Диагностика, моделирование и прогнозирование характеристик декаметровых радиоволн в естественно возмущенной и искусственно модифицированной ионосфере

Вертоградова, Елена Геннадьевна

Диагностика, моделирование и прогнозирование характеристик декаметровых радиоволн в естественно возмущенной и искусственно модифицированной ионосфере тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Вертоградова, Елена Геннадьевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Ростов-на-Дону МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Диагностика, моделирование и прогнозирование характеристик декаметровых радиоволн в естественно возмущенной и искусственно модифицированной ионосфере»

Автореферат диссертации на тему "Диагностика, моделирование и прогнозирование характеристик декаметровых радиоволн в естественно возмущенной и искусственно модифицированной ионосфере"

На правах рукописи

Вертоградова Елена Геннадьевна

ДИАГНОСТИКА, МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕКАМЕТРОВЫХ РАДИОВОЛН В ЕСТЕСТВЕННО ВОЗМУЩЕННОЙ И ИСКУССТВЕННО МОДИФИЦИРОВАННОЙ

ИОНОСФЕРЕ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 4 АПР 2014

Ростов-на-Дону - 2014 г.

005547667

Работа выполнена на кафедре прикладной электродинамики и компьютерного моделирования физического факультета Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»

Научный руководитель: Денисенко Павел Федорович

доктор физико-математических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», профессор кафедры прикладной электродинамики и компьютерного моделирования

Официальные оппоненты:

Благовещенский Донат Владимирович, доктор физико-математических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения», профессор кафедры №21

Черкесова Лариса Владимировна, доктор физико-математических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет», доцент кафедры «Математика и информатика» факультета «Информатика и вычислительная техника»

Ведущая организация:

Федеральный научно-производственный центр Федеральное государственное унитарное предприятие «Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи»

Защита состоится «20» июня 2014 г. в 14— часов 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. 318.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 21 Ж и на сайте: ЬЦр^/ЪиЬ.вГе^.г^Швв/аппоипсетегиз/соипсП^О/

Автореферат разослан « апреля 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.208.10 доктор физико-математических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В современных условиях высоких технологий роль ионосферного распространения радиоволн непрерывно возрастает. Распространение волн декаметрового диапазона (ДКМВ) в ионосферной плазме позволяет не только организовать связь на большие расстояния практически без ограничения дальности связи, но и, с учетом современных методов обработки и формирования сигналов, обеспечить высокую надежность и достоверность передаваемой информации. Исследование характеристик узкополосных и широкополосных сигналов волн различных диапазонов, прошедших сквозь ионосферу, позволяет с помощью современных цифровых методов анализа диагностировать низкотемпературную плазму и процессы, в ней происходящие, в естественных условиях на планетарных масштабах.

В связи с огромной изменчивостью ионосферного радиоканала необходимо решение многопараметрической задачи: определение количества мод распространения, учет вариаций амплитуд и фаз каждой из них, тонкой пространственно-временной структуры поля в зоне приема. Наибольшую трудность представляет учет случайных факторов, обусловленных как среднемасштабными естественными неоднородностя-ми, к которым относятся перемещающиеся ионосферные возмущения (ПИВ), так и мелкомасштабными - явление F-расссяния, а так же учет воздействия мелкомасштабных искусственных неоднородностей электронной концентрации. В работе [1], например, показано, насколько сильно могут сказываться различные факторы на возникновение ионосферных неоднородностей различных масштабов, такие как солнечные затмения, солнечные вспышки, эффекты, связанные с движением солнечного терминатора, тропические циклоны, землетрясения, запуски ракет и многие другие. Все это сказывается не только на процессах распространения KB, но и на распространении радиоволн других диапазонов, функционировании и надежности систем GPS и ГЛОНАСС [1], а также на работе спутниковых систем во внешней ионосфере.

Имеющиеся методы диагностики ионосферных неоднородностей нацелены, в основном, на изучение неоднородностей, местоположение которых известно. Так, например, для определения локализации и характера движения ионосферных неоднородностей в полярной ионосфере по всему миру создана сеть парных радаров SuperDARN [2]. Для изучения экваториального F-расссяния применяют технику угловых измерений при трансэкваториальном распространении KB радиоволн [3]. Однако, лишь немногие работы посвящены более редкому явлению - среднеширотному F-рассеянию.

ЛЧМ-ионозонд/пеленгатор [4], который использовался в настоящей диссертационной работе в качестве инструмента изучения структуры ионосферы, может использоваться для зондирования ионосферы как на трансэкваториальных трассах, так и для изучения тонкой структуры среднеширотной, высокоширотной и полярной ионосферы. Его преимущества: наличие международной сети станций наклонного ЛЧМ-зондирования и сети мощных ЛЧМ-передатчиков станций загоризонтной радиолока-

ции, дальность применения ограничена лишь мощностью ЛЧМ-передатчиков, возможен прием сигналов с любого направления, определение в реальном времени основных характеристик КВ-канала (дистанционно-частотные (ДЧХ), амплитудно-частотные (АЧХ) и двухмерные угловые частотные характеристики (УЧХ)), а также коэффициент мутности ионосферы, позволяющий осуществлять выбор оптимальных рабочих частот (что имеет важное значение для высокоширотной ионосферы), имеет рабочий диапазон до 30-45 МГц (ограничен лишь рабочим диапазоном ЛЧМ-передатчиков).

Применение ЛЧМ-ионозонда/пеленгатора для диагностики тонкой структуры ионосферы требует развитого подхода к моделированию распространения лучей в условиях возмущенной ионосферы. Такой подход может быть разработан и протестирован в процессе изучения распространения радиоволн, рассеянных на искусственных ионосферных неоднородностях, образованных контролируемым воздействием на ионосферу нагревных стендов «Сура» и Е18САТ (Тгогши) [5].

Таким образом, вопросы исследования и прогнозирования характеристик дека-метровых волн в естественных и искусственно возмущенных условиях, которым посвящена данная диссертационная работа, актуальны и практически значимы.

Цель настоящей диссертационной работы состоит в: развитии метода обнаружения и дистанционной диагностики естественных и искусственных ионосферных неоднородностей с помощью ЛЧМ-ионозонда/пеленгатора; разработке и тестировании на основе экспериментальных данных методов адаптивного моделирования распространения сигналов в естественно возмущенной и искусственно модифицированной ионосфере; изучении влияния неоднородностей на тонкую струюуру КВ сигналов на трассах различной протяженности и ориентации.

В процессе работы над диссертацией решены следующие задачи:

1. Осуществлен многолетний непрерывный мониторинг естественных неоднородностей в ионосфере различных масштабов, ПИВ с помощью ЛЧМ-зондирования на трассе Кипр - Ростов-на-Дону (протяженность трассы - 1470 км), на трассе Лейвертон (Австралия) — Ростов-на-Дону (протяженность трассы 11790 км).

2. Разработано программное обеспечение для моделирования распространения КВ в магнитоактивной трехмерно-неоднородной ионосфере, нацеленное на учет эффектов солнечного затмения, особенностей среднемасштабных ПИВ, ракурсного рассеяния на мелкомасштабных магнито-ориентированных неоднородностях.

3. Исследовано влияние солнечного затмения на особенности распространения КВ на пяти трассах различной протяженности (от 1470 км до 4514 км).

4. В течение 2010-2012 гг. с участием стендов «Сура» и Е18САТ (Тромсе, Норвегия) проведена серия экспериментов для изучения пространственной структуры искусственной ионосферной турбулентности с помощью ракурсного рассеяния диагностических радиоволн.

5. Разработана эмпирическая модель помеховой обстановки на среднеши-

ротных трассах, развита методика оперативного прогнозирования характеристик КВ канала по данным ЛЧМ-зондирования ионосферы, выполнена экспериментальная проверка разработанного подхода.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Разработана методика адаптивного моделирования распространения КВ, позволяющая исследовать эффекты ракурсного рассеяния радиоволн, ионосферный отклик на солнечное затмение, явление /^-рассеяния, влияние ПИВ.

• На основе метода адаптивного моделирования экспериментов по искусственной модификации ионосферы доказана кластерная структура области, заполненной искусственными ионосферными неоднородностями различных масштабов.

• Разработан способ экспресс определения параметров ПИВ по монограммам наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы, а именно, по виду г-следов на ДЧХ.

• Предложен алгоритм прогнозирования оптимальных рабочих частот по данным ЛЧМ-зондирования с учетом коэффициента мутности ионосферы как интегральной меры ее тонкой мелкомасштабной структуры.

• Впервые с помощью ЛЧМ-зонда/пеленгатора обнаружены эффекты сред-неширотного ^рассеяния при наклонном зондировании ионосферы, определена пространственная локализация области, заполненной мелкомасштабными естественными ионосферными неоднородностями, вычислены их поперечные масштабы и относительные изменения электронной концентрации.

• Показана возможность мониторинга с помощью ЛЧМ-зонда/пеленгатора различных ионосферных неоднородностей в планетарном масштабе из одного приемного пункта, возможность их пространственного позиционирования, оценки пространственных параметров.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Методика имитационного моделирования процессов распространения ДКМВ в неоднородной магнитоактивной ионосфере, основанная на траекторных расчетах с учетом эффектов отклика ионосферы на солнечное затмение, ракурсного рассеяния радиоволн на естественной и искусственной ионосферной турбулентности и использующая справочную модель ионосферы ИИ с коррекцией профиля ионизации по данным вертикального и/или наклонного зондирования.

2. Разработанный подход к анализу экспериментов по искусственной модификации ионосферы, с помощью которого установлена кластерная структура искусственной ионосферной турбулентности и выполнена локализация отдельных кластеров, оценены поперечные и продольные масштабы возмущенной области; поперечные масштабы естественных и искусственных неоднородностей, определяющих в различных условиях эффекты рассеяния.

3. Эмпирическая классификация ПИВ по геометрии и хараетеристикам г-особенностей на дистанционно-частотных характеристиках, позволяющая на основе наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы осуществлять экспресс оценку парамет-

ров среднемасштабных неоднородностей, имеющих волновую природу: пространственный масштаб, направление перемещения в вертикальной плоскости.

4. Результаты экспериментальных исследований и имитационного моделирования, обеспечившие из одного приемного пункта детальную пространственную локализацию мелкомасштабных естественных ионосферных неоднородностей в планетарном масштабе, а также обнаружение факта пространственной периодичности их распределения в экваториальных широтах.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждена большим объемом многолетних измерений, выполненных в различных геофизических условиях и успешным моделированием полученных в эксперименте эффектов с помощью развитых в диссертации методов, использованием общепринятых приближений для проведения траекторных расчетов, использованием современных апробированных ионосферных моделей для средней невозмущенной ионосферы, соответствием полученных результатов опубликованным данным других авторов.

Практическая значимость. Результаты, полученные в данной диссертационной работе, вносят важный вклад в развитие физических представлений о естественных ионосферных неоднородностях, среднеширотном ^-рассеянии, структуре искусственной ионосферной турбулентности.

Разработанный автором комплекс программ применим для интерпретации результатов экспериментов по дальнему и сверхдальнему зондированию, полученных с помощью ЛЧМ-ионозонда/радиопеленгатора, а так же нагревных экспериментов по модификации ионосферы мощным КВ-излучением.

Разработанная классификация ПИВ может на практике применяться для экспресс диагностики ПИВ, оценки их параметров на трассах различной протяженности и ориентации и использоваться при решении задач однопозиционного местоопределе-ния и прогнозирования радиосвязи с учетом влияния среднемасштабных возмущений волновой природы.

Алгоритм выбора оптимальных рабочих частот связной радиолинии включен в комплекс вторичной обработки данных, полученных с помощью ЛЧМ-ионозонда/ра-диопеленгатора.

Реализация результатов работы. Отдельные разделы работы вошли составной частью хоздоговорной научно-исследовательской темы «Жим-К-РД», выполненной в Южном федеральном университете по государственному заказу на конкурсной основе. Часть результатов получена в рамках научно-исследовательских работ, выполненных при поддержке РФФИ (гранты №09-02-00109-а, №11-02-00374-а, №12-02-00177-а, №12-02-31839 мол а). Некоторые положения работы включены в перечень важнейших достижений, полученных по этим темам.

Апробация диссертационной работы. Доклады и статьи по результатам диссертационной работы представлены на научных конференциях, в том числе на международных научных конференциях: Международная научная конференция «Излуче-

ние и рассеяние электромагнитных волн» (Таганрог, 2011 г., 2013 г.), XIII Международная научно-техническая конференция «Радиолокация. Навигация. Связь» (Воронеж, 2007) и на всероссийских научных конференциях: XXIII Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн» (Йошкар-Ола, 23-26 мая 2011 г.), IV Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, 29 ноября - 3 декабря 2010 г.), Всероссийская научно-практическая конференция «Космическая радиолокация» (Муром, 28 июня - 1 июля 2010 г.), XXII Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн» (Лоо, 22 - 26 сентября 2008 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликована 31 печатная работа. Из них 12 статей опубликовано в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, рекомендованных для публикации материалов диссертации, 17 работ - в сборниках трудов научных конференций. По теме диссертации получен 1 патент.

Личный вклад соискателя. Экспериментальные данные, полученные на экспериментальных программно-аппаратных комплексах ЛЧМ-зонд/радиопеленгатор, ши-рокоаппертурный многоканальный пеленгатор, многочастотный доплеровский радар, обработаны и проанализированы лично автором. Автор принял непосредственное участие в разработке имитационной модели процессов распространения ДКМВ с учетом рассеяния на естественных и искусственных ионосферных неоднородностях, применяемой для адаптивного анализа всех экспериментальных данных, постановке и проведении экспериментов, отборе экспериментальных данных и их анализе. Им разработано соответствующее программное обеспечение, проведено имитационное адаптивное моделирование и сформулированы основные выводы. Классификация ПИВ и способ экспресс диагностики их параметров предложены автором лично.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений и списка литературы. Общий объем работы составляет 179 страниц. Она содержит 75 рисунков, 10 таблиц и 15 страниц списка литературы из 152 наименований использованных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований и разработанность данной проблемы в исследованиях других авторов, сформулированы цели исследования, положения, выносимые на защиту, апробация работы. Дано краткое изложение содержания диссертационной работы по главам и параграфам.

В первой главе излагаются программно-аппаратные методы, использованные, модифицированные и развитые автором для исследования особенностей распространения декаметровых радиоволн в естественно возмущенной и искусственно модифицированной ионосфере.

В параграфе 1.1 кратко изложен метод вертикального зондирования (ВЗ) ионосферы, используемый в данной работе для коррекции профиля ионизации модели 1И. Коррекция Ы(Ь)-профиля модели III! в одной пространственно-временной точке осу-

ществлялась в ходе имитационного моделирования на основании данных станций ВЗ «Парус» и ОР8-4, ИЗМИРАН (г. Москва), «Сойка» (г. Нижний Новгород) и некоторых других.

В параграфе 1.2 описан метод наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы. Для выделения гармонических составляющих из разностного сигнала в данной работе применялся многооконный метод спектрального оценивания (МТМ-метод), который имеет преимущества для задач ионосферного распространения, поскольку позволяет выделить зеркальную и рассеянную компоненты сигнала и определить помимо остальных характеристик распространения (задержки и амплитуды парциальных зеркальных компонент) также и коэффициент мутности ионосферы /?2 (отношение энергии зеркальной компоненты к энергии рассеянной компоненты). Последний имеет важное значение для диагностики КВ-канала и для расчета вероятности битовой ошибки и надежности системы связи, имеющих большое прикладное значение для обеспечения уверенного функционирования среднеширотных радиолиний КВ диапазона, особенно в естественно возмущенных ионосферных условиях.

Основное внимание уцелено новому инструменту для ионосферных исследований - ЛЧМ-ионозонду/радиопеленгатору (параграф 1.3). ЛЧМ-ионозонд/пеленгатор позволяет определять основные частотные характеристики КВ-канала: ДЧХ, АЧХ и УЧХ во всем диапазоне частот прохождения коротковолновых радиосигналов на трассе наклонного зондирования (НЗ), что дает возможность устанавливать локализацию ионосферных неоднородностей. Приведена схема работы ионозон-да/радиопеленгатора, описаны его основные блоки. Оценка спектральной плотности мощности (СПМ) сигнала и шума осуществляется МТМ-методом.

В параграфе 1.3.1 приведено обоснование использования ЛЧМ-зонда/пеленгатора для локализации ионосферных неоднородностей: оценена его потенциально достижимая инструментальная точность в определении угловых характеристик (азимута и угла места) и амплитуц лучей. Для этого выполнено имитационное моделирование с помощью программного обеспечения реально действующего широкополосного широкобазисного программно-аппаратного комплекса КВ пеленгования. Для имитационного моделирования выбрана антенная решетка, состоящая из 16 элементов, равномерно распределенных по окружности (что близко соответствует реальным условиям эксплуатации). Моделирование выполнено для трех значений поперечного размера антенной решетки: И = 40 м, £> = 80 м и О = 160 м; для частот радиоволн: / = с/Я = 5 МГц, 10 МГц, 15 МГц и 20 МГц; для отношений сигнал/шум: £/ЛГ = 101оя? = 5,2дБ, 5/^ = 14,1 дБ, = 32,7 дБ и 5/ДГ = 52,1 дБ. Азимуты прихода лучей выбирались, исходя из симметрии антенной решетки: а = 0°, а = 5,6° и а = 11,2°, а углы места составляли: Д = 5°, Д = 10°, Д = 20°, Д = 30°, Д = 40°, Д = 50° и Д = 60°. На первом этапе оценивалась точность определения характеристик для однолучевого поля в точке приема, то есть исключались ошибки, обусловленные многолучевым распространением. Полученные результаты представлены в диссерта-

ции графически. Показано, что они хорошо согласуются с формулами, полученными аналитически для среднеквадратичного отклонения от среднего значения азимута -да и угла места - дА трехантенной прямоугольной антенной решетки (1):

На втором этапе учитывались интерференционные помехи. Показано, что ошибки, связанные с многолучевым распространением, в условиях неразрешения или неполного разрешения лучей могут на порядок превышать потенциальные инструментальные погрешности измерения двухмерных угловых координат источников излучения и их квазимгновенной мощности, и существенно зависят от применяемых методов спектрального анализа. Для задачи локализации ионосферных неоднородностей это, однако, существенно не сказывается, поскольку различные моды распространения в комплексе ЛЧМ-зонд/пеленгатор разделяются по задержке. Как следствие, для оценки точности определения углов можно использовать результаты, полученные для однолучевого поля. Показано, что погрешности измерения двухмерных углов прихода рассеянных сигналов приводят к неточностям пространственной локализации ионосферных неоднородностей, которые, однако, не могут превышать 6-10 км.

В параграфе 1.4 содержится описание однопозиционного широкобазисного многоканального пеленгатора-дальномера и получаемые с его помощью характеристики: двухмерные углы прихода спектральных составляющих контролируемых сигналов (пеленг и угол места всех парциальных лучей); доплеровские смещения частоты парциальных рассеянных и прямых сигналов диагностических контролируемых передатчиков; относительные амплитуды рассеянных и прямого сигналов.

В параграфе 1.5 описана схема и основные блоки многочастотного доплеровско-го КВ радара, который использован в работе для изучения частотно-временных характеристик рассеянных на мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднород-ностях (МИИН) сигналов.

Радарный метод обнаружения ионосферных неоднородностей - метод ракурсного рассеяния радиоволн изложен в параграфе 1.6. Развиты способы компьютерного моделирования с учетом эффектов рассеяния ДКМВ в неоднородной магнитоактив-ной ионосфере. Для задачи построения конусов ракурсного рассеяния в рамках структурно-физического подхода записана расширенная система лучевых уравнений в сферической системе координат. Имитационное моделирование распространения ракурсно рассеянных сигналов на трассе Передатчик- Область рассеяния - Приемник имеет некоторые нюансы. Сложная граничная задача на трассе Передатчик- Область рассеяния - Приемник сводится к двум граничным задачам, одна - Передатчик- Область рассеяния и вторая - Область рассеяния - Приемник. Использована симметрия системы лучевых уравнений относительно одновременной замены к на — к, / на Как следствие, каждая из указанных граничных задач решается для случая, когда точка из-

(1)

лучения находится внутри ионосферы. Такой подход позволяет исключить при решении граничной задачи Передатчик- Область рассеяния пристрелку по высоте рассеивающей области (РО) и существенно ускорить процесс имитационного моделирования. Начальные условия для расширенной системы лучевых уравнений в этом случае записываются с учетом дисперсионного соотношения к2 = //2(/,<г>,х,к, й) Таким образом, задача имитационного моделирования распространения сигналов, ракурсно рассеянных на искусственных неоднородностях, состоит из следующих основных этапов: 1) нахождение координат центра РО, которые определяются точкой отражения волны нагрева (ВН) обыкновенной поляризации от ионосферы; 2) решение граничной задачи Область рассеяния - Передатчик и определение волнового вектора к|, с которым лучевая траектория приходит в РО; 3) решение граничной задачи Область рассеяния - Приемник и вычисление волнового вектора к2, с которым лучевая траектория выходит из РО, чтобы попасть в точку наблюдения; 4) определение высоты, на которой выполняется условие ракурсности со5(Н0к2) = со8(Н0к,) для вектора геомагнитного поля Н0 в РО; 5) варьирование центра РО в горизонтальной плоскости для определения пространственного объема РО. В итоге моделирования определяется пространственное расположение и поперечные размеры в горизонтальной плоскости и по высоте РО, а также множество характеристик распространения прямых и рассеянных сигналов волн обыкновенной и необыкновенной поляризаций, например, углы излучения и прихода, доплеровские смещения частоты, групповые задержки, полные энергетические потери сигналов различных мод распространения. Полные энергетические потери рассеянных мод распространения используются для сравнения уровней сигналов при интерпретации экспериментальных данных и вычисляются по формуле

I = /(|) + /(2) +/<2)-\d\gcTj + 60 + 101ё л, (2)

где № и ¡[}\ /р' - соответственно столкновительные потери и пространственное ослабление на участках Передатчик - Рассеиватель и Рассеиватель - Приемник: аа — эффективное сечение рассеяния в м2.

Вторая глава диссертации посвящена исследованию искусственно возмущенной области (ВО) ионосферы, инициированной нагревными стендами «Сура» и ЕК!САТ (Тромсе). Развит подход к компьютерному адаптивному имитационному моделированию эффектов влияния МИИН в трехмерно-неоднородной магнитоактивной ионосфере на характеристики распространения ДКМВ, позволяющий осуществлять эффективное позиционирование ВО, исследовать ее пространственные размеры и структуру, а также пространственное распределение неоднородностей различных масштабов.

В параграфах 2.1.1, 2.1.2 и 2.1.3 подробно описаны эксперименты с участием на-гревного стенда «Сура» и их моделирование на основе разработанного подхода (рис. 1). В качестве диагностического излучения при изучении свойств искусственной ионосферной турбулентности использовались сигналы наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы от передатчика, размещенного в ИЗМИРАН. Контролирова-

лись одновременно две трассы: прямая трасса Москва-Ростов-на-Дону и трасса ракурсного рассеяния Москва-Сура-Ростов-на-Дону (рассеянный сигнал на рис. 1 обозначен РС). Результатом экспериментов были ДЧХ, АЧХ, и УЧХ. Для моделирования и сопоставления с экспериментальными характеристиками распространения радиоволн использовались параболическая модель ионосферы и модель П11 с коррекцией профиля ионизации по данным ВЗ и НЗ ионосферы (в зависимости от условий).

Рис. 1 - Данные эксперимента с участием нагревного стенда «Сура» (серые точки) и результат моделирование (черные крестики, треугольники и кружки).

Показана эффективность такого моделирования, объяснена структурированность следов, отвечающих на ДЧХ и УЧХ рассеянию на искусственных неоднородностях. Структурированность следов - расслоение по групповой задержке и углам прихода, соотнесена, во-первых, с различными способами распространения верхнего и нижнего лучей (лучи Педерсена) рассеянных волн обыкновенной и необыкновенной поляризаций, во-вторых, с кластерной структурой области с МИИН. На рис. 1 показаны результаты моделирования РС, обозначенные треугольниками и кружками, полученные для областей рассеяния, центры которых пространственно разнесены. В итоге имитационного моделирования распространения прямых и рассеянных сигналов во время нагревного эксперимента на трассе Москва-Сура-Ростов-на-Дону установлено, что рассеянный ЛЧМ-сигнал с частотой до 10 МГц распространялся с однократным отражением от Земли, в то время как сигнал большей частоты распространялся без отражений. Показано, что ВО, возникающая при искусственной модификации ионосферы, имеет кластерную структуру, а отдельные кластеры могут быть пространственно разнесены на расстояние до 90 км в горизонтальной плоскости. Получены

оценки размеров области с МИИН по высоте — до 80 км. Найдены высоты рассеяния для различных частот радиосигналов, оценены поперечные размеры рассеивающих неоднородностей - от 9 м до 25 м (в основном 10-МЗ м) и их пространственное распределение в пределах РО.

Во время нагревных экспериментов осуществлялась также регистрация ракурсно рассеянных на МИИН сигналов широковещательных станций (ШВС) с помощью до-плеровского радара. Было обнаружено явление квазипериодических вариаций допле-ровского смещения частоты (параграф 2.1.4). По положениям максимумов на СПМ доплеровского смещения частоты рассеянного сигнала, полученной МТМ-методом, найдены квазипериоды флуктуаций доплеровского смещения частоты в пределах 43-Н75 с. Описан совместный эксперимент с Харьковским национальным университетом им. В.Н. Карамзина, в обсерватории которого размещен высокочувствительный магнитометр-флюксметр. В результате эксперимента обнаружена связь между вариациями доплеровского смещения частоты и геомагнитными пульсациями (коэффициент взаимной корреляции между временными зависимостями доплеровского смещения частоты и уровнем геомагнитных пульсаций достигал 0,6). Примечательно, что совместный эксперимент проводился сразу после главной фазы сильной магнитной бури. Отметим, что геомагнитные пульсации обнаруживались как в дни работы на-гревного стенда, так и в контрольные дни, когда стенд не работал. Это свидетельствует против связи обнаруженных пульсаций с работой нагревного стенда «Сура». Геомагнитные пульсации с большой амплитудой (до 1 нТл) имели характерные периоды Т ~ 60-И 00 с, что примерно соответствует периоду альвеновских колебаний в магнитосфере. Как следствие, высказано предположение, что вариации доплеровского смещения частоты обусловлены модуляцией скорости движения ионосферных неоднородностей альвеновской волной за счет дрейфа плазмы в скрещенных полях (электрическое поле альвеновской волны и геомагнитное поле). Основанные на этом предположении теоретические оценки значения флуктуаций доплеровского смещения частоты находятся в хорошем согласии с экспериментальными значениями 5/ « -(0,2-5-0,6) Гц.

Параграф 2.2 посвящен анализу характеристик ВН нагревного стенда ЕКСАТ (Тромсе). При искусственной модификации ионосферы нагревным стендом обнаружена широкополосная составляющая спектра ВН (полоса приема до 50 Гц), которая интерпретирована, как «рассеянная» компонента ВН (в отличие от «нагревной» компоненты, которая приходит непосредственно из Тромсе скачковым механизмом распространения, отражаясь от ионосферы). На основе моделирования распространения сигнала ВН разработаны критерии для выделения «рассеянной» компоненты из сигнала ВН. С помощью этих критериев выделена «рассеянная» компонента за все дни эксперимента, показаны наиболее интересные данные: зависимость доплеровского смещения частоты, амплитуды сигнала, угла места, азимута от времени, а также СПМ сигналов ВН в полосе до 50 Гц для наиболее примечательных событий. Особый инте-

рес представляют сеансы, на которых зарегистрировано расслоение «рассеянной» компоненты по азимуту. Для основной части данных максимум «рассеянной» компоненты сосредоточен в окрестности азимутов а ~ 0° -н -5°, что существенно восточнее направления на Тромсе. Однако при нагреве х-модой обнаружена область рассеяния, смещенная к западу от Тромсе. Формы графиков СПМ обоих рассеянных сигналов существенно отличаются. Рассеянный сигнал, смещенный к востоку от нагревного стенда интерпретирован как рассеяние на авроральных естественных магнито-ориентированных неоднородностях в зоне ионосферного провала. Проведено имитационное моделирование рассеяния ВН на естественных ионосферных неоднородностях, расположенных восточнее Тромсе. Получено, что область рассеяния расположена на высоте 220 км в ^-слое ионосферы, оценены поперечные размеры естественных неоднородностей на границе аврорального овала 1± ~ 37 м .

Третья глава диссертации посвящена изучению влияния естественных средне-масштабных возмущений в ионосфере на распространение ДКМВ и дистанционной диагностики их параметров средствами наклонного ЛЧМ-зондирования: разработан способ экспресс диагностики параметров перемещающихся ионосферных возмущений по форме г-образований на дистанционно-частотных характеристиках; развит и экспериментально апробирован подход к имитационному моделированию эффектов влияния солнечных затмений на процессы распространения ДКМВ.

В параграфе 3.1 предложена классификация ПИВ по виду г-образной особенности на ДЧХ на трассе НЗ Кипр - Ростов-на-Дону. На основе имитационного моделирования процессов распространения парциальных лучей волн обыкновенной и необыкновенной поляризаций, учитывающего наличие ПИВ, для ионосферных условий, соответствующих реальным, выявлены основные закономерности развития г-образований (рис. 2) на ДЧХ в зависимости от параметров волновых возмущений: амплитуды 8к, пространственного периода ПИВ А^ (| Р4|= 2л/) и угла между плоскостью горизонта и волновым вектором перемещающегося возмущения ф (3):

1 + Ё^С08

к=I

2 л-/ -

(3)

Юрг-йойоу 01.12.2006 12:35 Г. к11гЧ0+4

Рис. 2 - г-след на ионограмме НЗ а), вызванный ПИВ и результат его моделирования б).

Так высота ступеньки г-следа на ДЧХ /г практически всегда растет с амплитудой, длиной волны и углом ср ПИВ. В зависимости к от частоты прослеживаются следующие закономерности: при углах ПИВ <р—60°+—75° И слабо зависит от час-

тоты, при маленьких или больших углах зависит очень сильно. При углах <р—45° высота И уменьшается с высотой, поэтому на низких частотах - выраженное г-образование, а на высоких - еле заметная ступенька. При больших углах - наоборот: сначала - еле заметная ступенька (на частоте 11 МГц рис. 2 а)), а с ростом частоты -огромное г-образование. Эта тенденция изменяется постепенно от маленьких углов к большим. Имитационное моделирование проводилось также для различного времени суток и сезона. Полученные в работе по результатам имитационного моделирования экспериментальных ионограмм НЗ эмпирические таблицы строго справедливы для июня и времени суток 16:50-17:10 иТ. Однако установлено, что их можно обобщить на другие сезоны, зная соответствующие поправки к величине угла (р. Значения поправок Д97 к углу (р в зависимости от времени года представлены в работе в отдельной таблице. Для зимы, весны и осени практически нет зависимости от времени суток, включая восходные и заходные часы. А для лета максимальная разница в поправках к углу <р - между полуднем А<р ~ 4° и закатом А<р « -3° - составляет примерно 7°.

Описанные закономерности лежат в основе разработанного метода определения параметров ПИВ по виду и характеру развития г-образной особенности на ДЧХ. С помощью разработанной методики экспресс диагностики выполнены оценки параметров среднемасштабных ПИВ по результатам НЗ на трассе Кипр-Ростов для пяти наиболее типичных событий с участием ПИВ: амплитуды возмущений составляли 5-20%, длины волн 37-100км, направление распространения фазового фронта -вниз под углами 55° - 85°.

В параграфе 3.2 предложен способ описания модификации ионосферы во время полного солнечного затмения 29 марта 2006 года. Возмущение ионосферы Земли описывалось в работе эллиптической неоднородностью, координаты центра которой задавались зависящими от времени географическими координатами центра полосы полной фазы солнечного затмения, а главная ось эллипсоида ОТ,' ориентирована вдоль оси, заданной угловыми координатами Солнца. При этом распределение электронной концентрации в пространстве задавалось выражением (4)

Н{г,<р,в) = Иъ{г,<р,в)

Здесь х\у',х' — координаты точки в локальной системе, начало которой размещено в центре эллиптической неоднородности, Ып{г,(р,0) - невозмущенное пространственное распределение электронной концентрации.

Отклик ионосферы на солнечное затмение экспериментально контролировался по пяти среднеширотным трассам наклонного ЛЧМ зондирования: Кипр — Нижний Новгород (протяженность О = 2546 км, азимут на передатчик а = 203,4°), Норильск -Ростов-на-Дону (Э = 3595км, а = 29,7°), Иркутск - Н.Новгород (0 = 3800км, а = 70,5°), Кипр - Ростов-на-Дону (В = 1470 км, а = 203,6°), Иркутск - Ростов-на-Дону (Б = 4514 км, а = 58,1 °). Параметры неоднородности определялись по результа-

1 + 8 ехр

(4)

там моделирования распространения радиоволн в модифицированной ионосфере и сопоставления с данными ЛЧМ-зондирования (сравнивались зависимости максимально наблюдаемой частоты (МНЧ) от времени). Получено хорошее согласие расчетных МПЧ распространения КВ радиоволн в условиях солнечного затмения с экспериментальными зависимостями МНЧ от времени (рис. 3) для следующих параметров неоднородности: 8 = -0,45, ах = ау =4500км, си =3000км. На рис. 3 результаты

моделирования показаны черными треугольниками, штриховая линия - экспериментальные данные, черная сплошная линия - контрольный день 28 (Кипр - Н.Новгород) или 30 марта (для всех остальных трасс НЗ). С помощью развитого подхода получены количественные оценки воздействия солнечного затмения 2006 г. на параметры ионосферной плазмы и характеристики распространения ДКМВ. Установлено, что во время затенения Луной области ионосферы 29 марта 2006 г., электронная концентрация максимально уменьшалась в 1,8 раза, а величина запаздывания отклика ионосферы при уменьшении потока излучения составила ~30 мин.

Четвертая глава диссертации посвящена исследованию с помощью ЛЧМ-зонда/радиопеленгатора естественных мелкомасштабных неоднородностей. Разработанный автором для моделирования ракурсно рассеянных сигналов программный комплекс, апробированный при моделировании рассеянных на МИИН сигналов во время нагревных экспериментов, успешно применен для моделирования эффектов среднеширотного /^-рассеяния на трассах НЗ и локализации мелкомасштабных магни-то-ориентированных естественных неоднородностей. Показано, что использованный инструмент с учетом развитых методов имитационного моделирования позволяет успешно проводить диагностику неоднородной структуры ионосферы в планетарном масштабе из одной пространственной точки с использованием мировой сети станций ЛЧМ зондирования и станций загоризонтной радиолокации. При этом, в отличие от других методов, удается осуществлять однозначную пространственную локализацию областей рассеяния, устанавливать их размеры и пространственную структуру, проводить непрерывный круглосуточный мониторинг среды распространения в пассивном

режиме с использованием в качестве постороннего подсвета постоянно действующих передатчиков мировой сети.

Параграф 4.1 посвящен исследованию с помощью ЛЧМ-ионозонда/пеленгатора среднеширотного ^-рассеяния, которое проявлялось как мощный боковой аномальный сигнал на частотах / = 8-^20 МГц на многомерных ионограммах НЗ в вечернее и ночное время на трассе ЛЧМ-зондирования Кипр - Ростов-на-Дону (рис. 4). Проведен анализ вероятности появления данного явления по месяцам за 1,5 года (рис. 5), а также распределение количества появлений события ^-рассеяния относительно общего числа наблюдаемых событий ^рассеяния в зависимости от времени суток (максимум приходится на 23:00 иТ, что соответствует 03:00 московского времени).

На первом этапе исследования ^рассеяния было проведено позиционирование области с рассеивающими неоднородностями на карте мира без учета рефракции, по результатам которого неоднородности занимают область по долготе от 33° до 50° и по широте от 49° до 56°.

Рис. 4 - Многомерная ионограмма (ДЧХ, А ЧХ и УЧХ).

Моделирование выполнено для 4 и 5 января 2012 г. с учетом рефракции в трехмерно-неоднородной магнитоактивной ионосфере с коррекцией Ы(11)-профиля для условий распространения радиоволн, соответствующим реальным. Получено, что естественные мелкомасштабные неоднородности заполняют объем, ограниченный по высоте диапазоном от 150 км до 370 км (что выше высоты максимума ^-слоя). Кроме того, по результатам моделирования амплитуда моды распространения с однократным отражением от Земли оказывается больше на ~20 дБ амплитуды моды без отражения от Земли, что хорошо согласуется с результатами эксперимента. Учет пространствен-

ного ослабления (формула (2)) при моделировании распространения радиоволн позволяет объяснить отсутствие следа на ионограммах НЗ для частот, меньших

14МГц для 5.01.2012г., хотя условие ракурсности для этих частот выполняется (уменьшение частоты с 14 до 12 МГц приводит к уменьшению уровня рассеянного сигнала не менее чем на 7 дБ за счет увеличения Моделирование также объясняет отсутствие следа на ионограммах НЗ для частот, больших 19,5 МГц. Показано, что при возрастании частоты сигнала угол места принимаемого модельного рассеянного сигнала в точке излучения уменьшается с 4,8° (на 20 МГц) до 1,7° (на 22 МГц). Следовательно, при увеличении частоты диагностического излучения следует учитывать уменьшение коэффициента направленного действия передающей антенны передатчика Кипра при углах излучения близких к 0°. Ограничение регистрации РС на частотах ниже 12 МГц и выше 20 МГц обусловлено уменьшением уровня принимаемого рассеянного сигнала ниже чувствительности приемной аппаратуры.

0.1 0.08 0.06 0.040.020

! М ГЦ г» < м

si ь ь »as > у ел ; i >.

«»sttsa'atiioijiSi.«

Рис. 5 - Распределение вероятности р появления сигнала F-рассеяния

Выполнена оценка удельного сечения рассеяния а ~ 2,1 ■ 10"

"м"1

■100

РО

14 4

Ррстоп-на . foiij

0...........!;,.......

4 !■ РС2

Рис. б - Позиционирование областей, ответственных за рассеянные сигналы PC J - РС4 на трассе ЛЧМ-зондирования Лейвертон (Австралия) - Ростов-на-Дону 01:51 UT, 15.09.2010г.

и относительных флуктуаций электронной концентрации ионосферных неодно-родностей, ответственных за явление ^рассеяния, которые составили для условий эксперимента ЗЫ = )2 ^ « 7,6 ■ 10"3, что

примерно в 4 раза больше значений, характерных для невозмущенной ионосферы.

Параграф 4.2 посвящен сверхдальнему ЛЧМ - зондированию. На трассе ЛЧМ - зондирования Лейвертон (Австралия) - Ростов-на-Дону в результате многолетних экспериментов обнаружены рассеянные на естественных ионосферных неоднородностях сигна-

лы. Имитационное моделирование распространения радиоволн позволяет определить местоположение ионосферных неоднородностей на карте мира (рис. 6). Особый интерес представляют неоднородности в экваториальной области РС1 (- 20° -ъ 20°), имеющие квазипериодическую структуру с квазипериодами 400 -г- 700 км и наблюдаемые в вечерние и ночные часы местного времени по обе стороны от дуги большого круга. На этой трассе зондирования также обнаружены сигналы, приходящие в приемный пункт с азимутов порядка 15°н-20°. Соответствующие им области рассеяния РСЗ, РС4 располагаются в высокоширотной ионосфере в окрестности северной стенки главного ионосферного провала (моделировалось волноводное распространение радиоволн с последующим выводом радиоволн из волновода за счет рассеяния на мелкомасштабных магнитно-ориентированных ионосферных неоднородностях). Многомерная ионограмма для 01:51 Ш", 15.09.2010 г. представлена на рис. 7.

, мЬ', - Лепв|ртон-Росгев-на-Доиу 01:51 ЦТ, 15.09.2010г.

а! РС4 :'

Д. 50

град :

*\гГ

ш £

1 я

1:1 \ ■ ёи&>

МГц

Рис. 7 - Многомерная ионограмма

По-видимому, тот же механизм ответственен за аномальные боковые сигналы на субавроральной трассе дальнего НЗ Магадан - Ростов-на-Дону, полученные во время экспериментальной кампании, проведенной с 27 января по 14 февраля 2011 года. Анализу этого эксперимента посвящен параграф 4.3.

В заключении представлены основные результаты настоящей диссертационной работы, сделаны общие выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Сформулируем основные научные результаты, полученные в диссертационной работе.

1. Разработаны методика, алгоритм и программная реализация способа адаптивного имитационного моделирования распространения в трехмерно-неоднородной магнитоактивной ионосфере ракурсно рассеянных волн КВ диапазона, позволяющие исследовать из одной точки на поверхности Земли пространственно-временную структуру областей, заполненных естественными или искусственными магнито-ориентированными мелкомасштабными неоднородностями, делать выводы о поперечных масштабах рассеивающих неоднородностей.

2. В результате изучения искусственной ионосферной турбулентности, создаваемой нагревным стендом «Сура», обнаружена ее кластерная структура. На основе анализа экспериментальных данных и моделирования распространения рассеянных волн в условиях максимально приближенных к реальным определены продольные и поперечные масштабы области, заполненной МИИН, оценены масштабы рассеивающих неоднородностей, объяснена слоистая структура следа рассеянного сигнала на

дчх.

3. Оценена погрешность определения поперечных и продольных масштабов области рассеяния с помощью ЛЧМ-зонда/пеленгатора (не более 6-10 км).

4. Обнаружены пульсации доплеровского смещения частоты ракурсно рассеянных на МИИН радиоволн, индуцированных работой нагревного стенда «Сура», периоды которых сопоставимы с периодами альвеновских волн Тл я 45+85 с. По результатам исследования эти флуктуации связаны с геомагнитными пульсациями и вызваны естественными причинами, а не нагревом ионосферной плазмы мощной радиоволной. Высказана гипотеза о природе квазипериодических вариаций.

5. При искусственной модификации ионосферы нагревным стендом Е18САТ обнаружена и выделена широкополосная составляющая спектра ВН, которая интерпретирована как «рассеянная» компонента ВН на естественных магнито-ориентированных неоднородностях в зоне ионосферного провала, поперечные размеры которых 1± ~ 37 м .

6. На основе анализа экспериментальных данных НЗ и компьютерного моделирования КВ канала разработана классификация среднемасштабных ПИВ по типу г-следов на ДЧХ. Предложен способ экспресс оценки параметров ПИВ, с помощью которого определены параметры пяти ПИВ различных типов на трассе Кипр - Ростов-на-Дону.

7. Предложена и апробирована на пяти трассах НЗ модель для описания отклика ионосферы на солнечное затмение, позволяющая имитировать влияние затмения на распространение радиоволн КВ диапазона. Найдены параметры модели, находящиеся в соответствии с данными по области затенения ионосферы, а также величина запаздывания отклика ионосферы на затмение (~30 мин).

8. На трассах НЗ различной ориентации и протяженности (от 1470 км до 12000 км) продемонстрированы диагностические возможности нового инструмента исследования ионосферы - ЛЧМ-ионозонда/пеленгатора, позволяющего контролировать естественную возмущенность ионосферной плазмы в глобальном планетарном масштабе и измерять в реальном масштабе времени ключевые характеристики радиоканалов (ДЧХ, АЧХ и УЧХ).

9. Обнаружено и промоделировано на основе разработанного подхода явление среднеширотного F-рассеяния. Оценена его вероятность в зависимости от времени года и распределение количества появлений из общего числа событий F-рассеяния по времени суток. Оценен диапазон поперечных масштабов рассеивающих неодно-родностей с учетом найденных углов рассеяния (для большинства случаев 8-40 м). Оцененные относительные флуктуации электронной концентрации рассеивающих не-однородностей в 3-*-5 раз превышают значение SN естественных флуктуаций электронной концентрации для обычных условий в F-области среднеширотной ионосферы.

10. С помощью ЛЧМ-ионозонда/радиопеленгатора на трансэкваториальной трассе зондирования Лейвертон - Ростов-на-Дону обнаружены квазипериодические структуры электронной концентрации экваториальной ионосферы с пространственным периодом 400 + 700 км . Для боковых ЛЧМ-сигналов, рассеянных на стенке главного ионосферного провала, предложен механизм волноводного распространения, объясняющий аномально большие амплитуды этих мод распространения, сопоставимые с прямым ЛЧМ-сигналом.

11. На субавроральной трассе НЗ Магадан - Ростов-на-Дону во время магнитной бури обнаружены аномальные (боковые) сигналы, ассоциированные по результатам имитационного моделирования с рассеянием радиоволн на ионосферных неодно-родностях полярной ионосферы.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск: ГУ НЦ PBX ВСНЦ СО РАМН, 2006 г. - 479с.

2. Greenwald R.A., Baker K.B., Dudeney J.R., Pinnock M., Jones T.B., Thomas E.C., Villain J.-P., Cerisier J.-C., Senior C., Hanuise C., Hunsucker R.D., Sofko G., Koehler J., Nielsen E„ Pellinen R., Walker A.D.M., Sato N. And Yamagishi H. DARN/SuperDARN: a global view of the dynamics of high-latitude convection // Space Sei. Rev. 1995. V.71. P. 761-796.

3. Maruyama T. and Kawamura M. Equatorial ionospheric disturbance observed through a transequatorial HF propagation experiment // Ann. Geophys. 2006. V.24. P. 14011409.

4. Патент №2399062 Российской Федерации МПК SOIS 1/08, 3/46. Ионосферный зонд-радиопеленгатор / Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградов В.Г., Кубатко C.B.

Заявл. 15.07.2009. Опубл. 10.09.2010. Бюл.№25. - 16 с.

5. Благовещенская Н.Ф. Геофизические эффекты активных воздействий в околоземном космическом пространстве: дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.03.03 / Благовещенская Наталья Федоровна. - Санкт-Петербург. 2002. - 334с.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1*. Вертоградов Г.Г., Денисенко П.Ф., Вертоградова Е.Г., Урядов В.П. Мониторинг среднемасштабных перемещающихся ионосферных возмущений по результатам наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы // Электромагнитные волны и электронные системы. 2008. Т. 13, №5. С.35-44.

2*. Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградова Е.Г. Расчет оптимальных рабочих частот связной радиолинии по данным наклонного зондирования ионосферы // Известия вузов. Радиофизика. 2008. Т.51, №1. С. 10-21.

3*. Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградова Е.Г., Понятов A.A. Сверхдальнее зондирование ионосферного канала с помощью ионозода/пеленгатора с линейно-частотной модуляцией сигнала // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2010. Т.53, №3. С.176-187.

4*. Урядов В.П., Вертоградов Г.Г. Вертоградова Е.Г. Влияние неоднородной структуры высокоширотной ионосферы на дальнее распространение коротких волн // Известия вузов. Радиофизика. 2012 г. Т.55, №4. С.255-265.

5*. Урядов В.П., Вертоградов Г.Г., Вертоградова Е.Г. Радарные наблюдения F-рассеяния в среднеширотной ионосфере с помощью ионозонда-радиопеленгатора // Известия вузов. Радиофизика. 2013. Т.56, №1. С.1-12.

6*. Вертоградов Г.Г., Вертоградова Е.Г., Урядов В.П. Диагностика реакции ионосферы на солнечное затмение по данным наклонного ЛЧМ зондирования // Электромагнитные волны и электронные системы. 2013 г. №9. С. 14-18. 7*. Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградов В.Г., Вертоградова Е.Г., Кубат-ко C.B., Валов В.А. Многофункциональный комплекс для наклонного зондирования на базе ионозонда - радиопеленгатора // Журнал Радиоэлектроники. №12. 2010. -18 с. URL: http://jre.cplire.rU/jre/decl0/4/text.html

8*. Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградов В.Г., Вертоградова Е.Г., Плохот-нюк Е.Ф., Кубатко C.B., Хайдау Ю.М., Понятов A.A., Шумаев В.В., Черкашин Ю.Н., Крашенинников И.В., Валов В.А., Бредихин Д.В., Макаров A.B. Диагностика искусственно-возмущенной ионосферы с помощью современной техники зондирования // Электромагнитные волны и электронные системы. 2010. Т. 15, №5. С. 22-29. 9*. Черногор Л.Ф., Вертоградов Г.Г., Вертоградова Е.Г., Урядов В.П., Шамота М.А. Согласованные квазипериодические вариации уровня геомагнитных пульсаций и доп-леровского смещения частоты ракурсно-рассеянных искусственными неоднородно-стями радиоволн декаметрового диапазона // Известия вузов. Радиофизика. 2010. Т.53, №12. С.766-785.

10*. Вертоградов Г.Г., Вертоградова Е.Г., Урядов В.П., Вертоградов В.Г., Комра-ков Г.П., Крашенинников И.В., Черкашин Ю.Н., Валов В.А., Бредихин Д.В., Макаров A.B. Кластерная структура искусственной ионосферной турбулентности по данным радарных измерений с помощью ионозонда-радиопеленгатора // Известия вузов. Радиофизика. 2012. Т.55, №1-2. С.1-13.

11 *. Вертоградов Г.Г., Вертоградова Е.Г., Ершов К.Г. Модели помеховой обстановки для среднеширотных трасс декаметрового диапазона на базе эмпирических данных // Электромагнитные волны и электронные системы. 2012 г., №6, С.32-40. 12*. Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградов В.Г., Вертоградова Е.Г., Кубат-ко C.B. Ионозонд-радиопеленгатор с линейной частотной модуляцией сигнала — новый инструмент для исследований ионосферы и распространения радиоволн // Известия вузов. Радиофизика. 2013 г., Т.56, №5. С.287-306.

13. Патент №2394371 Российской Федерации Н04В 7/22 Устройство для определения оптимальных рабочих частот ионосферного радиоканала / Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградова Е.Г. Заявл. 29.05.2009. Опубл. 10.07.2010. Бюл.№19. - 15 с.

14. Вертоградов Г.Г., Валов В.А., Вертоградов В.Г., Вертоградова Е.Г., Кубатко C.B., Урядов В.П, Черкашин Ю.Н. JI4M ионозонд-радиопеленгатор и его применение в ионосферных исследованиях // Физические основы приборостроения. 2012. Т.1, №4. С.24-43.

15. Вертоградов Г.Г., Вертоградова Е.Г. Особенности рассеяния на мелкомасштабных ионосферных неоднородностях при воздействии на ионосферу высокоширотного нагревного стенда EISCAT // Труды Международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн - ИРЭМВ-2011» - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011.-542 с. С.391-395.

Сдано в набор 14.04.2014. Подписано в печать 14.04.2014. Формат 60x84 1/16. Цифровая печать. Усл. печ. л. 1,0. Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Заказ 1404/01.

Отпечатано в ЗАО «Центр универсальной полиграфии» 340006, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 140, телефон 8-918-570-30-30

www.copy61.ru e-mail: info@copy61.ru

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Вертоградова, Елена Геннадьевна, Ростов-на-Дону

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»

На правах рукописи

Вертоградова Елена Геннадьевна

ИОНОСФЕРЕ

01.04.03 - радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д.ф.-м.н., проф. Денисенко П.Ф.

Ростов-на-Дону - 2014 г.

-2-Оглавление

Введение...........................................4

1 Методы исследования естественных и искусственных ионосферных неоднородностей......................................21

1.1 Вертикальное зондирование ионосферы........................22

1.2 Наклонное ЛЧМ-зондирование ионосферы......................23

1.3 ЛЧМ-ионозонд/пеленгатор в ионосферных исследованиях.............25

1.3.1 Оценка потенциально возможной инструментальной точности ЛЧМ-ионозонда/пеленгатора при изучении пространственно

ограниченных ионосферных неоднородностей......................27

1.4 Однопозиционный широкобазисный многоканальный пеленгатор-дальномер

КВ диапазона как средство измерения частотно-пространственных и энергетических характеристик сигналов, рассеянных ионосферными неоднородностями........37

1.5 Многочастотный доплеровский КВ радар.......................39

1.6 Способ адаптивного имитационного моделирования с учетом

ракурсного рассеяния радиоволн..............................41

1.7 Выводы..........................................50

2 Экспериментальное исследование и имитационное моделирование эффектов влияния искусственных мелкомасштабных ионосферных неоднородностей

на характеристики декаметровых радиоволн.................... .51

2.1 Изучение искусственной ионосферной турбулентности,

создаваемой нагревным стендом «Сура».........................52

2.1.1 Кластерная структура ионосферной турбулентности

в эксперименте 20-24 сентября 2010 г............................55

2.1.2 Моделирование эксперимента 19-23 сентября 2011 г................67

2.1.3 Изучение тонкой структуры возмущенной области

в эксперименте 28-31 августа 2012 г.............................70

2.1.4 Вариации доплеровского смещения частоты рассеянного на

искусственных неоднородностях сигнала и геомагнитные пульсации.........76

2.2 Анализ характеристик волны нагрева нагревного стенда Е18САТ (Тромсе)

и рассеяние на мелкомасштабных неоднородностях высокоширотной ионосферы . . 85

2.3 Выводы.........................................106

3 Моделирование и прогнозирование характеристик распространения радиоволн КВ диапазона в условиях естественных среднемасштабных

и крупномасштабных возмущений ионосферы....................108

3.1 Мониторинг среднемасштабных перемещающихся ионосферных возмущений

по данным ЛЧМ-зондирования..............................108

3.2 Моделирование отклика ионосферы на солнечное затмение 29 марта 2006 года . 123

3.3 Выводы..........................................133

4 Эффекты рассеяния декаметровых радиоволн на естественных мелкомасштабных неоднородностях ионосферы: эксперимент и моделирование 134

4.1 Радарные наблюдения и моделирование ^рассения среднеширотной ионосферы с помощью ЛЧМ-ионозонда/пеленгатора..................135

4.2 Сверхдальнее зондирование ионосферного канала

с помощью ЛЧМ-ионозонда/пеленгатора.........................146

4.3 Влияние неоднородной структуры высокоширотной ионосферы

на дальнее распространение декаметровых волн.....................153

4.4 Выводы..........................................158

Заключение.........................................159

Список сокращений и условных обозначений.....................164

Список литературы....................................165

-4-

Введение

Актуальность темы исследования. В современных условиях высоких технологий роль ионосферного распространения радиоволн непрерывно возрастает. При этом ионосферный радиоканал образуется за счет однократного или многократного отражения от ионосферы волн декаметрового диапазона (ДКМВ), а также их рассеяния на естественных и/или искусственных неоднородностях различных масштабов. Распространение ДКМВ в ионосферной плазме позволяет не только организовать связь на большие расстояния практически без ограничения дальности связи, но и, с учетом современных методов обработки и формирования сигналов, обеспечить высокую надежность и достоверность передаваемой информации. Однако указанным практическим аспектом не ограничивается привлекательность использования и изучения ионосферного распространения радиоволн. Исследование характеристик узкополосных и широкополосных сигналов волн различных диапазонов, прошедших сквозь ионосферу, позволяет с помощью современных цифровых методов анализа диагностировать низкотемпературную плазму и процессы, в ней происходящие, в естественных условиях на планетарных масштабах.

В связи с огромной изменчивостью ионосферного радиоканала необходимо решение многопараметрической задачи: определение количества мод распространения, учет вариаций амплитуд и фаз каждой из них, тонкой пространственно-временной структуры поля в зоне приема. В настоящее время достаточно большое количество работ посвящено прогнозированию внутренней ионосферы [1-3] и ионосферному распространению радиоволн [4-7]. Однако в них глубоко проработаны отдельные крупные аспекты, в частности, учет влияния регулярных вариаций ионосферных параметров на характеристики распространения коротких волн (КВ), в основном, решен. В то же время многие вопросы, касающиеся процессов распространения ДКМВ, по-прежнему исследованы недостаточно. Например, влияние естественных неоднородностей ионосферной плазмы различных масштабов на системы связи, пеленгации и навигации требуют детальной как экспериментальной, так и теоретической проработки. Развития требуют и методы диагностики естественно и искусственно возмущенной ионосферы. При этом на современном уровне особую актуальность принимают методы имитационного компьютерного моделирования процессов распространения ДКМВ. Это позволяет существенно обогатить экспериментальные результаты, добыть информацию, которая непосредственно ме-

тодами дистанционной диагностики не может быть получена. Имитационное моделирование позволяет успешно решить многие обратные задачи распространения KB для исследования искусственно модифицированной ионосферы, которые в настоящее время не могут быть получены прямыми методами.

Наибольшую трудность представляет учет случайных факторов, обусловленных как среднемасштабными естественными неоднородностями, к которым относятся перемещающиеся ионосферные возмущения (ПИВ), так и мелкомасштабными - явление F-рассеяния, а так же учет воздействия мелкомасштабных искусственных неоднородно-стей электронной концентрации. Задача еще более усложняется, так как в последнее время наблюдается устойчивая тенденция по возрастанию требований к характеристикам систем передачи сообщений и устройствам обработки сигналов, к их надежности и производительности. В работе [8], например, показано насколько, сильно могут сказываться различные факторы на возникновение ионосферных неоднородностей различных масштабов, такие как солнечные затмения, солнечные вспышки, эффекты, связанные с движением солнечного терминатора, тропические циклоны, землетрясения, запуски ракет и многие другие. Связь этих событий с возникающими в ионосфере неоднородностями до конца не изучена, а, между тем, все это сказывается не только на процессах распространения KB, но и на распространении радиоволн других диапазонов, функционировании и надежности систем GPS и ГЛОНАСС [8], а также на работе спутниковых систем во внешней ионосфере.

Вопрос среднеширотного F-рассеяния плохо освещен в литературе. Это связано также и с отсутствием соответствующих средств наблюдения. Большее количество работ по F-рассеянию посвящено полярной ионосфере и экваториальной аномалии. Изучение экваториального F-рассеяния в последние годы связано с установкой нового оборудования в Индии, Бразилии, Африке, включая радары, приемники GPS и другие системы. Тем не менее, со времени первой работы [9] выполнено мало исследований трансэкваториального распространения коротких волн с использованием техники угловых измерений. К их числу можно отнести лишь кратковременную кампанию в южноамериканском секторе [10] и измерения на трассе Шеппартон (Австралия) - Оараи (Япония), во время которой использовались радиосигналы вещательных станций [11]. Однако фиксированный набор частот и отсутствие измерений времени задержки отраженных от крупномасштабных неоднородностей радиосигналов заметно ограничивают возможности дан-

ного метода диагностики ионосферной плазмы.

Для исследования авроральной области по всему миру создана сеть парных радаров SuperDARN [12]: радары TIGER (один расположен на о. Тасмания, другой на о. Новая Зеландия) предназначен для изучения высокоширотной ионосферы южного полушария [13]; радары CUTLASS (Hankasalmi, Финляндия, и Pykkvibser, Исландия) - в северном полушарии [14-17], радары Kapuskasing и Saskatoon, Канада, - в северном полушарии [18] и другие. Их предназначение - определять локализацию и характер движения ионосферных неоднородностей в полярной ионосфере, ввиду важности понимания этих процессов для планеты в целом. Рабочий диапазон таких радаров 8-20 МГц.

ЛЧМ-ионозонд/пеленгатор, который использовался в настоящей диссертационной работе в качестве инструмента изучения структуры ионосферы, может использоваться для зондирования ионосферы как на трансэкваториальных трассах, так и для изучения тонкой структуры среднеширотной, высокоширотной и полярной ионосферы. Его преимущества: наличие международной сети станций наклонного ЛЧМ-зондирования и сети мощных ЛЧМ передатчиков станций загоризонтной радиолокации, дальность применения ограничена лишь мощностью ЛЧМ-передатчиков, возможен прием сигналов с любого направления, определение в реальном времени основных характеристик КВ-канала (дистанционно-частотные (ДЧХ), амплитудно-частотные (АЧХ) и двухмерные угловые частотные характеристики (УЧХ)), а также коэффициент мутности ионосферы, позволяющий осуществлять выбор оптимальных рабочих частот (что имеет важное значение для высокоширотной ионосферы), имеет рабочий диапазон до 30-45 МГц (ограничен лишь рабочим диапазоном ЛЧМ-передатчиков).

Активные эксперименты по созданию искусственной ионосферной турбулентности проводятся на работающих в настоящее время нагревных стендах HAARP [19,20], стенд EISCAT (Tromso) [21,22], стенд SPEAR [17], стенд «Сура» (анализ данных которого будет проведен в данной диссертационной работе). Анализ результатов этих экспериментов важен для понимания структуры искусственной ионосферной турбулентности и происходящих в ней процессов. Нагревный стенд «Сура», кроме того, является единственным в мире среднеширотным нагревным стендом и поэтому полученные с его помощью результаты представляют самостоятельный интерес.

В связи с этим вопросы исследования и прогнозирования характеристик декамет-ровых волн в естественных и искусственно возмущенных условиях, которым посвящена

данная диссертационная работа, несомненно, актуальны и практически значимы.

Цель настоящей диссертационной работы состоит в: развитии метода обнаружения и дистанционной диагностики естественных и искусственных ионосферных не-однородностей с помощью ЛЧМ-ионозонда/пеленгатора; разработке и тестировании на основе экспериментальных данных методов адаптивного моделирования распространения сигналов в естественно возмущенной и искусственно модифицированной ионосфере; изучении влияния неоднородностей на тонкую структуру КВ сигналов на трассах различной протяженности и ориентации; разработке методов определения оптимальных рабочих частот по результатам наклонного ЛЧМ-зондирования.

В процессе работы над диссертацией решены следующие задачи:

1. Осуществлен многолетний непрерывный мониторинг естественных неоднородностей в ионосфере различных масштабов, ПИВ с помощью ЛЧМ-зондирования на трассе Кипр - Ростов-на-Дону (протяженность трассы - 1470 км), на трассе Лейвертон (Австралия) - Ростов-на-Дону (протяженность трассы 11790 км).

2. Разработано программное обеспечение для моделирования распространения КВ в магнитоактивной трехмерно неоднородной ионосфере, нацеленное на учет эффектов солнечного затмения, особенностей среднемасштабных ПИВ, ракурсного рассеяния на мелкомасштабных магнитоориентированных неоднородностях,

5. Разработана эмпирическая модель помеховой обстановки на среднеширот-ных трассах, развита методика оперативного прогнозирования характеристик КВ канала по данным ЛЧМ-зондирования ионосферы, выполнена экспериментальная проверка разработанного подхода.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Разработана методика адаптивного моделирования распространения КВ, позволяющая рассчитывать эффекты ракурсного рассеяния радиоволн, ионосферный отклик солнечного затмения, явление Б-рассеяния, влияние ПИВ.

• Разработан способ экспресс определения параметров ПИВ по ионограммам наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы, а именно, по виду 2-следов на ДЧХ.

• Впервые с помощью ЛЧМ-зонда/пеленгатора обнаружены эффекты средне-широтного Б-рассеяния при наклонном зондировании ионосферы, определена пространственная локализация области, заполненной мелкомасштабными естественными ионосферными неоднородностями, вычислены их поперечные масштабы и относительные изменения электронной концентрации.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Методика имитационного моделирования процессов распространения ДКМВ в неоднородной магнитоактивной ионосфере, основанная на траекторных расчетах с учетом эффектов отклика ионосферы на солнечное затмение, ракурсного рассеяния радиоволн на естественной и искусственной ионосферной турбулентности и использующая справочную модель ионосферы 1Ш с коррекцией профиля ионизации по данным вертикального и/или наклонного зондирования.

3. Эмпирическая классификация ПИВ по геометрии и характеристикам х-особенностей на дистанционно-частотных характеристиках, позволяющая на основе на-

клонного ЛЧМ зондирования ионосферы осуществлять экспресс оценку параметров среднемасштабных неоднородностей, имеющих волновую природу: пространственный масштаб, направление перемещения в вертикальной плоскости.

Практическая значимость. Результаты, полученные в данной диссертационной работе, вносят важны�