Исследование пространственной структуры поля декаметровых сигналов на протяженных радиотрассах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

РГВ од

ц - д;:г г- •

Пономарчук Сергей Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ ПОЛЯ ДЕКАМЕТРОВЫХ СИГНАЛОВ НА ПРОТЯЖЕННЫХ РАДИОТРАССАХ

(01.04.03 - радиофизика)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Иркутск- 1998

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени институте солнечно-земной физики Ордена Ленина Сибирского отделения РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Орлов И.И.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Тинин М.В. доктор физико-математических наук, профессор Черкашин Ю.Н.

Ведущая организация: Научно-исследовательский радиофизический Институт, г. Нижний Новгород

Защита состоится: сентября 1998 г. в -/О час. на заседании диссертационного совета Д.063.32.03 при Иркутском государственном университете по адресу: 664003 г.Иркутск, б.Гагарина, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ИГУ.

Автореферат разослан ¿¿¿а^Я 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Несмотря на интенсивное развитие спутниковых средств связи, декаметровый диапазон, по-прежмему, широко используется при создании различных радиотехнических систем для обеспечения условий связи в больших пространственных областях. Методы расчета характеристик сигналов декаметрового диапазона развиты, в основном, для случая, когда приемник расположен вблизи поверхности Земли. Однако для практики радиосвязи с самолетами, для радиолокации ракетных стартов и самолетов, при решеиин научных задач, связанных с наклонным и возвратно наклонным зондированием ионосферы |1П и ШН), важное значение имеет разработка эффективных вычислительных схем paciera полного набора характеристик сигнала по большим пространственным областям.

1'а¡рабоншпые в Начале 7(1-х годов методы расчета, реализованные. в основном, в рамках геометроотичеекого приближения, позволяют провеет траектрныи синтез распределения поля по пространству и [»ценить амплитуду ноля сигналов. Для более потного описания процесса распространения радиоволн с учетом дифракционных чффектоь вбли-iii кауечнк. в неоднородных средах и средах с крупномасштабными случайными неоднородностями интенсивное развитие в конце 70-х, начале КО-х годов получили методы канончческого оператора Маслова [I], параболического уравнения |2|, Интерференционного интеграла [3]. Для анализа распространения радиосигналов в диспергирующих средах был развт метод пространственно-временной геометрической теории дифракции 1-4].

I! пи же годы получил развитие метод нормальных волн, основанный на разложении поля по собственным функциям радиальной [поперечной) задачи в волноводе Земля-ионосфера [5]. Этот метод, яв-

ляющийся одним из основных в подводной акустике и диапазоне длинных волн, показал себя эффективным и для описания ионосферного распространения радиоволн. Были реализованы схемы численного и аналитического суммирования ряда, создан алгоритм расчета харакге-ристик радиосигналов (в том числе и огибающей сигнала) для случая приземного расположения излучателя и приемника [6,7]. _Дальнейшее совершенствование метода нормальных волн необходимо было провести в направлении расширения области применения для расчета характеристик радиосигналов в широком диапазоне частот и больших пространственных областях с учетом свойств волновода, близких к реальным. На основе созданных алгоритмов расчета пространственно-частотных распределений поля излучения в волноводе развить метод прямой диагностики условий распространения с использованием текущих экспериментальных данных наклонного и возвратно-наклонного зондирования ионосферы.

Целью работы является развитие схемы расчета пространственно-временных распределений характеристик радиосигналов для прогноза и диагностики условий распространения радиоволн в волноводе Земля-ионосфера. Для этого необходимо было решить следующие задачи:

1. Обобщить схему расчета характеристик КВ-сигналов по методу нормальных волн на случай приподнятого приемника, включая высоты ионосферы и реализовать высокоэффективные алгоритмы вычисления высотных и дальностных распределений характеристик КВ-сигналов (включая форму огибающей) в Неоднородном волноводе.

2. Разработать и реализовать алгоритмы оперативной диаг ностики декаметрового радиоканала по реальным данным НЗ и ВИЗ ионосферы.

3. Создать исследовательский программный комплекс, включающий модель среды, алгоритмы расчета характеристик сигналов и базу экспериментальных данных.

Научная новична выполненной работы состоит в том, что:

1.Проведено обобщение схемы расчета характеристик сигналов па основе метода нормальных волн на случай приподнятого приемника, включая высоты ионосферы, для расчета высотных распределении амплитуды сигнала, временных разверток огибающей сигнала, модовой структуры поля сигналов в неоднородном волноводе.

2.Разработана методика автоматической интерпретации ноно-грамм 113 при ЛЧМ зондировании ионосферы.;Методика основана на использовании результатов моделирования дистанционно-частотных характеристик (ДЧХ) на заданной трассе в режиме долгосрочного прогноза и адиабатической зависимости группового пути мода распространения на относительной сетке рабочих частот РМПЧ.

3. Разработана методика оперативной диагностики КВ-радноканала. Оперативная диагностика радиоканала по текущим данным ЛЧМ-юндировання ионосферы » режимах НЗ И ВИЗ проводится с использованием алгоритмов расчета модовой структуры полЯ сигналов и адиабатических соотношений между частотными и групповыми характеристиками сигнала при изменениях параметров ионосферы:

•о| ношение группового пути, соответствующего МПЧ мИда, к длине трассы;

•отношение МПЧ модов различных кратностей;

•отношение группового пути сигнала НЗ к Длине трассы на относительной сетке рабочих частот //МПЧ.

4.Разработана модель электрических свойств земной поверхности в КН-диапазопе, входящая составной частью в программный исследова-

тельский комплекс прогноза и диагностики условий распространения радиоволн. Модель электрических свойств подстилающей среды строится на основе выделения характерных чипов земель с заданными электрическими параметрами Для аняпитичсского представления Получен-нот о массива данных используются локальные В-сплайны второй степени на равномерной сетке в сферической системе координат.

Практическая ценность выполненной работы определяется возможностью использования разработанных алгоритмов и пакетов программ для прогноза условий распространения радиоволн, диагностики состояния радиоканала и выбора оптимальных рабочих частот радиосвязи, для анализа экспериментальных данных наклонного и возвратно-наклонного зондирования и решения прикладных задач.

Внедрение результатов: Программные комплексы внедрены в ИПГ (Москва, 1984), ОКБ "Агат" (Ангарск, 1987, 1988) и НИИДАР (Москва, 1985). Соответствующие акты внедрения прилагаются.

На защиту выносятся:

1. Схема расчета пространственных распределений характеристик сигналов наклонного зондирования ионосферы в рамках метода нормальных волн и результаты моделиройания пространственно-временной структуры поля КВ-сигнзлов в волноводе Земля-ионосфера.

2. Методика и результаты автоматической интерпретации ионо-грамм наклонного зондирования непрерывным ЛЧМ-сигналом.

• 3. Методика и результаты оперативной диагностики КВ радиоканала по текущим данным ЛЧМ-зондирования ионосферы в режимах НЗ и ВИЗ.

4. Исследовательский комплекс, включающий в себя алгоритмы расчета характеристик сигналов, модель ионосферы, модель электрчче-

ских свойств земной поверхности и базу экспериментальных ионаграмм ИЗ и ВИЗ.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на симпозиумах, конференциях, семинарах и совещаниях: "Распространение километровых и более длинных радиоволи (Алма-Ата

- 1984), по ионосферному прогнозированию (Новосибирск - 1985, Иркутск - 1991), I и II отраслевой МПСС (Москва - 1984, 1986), Ш МРП (Москва - 1986), XV, XVII, XVIII по распространению радиоволн (Алма-Ата - 19t>7, Ульяновск -1993, С.-Петербург - 1996), "Ионосфера и взаимодействие декаметровых радиоволн с ионосферной плазмой" (Звенигород - 1989), молодых ученых (Звенигород - 1989), "Специальные вопросы физики ионосферы и распространения радиоволн" (Горький - 1989), "Распространение радиоволн и проблемы радиосвязи ДКМВ диапазона" (Н.-Новгород - 1991), "распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах" (Смоленск -1992), XXIII, XXV Генеральных ассамблеях URSI (Прага, Чехословакия

- 1990, Диль, Франция - 1996), IEEE AP-S (Newport Bearch, USA, 1995), ISAP'92, ISAP'96 (Sapporo -1992, Chiba - 1996, Japan), ISRP'93, ISRP'97 (Beijing - 1993, Qingdao -1997, China), "100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники" (Москва - 1995), "Радиофизика и электроника: проблемы науки и обучения" (Иркутск - 1995), "Информационные технологии и радиосети - 96" (Омск - 1996), на семинарах отдела расйространення радиоволн ИСЗФ (СибИЗМИР) СО РАН.

Личное участие. Автор принимал участие в постановке задач, разработке методик и алгоритмов расчета высотных разрезов поля излучения в волноводе Земля-ионосфера, расчета модовой структуры сигналов ИЗ и ВНЗ. в разработке методики оперативной диагностики KB-

радиоканала, в создании программного исследовательского комплекса. Им самостоятельно разработаны модель электрических свойств земной поверхности, методика автоматической интерпретации ионограмм на-

претация полученных результатов.

Публикации. По Теме диссертации опубликовано 20 работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, двух разделов, заключения й двух приложений с общим объемом 164 страницы, включая 52 рисунка, 2 таблицы и список литературы из 137 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована ее цель и кратко Изложено содержание.

В первом разделе приводятся результаты моделирования пространственно-частотНых распределений поля КВ-сигналов в волноводе Земля-Ионосфера.

В подразделе 1.1 приведены выражения для компонент поля ква-зимоиохроматнческого сигнала, полученные ранее в рамках метода нормальных волн. .При переходе к временной зависимости при помощи преобразования Фурье возникающие интегралы для выбранного узкополосного сигнала вычисляются путем разложения показателей экспонент вряд Тейлора по со в окрестности несущей частоты го0, ограничиваясь линейными членами [8]. Для приподнятого приемника в данной работе, в отличие от случая ¡Наземного, проведено разбиение радигшьной функции (Или ее производной) на сумму двух экспонент. Тогда полное поле разбивается на две части, описывающие волны, бегущие в противоположных направлениях по радиальной координате г и вперед по 0.

Обобщение решения в виде ряда нормальных волн на случай азиму-талыш-симметричного волновода Земля-ионосфера проводится в рамках адиабатического приближения [5].

Основой расчетной схемы характеристик сигнала является метод численного суммирования ряда нормальных волн, предложенный в работе [9], и условие стационарности (10), эквивалентное условию: разность фаз соседних нормальных волн кратна 2л. Данное условие позволяет для заданных координат определить центральные номера пакетов волн, складывающихся почти в фазе и дающих основной вклад в значение поля в точке наблюдения. Для заданного номера нормальной волны, условие стационарности определяет геометрическое место точек локализации поля группы волн с данным центральным номером, тс есть траекторию распространения пакета сфазированных волн, поэтом}' решение трансцендентного уравнения относительно номера позволяет определить модовую структуру принимаемого сигнала (количество модов и их идентификацию) и рассчитать временные и угловые характеристики сигналов. Для эффективного обращения неявного уравнения используется аппроксимация функций сплайнами [11]. Амплитудные характеристики вычисляются на основе прямого численного суммирования ряда нормальных волн. Разработанная численная схема позволяет рассчитывать огибающие импульсных сигналов в произвольной точке волновода как в области геометрооптической освещенности, так и в области каустики, образованной слиянием верхнего и нижнего лучей. Вдали от каустик каждый отдельный сигнал на временной развертке формируется группой сфазированных нормальных волн с центральным номером, поэтому оперативный алгоритм анализа пространственной структуры поля на основе условия стационарности позволяет выделить в пространстве зоны освещенности, в пределах которых характеристики сиг-

налов достаточно вычислять для моментов времени, соответствующих положению центров отдельных импульсов на временной развертке. Количественно уровень таких сигналов можно характеризовать значением -огнГшкш^й-в-центре-иммзтсаг^оторо^можно^финять—за—амтттИуду сигнала. Таким образом алгоритм расчета амплитудно-частотной характеристики и ДЧХ в освещенной зоне сводится к модовому анализу и расчету амплитуды сигнала. Развитая схема расчета характеристик импульсных сигналов была применена для расчета характеристик ЛЧМ-сигнапов [12,13]. Показано, что результат обработки отдельной временной выборки принятого ЛЧМ-сигнала эквивалентен зондированию радиоканала комплексным "узкополосным импульсным" сигналом, характеристики которого определяются временным окном, выделяющим выборки.

В подразделе 1.2 проводится анализ пространственно-временной структуры поля излученного сигнала в волноводе. Для отработки схемы расчета пространственных распределений характеристик сигналов были проведены методические расчеты высотных разрезов поля на однородной трассе в пределах дальности первого скачка. Излученное поле на небольших дальностях определяется диаграммой направленности излучателя. При увеличении дальности поле локализуется, в основном, в области расположения ионосферного слоя, появляются каустики, которые ограничивают область локализации Поля снизу по высоте. Каустики по мере удаления от излучателя смещаются вниз, и дальность, на которой каустика достигает земной поверхности, является границей между зоной освещённости и "мертвой" зоной. По мере дальнейшего увеличения дальности появляются каустики, ограничивающие область локализации ноля сигналов, приходящих по восходящим траекториям (отраженных от земной поверхности), сверху по высоте. Рассматривается пространст-

венное распределение поля сигнала вблизи области фокусировки сигнала. Приведены эффективные размеры области фокусировки для ряда частот как по дальности, так и по высоте. В Приложении I получено выражение для периода осцилляции амплитуды сигнала в середине импульса при проходе границы освещенной зоны.

15 слабо неоднородных волноводах характеристики нормальных волн плавно меняются в зависимости от номера при фиксированных значениях координат точки приема и от продольной и поперечной координат при фиксированном номере. Использование аппарата приближения функций сплайнами позволяет реализовать эффективные численные схемы расчета пространственных распределений амплитудных характеристик радиосигналов. Для повышения оперативности алгоритмов была разработана схема расчета пространственного расположения зон фокусировки сигналов, позволяющая выделить в пространстве области освещенности, в пределах которых количественные характеристики радиосигналов можно рассчитывать как значения огибающей в центре импульса. Алгоритм расчета линий каустик основан на исследовании поведения разности фаз соседних нормальных волн по спектру нормальных волн. В рамках этого алгоритма возможно определение максимальных применимых частот (МПЧ) отдельных Модов в выбранной точке волновода. Расчет границы освещенной зоны на сетке фиксированных частот позволяет построить ДЧХ сигналов ВИЗ по переднему фронту.

В подразделе 1.3 анализируются ЬысОтные разрезы поля сигнала на прот яженных среднеширотных трассах для различных геофизических условий Под высотными разрезами поля понимаются пысотнЫе распределения амплитуды отдельного сигнала или его затухания, характеризующею потери энергии сигнала в канале распространения [14|. Высотные разреш рассчитывались на различных удалениях от излучателя.

На низких частотах высотные распределения поля имеют сложную многомодовую структуру, что может приводить к существенным вариациям амплитуды суммарного сигнала по высоте вследствие интерференции отпеаьных сигналов лля импульсов большой длительности. Вблизи максимальной применимой частоты волновода поле сигнала формируется одним или двумя сигналами, распространяющимся по траекториям с минимальным числом отражений от ионосферы. Также вблизи данной частоты наблюдается отрыв поля от поверхности земли до высот ионосферного слоя. Построение частотных зависимостей затухания сигнала позволяет определить примерный диапазон оптимальных рабочих частот с учетом требований к энергетике и многолучевости.

Полученные результаты согласуются с данными, полученными в экспериментах по измерению поля На геофизических ракетах [15].

Во втором разделе приводится структура исследовательского программного комплекса, включающего алгоритмы расчета характеристик сигналов ИЗ и ВИЗ, модели моносферы, модель электрических свойств земной поверхности и базу экспериментальных данных, полученных с использованием ЛЧМ-ионозонда (16]. Приведено описание методик автоматической интерпретации монограмм ИЗ и оперативной диагностики радиоканала по реальным дайным ИЗ и ВИЗ ионосферы. Работа исследовательского комплекса иллюстрируется результатами моделирования ионограмм НЗ. Функциональные схемы и описание комплекса приведены в Приложении П.

В подразделе 2.1 изложено описание основных составляющих исследовательского программного комплекса моделирования условий распространения радиоволн на неоднородных трассах. Расчет характеристик сигналов проводится с учетом технических параметров радиоканала на базе прог ностических моделей Ионосферы и земной поверхно-

сти. Пакеты программ, реализующих модель ионосферы, модель подстилающем поверхности и алгоритмы расчета характеристик сигнала на основе метода нормальных волн позволяют по минимальной входной информации о трассе (координаты корреспондирующих пунктов, дата и время, индекс солнечной активности, приемо-лередающие антенны) проводить долгосрочный прогноз условий распространения дека-метровых радиосигналов. В подразделе подробно изложена методика построения модели электрических свойств земной поверхности в КВ-диапазоне. Модель электрических свойств земной поверхности для коротковолнового диапазона построена на основе выделения некоторых характерных типов "земель", которым сопоставляются определенные электрические параметры. В связи с малым объемом данных измерений электрических параметров в КВ-диапазоне, на первом этапе использовались данные измерений диэлектрической проницаемости и проводимости. полученные для "смежных" диапазонов. На этом пути мы сталкиваемся с проблемой частотной дисперсии электрических параметров, обусловленном глубиной проникновения волны в землю. В первом приближении частотной дисперсией можно пренебречь. Согласно выбранной классификации из одиннадцати типов "земель", используя равномерный шаг по долготе п шпроте (шаг 5°) и анализируя геологические, природные и климатические условия, узлам сферической координатной сетки сопоставляются определенные типы "земель". Для аппроксимации значений электрических параметров на сфере использовались локальные В-сплайны второй степени. Аналитическая форма записи данных выбрана для удобств.! использования модели подстилающей среды в алгоритмах расчета характеристик радиосигналов.

Г} рамках метода нормальных поли решается единая электродинамическая задача с учетом пространственного распределения тока из-

лучателя и конфигурации приемной антенны. В существующем варианте программного комплекса расчета характеристик сигналов возможно использование различных типов приемных и передающих антенн. Так, например, при расчетах высотных распределений поля на неоднородных трассах в качестве излучателя использовалась фазированная антенная решетка.

-Составной частью в исследовательский комплекс входит база экспериментальных данных ЛЧМ-зондирования ионосферы (амплитудные рельефы на сетке частот). Регулярные исследования ионосферы и условий распространения радиоволн на базе ионозонда с непрерывным ЛЧМ-сигналом в ИСЗФ СО РАН ведутся с 1989 года. Ионозонд работает в режимах вертикального, наклонного и возвратно-наклонного зондирования ионосферы. В кооперации научных организаций России, использующих ионозонды с непрерывным ЛЧМ-сигналом для диагностики ионосферы, были задействованы трассы наклонного зондирования различной протяженности и ориентации. Комплекс аппаратуры, разработанный с применением средств вычислительной техники и автоматизации, позволяет получать выходные данные в наглядном виде и вести регистрацию резутьтатов зондирования в цифровой форме на магнитный носитель для последующей вторичной обработки и архивирования

Точностные характеристики долгосрочного прогноза условий распространения радиоволн оценивались по результатам расчета отклонений ( Д) усредненных за дни эксперимента максимальных наблюдаемых частот от вычисленных максимальных применимых частот. Приведены количественные оценки среднесуточных погрешностей Д на трассе Магадан-Иркутск для условий зимы и равноденствия с 19X9 по 1994 гг., а также на трансэкваториалыюй трассе АНсе-Хрипу« (Австралия) - Ир-

кутск для марта 1У%г. Расчеты проводились с использованием полуэм-пирнчеекой модели ионосферы ИГУ и модели 1Ш-90.

При адаптации современных систем декаметровой радиосвязи выбор рабочих частот и других технических параметров радиосредств по долгосрочному прогнозу может оказаться неоптимальным.. Задача оперативного определения диапазона рабочих часто! КВ-радиосвязи, особенно по время ионосферных возмущений, остается актуальной. Относительная большая погрешность долгосрочного прогноза стимулировала исследования по его корректировке с использованием реальных данных, полученных на радиотрассах, оборудованных современными средствами диагностики среды, средствами оперативной связи и компьютерной обработки.

В нолразде <е 2.2 описывается метод прямой диагностики, основанный на использовании адиабатических соотношений характеристик диагностического сигнала и исследуемого радиоканала при изменениях параметров ионосферы. Данные соотношения были выявлены при анализе результатов моделирования частотных зависимостей групповых характерпе гик сигналов ИЗ и ВИЗ в различных гелио-геофизических условиях. При изменении параметров ионосферы слабо меняются:

• отношение групповою пути, соответствующего переднему фронту сигнала возвратно-наклонного зондирования, или в точке смыкания нижнего н верхнего лучей, к дальности до границы освещенной зоны;

•отношение МПЧ медов различных кратностей, распространяющихся в одном из полноводных каналов (нижней стенкой их является поверхность Земли, а верхней слой /;, 1'1 или ¡-'2):

•отношение группового пути к длине трассы на относительной сет ке час гот Г/МГ1Ч. где Г-текущая частота зондирования

Приведениые выше соотношения также подтверждает и анализ экспериментальных данных НЗ и ВНЗ, полученных на ЛЧМ - зонде. Найденные адиабатические соотношения позволили решить следующие

жшроссп5перат111МЦ1Й^нажоетнки^екаметровор&^дш14а1шда:-

«оперативное определение модового состава каждого мода и ДЧХ сигналов НЗ на заданную дальность по текущим монограммам возвратно-наклонного зондирования п направлении азимута трассы НЗ.

«автоматическая интерпретация модов наклонного распространения на экспериментальных ионограммах по точкам, соответствующих моментам прихода сигналов, полученных в результате вторичной обработки.

Развитый метод оперативной диагностики радиоканала по данным, полученным с использованием диагностических средств, позволяет проводить расчет МПЧ и ДЧХ модон распространения на заданную радиотрассу в реальном масштабе времени.

В подразделе 2.3 описывается методика автоматической интерпретации монограмм наклонного зондирования, основанная на использовании результатов моделирования ДЧХ на заданной трассе в режиме долгосрочного прогноза и найденных адиабатических соотношений. Исходными данными являются обработанные по амплитудным рельефам монограммы наклонного зондирования, или "облака'" точек со значимой амплитудой, соответствующие моментам прихода сигналов. Алгоритм идентификации мода распространения заключается в выборе оптимального положения на ионограмме модельной маски, построенной по результатам долгосрочного прогноза, когда число точек, попадающих в маску, максимально. Приводятся результаты тестирования алгоритма в автоматическом режиме для различных гелио-геофизических условий. Проведенное тестирование разработанного алгоритма идентификации

показало его работоспособность для знмннх и ночных летних условий. При этом скорость и точность интерпретации ионограммы существенно зависят от наличия привязки диагностического комплекса к системе единого времени. Созданный комплекс программ, позволяющий осуществлять первичную обработку ионограмм, выделение треков и идентификацию модов может быть использован как составная часть комплекса автоматизированного выбора оптимальных рабочих частот связной радиолинии по результатам зондирования ионосферного канала.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Проведено развитие расчетной схемы метода нормальных волн на случай произвольного расположения приемника в волноводе Земля-ионосфера (включая зоны фокусировки поля сигналов). На основе численного суммирования ряда нормальных волн реализован алгоритм расчета пространственно-временной структуры поля КВ-сигналов, позволяющий изучать высотные и дальностные распределения основных характеристик импульсных сигналов, а также форму огибающей регистрируемого сигнала. Развитая схема расчета применяется для вычисления характеристик ЛЧМ - сигналов при обработке методом сжатия по частоте В рамках полноводного подхода разработаны и реализованы оперативные алгоритмы расчета модовой структуры и МПЧ сигналов наклонного зондирования ионосферы, положения зон фокусировок поля в волноводе Земля - ионосфера и ДЧХ сигналов возвратно - наклонного зондирования ионосферы.

2 Разработана и реализована методика оперативной диагностики радиоканала по текущим данным наклонного и возвратно-наклонного зондирования ионосферы непрерывным ЛЧМ-сигнапом. Она основана на использовании адиабатических соотношений между характеристиками диагностического сигнала и исследуемого радиоканала при изме-

нениях параметров ионосферы и включает методику автоматической интерпретации ионограмм наклонного зондирования. Создан комплекс программ, позволяющий осуществлять вторичную обработку ионо-грамм, выделение треков и идентификацию модов распространения, который может быть использован для выбора оптимальных рабочих частот связной радиолинии по результатам зондирования ионосферного канала. _3. Реализован исследовательский программный комплекс, включающий модель среды, программу расчета характеристик сигналов по методу нормальных волн, программы оперативной диагностики и базу данных ВЗ, НЗ и ВИЗ. В состав модели среды входит разработанная автором модель электрических свойств земной поверхности для КВ-диацазона на основе выделения характерных типов земель и аналитической формы представления данных. Комплекс позволяет проводить моделирование пространственно-временной структуры поля для различных типов модуляции КВ-сигиалоь в волноводе Земля-ионосфера. На его основе осуществляется долгосрочный прогноз широкого набора характеристик сигналов на неоднородных радиотрассах но минимальной входной информации. Создана интегральная программная оболочка, включающая пакет программ расчета характеристик КВ-сигнала в вол-новодном подходе в диагностический комплекс на базе ЛЧМ-ионозонда.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Куркин В.И., Орлов И И., Пономарчук С.Н., Попов В Н. Высотный разрез плотности энергии сигналов декаметрового диапазона на протяженных трассах // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1980. Вып.51. С.6-9,

- 192. Брянцев В.Ф.. Куркин В.И., Орлов И.И., Пономарчук С.Н., Чистякова Л.В. О методике прогнозирования условий радиосвязи на протяженных трассах // Исследования но геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца М.: Наука, 1983. Вып.63. С.196-201.

3. Пономарчук С.Н. Модель электрических свойств земной поверхности в КВ-диапазоне. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М : Наука, 1984. Вып.69. С.42-47.

4. Малгаков A.A., Орлов И.И., Пономарчук С.Н. Способ аналитического описания электрических свойств земной поверхности в длинноволновом диапазоне Ч Распространение километровых и Солее длинных радиоволн. Алма-Ата: Наука, 1986. С.52-54.

5. Куркин В.И., Орлов И.И., Пономарчук С.Н., Потехин А.П. Моделирование еысотных распределений поля KB сигналоз в сферически-симметричном волноводе Земля-ионосфера. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1986 Вып.77. С.37-43.

6. Алтынцева В.И., Ильин Н.В., Куркин В.И., Орлов А.И., Орлов И.И., Полех Н.М , Пономарчук С.Н., Хахинов В.В. Моделирование де-каметроього радиоканала на основе метода Нормапьчых волн. // Техника средств связи. Серия СС. М.: Экое, 1987. Вып.5. С.28-34.

7. Куркин В.И., Орлов И.И., Пономарчук С.Н., Потехин А.П. Расчет высотно-частотных зависимостей характеристик КВ-сигналов на основе метода нормальных волн // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1988. Вып.81. С.43-49.

8. Куркин В.И., Пономарчук С Н. Расчет пространственного положения зон фокусировки КВ-сигналов в волноводе Земля-ионосфера. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1989. Вып.88. С. 193-199.

9. Altyntseva V.I, llyin N.V., Kurkin V.I., Orlov A.I, Orlov 1.1., Ponomarcluik S.N., Potekhin A.P., Savkov S.S., Kliakhinov V.V. Waveguide approach to modeling of the propagation of HF-signals in the Earth-ionosphere waveguide // XXItl^Gcneral Assenibly^Pth^nteniatronal Union ofHbidio-Science (IJRSI). Abstracts. Vol.1. Praga, 1990. P. 108.

10. Altyntseva V.I, llyin N.V., Kurkin V.I., Orlov A.I, Orlov I 1, Ponomarcluik S.N., Potekhin A.P., Savkov S.S., Khakhinov V.V. Waveguide approach to modeling of the propagation of HF-signals in the Earth-ionosphere waveguide. Preprint N 23-90, Siberian Inst, of Terr. Magn. lonos. and Radio Wave Propag., Irkutsk, 1990. 1 Ip. (Submitted to XXIII GA URSI).

II . Kurkin V.I., Nosov V.E., Ponomarcluik S.N., Savkov S.S., and Chistyakova L.V. A technique for Current Diagnostics of the High-Frequency Radio Channel // Proceedings ol'TSAP'92. Sapporo, Japan, 1992. P.1189-1192.

12. Куркин ВН., Носов В.E., Пономарчук С.Н., Савков С.С., Чистякова Л.В. Метод оперативной диагносгнкИ радиоканала //' Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М : Наука, 1993. Вып.100. С.168-188.

1-3. Kurkin V.I., Nosov V.E., Ponoinarcliuk S.N., Savkov S.S., and Chistyakova L.V. Experimental tests of a technique for diagnostics of the 111' radio channel on backscatter data // Proceedings of 1SRP'93 Beijing, China, 1993. P.415-418.

14. Грозов В.II, Куркин В.И., Носов В.Е., Пономарчук С II. Mem-дика автоматической интерпретации ионограмм наклонного зондирования ЛЧМ-сигналом. Препринт №10-94, ИСЗФ СО РАИ, 1994. 18с.

15. Kurkin V.I., Nosov V.E., Ponomarcluik S.N., Pushkarev S.V. Applied program packages lor prediction and current diagnostics of the HF radio

channel // iJSNC/URSI National Radio Science Meeting, Digest, June 1995. P.417.

16. Ильин H.В., Куркин В.И., Носов В.Е., Орлов И.И., Пономарчук С.Н, Хахинов В В. Моделирование характеристик ЛЧМ-сигналов при наклонном зондировании ионосферы // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Новосибирск: Наука, !995. Вып. 103. С.149-157.

17. Ilyir, N.V., К h ak hi по" V.V., Kurkin V.Î., Nosov V.V., Orlov 1.1., Ponomarclitik S.N. The theory of chiф-signal ionospheric sounding // Proceedings ofISAP'96. Chi'>a, Japan, 1996. P.689-692.

lS.Grozov V P., Kurkin V.I., Nosov V.E., Ponomarchuk S.N. An In-teipretation of data oblique-incidence sounding using the chirp-signal // Proceedings oflSAP'96. Cliiha, Japan, 1996. P.693-696.

!" 1 розов 1 ï.11, Котович Г.В., Носов В.Е., Пономарчук С.Н., Пуш-кнрев С В.. Сергеева Л П., Хахинов В В. Программный комплекс расчета оптимальных рабочих частот региональных связных КЗ радиотрасс // Материалы конференции: Информационные технологии и радиосети -96, Омск. 1996. С 62-63.

20. Kotovieh (i.V„ Kurkin V.I., Mikhailov S.Ya., Nosov V.E, Polekh N.M., Ponomarchuk S.N., and Chistynkova L.V. The use cf 1R1 for HF propagation // Proceedings oi 1SRP'97. Qingdao, China,1997. P.239-242.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Лукин Д.С.. Пал кип Е.А. Численный канонический метод в задачах дмфракшш н распространения электромагнитных волн в неоднородных средах. М.: МФТИ, 1982. 159с.

2. Черкашнп KJ.II. Развитие методов исследования стационарных коротковолновых полей а ионосфере, основанных на параболическом

уравнении теории дифракции // Тез. докл. XIV Всесоюзной конференции по распространению радиоволн. М.: Наука, 1984. С. 156-157.

3. Орлов Ю.И. Равномерное асимптотическое интегральное представление полей в неоднородных средах // Известия Ьузов. 1'адиофнзи-ка, 1974. Т.17, №7. С. 1035-1041.

4. Анютин А.П., Орлов Ю.И. Пространственно-временная геометрическая теория лнфракпни частотно-модулированных радиосигналов в однородной диспергирующей среде /7 Радиотехника и электроника, 1977. Т.22, №10. С.2082-2090.

5. Куркнн В.П., Орлов И.И., Попов В II. Меч од нормальных волн в проблеме коротковолновой радиосвязи. М.: Наука, 1981. 122с.

6. Куркин В.И., Орлов А.И., Орлов H.H., Попои D il., Погехнн ATI. Исследование огибающих импульсного KB сигнтла в окрестности каустики на основе метода нормальных волн. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1082. Вып.60. С.198-205.

7. Алтынцева В.И., Ильин И.В., Куркин В Н., Орлов A.M., Орлов И И., Полех U.M., Пономарчук С.П., Хахннов В О Моделирование дс-каметрового радиоканала на основе метода нормальных волн // Техника средств связи. Серия СС. М.: Экое, 1987. Выи.5. С.28-34.

8. БреховСКих Л.М. Волны в слоистых средах.М.:11аука,1973. 344с

9. Куркин В.П., Орлов А.И., Орлов И.И. Схема расчета характеристик импульсного декаметрового радиосигнала на основе численного суммирования нормальных волн. 7/ Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М : Наука, 1986. Вып.75 С 159-164

10. Потехин А.П., Орлов И.И. Приближенная формула суммирования ряда нормальных воли // Исследования по геомагнечизму. аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1981. Вып.57. С. 135-137

11. Коноплин В.Н., Орлов А.И. Приближение данных локальными сплайнами второй степени // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1981. Вып.57. С.101-104.

12. Филипп Н.Д., Блаунштейн Н.Ш., Ерухимов J1.M. и др. Современные методы исследования динамических процессов в ионосфере. Кишинев: Штишща, 1991.288с.

13. Ильин Н.В., Куркин ВН., Носов В.Е., Орлов И.И., Пономарчук С.Н., Хахннов В В. Моделирование характеристик ЛЧМ-сигн&чов при наклонном зондировании ионосферы // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Новосибирск: Наука, 1995. Вып. 103. С. 149-157.

14. Алебастров В.А., Г'ойхман Э.Ш., Заморин И.М., Колосов A.A., Корадо В Л., Кузьминский Ф.А., Кукис Б.С. Основы загоризонтной радиолокации М.: Радио и связь, 1984. 256 с.

15. Прылев И С., Калинин Ю.К., Колосов A.A. и др. Дифракционный захват коротких радиоволн ионосферным волноводом и его характеристики, полученные с помощью геофизических ракет // Докл. АН СССР, 1977. Т.235, №4. С.802-804.

16.Брынько И.Г., Галкин И.А., Грозов В.П., Литовкин Г.И., Ма-тюшонок С М., Мозеров Н.С., Носов В.Е. ЛЧМ-зонд и его потенциальные возможности. Препринт СибИЗМИР СО АН СССР № 2-90. Иркутск, 1990. 14с.

Множительный участок ИСЗФ

Заказ № 407 от 21 мая 1998 г.

Объём 23 м./п. стр. Тираж 100 экз.

р

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ СОЛНЕЧНО - ЗЕМНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 621.371

Пономарчук Сергей Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ ПОЛЯ ДЕКАМЕТРОВЫХ СИГНАЛОВ НА ПРОТЯЖЕННЫХ РАДИОТРАССАХ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук И.И.Орлов

Иркутск - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................3

РАЗДЕЛ I. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ

РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ПОЛЯ КВ-СИГНАЛОВ В ВОЛНОВОДЕ ЗЕМЛЯ-ИОНОСФЕРА................................................................................10

1.1. Схема расчета пространственных распределений характеристик КВ-сигналов на основе метода нормальных волн.....................11

1.2. Пространственно-временное распределение амплитуды импульсного сигнала в волноводе.............................................32

1.3. Исследование высотных распределений поля КВ-сигналов на протяженных радиотрассах........................................................49

РАЗДЕЛ II. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ОПЕРАТИВНАЯ ДИАГНОСТИКА

ДЕКАМЕТРОВОГО РАДИОКАНАЛА...............................................58

2.1. Программный комплекс прогнозирования условий распространения радиоволн на неоднородных радиотрассах................................................................................60

2.2. Методика оперативной диагностики КВ-радиоканала..............85

2.3. Методика автоматической интерпретации ионограмм наклонного зондирования.........................................................102

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................117

ПРИЛОЖЕНИЕ I. АСИМПТОТИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПОЛЯ СИГНАЛА

ВБЛИЗИ ГРАНИЦЫ ОСВЕЩЕННОЙ ЗОНЫ..........................119

ПРИЛОЖЕНИЕ II. ПАКЕТЫ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И ОПЕРАТИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ ДЕКАМЕТРОВОГО

РАДИОКАНАЛА.................................................................125

ЛИТЕРАТУРА..................................................................................................148

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на интенсивное развитие спутниковых средств связи, дека-метровый диапазон, по-прежнему, широко используется при создании различных радиотехнических систем для обеспечения условий связи в больших пространственных областях. Методы расчета характеристик сигналов декаметрового диапазона развиты, в основном, для случая, когда приемник расположен вблизи поверхности Земли. Однако для практики радиосвязи с самолетами, для радиолокации ракетных стартов и самолетов, при решении научных задач, связанных с наклонным и возвратно-наклонным зондированием ионосферы (НЗ и ВНЗ), важное значение имеет разработка эффективных вычислительных схем расчета полного набора характеристик сигнала по большим пространственным областям.

Разработанные в начале 70-х годов методы расчета, реализованные, в основном, в рамках геометрооптического приближения, позволяют провести траекторный синтез распределения поля по пространству и оценить амплитуду поля сигналов. Для более полного описания процесса распространения радиоволн с учетом дифракционных эффектов вблизи каустик, в неоднородных средах и средах с крупномасштабными случайными неодно-родностями интенсивное развитие в конце 70-х, начале 80-х годов получили методы канонического оператора Маслова [73], параболического уравнения [106], интерференционного интеграла [80]. Для анализа распространения радиосигналов в диспергирующих средах был развит метод пространственно-временной геометрической теории дифракции [13].

В эти же годы получил развитие метод нормальных волн, основанный на разложении поля по собственным функциям радиальной (поперечной) задачи в волноводе Земля-ионосфера [63]. Этот метод, являющийся одним из основных в подводной акустике [92] и диапазоне длинных волн [47], показал себя эффективным и для описания ионосфер-

ного распространения радиоволн [78]. Были реализованы схемы численного и аналитического суммирования ряда, создан алгоритм расчета характеристик радиосигналов (в том числе и огибающей сигнала) для случая приземного расположения излучателя и приемника [8,58].

Дальнейшее совершенствование метода нормальных волн необходимо было провести в направлении расширения области применения для расчета характеристик радиосигналов в широком диапазоне частот и больших пространственных областях с учетом свойств волновода, близких к реальным. На основе созданных алгоритмов расчета пространственно-частотных распределений поля излучения в волноводе развить метод развить метод прямой диагностики условий распространения с использованием текущих экспериментальных данных наклонного и возвратно-наклонного зондирования ионосферы.

Основной целью работы является: развитие схемы расчета пространственно-временных распределений характеристик радиосигналов для прогноза и диагностики условий распространения радиоволн в волноводе Земля-ионосфера. Для этого необходимо было решить следующие задачи:

1.Обобщить схему расчета характеристик КВ-сигналов по методу нормальных волн на случай приподнятого приемника, включая высоты ионосферы и реализовать высокоэффективные алгоритмы вычисления высотных и дальностных распределений характеристик КВ-сигналов (включая форму огибающей) в неоднородном волноводе.

2.Разработать и реализовать алгоритмы оперативной диагностики де-каметрового радиоканала по реальным данным НЗ и ВНЗ ионосферы.

3.Создать исследовательский программный комплекс, включающий модель среды, алгоритмы расчета характеристик сигналов и базу экспериментальных данных.

Материал диссертации изложен в двух разделах. В первом разделе приводятся результаты моделирования пространственно-частотных распределений поля КВ-сигналов в волноводе Земля-ионосфера. В подразделе 1.1 приведены выражения для компонент поля квазимонохроматического сигнала, полученные ранее в рамках метода нормальных волн. При переходе к временной зависимости при помощи преобразования Фурье возникающие интегралы для выбранного узкополосного сигнала вычисляются путем разложения показателей экспонент в ряд Тейлора по ш в окрестности несущей частоты со0, ограничиваясь линейными членами [18]. Для приподнятого приемника в данной работе, в отличие от случая наземного, проведено разбиение радиальной функции (или ее производной) на сумму двух экспонент. Тогда полное поле разбивается на две части, описывающие волны, бегущие в противоположных направлениях по радиальной координате г и вперед по Э. Обобщение решения в виде ряда нормальных волн на случай азимутально-симметричного волновода Земля-ионосфера проводится в рамках адиабатического приближения [63].

Основой расчетной схемы характеристик сигнала является метод численного суммирования ряда нормальных волн, предложенный в работе [57], и уравнение стационарности [89,91], эквивалентное условию: разность фаз соседних нормальных волн кратна 271. Данное условие позволяет для заданных координат определить центральные номера пакетов волн, складывающихся почти в фазе и дающих основной вклад в значение поля в точке наблюдения. Для заданного номера нормальной волны, условие стационарности определяет геометрическое место точек локализации поля группы волн с данным центральным номером, то есть траекторию распространения пакета сфазированных волн, поэтому решение трансцендентного уравнения относительно номера позволяет определить модовую структуру принимаемого сигнала (количество модов и их идентификацию) и рассчи-

тать временные и угловые характеристики сигналов. Амплитудные характеристики вычисляются на основе прямого численного суммирования ряда нормальных волн. Разработанная численная схема позволяет рассчитывать огибающие импульсных сигналов в произвольной точке волновода как в области геометрооптической освещенности, так и в области каустики, образованной слиянием верхнего и нижнего лучей. Развитая схема расчета характеристик импульсных сигналов была применена для расчета характеристик ЛЧМ-сигналов [38,101]. Результат обработки отдельной временной выборки принятого ЛЧМ-сигнала эквивалентен зондированию радиоканала комплексным "узкополосным импульсным" сигналом, характеристики которого определяются временным окном, выделяющим выборки.

В подразделе 1.2 проводится анализ пространственно-временной структуры поля излученного сигнала в волноводе. Излученное поле на небольших дальностях определяется диаграммой направленности излучателя. При увеличении дальности поле локализуется, в основном, в области расположения ионосферного слоя, появляются каустики, которые ограничивают область локализации поля снизу по высоте. Каустики по мере удаления от излучателя смещаются вниз, и дальность, на которой каустика достигает земной поверхности, является границей между зоной освещенности и "мертвой" зоной. По мере дальнейшего увеличения дальности появляются каустики, ограничивающие область локализации поля сигналов, приходящих по восходящим траекториям (отраженных от земной поверхности), сверху по высоте. Рассматривается пространственное распределение поля сигнала вблизи области фокусировки сигнала. Приведены эффективные размеры области фокусировки для ряда частот как по дальности, так и по высоте. Выражение для периода осцилляции амплитуды сигнала в середине импульса при проходе границы освещенной зоны приведено в Приложении I.

В слабо неоднородных волноводах характеристики нормальных волн плавно меняются в зависимости от номера при фиксированных значениях координат точки приема и от продольной и поперечной координат при фиксированном номере. Использование аппарата приближения функций сплайнами [43] позволяет реализовать эффективные численные схемы расчета пространственных распределений амплитудных характеристик радиосигналов. Для повышения оперативности алгоритмов была разработана схема расчета пространственного расположения зон фокусировки сигналов, позволяющая выделить в пространстве области освещенности, в пределах которых количественные характеристики радиосигналов можно рассчитывать как значения огибающей в центре импульса. Алгоритм расчета линий каустик основан на исследовании поведения разности фаз соседних нормальных волн по спектру нормальных волн. В рамках этого алгоритма возможно определение максимальных применимых частот отдельных мо-дов в выбранной точке волновода. Расчет границы освещенной зоны на сетке фиксированных частот позволяет построить ДЧХ сигналов ВНЗ по переднему фронту.

В подразделе 1.3 анализируются высотные разрезы поля сигнала на протяженных среднеширотных трассах для различных геофизических условий. Под высотными разрезами поля понимаются высотные распределения амплитуды отдельного сигнала или его затухания, характеризующего потери энергии сигнала в канале распространения [4]. Высотные разрезы рассчитывались на различных удалениях от излучателя. На низких частотах высотные распределения поля имеют сложную многомодовую структуру, что может приводить к существенным вариациям амплитуды суммарного сигнала по высоте вследствие интерференции отдельных сигналов для импульсов большой длительности. Вблизи максимальной применимой частоты волновода поле сигнала формируется одним или двумя сигналами, рас-

пространяющимся по траекториям с минимальным числом отражений от ионосферы. Также вблизи данной частоты наблюдается отрыв поля от поверхности земли до высот ионосферного слоя. Построение частотных зависимостей затухания сигнала позволяет определить примерный диапазон оптимальных рабочих частот с учетом требований к энергетике и многолу-чевости.

Во втором разделе приводится структура исследовательского программного комплекса, включающего алгоритмы расчета характеристик сигналов НЗ и ВИЗ, модели ионосферы, модель электрических свойсв земной поверхности и базу экспериментальных данных, полученных с использованием ЛЧМ-ионозонда [20]. Приведено описание методик автоматической интерпретации ионограмм НЗ и оперативной диагностики радиоканала по реальным данным НЗ и ВНЗ ионосферы. Работа исследовательского комплекса иллюстрируется результатами моделирования ионограмм наклонного зондирования ЛЧМ-сигналом. Функциональные схемы и описание комплекса приведены в Приложении II.

В подразделе 2.1 изложено описание основных составляющих иссле-довательскоого программного комплекса моделирования условий распространения радиоволн на неоднородных трассах. Расчет характеристик сигналов проводится с учетом технических параметров радиоканала на базе прогностических моделей ионосферы и земной поверхности. Пакеты программ, реализующих модель ионосферы, модель подстилающей поверхности и алгоритмы расчета характеристик сигнала на основе метода нормальных волн позволяют по минимальной входной информации о трассе (координаты корреспондирующих пунктов, дата и время, индекс солнечной активности, приемо-передающие антенны) проводить долгосрочный прогноз условий распространения декаметровых радиосигналов. В подразде-

ле подробно изложена методика построения модели электрических свойств земной поверхности в КВ-диапазоне.

Точностные характеристики долгосрочного прогноза условий распространения радиоволн оценивались по результатам расчета отклонений (Л) усредненных за дни эксперимента максимальных наблюдаемых частот от вычисленных максимальных применимых частот. Приведены количественные оценки среднесуточных погрешностей А на трассе Магадан-Иркутск для условий зимы и равноденствия с 1989 по 1994 гг., а также на трансэкваториальной трассе Alice-Springs - Иркутск для марта 1996г. Расчеты проводились с использованием полуэмпирической модели ионосферы ИГУ и модели IRI-90.

В подразделе 2.2 описывается новый метод прямой диагностики, основанный на использовании адиабатических соотношений характеристик диагностического сигнала и исследуемого радиоканала при изменениях параметров ионосферы. Данные адиабатические соотношения были получены при анализе результатов моделирования частотных зависимостей групповых характеристик сигналов НЗ и ВНЗ в различных гелио-геофизических условиях. В рамках предлагаемого метода разработаны алгоритмы расчета максимальных применимых частот МПЧ и ДЧХ модов распространения на заданную радиотрассу по ионограммам НЗ и ВНЗ.

Для оперативной диагностики радиоканала в реальном масштабе времени была разработана методика автоматической интерпретации ионо-грамм наклонного зондирования. Описание методики изложено в подразделе 2.3. Методика автоматической интерпретации ионограмм наклонного зондирования основана на использовании результатов моделирования ДЧХ на заданной трассе в режиме долгосрочного прогноза и найденных адиабатических соотношений. Приводятся результаты тестирования алгоритма в автоматическом режиме.

РАЗДЕЛ I.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ

РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ПОЛЯ КВ-СИГНАЛОВ В ВОЛНОВОДЕ

ЗЕМЛЯ-ИОНОСФЕРА

Пространственное распределение поля сигнала в волноводе имеет сложную и изменчивую структуру, так как поле излучения распределяется неравномерно как по дальности, так и по высоте. Имеются зоны освещенности и тени, области фокусировки поля, наблюдаются отрывы поля от поверхности Земли. В первых реализациях метода нормальных волн анализ пространственного - частотного распределения поля излучения проводился на основе расчета усредненной по периоду высокочастотных колебаний плотности энергии излучения [60,63,64] в предположении о некогерентности фаз нормальных волн. Анализ высотного распределения плотности энергии показал наличие общей закономерности распределения поля по высоте. Высотный ход плотности энергии имеет максимумы вблизи земной поверхности и в ионосфере [60]. Поле отлично от нуля по всему сечению волновода, что качественно согласуется с имеющимися экспериментальными данными, полученными на геофизических ракетах [19].

Следующие результаты были получены по мере разработки методов прямого и асимптотического суммирования ряда нормальных волн с учетом их фазовых соотношений. Так в работе [88] методом асимптотического суммирования, основанном на преобразовании ряда нормальных волн по формуле Пуассона в ряд быстроосциллирующих интегралов, в рамках сферически-симметрического волновода получены формулы для расчета мо-довой структуры и напряженности поля, совпадающие с формулами геометрической оптики. Особенности поведения огибающей импульсного сигнала при проходе границы освещенной зоны исследовались в работе [58]. Методом аналитического прямого суммирования ряда нормальных

волн, аналоге метода стационарной фазы для интегралов на случай быст-роосциллирующих рядов, проведен качественный анали