комплекса для однопозиционного местоопределения источников радиоизлучения (ИРИ) диапазона ДКМВ.
5. ДАСФ и имитационная модели используются в настоящее время при разработке цифровых программно-аппаратных комплексов: многочастотного наклонного зондирования; НЗ сигналами ЛЧМ, включая алгоритмы многоуровневой пороговой очистки, первичной и вторичной обработки ЛЧМ-ионограмм; однопозиционного местоопределения координат ИРИ диапазона ДКМВ.
Реализация результатов работы. Работа выполнена в соответствии с планом госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских тем, проводимых лабораторией распространения радиоволн физического факультета Южного федерального университета и отделом ближнего космоса НИИ физики при ЮФУ в течение 1980-2006 гг. Отдельные разделы работы вошли составной частью хоздоговорных научно-исследовательских тем УСтрофаФ, ФЧекФ, ФШармФ, выполненных в ЮФУ по государственным заказам на конкурсной основе. Часть результатов получена в рамках НИР, выполняемых при поддержке РФФИ (гранты № 02-05-64383, №03-05-65137, №02-02-17475, №05-05-08011, № 06-02-16075), гранта CRDFЦRPO - 1334ЦNO-92 и гранта INTAS №03-51-5583. Некоторые положения работы включены в перечень важнейших научных достижений, полученных по этим темам.
Ряд результатов передан в рамках выполняемых хоздоговорных исследований в соответствующие организации: разработанная модель широкополосного ионосферного радиоканала - в ФГУП УНППУПолетФ (г. Нижний Новгород) и в ФГУП УГКБФСвязьФ (г. Ростов-на-Дону); методы обработки результатов ЛЧМ - 8 - зондирования ионосферы с получением дистанционно-частотных и амплитудночастотных характеристик, идентификации мод и вторичной обработки ионограмм - в ФГУП УНППУПолетФ (г. Нижний Новгород) и в ФГНУ УНИРФИФ (г. Нижний Новгород); методы спектральной обработки сигналов на основе модифицированного многооконного метода спектрального анализа - в ФГНУ УНИРФИФ (г. Нижний Новгород); результаты теоретических и экспериментальных исследований угловых характеристик ДКМВ, способы построения цифровых программно-аппаратных средств для их измерения и методы однопозиционного местоопределения координат источников излучения на основе разработанной адаптивной модели ионосферного канала - в ФГУП УГКБФСвязьФ (г. Ростов-на-Дону).
Некоторые материалы диссертации используются в учебном процессе физического факультета Южного федерального университета по специальности УРадиофизикаФ в курсах УКаналы передачи данныхФ, УСовременные методы спектрального оцениванияФ, УФизика волновых процессовФ, а также при выполнении курсовых, дипломных работ и подготовки магистерских диссертаций.
ичный вклад автора. Диссертация обобщает результаты теоретических и экспериментальных исследований, в получении которых участие автора было определяющим, а также в соавторстве, в основном, с сотрудниками ЮФУ и ФГНУ УНИРФИФ. Во всех работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежат постановки задач в части, относящейся к имитационному адаптивному моделированию и цифровой обработке результатов измерений. Методические, программноалгоритмические разработки, численное имитационное моделирование, получение, обработка и интерпретация результатов экспериментальных исследований на радиотрассах различной протяженности и ориентации выполнены под руководством и при непосредственном участии автора. Экспериментальные исследования с использованием Российской сети станций наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы были организованы и проведены совместно с В.П. Урядовым (ФНГУ УНИРФИФ), В.И. Куркиным (ИСЗФ СО РАН), В.А. Валовым (ФГУП УНППФПолетФ), исследования с использованием нагревного стенда УСураФ были организованы и проведены совместно с В.П. Урядовым и В.Л. Фроловым (ФНГУ УНИРФИФ).
На защиту выносятся следующие положения.
1. На среднеширотных трассах протяженностью до 3000 км на частотах меньших 0.95 от МПЧ, дополнительного затухания, вызванного рассеянием на случайных неоднородностях, по отношению к столкновительным потерям не существует. Прогнозирование энергетических потерь в радиоканалах полностью обеспечивается газокинетической моделью эффективной частоты соударений электронов.
2. Многооконный метод спектрального оценивания основных характеристик ВЧ волн при наклонном зондировании ионосферы узкополосными и широкополосными сигналами. Результаты исследований с его помощью статистических, - 9 - частотных и временных свойств разделенных зеркальных и рассеянных компонент поля в условиях естественной и искусственно модифицированной ионосферы.
3. Интерпретация эффекта модуляции амплитуды лучей Педерсена отдельных магнитоионных компонент в спокойных ионосферных условиях влиянием вертикальных расслоений плазмы в области F. Использование указанного эффекта для диагностики тонкой неоднородной структуры ионосферной плазмы.
4. Метод мониторинга перемещающихся ионосферных возмущений по данным наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы, основанный на автоматической цифровой регистрации и обработке ионограмм НЗ с последующим решением обратной нелинейной задачи.
5. Методы корреляционного обнаружения и локализации сигналов в частотно-временной области для систем с пространственно разнесенным приемом; метод подавления влияния многолучевости на точностные характеристики интерферометрических угломерных комплексов, которые составили основу способов построения современных цифровых программно-аппаратных комплексов однопозиционного местоопределения источников.
6. Описание пространственно-временных радиоканалов на основе не зависящих от свойств зондирующих сигналов понятий полосы когерентности, времени стационарности и пространственной полосы когерентности. Результаты исследования этих характеристик в различных гелио- и геофизических условиях.
7. Динамическая адаптивная структурно-физическая и имитационная модели, позволяющие учитывать реальные механизмы формирования поля отраженных от ионосферы ВЧ волн и описывать временные, частотные, пространственные вариации характеристик распространения и радиоканала в целом на основе динамически меняющейся передаточной характеристики.
Апробация результатов работы.
Все основные результаты работы и положения, выносимые на защиту, докладывались и обсуждались на Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (XIX ЦКазань, 1999 г.; XXЦНижний Новгород, 2002 г.; XXI - ЙошкарОла, 2005 г.); на Международной научно-технической конференции УРаспространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средахФ (IV - Москва, 1994 г.); на Международных конференциях и выставках УЦифровая обработка сигналов и ее применениеФ (3-я - Москва, 2000 г.; 6-я - Москва, 2004г.; 7-я - Москва 2005 г.); на Международных научных конференциях УИзлучение и рассеяние ЭМВФ (ИРЭМВ-2003 - Таганрог, 2003 г.; ИРЭМВ-2005 - Таганрог, 2005 г.); на Millennium Conference on Antennas & Propagation AP2000 (Давос, Швейцария, 2000 г.);
на 2-nd European Workshop on Conformal Antennas (Нидерланды, 2001 г.); на (Восьмой) Научной конференции по радиофизике, посвященной 80-летию со дня рождения Б.Н. Гершмана (Нижний Новгород, 2004 г.); на (Десятой) Научной конференции по радиофизике, посвященной 90Цлетию ННГУ и 100-летию со дня рождения - 10 - Г.С. Горелика (Нижний Новгород, 2006 г.); на Региональных конференциях по распространению радиоволн (XXII - Санкт-Петербург, 1997 г. ;X - Санкт-Петербург, 2004 г.); на COSPAR Scientific Assembly (35th - Париж, 2004 г. 36th - Китай, 2006 г.); на VI International Suzdal URSI Symposium УEffects of Artificial Action on the Earth Ionosphere by Powerful Radio WavesФ (Москва, 2004 г.); на 11 International Conference on Antennas and Propagation (ICAP-2001) (Манчестер, Великобритания, 2001 г); на Международных научно-технических конференциях ФРадиолокация Навигация СвязьФ (V - Воронеж, 1999 г; X - Воронеж, 2004 г; XIII - Воронеж, 2007 г.); на Второй Всероссийской научной конференции-семинаре УСверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустикеФ (Муром, 2006 г); на Региональной конференции УАктуальные проблемы моделирования на ЭВМ систем передачи информацииФ (Новосибирск, 1990 г.); на Международной конференции У100Цлетие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехникиФ (Москва, 1995 г.); на III международной конференции УСолнечно-земные связи и электромагнитные предвестники землетрясенийФ (ИКИР ДВО РАН, 2004 г.); на Межвузовской научно-технической конференции УПроблемы развития систем и техники связиФ (Новочеркасск, 1999 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 136 печатных работ в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе в журналах УУспехи физических наукФ, УГеомагнетизм и аэрономияФ, УМатематическое моделированиеФ, УРадиотехникаФ, ФИзв. вузов. РадиофизикаФ, УРадиотехника и электроникаФ, УИзв.
вузов. РадиоэлектроникаФ, УЭлектромагнитные волны и электронные системыФ, УИзв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. наукиФ, УРадиофизика и РадиоастрономияФ, УТруды НИИРФ, УInternational Journal of Geomagnetism and AeronomyФ, УAnnales GeophysicaeФ (из них 26 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов докторских диссертаций), получено 9 патентов РФ и свидетельство РФ о регистрации программного обеспечения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 432 страниц текста, 96 рисунков, 5 таблиц, библиографию из 461 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются основные цели работы и приводится ее краткое содержание.
Первая глава диссертации посвящена аналитическому обзору существующих подходов к описанию электромагнитных полей на выходе ионосферного радиоканала, классификации существующих моделей и определению места созданного автором метода в общей классификации. При моделировании каналов связи - 11 - (КС) возможны два принципиально различных подхода: структурно-физический и формальный или феноменологический.
Первый случай предполагает изучение реальных преобразований переданного сигнала в радиоканале, механизмов искажения сигнала и природы помех в среде распространения с учетом ее свойств, отражение в методах расчета структуры этих преобразований с требуемой точностью. Второй подход базируется на представлениях о канале, как о Учерном ящикеФ, внутренняя структура которого не рассматривается. При феноменологическом подходе построение модели преследует цель отобразить с требуемой точностью только процессы, наблюдаемые на выходе системы. Сделан вывод о том, что разрабатываемая модель должна реализовывать математическое подобие реальному объекту, при котором под математической моделью КС понимается указание характеристик его входных и выходных сигналов и их математической взаимосвязи. Показано, что при моделировании большинства реальных каналов необходимо принимать во внимание рассеяние по времени, частоте, а иногда и пространству, и рассматривать их, как некоторые инерционные в общем случае пространственно распределенные динамические системы. В качестве итога выполненного анализа построена классификация, отражающая иерархическую взаимосвязь существующих методов описания связных каналов.
Применительно к моделированию КВ-канала выявлены основные недостатки, присущие рассмотренным моделям. Сделан вывод о том, что феноменологическое представление КС не охватывает весь комплекс задач, возникающих при проектировании и эксплуатации систем наклонного зондирования (СНЗ), связи (СС) и пеленгации (СП).
Проведен анализ современных моделей КВ-канала, которые построены на основе структурно-физического подхода, позволяющего учесть реальные механизмы взаимодействия сигналов со средой распространения, процессы формирования принимаемого поля и причины его пространственно-временных изменений. В итоге метод расчета должен обеспечивать получение амплитудно- и фазочастотных характеристик канала, их динамику, а также возможность исследования прохождения сигналов с произвольной базой по каналу при возможности его адаптации к реальным гелио- и геофизическим условиям распространения ДКМВ. Сделан вывод о том, что в настоящее время в завершенном виде зарубежные и отечественные аналоги таких моделей отсутствуют.
Вторая глава диссертации посвящена выявлению и адекватному описанию физических механизмов, оказывающих определяющее влияние на формирование структуры поля и его динамику в области приема, позволяющих обеспечить достижение необходимых точностных параметров модели минимальными средствами.
Основной целью данной главы является формулировка и обоснование основных положений динамической адаптивной структурно-физической модели (ДАСФмодели) радиоканала диапазона ДКМВ.
- 12 - Рассмотрены результаты зондирования ионосферы широкополосными ЛЧМсигналами, результаты комплексных экспериментов по НЗ ионосферы, экспериментальные данные по отдельным характеристикам распространения, измерения доплеровского смещения частоты, распределения амплитуд, фаз и углов прихода.
Эти данные, полученные в процессе исследований отдельных характеристик распространения, часто приводят к диаметрально противоположным выводам и не всегда позволяют составить целостную картину влияния ионосферной плазмы на процессы распространения ВЧ волн. Следовательно, получить целостную картину особенностей распространения ДКМВ в ионосферной плазме возможно только на основе комплексных экспериментальных исследований, охватывающих весь спектр статистических, временных, частотных, пространственных характеристик распространения. Комплексный эксперимент должен сочетаться с адаптивным моделированием исследуемых процессов, отражающим структуру поля в зоне приема.
Современное состояние экспериментальных исследований перемещающихся ионосферных возмущений или волновых возмущений (ВВ) в ионосфере характеризуется отсутствием общепризнанной модели их глобального распространения. Если объем данных о таких характеристиках ВВ, как частотный спектр и направление распространения, можно считать достаточно полным и представления о них устоявшимися, то сведений о пространственных масштабах ВВ и их амплитуде недостаточно. Не хватает публикаций с результатами комплексной обработки данных, при которой одновременно определялись бы все существенные характеристики ВВ: частота и пространственный масштаб, направление и величина фазовой скорости, относительная амплитуда.
Анализируется вопрос о необходимости учета в модели связного ДКМканала эффектов рассеяния. Рассмотрен цикл теоретических и экспериментальных работ, посвященных различным аспектам распространения при ВЗ и HЗ (фазовая корреляция, полоса когерентности и др.) в условиях сильно развитых мелкомасштабных неоднородностей. Сделан вывод, что при ВЗ среднеширотной ионосферы могут наблюдаться многообразные флуктуационные и квазирегулярные эффекты, при HЗ декаметровыми волнами флуктуационные явления во время Fрассеяния проявляются слабо. Отмечается, что модель ионосферного радиоканала должна учитывать эффекты магнитных бурь посредством модели ПИВ с соответствующим выбором их параметров.
Анализ экспериментальных данных, полученных за несколько последних десятилетий, охватывающий структуру и динамику процессов, происходящих в ионосфере, как каналообразующей среды в диапазоне ДКМВ, позволил сформулировать обобщающие заключения, на основе которых в дальнейшем сформулированы основные положения модели ДКМ-радиоканала.
В третьей главе диссертации излагается опыт построения и эксплуатации программно-ориентированной ДАСФ-модели радиоканала, учитывающей меха - 13 - низмы влияния трехмерно-неоднородной магнитоактивной ионосферной плазмы на формирование, структуру, динамику поля ВЧ волн и природу шумов в зоне приема.
При построении ДАСФ-модели предложены и использованы эффективные вычислительные приемы расчета траекторных, угловых и энергетических характеристик ДКМВ. В результате необходимые точностные требования, предъявляемые к методу расчета, достигаются при приемлемых затратах машинного времени.
Построенная на перечисленных выше положениях модель позволяет, с одной стороны, адекватно описать физические механизмы, оказывающие определяющее влияние на формирование структуры ДКМ поля и его динамику, с другой - достичь необходимые точностные параметры адаптивного имитационного моделирования минимальными средствами. Указываются возможные пути построения ДАСФ -модели, воплощающие сформулированные положения.
ДАСФ-модель радиоканала базируется на основе геометрооптического описания процессов распространения ВЧ волн [13] в трехмерно-неоднородной магнитоактивной сферической ионосфере. Расширенная система лучевых характеристических уравнений имеет вид:
dxi dxi dki dki 2 = N ; = N ; N = 2 - v - u;
dP d dP d v u d xi d xi dxi N d ki d ki dki N = - N ; = - N.
dP d dP dP d dP r r где x - вектор обобщенных координат луча, k - обобщенный вектор волновой r нормали, - показатель преломления Эпплтона, = (0,0) - лучевые координаты, в качестве которых выбираются, например, азимут 0 и угол места 0 в точке излучения, v = fp2 f, u = fh f, f - плазменная частота, fh - гирочастота элекp тронов, f - частота волны. Показано, что при решении расширенной системы лучевых уравнений в магнитоактивной ионосфере в качестве величины, параметри зующей лучевую траекторию, может быть выбран только групповой путь P. Решение системы позволяет определять все характеристики распространения волн, отраженных от трехмерно-неоднородной магнитоактивной нестационарной ионосферы. Найдено асимптотическое решение лучевых уравнений в окрестности осоr r r r бой точки при v 1, имеющее вид: x - x0 = const (1- v); k - k0 = const 1- v, 1 которое позволило сформулировать способ обхода особенностей при численном решении расширенной системы и снять ограничение на начальные данные лучевых уравнений в неоднородной магнитоактивной ионосфере.
Показано, что для целей моделирования ионосферного радиоканала из всех доступных ионосферных моделей в качестве базовой для описания среднего пространственного распределения ионизации следует выбрать Международную Справочную модель IRI-2001. С точки зрения оперативности при моделировании канала решающим становится вычислительный аспект. Поэтому был обоснован рацио - 14 - нальный подход, при котором пространственно-временное распределение электронной концентрации и ее производные в любой пространственно-временной точке вычисляются на основе четырехмерной сплайн-аппроксимации в заданной пространственно-временной области при равномерном шаге по пространственным координатам и времени. В целях обеспечения адаптации ионосферной модели к реальным условиям, складывающимся в нижней ионосфере, разработана методика привязки модели к значениям эмпирического поглощения обыкновенной волны при вертикальном распространении на частоте 2.2 МГц. Методика предусматривает коррекцию высотного распределения ионизации в D области ионосферы. Неоднородность ионосферы в окрестности точки излучения и ее временная нестационарность обусловлены движением солнечного терминатора и ВВ, которые моделируются цугом бегущих монохроматических волн. Параметры волновых возмущений не прогнозируются, а задаются в соответствии с рекомендациями, сформулированными на основании обзора отечественной и зарубежной литературы. Такой способ задания параметров ВВ позволяет применять модель к исследованию тонкой структуры ионосферы на основе решения обратной нелинейной задачи методом адаптивного моделирования.
Анализ теоретических работ и экспериментальных данных показал, что для определения поглощения в ионосфере волн декаметрового диапазона достаточно использовать газокинетические оценки эффективной частоты соударений электронов [14]. Они нуждаются в улучшении только в смысле уточнения сечений рассеяния электронов на атмосферных составляющих, моделей их концентраций и электронной температуры. При этом эффекты рассеяния не сказываются существенно на интенсивности излучения при наклонном зондировании на частотах меньших МПЧ. Геомагнитное поле, параметры которого необходимы при решении характеристических уравнений, вычисляется на основе эмпирической модели реального магнитного поля Земли.
При разработке модели ДКМ-радиоканала невозможно обойти вопрос о способе учета отражений от спорадических образований в ионосфере. В связи с этим при построении ДАСФ-модели радиоканала была принята модель тонкого регулярного Es -слоя, прогноз геометрических параметров которого обеспечивается глобальной аналитической моделью.
В итоге, разработанный метод характеристик для трехмерно-неоднородной нестационарной ионосферы, заданной прогностической адаптивной моделью, позволяет поставить и решить граничную задачу. При решении этой задачи определяются все многоскачковые лучевые траектории, попадающие из точки излучения в точку приема, находятся их характеристики, МПЧ отдельных мод распространения и трассы в целом. Как следствие, разработанная модель позволяет трактовать многолучевый ионосферный канал как линейный многополюсник с n входами и одним выходом. В результате ДАСФ-модель позволяет находить не только тради - 15 - ционные характеристики ионосферного радиоканала, используемые при его прогнозировании, но и квазимгновенные передаточные и импульсные характеристики, что обеспечивает возможность изучения влияния ионосферной плазмы на прохождение как узкополосных, так и широкополосных сигналов и перспективы их применения для анализа тонкой структуры среды распространения.
Рассмотрены подходы при построении ДАСФ-модели на основе дополнительных упрощающих предположений, которые бы обеспечивали необходимое при адаптивном моделировании существенное уменьшение вычислительных затрат.
Учтено, что в большинстве задач адаптивного моделирования ДКМ-радиоканала ионосферная плазма может считаться двухмерно-неоднородной. Часто используемые подходы, в одном из которых лучевая траектория заменяется эквивалентной треугольной с применением теорем эквивалентности, а в другом используется метод рефракционного интеграла, были обосновано отвергнуты. Показано, что учет влияния анизотропии и горизонтальной неоднородности ионосферы на характеристики распространения, определяющие поле в точке приема и его динамику, такие как напряженность поля, углы места, фазовые и групповые задержки, доплеровское смещение частоты, может быть с высокой точностью осуществлен специальными достаточно простыми способами. Вычисление угловых- (УЧХ) и дистанционночастотных (ДЧХ) характеристик, пространственного ослабления сводится к определению их на основе метода характеристик без учета влияния геомагнитного поля на частотах fo, x = f fo, x (верхний знак отвечает обыкновенной компоненте, нижний - необыкновенной), где fo,x задается аппроксимирующим полиномом вида (o,x) j k fo,x fh = C Si I, как функция длины трассы S, геомагнитного азимута и i, j,k i, j,k=магнитного наклонения I. Коэффициенты полинома определены на основе ДАСФмодели. Погрешность определения пространственного ослабления минимальна и не превышает 0.5 дБ. Доказана и опробована на моделях модифицированная теорема эквивалентности, позволяющая с погрешностью не более 1% рассчитывать столкновительные потери в ионосфере двух магнитоионных компонент через поглощение при вертикальном падении. Соотношение эквивалентности между интегральными поглощениями при наклонном и вертикальном распространении в сферической горизонтально-неоднородной магнитоактивной ионосфере имеет вид:
L( f,e, fh)= 0,5[Lv1( fv1,e1, fh1,1)+ Lv2( fv2,e2, fh2,2)].
Здесь L( f,, fh ) - наклонное поглощение на частоте f с профилем частот соудаe рений (h), Lv1( fv1,, fh1,1) и Lv2( fv2,, fh2,2 ) - поглощения, вычисленные e e1 eпри вертикальном распределении электронной концентрации, соответственно, в пунктах входа-выхода наклонной траектории в ионосферу. Эквивалентные частоты fv1,2, профили частот соударений (h), гирочастоты fh1,2 находятся по формуe1, лам: fv1,2 = f sin 1,2; e1,2(h) =e(h)sin 1,2; fh1,2 = fh sin 1,2; где углы места 1, - 16 - берутся в точках пересечения лучом нижней границы ионосферы, как и углы 1,r r между векторами геомагнитного поля H и волновой нормали k.
Как следствие, для неоднородной магнитоактивной нестационарной ионосферы обеспечены необходимые теоретические предпосылки построения эффективной в вычислительном отношении упрощенной ДАСФ-модели радиоканала. В результате модель на основе предложенных приближенных методов расчета позволяет находить традиционные характеристики распространения ДКМВ, а также квазимгновенные передаточные и импульсные характеристики, что обеспечивает перспективы ее применения для анализа тонкой структуры среды распространения.
Далее излагаются теоретические основы определения частотных и временных характеристик ДКМ-канала, способ построения имитационной модели ионосферного канала без ограничений на полосу и длительность передаваемых сигналов на основе динамической передаточной характеристики вида:
r r n(,t,r)-1 n(,t,r)-r r r r H(,t,r)= H (,t,r)= a (,t,r)exp(- ij(,t,r)), j j j=0 j=r r где H (,t,r) - передаточная характеристика j -го луча, n(,t,r) - число лучей, j r r r r a (,t,r) - амплитуда, j(,t,r)= Pj(,t,r) c - фазовая задержка и Pj(,t,r) - j фазовый путь j -го луча, c - скорость света. Получено разложение передаточной функции ионосферного радиоканала в заданной частотно-пространственновременной области. Исходя из основных положений ДАСФ-модели, получены анаr литические выражения для динамической импульсной характеристики h(,t,r).
r Эта функция в любой пространственной точке r для каждого заданного t связана с r H(,t,r) по частоте и быстрому времени преобразованием Фурье и также зависит от так называемого медленного времени t, по которому разворачиваются изменения характеристик канала за счет вариаций параметров частотно-временных лучей, формирующих поле в точке приема. При имитационном НЗ на первом этапе осуществляется процесс прогнозирования ионосферного радиоканала для выбранных гелио- и геофизических условий. На втором этапе с использованием динамической передаточной (широкополосный радиоканал) или импульсной (узкополосный радиоканал) характеристик обеспечивается пропускание сигналов ДКМВ в реальном или квазиреальном времени. Обработка сигнала производится в частотной области с разбиением обрабатываемой последовательности на группы отсчетов (кадры). Излагается специально разработанные метод и алгоритм, обеспечивающие непрерывность импульсной характеристики на границах соседних кадров, благодаря чему становится возможным использование метода преобразования Фурье при реализации нестационарного ионосферного фильтра. Пример амплитудночастотной характеристики (АЧХ) радиоканала в полосе 16 кГц в различные моменты времени от начала моделирования для среднеширотной трассы протяженностью 1000 км, полдень, зима, средняя солнечная активность показан на рис.1.
- 17 - |H(f)|, дБ t=500с t=0с t=200с f, МГц -0.008 -0.004 00.004 0.0Рис.1. АЧХ радиоканала в полосе 16 кГц в различные моменты времени для среднеширотной трассы протяженностью 1000 км, полдень, зима, средняя солнечная активность.
В конце главы сформулированы основные возможности разработанной ДАСФ и имитационной моделей применительно к решению задач получения суммарного интерференционного поля в точке приема в координатах время-частотапространственные координаты. Приведены результаты УпрогонаФ через модель ионосферного радиоканала узкополосного сигнала последовательного КВ-модема с испытательным импульсом, ЛЧМ-сигнала (рис.2) и широкополосного дискретного частотного сигнала с непрерывной фазой.
4200 |X(t)| ReX(t) t=0 c ImX(t) t=120 c 200 ReX 1x(t) t=60 c 1ImX -2-400 t, мкс t, с 3300 3400 3500 3600 3700 380 0.005 0.01 0.015 0.02 0.0Рис.2. Иллюстрация имитации ДКМ-канала, когда на его вход подается узкополосный сигнал x(t) (слева) и широкополосный ЛЧМ-сигнал (справа). X (t) - низкочастотный комплексный сигнал на выходе радиоканала (слева) и после оптимальной обработки ЛЧМ-сигнала (справа).
В четвертой главе диссертации приведены результаты теоретического анализа частотно-пространственно-временных свойств узкополосного и широкополосного ионосферного радиоканала, выполненного на основе разработанной ДАСФ-модели. Вводятся физически обоснованные определения, понятия и характеристики, описывающие ДКМ-радиоканал. На основе численного имитационного моделирования делаются количественные оценки основных характеристик распространения.
В начале главы акцент сделан на определении основных понятий, описыr вающих частотно-пространственно-временные свойства функций H(,t,r) и r h(,t,r), и количественную оценку соответствующих этим понятиям характеристик ионосферного канала связи.
- 18 - Даны инвариантные относительно зондирующего сигнала определения полосы частотной когерентности, времени стационарности, пространственной полосы когерентности. Получены аналитические соотношения, связывающие эти характеристики с дисперсионными свойствами среды распространения. На основе ДАСФ-модели для трасс 100-9000 км для различных сезонов, уровней солнечной активности, разных часов суток получены основные свойства этих характеристик.
Установлено, что полоса когерентности радиоканала варьируется в пределах 40200 кГц, время стационарности для E-моды изменяется в интервале 100-200 с, для F-моды 20-60 с, максимально допустимая апертура антенной решетки в системах с пространственно разнесенным приемом не должна превышать 2.5 км. Нестационарность ионосферной плазмы, обусловленная ПИВ при типичных для средних широт параметрах, сопровождается вариациями этих характеристик для F-моды на 40K60% относительно медианных за квазипериод значений.
Разработана математическая модель ионозонда с использованием непрерывных сигналов с ЛЧМ, а также процесса работы зондов такого типа, и на этой основе оценены их предельные потенциальные возможности как инструмента определения параметров передаточной характеристики ионосферного канала. Установлено, что в условиях временного разделения он позволяет определять амплитуды парциальных лучей с погрешностью, не превышающей 10%, групповые задержки с погрешностями около 5 мкс, а их фазы с ошибкой не более 15o. Показана принципиальная возможность построения многоканального комплекса наклонного ЛЧМзондирования ионосферы, позволяющего наряду с традиционно измеряемыми ДЧХ и АЧХ радиоканала получать УЧХ разделенных парциальных лучей.
Представлены результаты моделирования полей ДКМВ на среднеширотных трассах 100-5000 км в разных сезонных и временных условиях при различных параметрах ПИВ. Получена обобщенная картина изменчивости полей, а также параметров модели канала, заданного в терминах характеристических функций. Исследованы временные и пространственные вариации частотных характеристик канала - амплитудных (АЧХ) и фазовых (ФЧХ) при различных полосах ионосферного канала. Поведение АЧХ и ФЧХ по частоте и их изменения во времени и в пространстве увязано со структурой поля в зоне приема и динамикой парциальных лучей под влиянием движения солнечного терминатора и ПИВ. Получены аналитические оценки радиусов корреляции передаточной характеристики по пространственным координатам и во времени, подтверждающие результаты имитационного моделирования. Показано, что эти параметры определяются производными безразмерного волнового вектора и доплеровского смещения частоты по рабочей частоте. Структура и параметры лучей на рабочей частоте близкой к 0.8 от МПЧ остаются неизменными на временных интервалах 180-360 с на площади 300 км300 км. Это дает основание экстраполировать параметры парциальных лучей в указанной пространственно-временной области. Установлено, что амплитуда колебаний средних зна - 19 - чений АЧХ в интервале времени 10-20 минут может достигать 1015 дБ. Аналогичные значения колебаний наблюдаются при пространственном разносе до 200 км.
На основе ДАСФ-модели оценено влияние на статистические и корреляционные характеристики ДКМ полей и каналов суточных, сезонных и гелиоциклических вариаций ионосферы, прослежена их изменчивость в зависимости от протяженности трассы, рабочей частоты и параметров ПИВ. Результаты получены методом численного эксперимента для среднеширотных трасс. Установлено, что статистические характеристики поля существенно зависят от величины временной выборки. При выборке до 40 с функция распределения уровней практически не описывается распределением Релея и, как правило, имеет многомодальную структуру.
С увеличением продолжительности сеанса распределение "расширяетсяФ и имеет менее выраженную многомодальность. Количество ситуаций, в которых по статистическим критериям распределение Релея не противоречит статистике флуктуаций амплитуд суммарного поля в точке приема, увеличивается не более чем до 50%. Временная автокорреляционная функция флуктуаций уровня поля в точке приема всегда имеет вид затухающей косинусоиды. Распределения фаз при длине выборки более 5 минут приближается к равномерному.
Применительно к функционированию современных цифровых радиосистем с пространственно разнесенным приемом, а также цифровых интерферометрических систем радиопеленгации введено понятие частотно-временной корреляционной функции, найденной пространственным усреднением поля ДКМВ по апертуре антенной решетки. В предположении -коррелированности шумов и некоррелированности сигнала и шума получено аналитическое выражение для этой функции через динамическую передаточную функцию ионосферного канала:
M -1 M -1 M -~ 1 1 2 1 R( f,t, f0,t0) = Hm( f,t) Hm( f0,t0), H ( f,t)Hm( f0,t0) M m M M m=0 m=0 m=где M - число антенных элементов пространственной антенной решетки.
Показано, что отражая свойства ионосферного канала, введенная функция служит основой построения решающего правила для частотно-временной локализации сигнала. Как следствие, сформулирован алгоритм частотно-временной локализации на основе корреляционного порогового критерия угловой близости частотно-временных компонент принимаемого сигнала. Установлено, что метод способен идентифицировать компоненты сигналов, принадлежащих одному источнику в полосе до 2 МГц на интервалах времени до 5 минут.
Проанализированы потенциальные возможности метода однопозиционного местоопределения (МО) источника радиоизлучения (ИРИ) в диапазоне ДКМВ. Рассмотрены основные факторы, ограничивающие точность решения обратной задачи однопозиционного МО: ошибки определения углов прихода и ошибки задания профиля ионизации в ионосфере при восстановлении лучевой траектории. Рас - 20 - смотрены возможные подходы коррекции пространственного распределения электронной концентрации: использование результатов пеленгования реперных ИРИ с высокостабильной частотой, данных ВЗ или НЗ. Предложено в качестве альтернативного подхода для решения обратной задачи однопозиционного МО применять разработанную модель канала с использованием полуэмпирических адаптируемых моделей ионосферы. Установлено, что в этом случае ошибки оценки расстояния, которые могут быть устранены путем текущей коррекции, имеют величину порядка 1% для E-моды и порядка 10-12% для F-моды.
Проанализирована общая математическая модель угломерных комплексов, работающих по интерферометрическому принципу. Методом асимптотического разложения динамической передаточной характеристики оценены погрешности измерения двухмерных угловых координат ИРИ, обусловленные многолучевым распространением ДКМВ. Предложен способ эффективного (до 10-ти раз) уменьшения влияния многолучевости на качество определения углов прихода путем статистического углового усреднения фаз относительных линейных комбинаций напряжений на антенных элементах решетки интерферометра.
В пятой главе обоснованы способы построения аппаратных средств, методов и алгоритмов цифровой обработки сигналов для комплексной пассивной диагностики ионосферы на основе использования сети постоянно действующих узкополосных и широкополосных передатчиков ДКМВ. В главе представлены результаты регулярных наблюдений условий ионосферного распространения КВ на радиолиниях различной протяженности и ориентации, полученные на базе сети источников с непрерывным узкополосным излучением (станция точного времени РВМ и вещательные радиостанции, около 200 000 сеансов) и сети ЛЧМионозондов (Кипр, Инскип, Иркутск, Хабаровск, Магадан, Норильск, около 500 0ионограмм НЗ). В период 2002-2005 гг. получены обширные многомесячные непрерывные данные по амплитудным, угловым, дистанционно-частотным и амплитудно-частотным характеристикам ионосферного КВ-канала, регистрация и обработка которых проводилась в автоматическом режиме с помощью разработанных программно-аппаратных комплексов пассивной диагностики характеристик распространения ДКМВ. Показано, что метод комплексного наклонного зондирования с высоким разрешением по углам прихода радиоволн, времени группового запаздывания и частоте позволяет уверенно получать все необходимые характеристики распространения для тестирования моделей ионосферы и ионосферного канала, а также детектировать тонкую пространственно-частотно-временную структуру ионосферных возмущений естественного и искусственного происхождения. Результаты адаптивного моделирования условий экспериментов с использованием ДАСФмодели подтвердили не только достоверность положений, лежащих в ее основе, но и позволили дать объяснение ряду эффектов, обнаруженных впервые.
- 21 - Для анализа многочисленных экспериментальных результатов реализован спектральный подход получения характеристик ионосферного распространения радиоволн, основанный на модифицированном адаптивном многооконном методе спектрального анализа. Метод [15,16] основан на разложении в окрестности W частоты f0 спектральной плотности мощности (СПМ) s( f0) сигнала в ряд по базису, образованному вытянутыми сфероидальными волновыми функциями (ВСВ), которые являются собственными функциями ядра Дирихле:
f0+W K -yk( f0) 1 ) s( f0) =, s( f, f0)df = 2W 2NW k(N,W ) k=f0-W ) где sk( f ) = yk( f ) - периодограммные спектральные оценки, при получении которых в качестве спектральных окон используются ВСВ функции, K - их количество. Комплексная амплитуда дискретной составляющей сигнала имеет вид:
f0+W f0+W K -1 K - * a( f0) = yk( f )Uk(N,W; f - f0)df Uk(N,W ; f - f0) df.
k=0 k=f0-W f0-W Проверка значимости оценки дискретной компоненты основано на дисперсионном отношении F( f ), к которому приводит сравнение выделенной непрерывной СПМ с оценкой мощности дискретной составляющей сигнала:
f0+W f0+W K -1 K -2 * F( f )= (K -1)a( f ) Uk(N,W; f - f0) df yk( f )Uk(N,W; f - f0) df.
k=0 k=f0-W f0-W Если оценка значима, то форма спектра в окрестности частоты f0 изменяется и имеет вид суммы СПМ зеркальной и рассеянной компонент сигнала:
K -2 1 s( f ) = a( f0) ( f - f0)+ yk( f )- a( f0)Uk(N,W; f - f0).
K k=Преимущества этого способа оценивания СПМ состоят в детерминированном выборе спектральных окон, способности работать с короткими временными выборками, дисперсионном анализе дискретных компонент, высоком спектральном разрешении, способности раздельной оценки СПМ дискретных (зеркальных) и непрерывной (рассеянной) компонент сигналов, отраженных от ионосферы. Одновременно в предположении, что цифровая полоса анализа существенно превышает полосу принимаемого сигнала, предложен гистограммный способ оценки СПМ шума, что обеспечивает определение спектральным методом анализа суммарной мощности сигнала, уровня шумов и отношения сигнал-шум, рис.3.
Для получения экспериментальных данных разработан цифровой автоматический программно-аппаратный комплекс многочастотных измерений квадратурных компонент сигналов, отраженных от ионосферы, по выходу промежуточной частоты (ПЧ) радиоприемных устройств [15]. Для получения комплексного низкочастотного сигнала оцифрованный сигнал ПЧ подвергается операциям переноса на нулевую частоту с получением квадратурных компонент, низкочастотной фильтрации и децимации. Процедуры оцифровки, фильтрации, выделения квадратур сиг - 22 - нала и децимации построены таким образом, что вся предварительная обработка осуществляется автоматически в реальном масштабе времени и позволяет получать записи неограниченной протяженности по времени. Для приема периодических сигналов импульсных передатчиков, обладающих стабильной скважностью и длительностью импульса, предусмотрена цифровая временная синхронизация аппаратуры с возможностью оцифровки любой части принимаемого сигнала по нескольким временным меткам. Обработка комплексного низкочастотного сигнала осуществляется в реальном времени на основе развитого спектрального подхода определения характеристик ВЧ сигналов.
-F-статистика S, дБ 1-1a) 1b) ---1-1f, Гц -3 -2 -1 0 1 2 f, Гц 3 -3 -2 -1 0 1 2 Рис.3. Результаты спектрального оценивания сигнала РВМ, 01.05.2003 г. в 9.30 UT. ( f = 9996 кГц, =4.94, S N =63.4 дБ, f =0.49 Гц): оценка спектров мощности для выборки длиной 20 с без выделения (штриховая линия) и с выделением (сплошная линия) дискретных компонент, а также уровень шумов в канале (горизонтальная штриховая линия) (а); соответствующая F -статистика, позволяющая идентифицировать положение дискретных компонент (порогу вероятности 99% соответствует дисперсионное отношение равное 7.56) (б).
Разработанный программно-аппаратный комплекс применен в целях получения спектральных, энергетических, корреляционных и статистических характеристик ВЧ волн от источников излучения с высокостабильной несущей частотой на среднеширотных трассах протяженностью 250-6500 км различной ориентации в период 2002-2005 гг. Комплекс использован также в целях изучения сигналов ракурсного рассеяния в экспериментах по воздействию на ионосферу мощного контролируемого радиоизлучения нагревного стенда УСураФ.
Основными целями этих исследований являлось получение оценок следующих характеристик распространения: динамических спектров мощности комплексного низкочастотного сигнала (рис.3) и изучение их динамики во времени (доплеровских спектров); параметров отдельных лучей распространения, формирующих поле в точке приема; ширины частотного рассеяния f и среднего уровня принимаемого сигнала E ; плотности спектра мощности шумов в полосе анализа; среднего отношения сигнал-шум S N в полосе принимаемого низкочастотного комплексного сигнала; коэффициента мутности ионосферы ( - отношение мощ - 23 - ности зеркальной компоненты к мощности рассеянной), как интегральной меры тонкой мелкомасштабной структуры ионосферы; оценки статистических свойств указанных характеристик (функций распределения и их моментов); временного радиуса корреляции зеркальной и рассеянной компонент сигнала.
70 E, дБ E, дБ E, дБ E, дБ 60 50 50 40 30 30 20 10 10 0 -10 -03.2005 t, мск 06.2005 t, мск 09.2005 t, мск 12.2005 t, мск -10 -0 4 8 12 16 20 24 0 4 8 12 16 20 24 0 4 8 12 16 20 0 4 8 12 16 20 Рис.4. Суточные вариации уровня сигнала на трассе МоскваЦРостов-на-Дону при приеме сигналов станции РВМ на частотах 4996 кГц (сплошные линии) и 9996 кГц (штриховые линии) за 2005 г. Прогнозные значения отмечены для первой частоты треугольниками, а для второй - кружками. Вертикальные линии отмечают диапазон вариаций с амплитудой, равной среднеквадратическому отклонению уровня относительно среднемесячного значения.
В целях тестирования адекватности (в среднем) модели реальным физическим процессам, происходящим в ионосферной плазме, выполнено сопоставление прогнозируемых и экспериментальных характеристик распространения. Представлены результаты сравнения трехлетних (2003-2005 гг.) круглосуточных измерений среднемесячных значений уровней сигнала на трассе МоскваЦРостов-на-Дону с результатами адаптивного имитационного моделирования. Получено достаточно хорошее соответствие измеренных среднемесячных и прогнозируемых значений напряженности поля декаметровых волн во все сезоны при всех уровнях солнечной активности, что позволяет рекомендовать ДАСФ-модель для прогнозирования энергетического потенциала радиолиний декаметрового диапазона. Пример сопоставления среднемесячных значений измеренных и прогнозируемых уровней сигнала для годового цикла измерений приведен на рис.4.
Установлено, что процессы в нижней ионосфере (высоты 50-90 км) являются источником случайных изменений уровня сигналов. Экспериментально подтверждено, что воздействие всплесков рентгеновского излучений на нижнюю ионосферу приводит к внезапному возрастанию электронной концентрации (от 10 до 100 раз), поглощения коротких волн (от 40 до 60 дБ) и, как следствие, к случайным значительным изменениям уровня сигналов ВЧ волн.
Результаты круглосуточных многочастотных измерений квадратурных компонент сигнала станции точного времени РВМ в режиме непрерывного излучения в - 24 - течение 2002-2005 гг. на трассе МоскваЦРостов-на-Дону, а так же экспериментальные исследования на трассах КипрЦРостов-на-Дону и ХабаровскЦРостов-на-Дону послужили основой оценок статистических характеристик ДКМВ. Приведены оценки всех статистических характеристик, свойства которых на основе имитационного моделирования были исследованы в главе 4. Показано, что полученные экспериментальные оценки статистических параметров амплитудных флуктуаций поля ДКМВ хорошо согласуются с результатами моделирования.
По результатам многочастотных измерений сделаны следующие выводы.
- Частотные и энергетические характеристики распространения несут информацию о среднемасштабных ионосферных возмущениях типа ПИВ, амплитуда которых может достигать 20-25%.
- Вариации доплеровского смещения частоты в экспериментах на трассах протяженностью 250-6500 км не превышали 2 Гц.
- Диапазон частотного рассеяния минимален для освещенной трассы и не превышает 0.1-0.5 Гц. В заходные часы суток или при неравномерном освещении трассы он возрастает, но никогда не превышает 6 Гц.
- На односкачковых трассах в дневное время наивероятные значения коэффициента мутности лежат в диапазоне 2-6, но могут достигать величин на порядок больших. В сумеречные часы суток коэффициент уменьшается до 0.6. Для сигнала ракурсного рассеяния наиболее вероятные значения величины близки к 0. Однако в ряде случаев может возрастать до величин 0.1, что свидетельствует о присутствии дискретных составляющих в сигнале ракурсного рассеяния.
- В формировании ДКМ-радиоканала доминирующее влияние оказывает небольшое количество (до 3-5) дискретных (зеркальных) компонент сигнала.
- Диапазон частотного рассеяния непрерывной компоненты сигналов минимален для освещенной трассы и не превышает 0.3-0.33 Гц. В заходные часы суток или при неравномерном освещении трассы он возрастает до 0.33-0.38 Гц.
- Экспериментальные данные, полученные для условий средней и низкой солнечной активности и результаты расчетов с использованием ДАСФ-модели доказали, что современные эмпирические модели пространственного распределения электронной концентрации и эффективных частот соударений позволяют на среднеширотных трассах решать задачи прогнозирования медианных значений энергетических характеристик ДКМВ.
- Вариации день ото дня уровня сигнала на КВ трассах различной протяженности и ориентации обусловлены влиянием ПИВ, спорадических образований и динамических процессов в нижней ионосфере.
Представлены результаты регулярных наблюдений условий ионосферного распространения КВ на радиолиниях различной протяженности и ориентации, полученные на базе сети ЛЧМ-ионозондов в период 2002-2006 гг.
- 25 - Развитый спектральный подход на базе модифицированного многооконного метода спектрального анализа положен в основу алгоритмов обработки результатов наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы. В качестве примера на рис.5,6 показаны экспериментальные ионограммы для двух сеансов наблюдений.
Рис.5. Пример ДЧХ (верхняя часть) и АЧХ (нижняя часть) при наличии ПИВ на трассе зондирования и модуляции амплитуды луча Педерсена (1Fpo, 1Fpx) в окрестности МНЧ каждой из магнитоионных компонент. Трасса КипрЦРостов-на-Дону.
При этом в процессе обработки разностного низкочастотного комплексного сигнала определяются оценки следующих характеристик:
- Спектры мощности комплексного низкочастотного разностного сигнала, причем, с выделением дискретных и рассеянных компонент на основе дисперсионного отношения.
- Параметры отдельных лучей распространения, формирующих поле в точке приема, и в конечном итоге - ДЧХ и АЧХ отдельных лучей распространения.
- Ширины временного рассеяния и уровня принимаемого сигнала.
- Спектральной плотности мощности шумов в полосе приема.
- Среднего отношения мощности сигнала к мощности шума в полосе принимаемого низкочастотного комплексного сигнала.
- Коэффициента мутности ионосферы как интегральной меры тонкой мелкомасштабной структуры ионосферы.
- Ширины временного рассеяния рассеянной компоненты сигнала по каждому разделенному лучу распространения.
Предложен подход получения по параметрам обнаруженных парциальных лучей очищенных цифровых ДЧХ и АЧХ на основе сравнения точек в многомерном пространстве частота-задержка-амплитуда. Для этого в трехмерном пространстве вводится функционал расстояния между точками по следующему правилу = (f,,a ; fi,im,aim)= f - fi + -il + a - ail a. Две точки с j,l;i,m j jl jl j f jl jl индексами l и m на соседних частотах f и f, амплитудами a,a и заj-1 j j,l j-1,m держками , считаются принадлежащими одному лучу, если выполнено усj,l j-1,m - 26 - ловие < 3. Нормировочные параметры ,, подбираются эмпиричеj,l; j-1,m f, a ски и полагаются равными соответственно 500 кГц, 0.1 мс, 3 дБ. При этом обеспечивается надежное выделение частотных ветвей отдельных лучей и мод распространения, что позволяет в реальном масштабе времени при ЛЧМ-зондировании осуществлять вторичную обработку с определением интервалов многолучевости, наименьшей (ННЧ) и максимальной (МНЧ) наблюдаемых частот, полосы когерентности на любой контролируемой частоте.
Приведены результаты экспериментального исследования ДЧХ и АЧХ ионосферного КВ-канала, регистрация и обработка которых проводилась в автоматическом режиме с использованием разработанного программно-аппаратного комплекса в период 2002-2006 гг. на радиотрассах ЛЧМ-зондирования различной протяженности и ориентации. Особый интерес представляет оценка коэффициента мутности ионосферы по результатам наклонного ЛЧМ-зондирования. Оказалось, что эта величина может испытывать значительные изменения от сеанса к сеансу на одной и той же частоте, от частоты в пределах одного сеанса, но практически никогда не бывает меньше 1. Наиболее вероятные значения при отражении от регулярных ионосферных слоев заключены на интервале 2-6. Для Es-отражений наиболее вероятные значения этого коэффициента лежат в интервале 10-20.
Для интерпретации полученных экспериментальных результатов и подтверждения высказанных предположений выполнены расчеты с использованием имитационной модели широкополосного ионосферного радиоканала. Установлено, что квазипериодические глубокие флуктуации АЧХ обусловлены интерференцией неразделенных парциальных магнитоионных компонент, причем фазовые соотношения между лучами изменяются регулярно и связаны с разностью групповых задержек. Случайная составляющая фазы каждого луча пренебрежимо мала и не влияет на изменение суммарной амплитуды, по крайней мере, для лучей моды 1F, рис.5,6.
Эффект регистрации на ионограммах НЗ нескольких верхних лучей в виде УгребенкиФ обусловлен квазирегулярным расслоением электронной концентрации в окрестности максимума F-слоя с вертикальным масштабом 10-20 км.
Показано, что сравнение рассчитанных частотных характеристик с помощью разработанной адаптивной модели КВ-канала с результатами наклонного ЛЧМзондирования позволяет осуществить процедуру идентификации модовой структуры. По итогам сопоставления экспериментальных среднемесячных суточных вариаций МНЧ на трассах различной протяженности и ориентации с рассчитанными по модели МПЧ сделан вывод, что коррекция ДАСФ-модели по эффективному числу солнечных пятен позволяет достичь хорошего согласия модельных значений МПЧ и измеренных МНЧ (с погрешностью, не превышающей 12%).
Предложена методика диагностики ПИВ по z-образованиям на следах лучей Педерсена каждой магнитоионной компоненты (рис.6). На основе сопоставления экспериментальных характеристик наклонного зондирования с результатами адап - 27 - тивного имитационного моделирования определены динамические параметры волновых возмущений, определяющих z-образные особенности следов верхних лучей на ионограммах НЗ. Показано, что ПИВ с относительной амплитудой возмущения 20%, длиной волны 150 км и периодами 15-30 минут, распространяющиеся сверху вниз под углом -60 к горизонту, ответственны за наблюдаемые вариации ДЧХ (рис.7). Разработана методика оценки спектрального состава ПИВ по результатам автоматических регулярных круглосуточных измерений МНЧ на трассах наклонного ЛЧМ-зондирования. По результатам обработки рядов МНЧ установлено, что наиболее вероятные квазипериоды на трассах Кипр, ИнскипЦРостов-на-Дону сосредоточены на интервале 15-80 минут. Положение максимумов и их количество изменяется от месяца к месяцу.
Рис.6. ДЧХ (вверху) и АЧХ (внизу) при наличии z-образований на следах лучей Педерсена, обусловленных влиянием ПИВ. Трасса КипрЦРостов-на-Дону.
Рис.7. Результаты имитационного ЛЧМ-зондирования на трассе Кипр - Ростов-на-Дону с учетом влияния ПИВ. Длительность сеанса зондирования 300 с, скорость перестройки частоты 100 кГц/с.
В спокойных ионосферных условиях экспериментально обнаружен эффект модуляции амплитуды лучей Педерсена (см. рис.5) каждой магнитоионной компоненты с квазипериодом по частоте 50-300 кГц. Он объясняется расслоением ионосферной плазмы с масштабами вертикальным ~200 м, горизонтальным - единицыдесятки километров, и может быть положен в основу диагностики тонкой слоистой структуры ионосферы.
По результатам адаптивного имитационного моделирования установлено, что поведение измеренных АЧХ нижних лучей объясняется интерференцией не - 28 - разделенных дискретных составляющих, фаза которых не является случайной величиной. Установлено, что различие в уровнях верхнего и нижнего лучей, в основном, обусловлено разницей пространственных ослаблений этих лучей и не связано с эффектами аномального бесстолкновительного поглощения (80% случаев).
Далее рассмотрены вопросы экспериментального изучения угловых характеристик ДКМВ, которые являются мощным источником информации, позволяющим исследовать тонкую структуру ионосферы. Здесь же рассмотрены прикладные проблемы экспериментальной оценки потенциальной точности однопозиционного МО с помощью разработанной ДАСФ-модели ионосферного радиоканала.
Предложена схема построения и алгоритм работы цифрового широкоапертурного однопозиционного угломерно-дальномерного комплекса диапазона ДКМВ, позволяющего на основе современных методов цифровой спектральной пространственно-временной обработки сигналов определять углы прихода радиоволн в горизонтальной и вертикальной плоскостях. На основе ДАСФ-модели КВ-канала разработана методика однопозиционного МО, корректно учитывающая основные механизмы распространения ДКМВ в среднеширотной ионосфере.
На основе модифицированных соотношений эквивалентности развит способ определения УЧХ по результатам наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы, который может успешно применяться для проверки ионосферных моделей и калибровки подвижных угломерных комплексов во всем декаметровом диапазоне радиоволн. Этот способ оценки УЧХ экспериментально проверен прямыми измерениями угловых характеристик ДКМВ. Пример приведен на рис.8.
УЧХ, 16:, град f, кГц 11820 15555 17815510000 200Частота Рис.8. Результаты пересчета ДЧХ в УЧХ, оценка УЧХ по ДАСФ-модели (треугольники), результаты прямых измерений угла места на трех частотах вещательных станций BBC 11820, 15555, 17870 кГц, штрихами показаны погрешности расчета угла места, обусловленные неточностью временной синхронизации. Трасса КипрЦРостов-на-Дону, 21.02.2004 г., 13.35 UT.
Угол места - 29 - Экспериментально подтверждена разработанная методика подавления влияния многолучевости на измерения двумерных угловых координат ИРИ интерферометрическими методами путем углового статистического усреднения в частотновременной области существования сигнала. Показано, что предложенный способ подавления влияния многолучевости уменьшает дисперсию угловых координат ИРИ до 10 раз.
На основе измерения углов прихода ДКМВ в заходные часы суток и сопоставления наблюдаемых эффектов с результатами регистрации угловых характеристик сигналов ракурсного рассеяния в условиях искусственного воздействия на ионосферу мощным контролируемым излучением установлены особенности рассеяния сигналов при прохождении терминатора на высотах области F. Показано, что сигнал, принимаемый после захода, часто не связан с эффектами рассеяния вперед на ионосферных неоднородностях, а обусловлен эффектами возвратно-наклонного рассеяния на неровностях земной поверхности.
Приведены результаты экспериментальных исследований угловых характеристик ДКМВ, выполненных в период 2002-2005 гг. на трассах различной ориентации и протяженностью от 250 км до 6500 км. Обнаружены и измерены девиации пеленга, обусловленные влиянием горизонтальных градиентов электронной концентрации в восходно-заходные часы суток, а также влиянием ПИВ. Показано, что использование ДАСФ-модели ионосферного радиоканала, корректируемой по эффективному индексу солнечной активности, позволяет решить задачу однопозиционного местоопределения координат ИРИ с погрешностью по дальности около 10%. При этом средний азимут ИРИ, найденный на основе траекторных расчетов с учетом коррекции регулярных девиаций пеленга, обусловленных влиянием геомагнитного поля и горизонтальных градиентов электронной концентрации, отклоняется от истинного значения на величину не более 0.1o. Сделан вывод, что экспериментально измеренные УЧХ хорошо согласуются с результатами моделирования на основе ДАСФ-модели и подтверждают корректность выдвинутых и заложенных в ее основу положений.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. На основе теоретических и экспериментальных исследований создана адаптивная структурно-физическая модель. Она включает два блока. Первый - модель пространственного распределения электронной концентрации на основе IRI2001, адаптируемая к текущим данным вертикального и наклонного зондирования.
Второй - геометрооптический метод расчета характеристик распространения радиоволн в неоднородной магнитоактивной ионосфере, свободный от ограничений, которые связаны с особыми точками расширенной системы лучевых уравнений.
Модель позволяет учитывать реальные механизмы формирования поля отражен - 30 - ных от ионосферы ВЧ волн и диагностировать радиоканал путем решения обратных задач методом подгонки.
2. Разработана имитационная модель, позволяющая описывать временные, частотные, пространственные вариации радиоканала на основе динамически меняющейся передаточной характеристики. Она использована для анализа 200 0сеансов измерений характеристик сигналов с высокостабильной частотой и 500 0ЛЧМ-сеансов. На этой основе оценены все основные параметры радиоканала: модовая и лучевая структура, уровень и доплеровское смещение каждой моды, показатель мутности, дистанционно-частотные, амплитудно-частотные и угловыечастотные характеристики.
3. Разработаны приближенные методы учета влияния магнитного поля и горизонтальных градиентов электронной концентрации при расчете ДЧХ, УЧХ, МПЧ трассы, пространственного ослабления и ионосферного столкновительного поглощения, позволившие повысить вычислительную эффективность модели связного ионосферного радиоканала.
4. Разработан алгоритм пропускания сигнала через канал с динамически изменяющейся передаточной характеристикой, работающий в спектральной области с разбиением обрабатываемой последовательности на группы отсчетов (кадры) и обеспечивающий непрерывность импульсной характеристики ионосферного фильтра на границах соседних кадров, благодаря чему становится возможным использование быстрых методов обработки сигналов.
5. Создана математическая модель процесса ЛЧМ-зондирования ионосферы и на основе метода имитационного зондирования с помощью ДАСФ-модели показано, что метод наклонного ЛЧМ-зондирования в условиях временного разделения позволяет определять амплитуды парциальных лучей с погрешностью, не превышающей 10%, групповые задержки с погрешностями около 5 мкс, а их фазы с ошибкой не более 15o. Доказана возможность построения многоканального комплекса наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы, позволяющего наряду с традиционно измеряемыми ДЧХ и АЧХ радиоканала получать угловые-частотные характеристики разделенных парциальных лучей корреляционно-интерферометрическим методом.
6. На основе анализа методами асимптотических разложений динамической передаточной характеристики радиоканала введены физически обоснованные не зависящие от свойств зондирующих сигналов понятия, характеризующие интегральные дисперсионные свойства ионосферы по частоте, времени и в пространственной области: полоса когерентности, время стационарности, пространственная полоса когерентности, исследованы их вариации в различных гелио- и геофизических условиях распространения. Эти характеристики использованы для определения границ частотно-пространственно-временных выборок при обработке экспе - 31 - риментальных данных НЗ узкополосными и широкополосными сигналами без существенных потерь точности.
7. Применительно к обработке сигналов, отраженных от ионосферы, развит многооконный метод спектрального оценивания основных энергетических, временных, частотных характеристик ВЧ волн. С его помощью проведена селекция лучевой структуры сигнала и для каждого луча исследованы частотно-временные характеристики разделенных зеркальных и рассеянных компонент сигналов, отраженных от спокойной, естественно и искусственно возмущенной ионосферы, на наклонных трассах протяженностью до 6500 км. Одновременно предложен гистограммный метод оценки спектральной плотности шума в полосе приема. Установлено доминирование зеркальных компонент сигнала над рассеянными.
8. Для обработки результатов наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы на основе модифицированного многооконного метода спектрального анализа предложен способ выделения отдельных частотно-временных ветвей на ДЧХ и АЧХ, соответствующих различным модам и лучам распространения, а на его основе разработаны алгоритмы: многоуровневой пороговой очистки ионограмм НЗ; автоматического определения интервалов многолучевости, ННЧ и МНЧ отдельных мод распространения, количества лучей, формирующих радиоканал на контролируемых частотах, и их параметров (амплитуды, полосы когерентности, коэффициента мутности, отношения сигнал-шум).
9. Для систем с пространственно разнесенным приемом разработаны новые методы корреляционного обнаружения и локализации сигналов в частотновременной области, для систем пеленгования предложен метод подавления влияния многолучевости на точностные характеристики интерферометрических угломерных комплексов. Они позволяют повысить точность измерений углов прихода ДКМВ до 10 раз.
10. Установлено, что на среднеширотных трассах протяженностью до 3000 км на частотах меньших 0.95 от МПЧ дополнительного затухания по отношению к столкновительным потерям не существует. Для прогнозирования напряженности поля КВ передатчиков достаточно использовать газокинетическую модель эффективной частоты соударений электронов.
11. Методом имитационного НЗ экспериментально исследованы статистические свойства ДКМВ полей в зоне приема, характеризуемые временной, частотной и пространственной корреляционными функциями, функцией распределения флуктуаций амплитуды и фазы суммарного поля, а также первыми четырьмя моментами одномерной функции распределения амплитуды.
12. На трассах средней протяженности в спокойных ионосферных условиях обнаружен, проанализирован и объяснен эффект модуляции амплитуды лучей Педерсена отдельных магнитоионных компонент влиянием вертикальных расслоений плазмы в области F (вертикальный масштаб ~200 м, горизонтальный - несколько - 32 - километров). Предложено использовать указанный эффект для диагностики тонкой неоднородной структуры ионосферной плазмы.
13. Разработан новый метод мониторинга перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) по результатам наблюдения за динамикой z-образований на следах лучей Педерсена на ионограммах наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы. Метод основан на решении обратной нелинейной задачи, связанной с обращением ЛЧМ-ионограммы в модельное пространственное распределение электронной концентрации. Его результаты не противоречат традиционным методам диагностики.
14. Разработаны способы построения современных цифровых программноаппаратных систем для комплексного измерения временных, частотных, угловых характеристик ДКМВ на трассах наклонного зондирования ионосферы: многочастотный комплекс измерения характеристик распространения на мононесущей частоте, комплекс приема и обработки сигналов ЛЧМ-зондирования, комплекс измерения угловых характеристик с возможностью однопозиционного местоопределения.
15. В течение 2002-2006 гг. выполнены непрерывные круглосуточные комплексные измерения характеристик распространения на среднеширотных трассах различной протяженности и ориентации в спокойных, естественно возмущенных геофизических условиях и с учетом воздействия на ионосферу мощным контролируемым радиоизлучением. Измерения включали оценки: энергии зеркальных и рассеянных компонент сигналов, доплеровских смещений частоты, спектрального уровня шумов в полосе приема, корреляционных функций, одномерных функций распределения, статистических характеристик флуктуации амплитуд сигнала, диапазона частотного и временного рассеяния зеркальной и рассеянной компонент, дистанционно-частотных, амплитудно-частотных, угловых-частотных характеристик. Проведено имитационное моделирование экспериментов с учетом адаптации ДАСФ-модели к реальным гелио- и геофизическим условиям. Показано, что разработанная модель адекватно описывает все основные процессы, оказывающие существенное влияние на формирование поля ДКМВ в зоне приема.
16. Экспериментально и методом адаптивного моделирования исследовано воздействие всплесков рентгеновского излучения на нижнюю ионосферу, приводящее к внезапному росту электронной концентрации и внезапному поглощению коротких волн. С использованием ДАСФ-модели ионосферного канала исследована динамика изменения во времени модельных профилей электронной концентрации в нижней ионосфере, рассчитанных по результатам поглощения коротких радиоволн на трассе МоскваЦРостов-на-Дону во время рентгеновской вспышки января 2005 г. Показано, что для момента времени соответствующего максимальному значению потока вспышки рентгеновского излучения электронная концентрация в нижней ионосфере увеличилась до 100 раз.
- 33 - 17. Разработана методика пересчета ДЧХ в УЧХ. Экспериментально показано, что УЧХ, вычисленные по результатам НЗ непрерывными ЛЧМ-сигналами, могут использоваться для калибровки систем пеленгации, размещенных стационарно или на подвижных носителях.
18. Экспериментально исследовано влияние регулярных горизонтальных градиентов электронной концентрации и ПИВ на девиации пеленга. Средний азимут ИРИ, найденный на основе траекторных расчетов с учетом коррекции регулярных девиаций пеленга, обусловленных влиянием геомагнитного поля и горизонтальных градиентов электронной концентрации, отклоняется от истинного значения на величину не более 0.1o.
19. Теоретически на основе разработанной ДАСФ-модели и экспериментально на трассах различной протяженности и ориентации в различных гелио- и геофизических условиях определены потенциальные точности решения задачи однопозиционного местоопределения ИРИ. Показано, что использование современных эмпирических моделей ионосферы, корректируемых по уровню солнечной активности, позволяет решить задачу однопозиционного местоопределения координат ИРИ с погрешностью по дальности около 10%. Перемещающиеся ионосферные возмущения приводят к флуктуациям пеленга ДКМВ на среднеширотных трассах протяженностью 1000-3000 км с типичным значением среднеквадратического отклонения 1o - 2o.
20. Исследованы угловые характеристики рассеянного поля в естественных условиях и в условиях модификации среднеширотной ионосферы нагревным стендом УСураФ. Они позволили установить и интерпретировать объемный эффект рассеяния радиоволн при прохождении солнечного терминатора.
21. Показано, что полученные экспериментальные характеристики вполне согласуются с результатами имитационного адаптивного моделирования и могут служить доказательством правильного выбора основных положений, на которых базируется разработанный метод расчета пространственно-временных полей ДКМВ.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Goodman J.M. HF Communication: Science and Technology. ЦNew York:
Van Nostrand Reinhold, USA, 1992. Ц631p.
2. Goodman J., Ballard J., Sharp E. A long-term inverstigation of the HF communication channel over middle-and high-latitude paths// Radio Sci. 1997. V.32, N4.
P.1705-1715.
3. Алехин Ю.Н., Шаронин С.Г. Современные ВЧ радиокоммуникационные системы - достойная альтернатива спутниковой связи// Сети. 1996. №8. С.39-43.
4. Гершман Б.Н., Ерухимов Л.М., Яшин Ю.А. Волновые явления в ионосфере и космической плазме. ЦМ.:Наука, 1984. Ц392с.
- 34 - 5. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. ЦМ.:
Наука, 1967. Ц683c.
6. Девис К. Радиоволны в ионосфере. - М.:Мир, 1973. Ц502с.
7. Филипп Н.Д., Блаунштейн Н.Ш., Ерухимов Л.М., Иванов В.А., Урядов В.П. Современные методы исследования динамических процессов в ионосфере.
Кишинев: ШТИИНЦА. 1991. Ц288 с.
8. Афраймович Э.Л. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли / Э.Л.Афраймович, Н.П.Перевалова ЦИркутск: ГУ Н - РВХ ВСН - СО РАМН, 2006.
Ц480с.
9. Gething P.J.D. Radio direction finding and superresolution. - London: Peter Peregrinus Ltd, 1990. Ц365p.
10. Попов А.В., Цедилина Е.Е., Черкашин Ю.Н. Новые методы расчета коротковолновых радиотрасс // В кн. Электромагнитные и плазменные процессы от Солнца до ядра Земли. ЦМ.:Наука, 1989. С.146-162.
11. Сажин В.И. Гибридное моделирование распространения декаметровых радиоволн // Дисс. Е д.ф.-м.н. Иркутск. ИГУ. 2001. Ц250с.
12. Афpаймович Э.Л. Интерференционные методы радиозондирования ионосферы. - М.:Наука, 1982. Ц198с.
13. Ю.А.Кравцов, Ю.И.Орлов. Геометрическая оптика неоднородных сред.
ЦМ: Наука, 1971, Ц116с.
14. Danilkin N.P., Denisenko P.F., Barabashov B.G., Vertogradov G.G. Electron collision frequency and HF waves attenuation in the ionosphere // I.J.Geomagn. and Aeron.. V.5, GI3009, doi:10.1029/ 2004GI000081, 2005. -13p.
15. Томсон Д.Дж. Спектральное оценивание и гармонический анализ // ТИИЭР. 1982. Т.70, №9. С.171-219.
16. Вертоградов Г.Г., Мятежников Ю.П. Многооконный метод спектрального анализа сигналов, отраженных от ионосферы // Геомагн. и аэрономия. 2004. Т.44, №3, C 357-371.
СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Барабашов Б.Г., Вертоградов Г.Г. Расчет максимально применимых частот КВ линий связи с учетом магнитного поля Земли // Радиотехника. 1981. Т.36, №12. С.35-37.
2. Аврамиди И.Г., Барабашов Б.Г., Вертоградов Г.Г. Способ снижения влияния многолучевости на точность определения углов прихода радиоволн // Радиотехника. 1983, №9. С.69-73.
3. Денисенко П.Ф., Водолазкин В.И., Вертоградов Г.Г. Пространственное ослабление радиоволн при вертикальном зондировании ионосферы // Геомагн. и аэpономия. 1986. Т.26, №2. С.322-325.
- 35 - 4. Барабашов Б.Г., Вертоградов Г.Г. Решение обратной задачи вертикального зондирования на основе уравнения Вольтера 2 рода // Геомагн. и аэpономия.
1987. Т.27, №3. С.507-509.
5. Барабашов Б.Г., Вертоградов Г.Г., Хонду А.А. Оценка эффеективности использования вертикального зондирования в угломерно-дальномерных комплексах диапазона декаметровых радиоволн // Радиотехника. N9. С.3-7. 1987.
6. Барабашов Б.Г., Вертоградов Г.Г. Обобщение теоремы эквивалентности по поглощению декаметровых радиоволн на случай сферической магнитоактивной ионосферы // Труды НИИР. 1989. №2. С.50-54.
7. Барабашов Б.Г., Вертоградов Г.Г. Динамическая адаптивная модель связного декаметрового канала // Радиотехника. 1995. №12. С.29-32.
8. Барабашов Б.Г., Вертоградов Г.Г. Моделирование работы и оценка потенциальных возможностей ионозонда с линейной частотной модуляцией для прогнозирования КВ радиотрасс // Труды НИИР: Сб. ст. ЦМ.:Радио и связь, 1996. - 116с. С.56-61.
9. Барабашов Б.Г., Вертоградов Г.Г. Динамическая адаптивная структурнофизическая модель ионосферного радиоканала // Математическое моделирование.
1996. Т.8.№ 2. С.3-18.
10. Барабашов Б.Г., Вертоградов Г.Г. Определение времени стационарности ионосферного радиоканала // Труды НИИР: Сб. ст. ЦМ.:Радио и связь, 1997. Ц136с.
С.104-111.
11. Барабашов Б.Г., Вертоградов Г.Г. Исследование статистических и корреляционных характеристик полей ДКМВ на основе структурно-физического моделирования // Труды НИИР: Сб.ст. ЦМ.:Радио и связь, 1998. Ц114с. С.89-95.
12. Вертоградов Г.Г. Имитатор широкополосного ионосферного радиоканала// Радиотехника и электроника. Т.48, №11. 2003. С.1322-1329.
13. Вертоградов Г.Г. Имитатор декаметрового радиоканала // Изв. вузов. Радиоэлектроника. Т.48, №11. 2003. С.1322-1329.
14. Вертоградов Г.Г., Минеев Д.А. Имитатор узкополосного ионосферного радиоканала // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. Науки. 2003. №3. С.45-50.
15. Урядов В.П., Куркин В.И., Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г., Понятов А.А., Пономарчук С.Н. Особенности распространения КВ сигналов на средних широтах в условиях геомагнитных возмущений // Изв. вузов. Радиофизика. 2004. Т.47, № 12. С.1041-1056.
16. Урядов В.П., Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г., Понятов А.А., Фролов В.Л. Радарные наблюдения искусственной ионосферной турбулентности во время магнитной бури // Изв. вузов. Радиофизика. 2004. Т.47, №9. С.722-738.
17. Вертоградов Г.Г., Мятежников Ю.П., Урядов В.П., Розанов С.В. Комплексное экспериментальное оценивание характеристик распространения КВ сиг - 36 - налов на среднеширотных трассах различной протяженности и ориентации // Изв.
вузов. Радиофизика. 2004. Т.47, №1. С.15-31.
18. Вертоградов Г.Г., Кондаков Е.В. Ошибки решения обратной задачи одноточечного местоопределения, обусловленные погрешностями прогнозирования состояния ионосферы // Геомагн. и аэрономия. 2003. Т.43, №6, C.799-803.
19. Вертоградов Г.Г., Кондаков Е.В. Уменьшение влияния многолучевости на точность определения углов прихода интерферометрическим методом // Радиотехника. 2003, №1. С.86-90.
20. Вертоградов Г.Г., Кондаков Е.В. Экспериментальное исследование ошибок однопозиционного местоопределения в ДКМВ диапазоне с использованием модели IRI// Изв. вузов. Сев.-Кавк.регион. Естественные науки. 2004. №. 1. С.16-21.
21. Вертоградов Г.Г., Мятежников Ю.П. Многооконный метод спектрального анализа сигналов, отраженных от ионосферы // Геомагн. и аэрономия. 2004. Т.44, №3. C.357-371.
22. Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградов В.Г. Наклонное зондирование и моделирование ионосферного коротковолнового канала // Изв. вузов. Радиофизика. 2005. Т.48, № 6. С.455-471.
23. Денисенко П.Ф., Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г. Сказик А.И. Дополнительные энергетические потери высокочастотных волн в ионосфере вблизи максимально применимой частоты // Электромагнитные волны и электронные системы. 2005. Т.10, №5. С.67-70.
24. Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г., Урядов В.П. Широкополосное ослабление коротких радиоволн на среднеширотных трассах во время рентгеновских вспышек в январе 2005 года // Изв. вузов. Радиофизика. 2006. Т.50,№1. С.1-8.
25. Вертоградов Г.Г. Прогнозирование энергетических характеристик сигналов, отраженных от ионосферы, на основе модели IRI-2001 // Электромагнитные волны и электронные системы. 2006. Т.11, №5. С.28-31.
26. Денисенко П.Ф., Вертоградов Г.Г., Шевченко В.Н., Кузнецов Е.В. Использование радиодиагностики ионосферы в задаче пеленгации источников декаметрового излучения // Электромагнитные волны и электронные системы. 2006.
Т.11, №5. С.24-27.
27. Бархатов Н.А., Ревунов С.Е., Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г., Валов В.А., Урядов В.П. Прогнозирование максимально наблюдаемой частоты ионосферного КВ-канала методом искусственных нейронных сетей // Геомагн. и аэpономия. 2006. Т.46, №1. С.88-98.
28. Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградов В.Г., Мониторинг волновых возмущений методом наклонного зондирования ионосферы // Изв. вузов. Радиофизика. 2006. Т.49, №3. С.1015-1029.
29. Л.М.Каган, М.Дж.Николлс, М.К.Келли, В.Л.Фролов, В.В.Беликович, Н.В.Бахметьева, Г.П.Комраков, Д.И.Недзветский, В.П.Урядов, Ю.М.Ямпольский, - 37 - В.Г.Галушко, А.В.Колосков, А.В.Зализовский, С.Б.Кащеев, Н.Ф.Благовещенская, В.А.Корниенко, Т.Д.Борисова, А.В.Гуревич, Г.Г.Вертоградов, В.Г.Вертоградов, Т.С.Трондсен, Е.Донован Оптическая и радиочастотная диагностика ионосферы над нагревным стендом Сура. Обзор результатов // Радиофизика и Радиоастрономия. 2006. Т.11, №3. С.221-241.
30. Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградов В.Г., Шевченко В.Н. Исследование угловых-частотных характеристик КВ-волн при наклонном ЛЧМзондировании ионосферы// Электромагнитные волны и электронные системы.
2007. Т.12, №5. С.25-32.
31. Фролов В.Л., Бахметьева Н.В., Беликович В.В., Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г., Комраков Г.П., Котик Д.С., Митяков Н.А., Поляков С.В., Рапопорт В.О., Сергеев Е.Н., Терещенко Е.Д., Толмачева А.В., Урядов В.П., Худокон Б.З.
Модификация ионосферы Земли мощным коротковолновым радиоизлучением // Успехи физических наук. 2007. Т.177, №3. С.330-340.
32. Патент №2207583 Российской Федерации 7G01S 3/00, 3/14, 3/74 Способ пеленгации множества источников радиоизлучения, одновременно попадающих в полосу приема / Шевченко В.Н., Вертоградов Г.Г., Иванов Н.М., Берсенев Е.В. Заявл. 29.11.2001. Опубл. 27.06.2003. Бюл.№18. -12 с.
33. Патент №2150122 Российской Федерации 7G01S 3/14, 5/04 Способ определения двумерного пеленга и частоты источников радиоизлучения / Шевченко В.Н., Вертоградов Г.Г., Иванов Н.М. Заявл. 06.04.1999 Опубл. 27.05.2000.
Бюл.№15. -7 с.
34. Патент №2190236 Российской Федерации 7G01S 5/04 Способ обнаружения и определения двухмерного пеленга и частоты источников радиоизлучения / Шевченко В.Н., Емельянов Г.С., Вертоградов Г.Г. Заявл. 13.09.2000 Опубл.
27.09.2002. Бюл.№27. -8 с.
35. Патент №2285934 Российской Федерации МПК G01S 5/04. Способ однопозиционного определения местоположения ДКМВ передатчиков / Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г., Кондаков Е.В., Шевченко В.Н. Заявл. 15.06.2004. Опубл.
20.10.2006. Бюл.№29. -9 с.
36. Патент №2287169 Российской Федерации МПК G01S 13/02. Способ радиоконтроля / Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г., Шевченко В.Н. Заявл.
15.06.2004. Опубл. 10.11.2006. Бюл.№31. -11 с.
37. Патент №2285935 Российской Федерации МПК G01S 5/04. Способ многопозиционного определения местоположения ДКМВ передатчиков / Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г., Шевченко В.Н. Заявл. 15.06.2004. Опубл. 20.10.2006.
Бюл.№29. -15 с.
38. Патент №2284043 Российской Федерации МПК G01S 5/04. Способ калибровки компьютерно-интерферометрических систем на подвижных платформах / - 38 - Шевченко В.Н., Вертоградов Г.Г., Бессонов С.В., Минеев Д.А. Заявл. 23.03.2005.
Опубл. 20.09.2006. Бюл.№26. -12 с.
39. Патент №2285936 Российской Федерации МПК G01S 5/04. Способ обнаружения источников радиоизлучения со скачкообразным изменением частоты / Вертоградов Г.Г., Викулов П.Н., Иванов Н.М., Шевченко В.Н. Заявл. 15.06.2004.
Опубл. 20.10.2006. Бюл.№29. -16 с.
40. Патент №2286583 Российской Федерации МПК G01S 5/04. Способ обнаружения и локализации сложных сигналов / Вертоградов Г.Г., Викулов П.Н., Иванов Н.М., Шевченко В.Н. Заявл. 23.03.2005. Опубл. 27.10.2006. Бюл.№30. -16 с.
41. Vertogradov G.G., Vertogradova E.G. The computer simulation of the HFchannel// Proceeding of ICAPС11-P480, Manchester, UK, 17-20 April, 2001. IEE 2001.
V.2. P.797-801.
42. Barabashov, B., Vertogradov G., Burdukov M., Pelevin O., Evaluation of shot and medium-length ionospheric radiopaths// Proceeding of ICAPС11-P480, Manchester, UK, 17-20 April, 2001. IEE 2001. V.1. P.160-164.
43. Uryadov V.P., Vertogradov G.G., Vertogradov V.G., Ponyatov A.A., Frolov V.L. Ionospheric effects of the magnetic storm on 18-22 August 2003 according to the data of HF sounding of the artificial ionospheric turbulence // I.J.Geomagn. and Aeron.
2004. V.5 GI1007, doi:10.1029/2003GI000059.
44. Danilkin N.P., Denisenko P.F., Barabashov B.G., Vertogradov G.G. Electron collision frequency and HF waves attenuation in the ionosphere// I.J.Geomagn. and Aeron.. V.5, GI3009, doi:10.1029/ 2004GI000081, 2005. -13p.
45. Uryadov V.P., Ponyatov A.A., Vertogradov G.G., Vertogradov V.G., Kurkin V.I., Ponomarchuk S.N. Dynamics of the aural oval during geomagnetic disturbances observed by oblique sounding of the ionosphere in the Eurasian longitudinal sector // I.J.Geomagn. and Aeron. 2005. V.6, GI1002, doi:10.1029/ 2004GI000078, 2005. Ц13p.
46. Blagoveshchenskaya N.F., Borisova T.D., Kornienko V.A., Moskvin I.V., Rietveld M.T., Frolov V.L., Uryadov V.P., Kagan L.M., Yampolski Yu.M., Galushko V.L., Koloskov A.V., Kasheev S.B., Zalizovski A.V., Vertogradov G.G., Vertogradov V.G., Kelley M.C. Probing of medium-scale traveling ionospheric disturbances using HF-induced scatter targets// Ann. Geophys. 2006. V.24. P.1-13.
47. Vertogradov G.G., Vertogradov V.G., Uryadov V.P.Oblique chirp sounding and modeling of ionospheric HF channel at paths of different length and orientation// I.J.Geomagn. and Aeron. 2007. V.7, GI2002, doi:10.1029/ 2006GI000143.