Исследование геофизических условий распространения кругосветных сигналов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. МЕТОДИКА ПОСТАНОВКИ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОПИСАНИЕ

АППАРАТУРНОГО КОМПЛЕКСА.

I.I. Краткий обзор литературы и постановка задачи.

1.2. Методические особенности постановки эксперимента и оценки параметров аппаратурного комплекса.2

1.3. Описание блок-схемы аппаратурного комплекса для исследования характеристик !фугосветных сигналов.2.

1.4. Измерение угловых характеристик кругосветных сигналов.

1.5. Измерение амплитудных характеристик радиосигнала.

ГЛАВА 2. СУТОЧНЫЕ И СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КРУГОСВЕТНЫХ СИГНАЛОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1. Общее описание полученного экспериментального материала.V 2.

2.2. Уточнение терминологии кругосветных сигналов.W

2.3. Изменение характеристик кругосветных сигналов в течение суток.

2.4. Статистические закономерности при приеме кругосветных сигналов.

2.5. Сезонные изменения характеристик кругосветных сигналов.

2.6. Обсуждение полученных экспериментальных результатов.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВОДНЫХ СВОЙСТВ ЙВК В

ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПАРАМЕТРОВ ИОНОСФЕРЫ.

3.1. Теоретические основы дальнего распространения

KB радиосигналов.

3.2. Зависимость объема ИВК от параметров ионосфер!. .«

3.3. Экспериментальные данные о влиянии foP2 на прием кругосветных сигналов.

3.4. О возможном объяснении суточной и сезонной закономерности при приеме 1фугосветных сигналов.

3.5. О влиянии критических частот f0P2 вдоль трассы распространения на азимутальные характеристики кругосветных сигналов."

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГРАДИЕНТОВ ЭЛЕКТРОННОЙ

КОНЦЕНТРАЦИИ И ПОГЛОЩЕНИЯ НА ПРИЕМ КРУГОСВЕТНЫХ СИГНАЛОВ.

4.1. Градиентный механизм ввода-вывода энергии из ИВК.

4.2. Оценка изменений углового спектра лучей А , захваченных в ИВК.I3V

4.3. Экспериментальные данные о влиянии градиентов критических частот f0F2 на прием кругосветных сигналов.

4.4. Влияние поглощения радиоволн на прием кругосветных сигналов.lSL<

4.5. Обсуждение результатов, полученных в Главе Зи4. 1Ы

Исследование вопросов распространения радиоволн KB диапазона на дальние и сверхдальние расстояния стимулируется необходимостью решения ряда прикладных задач, таких как создание линий дальней связи, устранение помех, возникающих за счет кругосветного эхо, дальняя радиолокация, кругосветное зондирование ионосферы. В то же время интерес представляют и научные цели, заключающиеся в возможности изучения глобальных свойств околоземного пространства с помощью измерения характеристик кругосветных сигналов (КС), а также в изучении самого механизма распространения радиоволн KB диапазона на большие расстояния. В настоящее время актуальность вопросов данной тематики увеличивается в связи с последними достижениями в области искусственного воздействия на ионосферу. С помощью мощного излучения (Рл'ЮО кВт) в ионосфере могут искусственно создаваться условия, благоприятные для дальнего распространения радиоволн, а значит и организации дальних и сверхдальних линий связи.

Физика дальнего и сверхдальнего распространения радиоволн KB диапазона основывается на ряде экспериментальных и теоретических работ. Она существенно отличается от физики распространения радиоволн на коротких трассах (менее 5000 км). По современным представлениям энергия радиоволн распространяется в волновых каналах, образованных сферически слоистым строением ионосферы. С энергетической точки зрения наиболее выгодны ионосферные волновые каналы (ИВК), которые расположены выше поглощающей области Ъ ионосферы. Однако из-за своей оторванности от поверхности Земли, где расположены излучатель и приемник, возникает проблема ввода и вывода энергии из ИВК. В этом случае существенно усложняется физика дальнего распространения

- б радиоволн и требуется учет рефракции, рассеяния радиоволн на мелкомасштабной структуре ионосферы, дифракционных эффектов. Волноводные свойства ИВК зависят от объема канала, который определяется вертикальным профилем модифицированного показателя преломления (с учетом кривизны земной поверхности). Из-за непостоянства параметров ионосферы во времени и пространстве и больших протяженностей трасс дальнего распространения радиоволн, волноводные свойства ИВК значительно изменяются, обнаруживая в эксперименте регулярные и случайные вариации. В этих условиях для расчета дальнего распространения радиоволн необходимо иметь информацию о реальной ионосфере в планетарном масштабе, которую в настоящее время получить невозможно. Сеть ионосферных станций не охватывает всей поверхности земного шара.

Недостаток информации об ионосфере и многочисленность факторов, влияющих на дальнее распространение радиоволн, приводят к неоднозначности в интерпретации результатов экспериментов, а также к тому, что использование разработанных методов анализа условий дальнего распространения радиоволн (например, метод адиабатического инварианта) оказывается затруднительным.

Дальнейший прогресс в области исследования условий дальнего распространения радиоволн возможен на основе экспериментальных исследований, устанавливающих степень необходимости учета отдельных геофизических факторов при дальнем распространеии радиоволн, а также экспериментов, определяющих возможность получения информации о геофизических факторах из имеющихся ионосферных данных. При решении этих задач появляется возможность дальнейшего развития методик анализа условий дальнего распространения радиоволн и доведения их до уровня практического использования. Настоящая работа направлена на решение данных задач на основе экспериментальных исследований характеристик кругосветных сигналов. Сложность проведения такого рода исследований заключается в необходимости создания комплекса аппаратуры, позволяющей с высокой точностью измерять угловые характеристики кругосветных, обратных и прямых сигналов, постановке целенаправленных экспериментов, выделяющих действие отдельных геофизических факторов на прием кругосветных сигналов и разработке методики анализа данных эксперимента.

В Главе I настоящей работы дано описание разработанного аппаратурного комплекса, приведены точностные характеристики, сделан краткий обзор литературы, на основе которого формулируется постановка задачи диссертации.

В Главе 2 представлено общее описание полученного экспериментального материала, дается оценка его качества, анализируется соответствие с ранее проведенными экспериментами и отмечаются отличительные особенности. Приведены результаты статистической обработки (усреднение за месяц) экспериментального материала.

В Главе 3 кратко рассмотрены основы дальнего распространения радиоволн KB диапазона. На основе однослойной модели ионосферы проведен анализ влияния параметров ионосферы на объем как ионосферного волнового канала, так и приземного канала. Дано объяснение сезонно-суточной и азимутальной закономерностей при приеме 1фугосветных сигналов на основе изменений f0F2, определяющих объем канала вдоль траектории распространения кругосветных сигналов.

В Главе 4 проведено исследования влияния продольного градиента показателя преломления в ионосфере на прием кругосветных сигналов на основе однослойной модели ионосферы с изменяющимися в продольном направлении параметрами. Экспериментально показан эффект влияния градиентов показателя преломления на прием кругосветных сигналов. Сделаны оценки сезонного изменения интегрального коэффициента поглощения радиоволн в ИВК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изложим кратко основные результаты, полученные в настоящей работе.

1. Для исследования геофизических условий 1фугосветного распространения радиоволн создан аппаратурный комплекс, позволяющий с высокой точностью измерять амплитуду, азимут и угол места кругосветных, обратных и прямых сигналов. Описание аппаратурного комплекса дано в Главе I.

2. Проведен эксперимент по исследованию характеристик iqpyro-светных сигналов в период I980-I98I гг. Отличительной особенностью проведенного эксперимента является небольшое разнесение точек излучения и приема ( 1200 км), а также проведение эксперимента в период максимума солнечной активности. Указанные особенности позволили получить суточные реализации азимутов кругосветных сигналов - качественно новый экспериментальный материал по сравнению с ранее проведенными экспериментами.

3. Наличие суточных реализаций азимутов кругосветных сигналов дало возможность наряду с известными сезонными и суточными закономерностями при приеме кругосветных сигналов выявить новые. а) Уточнена терминология кругосветных сигналов при малом разнесении точек излучения и приема. Новая терминология устраняет неоднозначность в определении КС и ОС при азимутах, перпендикулярных к дуге большого круга, соединяющей точки излучения и приема. б) В зимний период суточные азимутальные реализации ОС хорошо совпадают с оптимальными азимутами, определенными согласно критерию оптимальности. Они имеют четкую локализацию на координатной плоскости "азимут - время суток" и интервал изменения азимута достигает 200°. Однако суточные азимутальные реализации

КС не совпадают с расчетными азимутами. Азимуты КС близки направлению на излучатель и отклоняются от этого направления не более, чем на + 40°. Этот экспериментальный факт указывает на недостаточность критерия оптимальности для определения азимутов КС в зимнее время. в) В летний период четкой локализации азимутальных реализаций на координатной плоскости азимут - время суток не наблюдается. Длительность реализаций существенно уменьшилась по сравнению с зимним периодом. Наблюдаются переходы реализаций с одной теоретической азимутальной ветви на другую. В связи с этим трудно выделить сигналы КС или ОС. Скорость изменения азимута в летний период существенно больше, чем в зимний период. Такая особенность не позволяет использовать критерий оптимальности в летнее время для определения азимутов кругосветных сигналов.

4. Полученные экспериментальные данные подтверждают известные из ранее проведенных экспериментов закономерности при приеме кругосветных сигналов. а) Вероятность приема кругосветных сигналов достигает 100% в зимний период, минимальная в период равноденствия и несколько понижена в летний период (^80%). б) Прием кругосветных сигналов в зимний период реализуется в светлое время суток, а летом - ночью. в) Углы места кругосветных сигналов в период максимума солнечной активности в среднем равны 15°.

5. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование волноводных свойств волновых каналов в ионосфере в зависимости от параметров ионосферы, при этом получено следующее. а) Для однослойной модели ионосферы объем ИВК имеет характерную немонотонную зависимость от гфитической частоты слоя ионосферы ( F2) с максимумом при частоте, равной максимально применимой частоте (МПЧ) для нулевого угла излучения на поверхности Земли. б) Критические частоты F2, определяя изменения объема ИВК и приземного канала, являются основными параметрами ионосферы, объясняющими сезонно-суточную и азимутальную закономерности при приеме кругосветных сигналов. в) Экспериментально показана эффективность критерия max (minjoF2). Он определяет азимуты, в направлении которых реализуются максимальные значения минимумов F2, определенные вдоль траектории кругосветных сигналов. Отклонение расчетных и измеренных кругосветных сигналов не превышает 30°. г) Экспериментально показано, что время приема кругосветных сигналов (для среднеширотных условий приема) определяется временным интервалом, в котором F2 в точке приема и антиподной точке превышает некоторую граничную критическую частоту oF2 (для рабочей частоты 15 МГц = 5 МГц). Этот критерий оправдывается не менее чем в 72% случаев приема кругосветных сигналов. д) Сделан вывод о возможности распространения энергии кругосветных сигналов в приземном канале. Роль приземного канала в распространении КС уменьшается с уменьшением отношения F2 к рабочей частоте. Вывод сделан на основе установленной экспериментально взаимосвязи изменений объема приземного канала с сезонно-суточной и азимутальной закономерностями при приеме !фугосветных сигналов.

6. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование влияния градиентов показателя преломления в продольном направлении в зоне приема на прием кругосветных сигналов. При этом получено следующее. а) Градиенты показателя преломления для однослойной модели ионосферы в первом приближении могут быть представлены градиентами критической частоты F2 области ионосферы. б) Для однослойной модели ионосферы диапазон углов, захваченных в ИВК лучей, имеет сильную зависимость от F2. Максимальный диапазон углов захвата реализуется при рабочих частотах близких к МПЧ для нулевого угла излучения с поверхности Земли и в направлениях уменьшения fcF2. в) Сделан вывод о необходимости учета градиентного фактора при анализе условий кругосветного распространения радиоволн. Этот фактор определяет азимуты, в которых реализуются оптимальные условия для ввода (вывода) энергии в ИВК. В случае близкого расположения точек излучения и приема оптимальным является минимум градиентов fQF2. г) Экспериментально показан эффект влияния градиентного фактора на прием КС. В зимний период азимутальные направления, определенные с помощью градиентного фактора и по критерию шах mirt fcF2), совпадают. Это приводит к локализации суточных азимутальных реализаций на координатной плоскости "азимут -время суток". В летнее время азимутальные направления, определенные первым и вторым способом, не совпадают. Их различие достигает "70° и приводит к возможности перехода от одной азимутальной ветви к другой. Вероятность приема кругосветных сигналов при этом понижается.

7. В работе определены основные физические факторы, совместным действием которых обосновывается геометрический критерий оптимальности. Справедливость критерия оптимальности высокая при определении времни приема кругосветных сигналов и низкая при определении азимутальных направлений (за исключением зимнего периода). Наиболее существенным фактором являются Р2 вдоль траектории кругосветного сигнала. Менее значителен фактор поглощения. Третьим является градиентный фактор. В различных геофизических условиях эти факторы проявляют себя по-разному и требуют отдельного рассмотрения.

8. Ионосферные данные о форме прогнозов достаточны для описания основных закономерностей кругосветного распространения радиоволн. Они могут быть положены в основу прогнозирования геофизических условий при кругосветном распространеии радиоволн.

1. Quak Е. - Jahrb. draht. tel., 1926, 28, рИ77.

2. Quak Б., Model H. Proc. IRE, 1929, P-791

3. Model H. Telefunken Zeitung, 1934, 6£, p.23.

4. Taylor A.H., Young L.C. Proc. IRE, 1928, 16, p.561.

5. Hess H.A. Proc. IRE, 1948, £6, p.981.

6. Hess H.A. Proc. IRE, 194-9, 22, p.980.

7. Hess H.A. Proc. IRE, 1952, 40, p.1065.

8. Jsted G.A. Electromagnetic Wave Propagation N.Y., 1960, P. 515.

9. Fenwick R.B. Round-the-World High-frequence propagation. Techn. rep. 71. Radio Lab. Stanford Univ., 1963.

10. Fenwick R.B., Villard O.G. J.G.Res., 1963, 68, p.5659.

11. Ortner J. J.G.R., 1959, 64, N12, p.2464.

12. Whole H.A. Anesimale of the size of the antipodal area in short wave radio propagation. J. Atmosph. Terr, Phys., v.9, 1956, p.159-161.

13. Bubenik D.M.- Atall. Observations of time structure in high-frequence radio signals propagated around the World. J.G.R., 1971» v.76, p.1088.

14. Прасолов А.С., Шлионский А.Г. Сб. "Распространение декаметро-вых радиоволн", М., ИЗМИРАН, 1978, с.36.

15. Бердиянис Д., Бочаров В.И., Лобачевский Л.А., Мартинес Р., Суарес X., Тушенцова И.А. Геомагнетизм и аэрономия, 1975, 15, №1, с. 163.

16. Голян С.Ф., Шлионский А.Г. Геомагнетизм и аэрономия, 1971, И, ИЫ, с.98.

17. Голян С.Ф. Сб. "Вопросы распространения коротких радиоволн", М., ИЗМИРАН, 1974, ч.2, с. 31.

18. Кравцов Ю.А., Тинин М.В., Черкашин Ю.Н. О механизмах дальнего распространения радиоволн в ионосфере Земли. Препринт № 30 (229), М., ИЗМИРАН, 1978.

19. Бубнов В.А., Голян С.Ф., Шлионский А.Г. Сб. "Ионосферное распространение коротких радиоволн", М., ИЗМИРАН, 1974, ч.2,с. 65.

20. Шлионский А.Г. Дальнее распространение радиоволн в ионосфере, "Наука", М., 1979.

21. Гуревич А.В., Цедилина Е.Б. Сверхдальнее распространение коротких радиоволн, М., "Наука", 1979.

22. Гуревич А.В., Нарийская Л.В., Тушенцова И.А., Цедилина Б.Е. X Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. Тезисы докладов. М., "Наука", 1972, с. 354.

23. Гуревич А.В., Цедилина Е.Е. К теории сверхдальнего распространения коротких радиоволн. Геомагнетизм и аэрономия, 1973, 13, с. 283.

24. Черкашин Ю.Н., Чернова В.А. К применению метода параболического уравнения для расчета волновых полей в неоднородной ионосфере. В кн. "Дифракционные эффекты декаметровых радиоволн в ионосфере", М., "Наука", 1977, с.22-26.

25. Гуревич А.В., Ким В.Ю. Сб. "Распространение декаметровых радиоволн", М., Наука, 1976, с. 5.

26. Борисов Н.Д., Гуревич А.В. Сб. "Исследование сверхдальнего распространения коротких радиоволн", М., ИЗМИР АН, 1975, с.З.

27. Борисов Н.Д., Гуревич А.В. Возбуждение ионосферных волноводов источниками, расположенными на Земле. Изв. ВУЗов, Радиофизика, 1977, 20, №9.

28. Борисов Н.Д., Ким В.Ю., Цедилина Б.Е. Захват радиоволн, излученных с Земли в ионосферный волновой канал и их выход из канала. Сб. "Сверхдальнее распространение радиоволн к модели ионосферы", М., ИЗМИР АН, 1977, с. 4.

29. Гуревич А.В., Ерухимов JI.M., Ким В.Ю., Урядов В.П., Цидили-на Е.Е. Влияние рассеяния на захват радиоволн в ионосферные волновые каналы. Изв. ВУЗов, Радиофизика, 1975, 18, с.1305.

30. Ким В.Ю. К вопросу о роли рассеяния при возбуждении ионосферного волновода. Сб. "Распространение радиоволн и плазменные неустойчивости в ионосфере и магнитосфере", М., ИЗМИРАН, 1974, с. 3.

31. Семеней Ю.А. Влияние ионосферных условий на сверхдальнее распространение декаметровых волн. Каццидатская диссертация, Иркутск, 1981, СибИЗМИР.

32. Казанцев А.Н., Лукин Д.С., Спиридонов Ю.Г. Метод исследования распространения радиоволн в неоднородной магнитоактивной ионосфере. Космические исследования, 1967, т.5, с. 593.

33. Баранов В.А., Егоров Ю.Б., Попов А.В. К расчету антиподной и кругосветной фокусировки в горизонтально-неоднородном ионосферном волноводе. Сб. "Дифракционные эффекты декаметровых радиоволн в ионосфере", М., "Наука", 1977, с. 31.37