Прогнозирование ионосферного распространения радиоволн на основе решения прямой и обратной задач многочастотного наклонного радиозондирования ионосферы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

КРАШЕНИННИКОВ Игорь Васильевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИОНОСФЕРНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН НА ОСНОВЕ РЕШЕНИЯ ПРЯМОЙ И ОБРАТНОЙ ЗАДАЧ МНОГОЧАСТОТНОГО НАКЛОННОГО РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ

ИОНОСФЕРЫ

01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Троицк-2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН)

Научный консультант: доктор физико-математических наук

Попов Алексей Владимирович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Куницын Вячеслав Евгеньевич

доктор физико-математических наук, профессор

Денисенко Павел Федорович

доктор физико-математических наук, доцент

Шерсткжов Олег Николаевич

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН

Защита диссертации состоится »(р&^Р^^Я 2012 г. в № На

заседании диссертационного совета Д 002.2i7.0i при Учреждении Российской академии наук Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН по адресу: 142190, г. Троицк Московской области, ИЗМИРАН.

(проезд автобусом №398 от станции метро «Теплый стан» до остановки «ИЗМИРАН»),

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИРАН.

Автореферат разослан « Лкуба^Ау 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д. ф.-м. н., профессор

Д 002.237.01, Михайлов Ю.М.

Общая характеристика работы

История научного направления - ионосферного распространения радиоволн,-берет свое начало с 12 декабря 1901 г., когда Гульельмо Маркони (Guglielmo Marconi) был проведен эксперимент по передаче телеграфного сообщения, состоящего всего лишь из одной буквы "S", между Англией и Ньюфаундлендом (Канада). Принципиальным отличием от предшествующих опытов по беспроводной передаче сигналов, на основе принципов, заложенных Герцем, одним из основоположников которых являлся и русский ученый А.С.Попов, являлось расстояние между конечными пунктами, превышающее 3000 км. Другой отличительной чертой полученных результатов являлась явно выраженная нестабильность передачи сообщений - они успешно передавались только в ночных условиях, да и то не всегда. Эти свойства были подтверждены в экспериментах 1902 г. с приемным устройством, установленным на лайнере "Филадельфия" в трансатлантическом рейсе, в которых было показано, что в дневных условиях можно было принимать сообщения до расстояний ~ 1000 км, а в ночных -до ~ 3000 км [Maslin, 1987].

Следствием эксперимента 1901 г. и попыток его объяснения на основе механизмов дифракции и распространения поверхностной волны привели к тому, что в 1902 г. Хевисайд (Англия) и Кеннелли (США) выдвинули гипотезу о существовании проводящего слоя в верхних слоях земной атмосферы. Этот слой должен был бы обладать свойствами отражения радиоволн и, таким образом, преодолеть ограничения, связанные с кривизной Земли. Физические принципы возникновения и существования такого слоя в то время не были понятны - они были развиты позднее. Последующее развитие техники связи с длинными и короткими волнами все более подкрепляли данную гипотезу, но прямое доказательство существования отражающего слоя было получено только в 1925 г. в экспериментах Эпплтона и Барнета с магнитной кольцевой и вертикальной дипольной антеннами. Это были, по сути дела, первые эксперименты по пеленгованию радиоволн и было показано, что волновой вектор приходящих сигналов имеет наклон к горизонту. Этот тип волн получил название небесных волн (sky waves) или в русской терминологии - ионосферные волны. Развитие техники импульсной радиолокации в применении к ионосфере (работы Брайта и Тьюва [Villard, 1976]) привело, во-первых, к открытию слоистости ионизированной области

атмосферы, названной ионосферой, и, во-вторых, к изобретению устройства, способ-

3

ного определять ее состояние - ионозонда. Результатом работы ионозонда на сканирующей рабочей частоте является ионограмма - графическое изображение группового запаздывания и интенсивности отраженных сигналов в зависимости от частоты. Впервые ионограмма в классическом виде, принятом и в настоящее время, была получена в мае 1933 г. [УП1аг(1, 1976]. В дальнейшем, прогресс в разработке электронных компонентов, внедрение микропроцессоров и цифровой обработки сигналов дали возможность на основе сложных сигналов создать ионозонды со значительно пониженным потенциалом излучающих средств. Так, использование фазо-кодоманипулированных (ФКМ) сигналов позволило снизить мощность передающего устройства с ~ 20 кВт в классическом импульсном зондировании до -0,5-1 кВт, а применение ЛЧМ-сигнала дает возможность получить ионограмму на нескольких десятках ватт или даже нескольких ваттах непрерывного излучения.

Развитие сети ионозондов, в совокупности с математическими методами инверсии ионограмм в вертикальный профиль электронной концентрации позволило собрать массив данных о состоянии ионосферы при различных уровнях солнечной активности, для различных сезонов и времени суток и построить на этой основе глобальные эмпирические (статистические) модели ионосферы. Первичной целью такого моделирования было описание пространственно-временного распределения электронной плотности, чтобы попытаться строить прогноз состояния ионосферы, а из него - прогноз распространения, прежде всего, декаметровых радиоволн. Для прогнозирования распространения радиоволн из одной точки пространства в другую используется специальный термин - "прохождение", отражающий частотный диапазон существования способов переноса излучения (модов). На этой основе в СССР в 1960-70-х годах была разработана система прогнозирования ионосферных радиокоммуникаций, которая, в несколько модернизированном виде, существует и функционирует и в настоящее время в ИПГ [Жулина и др., 1969; Шлионский, 1961].

Начиная с середины 50-х годов, в практике ионосферных исследований широко используется метод наклонного зондирования (НЗ) ионосферы, при котором передающая и приемная часть зондирующей системы (в отличие от ВЗ) пространственно разнесены. На начальном этапе своего внедрения метод НЗ, в основном, использовался для обеспечения связи в декаметровом диапазоне длин волн (трассовое зондирование канала связи). Однако к концу 60-х годов появляются работы, посвященные ис-

пользованию метода НЗ для целей дистанционной диагностики ионосферы, в которых была поставлена задача о восстановлении эффективного (с оценкой наиболее вероятного места его локализации) Ыг(Л)-профиля ионосферы. Исходными данными для соответствующей обратной задачи являлись экспериментально регистрируемые ионо-граммы НЗ, т.е. зависимость группового запаздывания Р'(/) от частоты / зондирующих сигналов (несколько устаревшее и не совсем точное наименование - дистанционно-частотная характеристика ионосферы).

Среди достаточно широкого набора современных средств и методов исследования верхней ионизированной части атмосферы Земли метод многочастотного наклонного* радиозондирования имеет в своем потенциале возможность решения двух задач: оценки диапазона прохождения радиоволн между двумя точками земной поверхности и дистанционной оценки параметров ионосферы в области отражения зондирующих волн. Соответственно, круг вопросов, связанных с первой проблемой, формирует прямую, а второе направление - обратную задачу наклонного зондирования ионосферы. В свою очередь, решение этих фундаментальных задач включает в себя как экспериментальные средства и методики радиозондирования, так и математические и программные методы решения задачи переноса излучения в неоднородной магнитоактивной низкотемпературной ионосферной плазме. Прикладные же аспекты проблемы, связанные с прогнозированием прохождения радиоволн, также включают в себя и современные сетевые средства передачи базовой геофизической информации.

Актуальность работы. В силу того, что распространение радиоволн в дека-метровом диапазоне продолжает играть значительную роль в специальных системах радиокоммуникаций и смежных задачах, таких как радиопеленгация и контроль среды над территорией РФ, вопросы развития и совершенствования этого научного направления, с учетом современных научных результатов в области ионосферного моделирования, ионосферного распространения радиоволн и технических средств, являются актуальными.

Исследовательские проекты, по которым автор был руководителем и результаты которых вошли в настоящую диссертацию, в разное время поддерживались гран-

тами РФФИ, Государственными контрактами и целевыми федеральными программами: РФФИ (1994-1995, 2002-2004), ФЦП №26/ГФ/Н-08 (2007-2010).

Цель работы. Исследования и разработки, представленные в диссертации, имеют своей целью дальнейшее развитие метода многочастотного наклонного радиозондирования ионосферы и его прикладного применения как в задаче прогнозирования прохождения радиоволн в ионосфере, так и в задаче диагностики состояния естественной и локально возмущенной ионосферы, в том числе и при воздействии мощных узких волновых пучков.

Идея работы состоит в том, чтобы:

а) на основе новых программных разработок и современных моделей ионосферы создать новую систему прогнозирования прохождения радиоволн в ионосфере, обобщающую традиционную существующую (созданную в ИЗМИРАН в 60-70-х годах) и позволяющую автоматизировать сбор общих данных на центральном сервере с возможностью их использования в долгосрочном и краткосрочном прогнозировании работы систем радиосвязи, а также в решении других специальных вопросов использования радиоволн декаметрового диапазона;

б) использовать метод многочастотного наклонного радиозондирования ионосферы как эффективный и высокочувствительный инструмент диагностики состояния ионосферы, в том числе и при наличии локализованных ионосферных возмущений естественного и искусственного происхождения.

Задачи исследований, исходя из целей работы:

1. Разработка новой системы долгосрочного и краткосрочного (оперативного) прогнозирования с учетом текущего уровня солнечной активности и состояния ионосферы;

2. Исследование возможностей метода многочастотного наклонного радиозондирования ионосферы в задачах с наличием крупномасштабных локализованных ионосферных возмущений;

3. Оценка эффективности предлагаемого, более высокой степени гладкости, метода инверсии ионограммы НЗ в эффективный высотный профиль электронной концентрации;

4. Исследование эффективности и адекватности разработанной системы прогнозирования прохождения радиоволн "Прогноз-ИЗМИРАН" в практике работы реальных радиолиний.

Методы исследований в достижении целей работы:

1. Теоретические, математические и программные разработки в области моделирования ионосферного распространения радиоволн декаметрового диапазона;

2. Экспериментальные исследования на установках, позволяющих осуществлять многочастотное наклонное и вертикальное зондирование ионосферы, а также специальные исследования в практике радиосвязи, электромагнитной доступности и одноточечной пеленгации источников радиоизлучения (ИРИ).

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработана и апробирована новая система долгосрочного и краткосрочного прогнозирования ионосферного прохождения радиоволн - "Прогноз-ИЗМИРАН", являющаяся развитием и обобщением на современном уровне классических методик ИЗМИР АН 1960-70-х годов;

2. Теоретически предсказан и экспериментально обнаружен принципиально новый тип отклика возмущенной области, генерируемой в области отражения мощной вертикально падающей волны накачки в методе наклонного ЛЧМ-зондирования, связанного с механизмом захвата зондирующих волн в открытый крупномасштабный резонатор, и формирование прожекторного эффекта (резонаторные моды в задаче диагностики);

3. Выполнена интерпретация уникальных данных проявления на ионограмме вертикального зондирования воздействия мощного наклонного волнового пучка на ионосферу. Показано, что при выполнении резонансных условий в области естественной фокусировки волнового поля на острие простой каустики может образовываться крупномасштабная неоднородность с пониженной электронной плотностью.

4. Разработан метод инверсии ионограмм НЗ в высотный профиль, основанный на построении устойчивого решения обратной задачи многочастотного наклонного радиозондирования ионосферы в классе функций с непрерывным высотным градиентом, и однородный по параметрам профилей, получаемых из классических данных ВЗ.

Достоверность полученных научных и практических результатов базируется на применении научно обоснованных теоретических методов, современных средств разработки программных модулей, моделировании и обработке результатов многолетних экспериментов с использованием нового уникального научного оборудования и анализе соответствия экспериментальных и теоретических исследований, в том числе, полученных другими авторами.

Научная новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами, разработанными методами их решения, впервые полученными результатами и состоит в следующем:

1. Разработана методика долгосрочного и краткосрочного (оперативного) прогнозирования прохождения радиоволн на основе общей системы трехмерных лучевых уравнений и глобальных моделей ионосферы (СМИ-88 и 1Ш-2001) в квазитрехмерной реализации и учете текущих данных солнечной активности и вертикального (в потенциале, и наклонного) радиозондирования в автоматическом режиме.

2. На массиве экспериментальных данных наклонного импульсного и ЛЧМ-зондирования ионосферы, данных по измерениям сигналов РВМ на длинных и сверхдлинных трассах и данных специальных экспериментов по работе реальных радиолиний показана эффективность разработанных методик.

3. Открыт новый механизм отклика искусственно возмущенной вертикальным мощным волновым пучком области ионосферы при диагностике методом многочастотного наклонного радиозондирования - формирование резонаторных модов.

4. Показано, что при резонансных условиях воздействие мощного наклонного волнового пучка может приводить к образованию в области естественной фокусировки - острия простой каустики открытого крупномасштабного резонатора, способного, при определенных условиях локализации ионозонда, формировать дополнительные следы на ионограмме ВЗ;

5. Разработан метод получения устойчивого решения обратной задачи НЗ в классе функций с непрерывным высотным градиентом.

Личный вклад автора. Диссертация обобщает результаты теоретических и экспериментальных исследований, в большей части которых участие автора было определяющим, а также в соавторстве, в основном, с сотрудниками ИЗМИР АН. Во всех

8

работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежит полноценное участие в постановке задач и, как правило, определяющее в математической и программной части и анализе данных. В частности, в работах по развитию прогнозирования ионосферного прохождения декаметровых радиоволн автору принадлежит постановка задачи, разработка методик совместно с Кищей П.В., руководство и определяющее участие в окончательной программной реализации. Исследования в области решения обратной задачи выполнялись совместно с аспирантом Снеговым A.A., в двумерной обратной задаче - совместно с Барановым A.A., а исследования по спаданию поля в закаустиче-скую область - совместно с Еременко В.А., который провел математическую часть задачи. Экспериментальные исследования по многочастотному наклонному радиозондированию и специальные приложения вертикального радиозондирования ионосферы в период 1980-2000 гг. выполнялись совместно с Лянным Б.Е., а ЛЧМ-зондирование искусственно возмущенной области, генерируемой нагревным стендом "Сура" в 2007-2010 гг. проводились совместно с Урядовым В.П. (ФНГУ "НИРФИ", Вертогра-довым Г.Г. (ЮФУ), Ивановым В.А. (МарТУ) и Валовым В.А. (ФГУП "НПП "Полет").

Теоретическое обоснование возможности существования резонаторных модов в задаче диагностики искусственно возмущенной области вблизи главного ионосферного максимума получено лично автором, аэкспериментальное подтверждение - совместно с перечисленными участниками экспериментов 2007 - 2010 гг.

Данные по проявлениям воздействия мощного наклонного волнового пучка любезно предоставлены профессором Сэйлсом (G.S.Sales, Lowell, USA), а их интерпретация выполнена автором. Автор признателен всем коллегам по совместным работам.

Практическая значимость полученных в диссертации результатов заключается, прежде всего, применительно к декаметровому диапазону радиоволн, в разработке распределенной системы прогнозирования прохождения радиоволн "Прогноз-ИЗМИРАН", включающей в себя как средства расчета, так и обеспечения текущими гео-гелиофизическими данными. Система прогнозирования "Прогноз-ИЗМИРАН" является рабочим инструментом в практике работы ряда организаций РФ, использующих в своей деятельности ионосферную радиосвязь. Разработанные программные модули местоопределения ИРИ с использованием глобальных статистических моделей ионосферы используются в современных пеленгационных комплексах. Общие

9

программы, иллюстрирующие процессы распространения радиоволн в ионосфере Земли, используются в учебном процессе.

Реализация и апробация результатов работы. Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом госбюджетных и целевых научно-исследовательских работ в лаборатории моделирования волновых полей в ионосфере ИЗМИРАН. В целом система "Прогноз-ИЗМИРАН" была создана в ходе ОКР «Про-гноз-ИЗМИРАН» и «Рукав» в 2003 - 2010 гг., прошла государственные испытания и была принята к эксплуатации в ряде организаций Минобороны и других ведомств. Данная система является действующей и используется, в том числе, и в учебном процессе, например, в Черкасском государственном университете (Украина). Результаты по диагностике искусственных возмущений ионосферы в экспериментах по нелинейному взаимодействию мощного радиоизлучения с ионосферной плазмой получены, частично, в ходе выполнения ФЦП №26/ГФ/Н-08 2008 - 2010 гг.

Основные результаты работы и положения, выносимые на защиту, докладывались и обсуждались на:

- Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (XIV - Ленинград, 1984: XV - Алма-Ата, 1987; XXI - Йошкар-Ола, 2005; XXII - Ростов-на-Дону, 2008; ХХ1Н - Йошкар-Ола, 2011);

- General Assambly of the URS1 (XXV- Lille, France, 1993; XXX- Istanbul, 2011 );

- International Suzdal URSI Symposium "Effects of Artificial Action on the Earth Ionosphere by Powerful Radio Waves" (1 - Москва (Суздаль), 1985; III - Москва (Суздаль), 1991; IV - Uppsala (Sweden), 1994; VII - Москва (ИЗМИРАН), 2007;

- Региональная конференция по распространению радиоволн (Санкт-Петербург) (2008; 2011);

- IRI/COST 296 Workshop, Prague, 2007;

и других научных конференциях и симпозиумах.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 50 работ в отечественных и зарубежных научных изданиях, в том числе, в журналах "Геомагнетизм и аэрономия", "Известия вузов. Радиофизика", "Электромагнитные волны и электронные системы", Journal Atmospheric and Terrestrial Physics, Journal of Advances in Space Research, Annali di Geofísica, Computers & Geosciences, Acta Geophysica. В

целом: 22 статьи в реферируемых научных изданиях (в том числе 22 публикации в

10

журналах, входящих в Перечень ведущих научных журналов и изданий ВАК, включая цитируемые зарубежные издания), 11 статей в сборниках научных трудов и 13 -тезисы докладов на конференциях и симпозиумах. Имеются работы, написанные лично автором.

Содержание диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, приложения, заключения и списка литературы. Она содержит 327 страницы текста, 6 таблиц, 121 рисунок. Библиография включает в себя 205 наименования.

Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, обзор результатов, относящихся к теме диссертации, формулируются основные цели работы, результаты, выносимые на защиту, и приводится ее краткое содержание.

Первая глава посвящена вопросам разработки методики долгосрочного и краткосрочного прогнозирования. В основе методики лежит геометрооптический механизм распространения радиоволн в магнитоактивной трехмерно-неоднородной ионосфере - базовые лучевые уравнения рассматриваются в общем виде, а их применение в совокупности с глобальной ионосферной моделью сводится к квазитрехмерной реализации. Рассматриваются две глобальные статистические модели СМИ-88 [Часови-тин и др., 1988] и 1RI-2001 [Bilitza, 2001], из которых первая имеет большой потенциал, особенно в полярных областях, представления пространственно-временного распределения электронной концентрации и эффективной частоты соударений электронов с ионами и нейтральными молекулами газов. Также следует отметить, на наш взгляд, более адекватное описание слоя Е, в частности, зависимость высоты его максимума от параметров солнечной активности и локального времени суток, чего нет в модели IR1-2001. Однако содержащиеся в модели существенные программные недоработки значительно ограничивают область ее применения. По этой причине модель IRI-2001 была доработана - в нее был внесен газокинетический механизм формирования эффективной частоты соударений электронов, взятый из модели СМИ-88. Общим недостатком обеих моделей является отсутствие законченного, доведенного до практического использования, представления спорадического E-слоя ионосферы - Es.

Предложена методика адаптации модели к текущим геофизическим условиям, сочетающая взвешенный учет месячных и текущих данных солнечной активности и данные о параметрах главного ионосферного максимума, которые могут быть получены как из данных вертикального, так и наклонного радиозондирования. В модели IRI-2001 поток радиоизлучения Fl01 не является независимым параметром и, используя его прогнозные значени.:, можно попытаться построить подкорректированные (взвешенные) значения числа солнечных пятен R из среднемесячных и текущих данных и, как можно ожидать, получить более адекватную оценку, как самих ионосферных параметров, так и характеристик прохождения радиоволн. Статистически согласованные значения параметров R и Ft0J связаны эмпирическими соотношениями между ними, взятыми в [Кононович и др., 2002]:

fj07 = 64.604 + 6.694(Л/10) + 0.282(Л/10)2 - 0.0085 (Л/10)3

R = -114.553+ 21.846(/:;o7/10)-0.715(f;o7/10)2+0.0140(/:;o7/10)> и в качестве входного параметра эмпирической модели Д. - текущего индекса солнечной активности взять комбинацию (обобщенное значение - generalized)

где wm<Wj - весовые коэффициенты для Rm- среднемесячного и Rcd, полученного (вычисленного) для конкретного дня из текущего значения Fi01, чисел солнечных пятен. Статистический характер модели, в общем случае, предполагает как для описания постфактум данных, так и для прогнозирования распространения радиоволн в качестве Rn использовать сглаженное, например, 13-месячным фильтром значение Rl2

где п- индекс месяца, которое дается, например, европейской солнечной обсерваторией. В работе использовались равные весовые коэффициенты и^ =п<1 =0.5, поскольку, на сегодняшний день, нет данных, указывающих на преимущество какого либо из компонентов в суммарном процессе.

Март, 20СИ 1D:0D LiT

О 4 S 12 1Б 20 24 20

Деть месяда

Рйсунок 1.- Месячный ход критической частоты faF2an« 10:00 UT на ст. ИЗМИРАН: кривая I- сглаженные трехдневным фильтром экспериментальные величины со своим средним (кривая 2); модельные величины со среднемесячными солнечными параметрами (кривая 3) и с дополнительным учетом дневных значений потока солнечного радиоизлучения FK1 (круглые точки).

Пример применения рассмотренной методики к месячным данным /„F2 (ИЗМИРАН) в локальный полдень за март 2004 иллюстрируется графиками рис. 1 -зависимостями критической частоты и параметрами солнечной активности. Видно, что реальные вариации критической частоты (зависимость от дня месяца в фиксированный момент времени суток), конечно, значительно более изменчив, нежели модельное представление, даже с учетом дневных солнечных параметров. Частично это связано с геомагнитной возмущенностью (дни с К >3 отмечены столбиками в нижней части графика критической частоты), а в некоторых случаях причина непонятна вообще. Такая ситуация описывается термином "ионосферная изменчивость" [Forbes et all, 2000; Rishbeth and Mendillo, 2001]. Методика, основанная на учете текущего потока солнечного радиоизлучения, позволяет несколько отслеживать тренд (тенденцию) и, в общем случае, уменьшить дисперсию вариаций модельных кривых от экспериментальных величин f0F2, т.е. справедлива в статистическом смысле. В частности, она позволяет переломить нисходящий модельный тренд, который никак не согласуется с данными ионосферных наблюдений для марта 2004 г., имеющими выраженную противоположную тенденцию.

Эмпирические модели ионосферы СМИ-88 и IRI-2001 содержат ряд внешних управляющих параметров, важнейшими из которых являются значения главного ио-

носферного максимума: НтР2, /оР2 - высота и критическая частота слоя Это рутинно получаемые величины из данных вертикального радиозондирования ионосферы и их можно попытаться использовать в надежде учесть как дневные вариации (по аналогии с глобальными ионосферными индексами), так и вариации с масштабом в несколько часов, когда наблюдаются отклонения измеренных значений параметров максимума слоя от адаптированных модельных. Метод основан на представлении таких отклонений в опорных точках - дискретных точках оценки высотного распределения из данных зондирования как суперпозицию глобального и локального возмущений. Глобальная часть возмущения дает вклад в общее значение параметра Лг -эффективного (ионосферного) числа солнечных пятен, которое наиболее адекватно, например, в статистическом смысле, соответствует массиву наблюдаемых критических частот в опорных точках для данного отрезка времени. Т. е. в каждой точке наблюдения измеренному значению критической частоты можно сопоставить некое эффективное значение параметра Л,', такое что _/о/"2тк1 = /оР2а?. Обобщенным эффективным индексом будет комбинация

' * л

где N - число точек зондирования, и - весовые коэффициенты составляющих: обусловленных солнечной активностью и У^^К - среднего эффективного числа

п

солнечных пятен (ионосферный индекс). В данной работе использовались и^ = 0.6 и и; =0.4. Далее, в каждой точке зондирования можно сформировать модельные значения с обобщенным параметром ЯЦ и отклонения <т, измеренных величин от модельных, например, для критической частоты сг = /оР2'ар -1ЪГ2'^.

Текущее распределение электронной концентрации в узловых точках вдоль заданной трассы формируется из модельных значений /0/-"2(г) и Ат/Г2(г) с полученным эффективным параметром Щ и на весовом суммировании выделенных локальных отклонений. Вклад от конкретного локального возмущения определяется пространсвен ной и временной корреляцией и весом является корреляционная функция экспоненциального вида, например, гауссов вид экстраполяции:

F,(<-tj) v ,

. W: = --. / Wi = 1

Zw-'S J 1

ZFg(x -jc,) + l-maxfi(jr-jt,)

где cr(x,t) - искомое отклонение в некоторой точке пространства в момент времени t(Atj-отклонения от этого значения), <т,у - отклонения в точке измерения х, как функции времени iJt F(x)- пространственно-временная функции корреляции

F,'(z) = exp

{¿J)

1 i Afy Д/

2N

<р - широта, Я - долгота, Д - радиус корреляции, являющейся в общем случае функцией координат, сезона, времени суток, солнечной и магнитной активности. В качестве первичной оценки пространственного радиуса корреляции использовалась, полученная в [Кубова, 1985] эмпирическая зависимость /оР2 от сезона для средних широт:

Д,, =20+10-(1-со830-т) + 5-(1-со5б0-/и) Д^, = 12+3 • (1 - сое30 • /я) + 2 • (1—сое60 • /и) где т - номер месяца. Так, например, для марта месяца радиус корреляции локально-

Рисунок 2.- Суточный ход критической частоты /„Пдяя 29.03.2004 на станции Рим. Квадратиками отмечены экспериментальные данные, сплошная кривая - модельная зависимость со среднемесячным значением числа солнечных пятен и кружками (серого цвета) представлены прогнозные величины с эффективным Я'.

го возмущения электронной концентрации по долготе и широте составляет — 40 и 20 градусов соответственно. Временной радиус корреляции считается постоянным - его величина оценивается в 3 часа и использовались последние 3 часовые значения параметров максимума Р2-слоя. Такая методика позволяет описать и в дальнейшем прогнозировать временные вариации МПЧ масштаба этого радиуса корреляции. Пример прогнозирования критической частоты для станции Рим на 29.03.2004, при использовании в качестве исходных данных уровень потока солнечного радиоизлучения для данного дня и часовые значения критических частот на станциях ИЗМИРАН и Афины, представлен на рис. 2. Для марта 2004 г. среднемесячное число солнечных пятен равняется 48.9, для данного дня уровень потока солнечного радиоизлучения составляет 129. Хорошо видно, что значительное локальное отклонение от модельного хода

ГОД>&«то№.и/1» ЕяМвйрочяп 1 кЖ *** ИютЯЬ.цТп 1Ш

Рисунок 3. - Последовательное применение методики краткосрочного прогнозирования на трассе Англия - ИЗМИРАН 03/08/2003 14:30 ОТ: экспериментальная монограмма (а) и синтезированные (б,в,г). Параметры солнечной активности для синтезированных ионограмм: (6) - среднемесячное значение - Л., (в) - скорректированное по дневному значению потока радиоизлучения - Я*, (г) - эффективное текущее (часовое) значение с учетом параметров максимума слоя ¥2 - Я"..

УЬР2 в интервале 11:00-18:00 ЦТ отслеживается по часовым данным /оР2 на опорных станциях ВЗ, а сама кривая прогнозного суточного хода является сглаженной по отношению к часовым вариациям.

Эффективность всей методики, в частности, представлена на рис. 3 на примере данных наклонного радиозондирования для конкретного момента времени [КгавЬе-шпшкоу & Е§огоу, 2010]. В целом, методика была проанализирована для широкого диапазона индексов солнечной активности 2002 -2007 гг. для периода весеннего равноденствия (марта месяца) на примере данных вертикального зондирования на ст. ИЗМИРАН и двух практически ортогональных трасс наклонного зондирования (Кипр - ИЗМИРАН и Англия - ИЗМИРАН), для которых анализировалось соответствие экспериментальных и модельных значений МПЧ. Показано, что относительные среднеквадратичные отклонения наблюдаемых МПЧ от модельных имеют нижнюю границу, оцениваемую в величину ~ 10%, что, как отмечается, является следствием существенного расхождения модельных и расчетных высотных профилей электронной концентрации [КгавЬешпшкоу & Е§огоу, 2010]. На примере анализа данных измерений волнового поля на длинной (~ 7000 км) и сверхдлинной (-16000 км) трассах показана общая адекватность расчета напряженности поля и соотношения сигнал/шум. И в последнем разделе приведен и проанализирован интересный случай наблюдений комбинированных (Е+Р) модов прохождения одновременно на двух ортогональных трассах.

Во второй главе диссертации рассмотрены вопросы применения многочастотного наклонного радиозондирования или вертикального зондирования для диагностики локализованных ионосферных возмущений, имеющих естественное или антропогенное происхождение. Локализованное возмущение может быть вызвано, например, инжекцией легкоионизируемых веществ в нижней ионосфере или нагревом электронной компоненты плазмы верхней ионосферы в полях мощных волновых пучков. Локализованная динамическая неоднородность естественного происхождения - волновое возмущение с большим значением фактора возмущения при прохождении области формирования отраженного сигнала ионозонда ВЗ может приводить к разрушению классических следов, т.е. ионограмма уже не является, строго говоря, ионограммой ВЗ. При синтезе обратных отражений в методе ВЗ возникает ситуация, когда в облас-

ти отражения показатель преломления обращается в нуль. Для этой ситуации рассмотрено асимптотическое представление лучевых уравнений и получено их представление, не имеющее особенностей и, таким образом, лучевая траектория плавно проходит точку отражения. Представлены примеры лучевых траекторий в естественной ионосфере, с расходящимися в плоскости магнитного меридиана магнитоионны-ми компонентами.

Одним хорошо исследованным видом искусственного возмущения ионосферной плазмы является эффект воздействия мощного вертикального волнового пучка на ионосферу [Гуревич, 2007; Фролов и др., 2007] и метод многочастотного наклонного радиозондирования внес определенный вклад в изучение этой проблемы. Так, эксперимент по наклонному зондированию, с разносом конечных точек симметрично относительно области нагрева, проведенный в 1982 г., показал два фундаментальных результата: а) было зафиксировано изменение МПЧ при воздействии мощной нагревной волны и б) обнаружено обратное рассеяние зондирующих сигналов от области возмущения. Другая кампания по наклонному зондированию уже ЛЧМ-сигналом проводилась в 2007 - 2010 гг. и здесь были получены также интересные результаты. В частности, используя более эффективный метод при значительно меньшей излучаемой мощности и пространственно разнесенную сеть приемных точек, был надежно установлен факт неизотропности рассеяния волнового поля на мелкомасштабных магни-тоориентированных неоднородностях, генерируемых в области отражения [Урядов и

Дальность, Км Частота, Г>Тц

Рисунок 4. -Лучевые траектории (а) и структура межслоевой области ионограммы НЗ (диффузная область между следами 3 и 4-ой кратности) при сильном отрицательном локальном возмущении верхней ионосферы, локализованном в области средней точки трассы.

18

др., 2009]. При этом методом пеленгования было установлено, что источником рассеянного поля является действительно область отражения мощной волны накачки.

Также был экспериментально зарегистрирован, как показал анализ, совершенно новый механизм отклика возмущенной области ионосферы на зондирующие волны -захват волнового поля в крупномасштабную полость электронной концентрации, рефракцию в ней и высвечивание вниз. Этот эффект был назван прожекторным эффектом и, в отличие от классического ракурсного рассеяния [Урядов и др., 2009], имеет совершенно другую частотную зависимость (рис. 4) [Крашенинников и Длиной, 1988] и большую энергетику. А сам механизм его формирования - резонаторны-ми модами. Этот эффект критичен к степени крупномасштабного возмущения - так экспериментально он был зафиксирован только при наклоне антенн в направлении

го 40 60 80 100 12.0 140 160 100

I. МНг

8ЛМ№ гОХМЗптЭ |Л=4,08пЛ8/М=0.00Л 1оподгат кискк! ¡юЛ цгосеткк! ^

Рисунок 5. - Ионограммы наклонного радиозондирования ионосферы Москва(ИЗМИРАН) - Йошкар-Ола (31.08.2007 17:51 ОТ - нагрев и 17:56 иТ - пауза) со следами резонаторных модов.

7.4МНг Ю.МЗтЭ ; А=5.4Ят\5/М-0 00<«

Время 21:56 Ь1Нг I 1ЛП ЛПКНт/в 1

магнитного зенита и в ночных условиях, когда кардинально уменьшается поглощение в нижних слоях ионосферы, возрастает высота отражения, а значение критической частоты достаточно высокое для отражения нагревной волны (рис. 5).

Другим разновидностью нелинейного взаимодействия мощных радиоволн с ионосферной плазмой является наклонное падение узких волновых пучков на ионосферу со специфическим проявлением эффектов воздействия. На рис. 6 представлен пример эволюции узкого гауссова пучка, для которого наблюдается естественный для ионосферы эффект фокусировки поля в области острия простой каустики. Повышение напряженности электрического поля волны может быть причиной возникновения нелинейного взаимодействия мощного излучения с ионосферной плазмой и образование резонатора, подобного рассмотренному выше случаю. Первые научно поставленные экспериментальные исследования воздействия мощных наклонных волновых пучков ни ионосферу начались в ИЗМИРАН в середине 70-х годов и уже в этих экс-

Г0, МКЕ

Рисунок 6. - Эволюция гауссова пучка с параметрами, определяемыми из диаграммы направленности антенны СГДРА для времени качала ночи (Москва, МДТ=22:00) и высоким уровнем солнечной активности 100) для угла возвышения 17°.

периментах было отмечено возможное наличие нелинейных эффектов, выражающееся в зависимости амплитуды пробного сигнала от наличия мощного излучения.

В эксперименте 1991 г. (США), который был поставлен как продолжение экспериментальных исследований в ИЗМИРАН в 1970-80-х годах, был достигнут рекордный уровень эффективной мощности излучения (90 ДбВт), примерно на порядок превысив аналогичный показатель в предыдущих экспериментальных исследованиях. В этом эксперименте наряду с подтверждением эффекта изменения поля пробного

20

сигнала был зафиксирован устойчивый статический дополнительный след на ионо-грамме ВЗ, полученной ионозондом в средней точке между передающим и приемным пунктами (Альбукерк, Нью Мексико). В естественном состоянии ионосферы статические следы, явно отделенные от следов основных модов, на ионограммах не наблюдаются в принципе. Следы, появляющиеся, например, при прохождении ПИВ имеют ярко выраженный динамический характер. В разделе 2.4 проведена интерпретация этого уникального экспериментального результата. В численном моделировании распространения наклонного волнового пучка на примере модели гауссова пучка показано, что наиболее эффективное проявления нелинейных свойств может иметь место, когда центр пучка проходит через точку соединения двух ветвей простой каустики. Интерпретация данных наблюдений была проведена в геометрии, что именно в области острия каустики могла образоваться локализованная неоднородность либо положительного, либо отрицательного знака. Рассматривалась ситуация с довольно большой степенью возмущения электронной концентрации, чтобы смогли выполнять-

ЧХГСТ71, И Ц

Рисунок 7. -Экспериментально наблюдаемый квазистатический след на ионограммс ВЗ во время воздействия мощного наклонного волнового пучка на ионосферу и результат моделирования.

ся условия геометрооптического отражения. В результате было показано, что наиболее вероятным является случай, когда обратное отражение формируется в неоднородности резонаторного типа (в большой степени аналог резонатора, рассмотренного в предыдущем разделе), открытым только для определенного сектора углов излучения [ВосЬкагеу е1 а1., 1997]. Подтверждением данной точки зрения служит дальнейшее поведение следа, когда была изменена частота мощной волны (увеличена), то точка

смыкания ветвей каустики сместилась и он исчез.

В разделе 2.5 проведена интерпретация также уникального, в своем роде, эксперимента в котором было зарегистрировано прохождение периодического ионосферного возмущения с большим относительным значением электронной плотности в неоднородности. Вертикальное зондирование проводилось с интервалом в 1 мин, что позволило детально проследить динамику его проявления на ионограммах. Характерным отличием такого сильного ПИВ от обычных волновых возмущений является кардинальное изменение структуры ионограммы - разрушение базовых модовых следов. На основе модели волнового возмущения класса акустико-гравитационных волн проведено исследование и моделирование его проявления в ионозондовых данных. Используя принцип анизотропии для магнитоионных компонент волнового поля излучения, показано, что волновой вектор такого возмущения ориентирован по направлению геомагнитного поля. Аналогичного рода возмущения были зарегистрированы и при томографическом исследовании неоднородной структуры ионосферы [Куницын и др., 2007].

В третьей главе диссертации рассматриваются вопросы инверсии данных многочастотного наклонного радиозондирования - ионограммы наклонного радиозондирования в высотный профиль электронной плотности. Основное внимание уделяется решению одномерной обратной задачи, в которой источником данных является частотная зависимость группового пути на одном скачке, хотя и рассмотрено обобщение на двумерный случай - возможность оценки высотного профиля продольных градиентов электронной концентрации. В разделе 3.1 даны базовые уравнения для одномерной обратной задачи в предположении изотропной ионосферы:

где г - высота отражения, г. - радиус Земли, Д5"1 - вертикальный угол прихода для частоты /„. Для одномерной зависимости электронной концентрации решение обратной задачи НЗ в изотропном приближении сводится к решению системы нелинейных интегральных уравнений первого рода типа Абеля [Тихонов и Арсенин, 1978].

Как известно, для одномерной изотропной плоской ионосферы и Земли имеются соотношения Брайта и Тьюва и теорема Мартина, которые в совокупности дают аналитические соотношения, позволяющие пересчитать ионограмму НЗ в ионограм-му ВЗ. Однако для сферически-слоистой ионосферы, а такое представление необходимо учитывать уже для дальностей, превышающих 500 км, таких соотношений нет и в разделе 3.2 рассмотрено применение грубого эмпирического приближения и оценена его погрешность на примере инверсии синтезированной ионограммы НЗ Моск-ва(ИЗМИРАН) - Калининград(ЗО ИЗМИРАН) в модели 1Ю-2001 во время, близкое к локальному полудню, когда продольная неоднородность минимальна. Результаты моделирования даже в условиях, наиболее близких к требованиям применимости соотношений эквивалентности (слабые продольные градиенты электронной концентрации и небольшая дальность), отчетливо показывают ограничения метода простого пересчета ионограмм НЗ в эффективные ионограммы ВЗ. На данной трассе мы имеем дело с практически поперечным распространением радиоволн, в котором показатель преломления обыкновенной компоненты близок к показателю преломления для изотропного приближения. И О-компонента пересчитанной ВЗ ионограммы действительно в приемлемых пределах соответствует обыкновенной компоненте истинной ионограммы ВЗ в средней точке, но Х-компонента кардинально не соответствует необыкновенной компоненте истинной ионограммы ВЗ.

Рисунок 8. - Тестовый пример. Ионограмма НЗ (£>„= 1350 км) и восстановленный в одномерной обратной задаче НЗ высотный профиль электронной концентрации(плазменная частота). Погрешность оценки представлена штрих-пунктирными кривыми (кривая 1- для двухпарамет-рической, кривая 2 - трехпараметрической аппроксимации)

Подход с прямой инверсией изотропной ионограммы НЗ в высотный профиль в классах непрерывных и непрерывно-дифференцируемых функций рассмотрен в раз-

деле 3.3. Особенностью обратной задачи в классе непрерывно-дифференцируемых функций является неоднозначность решения в элементарном сегменте разбиения высотного профиля электронной плотности. Такое поведение связано с тем общим положением, что с повышением степени гладкости восстанавливаемого образа уменьшается устойчивость решения обратной задачи, в частности, может развиваться раскачка решения из-за производных в узловых точках, т.е. возникает осцилляция решения. В данном случае, как было получено из модельных примеров, вблизи истинного корня функции для двух- и трехпараметрической внутрисегментной аппроксимации близки друг к другу, и это свойство может быть использовано для нахождения истинного решения системы уравнений. Для этого начальное значение угла возвышения берется из решения задачи с двухпараметрической аппроксимацией и затем варьированием в уже гораздо более узком интервале находится точное решение. Численные исследования показывают, что такой комбинированный поиск решения обладает необходимой устойчивостью и сходимостью, в том числе, этот прием позволяет стабилизировать возможную раскачку решения (рис. 8). Обобщение методов решения обратной задачи в случае вырождения следа отражения от слоя Е ионосферы, когда отсутствует зависимость группового пути от частоты, представлено в разделе 3.4. Принципиальным моментом в обратной задаче НЗ является магнитоионное расщепление ветвей ионограммы, что не позволяет впрямую применить разработанный метод к экспериментальным данным. Для дальностей трасс наклонного радиозондирования превышающих - 500 км получены асимптотические соотношения, связывающие виртуальный изотропный след с магниторасщепленными следами ионограммы НЗ. Предложенный метод учета геомагнитного поля позволяет с приемлемой степенью точности получить ионограмму наклонного зондирования, которая имела бы место при распространении в изотропной неоднородной ионосфере на трассах, дальность которых превышает - 500 км и, применяя разработанные методы инверсии "изотропной" ионограммы, построить оценку высотного распределения электронной концентрации с предполагаемой локализацией в области средней точки трассы радиозондирования.

В разделах 3.6, 3.7 исследуется возможность решения двумерной обратной задачи, если измерения групповых задержек дополнены измерениями вертикальных углов прихода. В основе методов инверсии данных в высотные профили электронной

плотности и продольных градиентов лежит метод возмущений в одноточечном и двухточечном приближениях.

Проблемы, связанные с учетом немонотонного характера высотного профиля в межслоевой области Е-Р, рассматриваются в разделе 3.8, где показано, что долина межслоевой ионизации различным образом проявляется в данных вертикального и наклонного радиозондирования. Анализ комплексных данных (ВЗ и НЗ) на трассе Дурбс (Бельгия) - Рокетос (Испания) позволил сделать вывод, что структура следа ионограммы НЗ, формируемого слоем ионосферы выше Е-слоя, чувствительна к высотному распределению электронной концентрации в межслоевой области, что может дать возможность получения корректного выбора представления высотного распределения в классе немонотонных функций. Представлены примеры сравнения высотных профилей, полученных по данным НЗ и в терминальных точках.

В целом, в главе дано последовательное изложение метода получения оценки высотного распределения электронной концентрации из ионограммы НЗ в классе непрерывно-дифференцируемых функций, однородного с результатами, получаемыми из ВЗ с учетом области ненаблюдаемой ионизации и экстраполяции параметров главного ионосферного максимума.

Основные моменты общего функционирования системы "Прогноз-ИЗМИРАН" и применения разработанных методов прогнозирования к специализированным исследованиям на реальных радиолиниях представлены в главе 4. Рассмотрены вопросы формирования общих и частных данных в системе прогнозирования. Первые включают в себя данные солнечной и геомагнитной активности, получаемые с серверов мировых данных и краткосрочного предсказания, и параметров максимума слоя Р2 ионосферы, получаемых в результате автоматизированной обработки с использованием программы АШо$са1а (ГЫйУ, Италия), адаптированной для ионозонда "Парус" в ИЗМИР АН. Эти данные доступны как в ручном, так и автоматическом режиме с сервера ИЗМИРАН. Частные данные системы прогнозирования - это данные, относящиеся к терминальным точкам радиотрассы. Они включают в себя описание следующих систем и параметров:

а) электромагнитный шум в точке приема, включающий в себя атмосферную, галактическую и антропогенную компоненты;

б) систему радиосвязи (радиокоммуникационную систему - РКС), для которой строится прогноз, с указанием мощности передающего устройства, параметра, характеризующего минимально необходимое соотношение сигнал/шум для устойчивой работы системы радиосвязи (суммарный коэффициент защиты) и чувствительности приемного устройства;

в) передающие и приемные антенные системы, включенные в конкретный сеанс радиосвязи с возможностью выбора оптимальной конфигурации при наличии нескольких антенн с близкой азимутальной ориентацией.

Пример долгосрочного прогноза для условной р/трассы Иркутск(ИСЗФ) - Моск-ва(ИЗМИРАН) приведен на рис. 9 для напряженности поля и соотношения сигнал/шум, на котором можно отметить временной интервал 05:00 - 10:00 11Т, в котором прогнозируется прохождение мода 1Р2, т.е. односкачковое прохождение на расстояние ~ 4200 км.

Представлены результаты сопоставления долгосрочного прогноза и оценок работы трех радиолиний с узкополосной РКС: южного, юго-западного и юго-восточного направлений с дальностями ~ 5000 - 7000 км в специальном режиме работы - сетка рабочих частот в интервале наличия радиосвязи перекрывала диапазон НПЧ - МПЧ и для каждого номинала определялось качество передачи. Пример такого анализа для р/трассы с дальностью ~ 6000 км представлен на рис. 10, где сплошными точками отмечены сеансы радиосвязи, для которых выполняются пороговые условия. В целом, наблюдается хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных, хотя фактор ионосферной изменчивости привел в некоторых случаях (в конкретные дни) к сильному их различию. Детальный анализ в рамках методики краткосрочного прогнозирования показал, что учет текущих дневных данных позволяет объяснить имеющиеся значительные отклонения от долгосрочного прогноза.

В заключении приводятся выводы и основные результаты, полученные в диссертации. Совокупность полученных автором результатов дает основание полагать, что диссертацию можно квалифицировать как крупное научно-обоснованное достижение в понимании механизмов и решении проблемы ионосферного распространения радиоволн, в обеспечении работы специальных систем связи, радиопеленгации и имеющее значение в повышении обороноспособности страны.

ДП: Отображение результата

СЛисок трасс прогноза

(01/06 Иркутск - Москва(ИЗМИРАН)

шшшшшшштяя

[И.'г.ередзюизя

Щ|п<

6036-.0 2К2 Р, кВт | 0.100 Е, и*В/н| 100 ^

Оа^анРКС ЧТ

н.пч НПЧ

01:00:00 ЦТ 02:00:00 ЦТ 03:00:00 ЦТ

Состояние и опции -........... ■

Р Оптим*ая АС Центра I 65*15

Г" '-и*.:СЛ.-* >: :< .'»с « Ц ■

Закрыть Справка т»чч

Прогноз на Июнь 2011 г.: Иркутск - Москва(ИЭМ»>АН) { 4220 км; 301.8"; 65.9*] Суточный ход | таблица данных | Динамика ЮС | Ионосфера |

МПЧ ОРЧ НПЧ

ддд ОР^.ркс

. .Мосхва(ИЗМИРАН)..

Награяетость поля. лБ[ь*В/м)

Мощность излучателе 100.0 Вт

16 С Э/И С Ртпп ;

; Время/Частота 100:00:00 ЦТ | 0.000 Маркер Г"

ДП Отображение результатов

Список трасс прогноза

101/06 Иркутск - Мосхвэ(ЙЗММРАН)

шшвшшшшшш

Прогноз на Июнь 2011 г.: Иркутск - Носкю{ИЗМИРАН} [ 4220 км; 301 Л*; 65.9*] ; Суточный ход | Таблица данных ] Динамика И НС | Ионосфера |

Просмотр •

Г Я-»:

к'МммнА

> П-т: 2 [ЙА]

Р. «81 10.100 И.Т|)ивмм1Я «036:0 2БС2 Е. м*8/к| 1.0С

РКС|К) |Сксте>и«С:Ч1

01:00:00 ЦТ 02:00:00 ЦТ 03:00:00 ЦТ

Состояние и опции р Олтим-ная АС Центра

Г" 4%:.тг*п«ы» ЧДОЭДЭД*

МПЧ ОРЧ НПЧ

Отноше»«е е»гнвлЛ|^1.аБ

Г Е • 5/Н С Ргйп |

Мощность излучателя 100.0 Вт

Рисунок 9. - Долгосрочный прогноз прохождения радиоволн для р/трассы Иркутск -Москва(ИЗМИРАН) для июня 2011 г с зависимостью напряженности поля (верхний рисунок) и соотношения сигнал/шум (нижний рисунок) в точке приема. Отмечен пороговый уровень отношения сигнал/шум и оптимальный временной интервал для рассматриваемой системы радиосвязи

Частота. МГц Суточный ход: МПЧ ОРЧ НПЧ Анализ: ОРЧ

Рисунок 10 - Долгосрочный прогноз для р/трассы (дальность - 6000 км, юго-западное направление) для октября 2009 г с антеннами: ВГДШ- корреспондент, 2БС2 - приемный пункт и результаты анализа при приеме в пункте Москва.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 50 печатных работ в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе в журналах "Геомагнетизм и аэрономия", "Известия вузов. Радиофизика", "Электромагнитные волны и электронные системы", Journal Atmospheric and Terrestrial Physics, Journal of Advances in Space Research, Annali di Geofísica, Computers & Geosciences, Acta Geophysica. Список основных публикаций (22 работы в реферируемых изданиях):

1. Крашенинников И.В. Оценка высотного распределения электронной концентрации по ионограмме наклонного зондирования ионосферы.

/ Крашенинников И.В., Лобачевский J1.A., Лянной Б.Е., Снеговой A.A./ Геомагнетизм и аэрономия. Т. 23. № 5. С.727-732. 1983.

2. Крашенинников И.В. Изменение дистанционно-частотных характеристик наклонного зондирования в условиях искусственного возмущения верхней ионосферы.

/ Бахметьева Н.В., Бенедиктов Е.А., Бочкарев Г.С. и др. / Геомагнетизм и аэрономия. Т.25. №2. СС. 233-238. 1985.

3. Крашенинников И.В. Модовая структура ионограмм НЗ при некоторых видах искусственного возмущения ионосферы.

/ Крашенинников И.В., Лянной Б.Е. /

Геомагнетизм и аэрономия. Т.27. № 6. С.936-942. 1987.

4. Крашенинников И.В. Вариации траекторных характеристик сигналов НЗ в условиях искусственно возмущенной ионосферы.

/Бочкарев Г.С., Кольцов В.В., Крашенинников И.В., Лянной Б.Е. / Известия ВУЗов. Радиофизика. Т.30. № 6. С.697-702. 1987.

5. Крашенинников И.В. Метод возмущений в обратной задаче наклонного зондирования двумерно-неоднородной ионосферы.

/ Баранов В.А., Крашенинников И.В. /

Известия ВУЗов. Радиофизика, т.31, № 10, С. 1180-1185, 1988.

6. Крашенинников И.В. О диагностике локализованных искусственных неоднородно-стей в нижней ионосфере методом многочастотного наклонного зондирования.

/ Крашенинников И.В../

Геомагнетизм и аэрономия. Т.29. № 4. С.635-640. 1989.

7. Крашенинников И.В. Об интерпретации одного вида перемещающегося ионосферного возмущения по ионограммам вертикального радиозондирования.

/ Крашенинников И.В., Лянной Б.Е. /

Геомагнетизм и аэрономия. Т.31. № 3. С.427-433. 1991.

8. Крашенинников И.В. Моделирование многочастотного распространения КВ-сигналов в высоких широтах.

/ Кища П.В., Крашенинников И.В., Лукашкин В.М./

Геомагнетизм и аэрономия. Т.ЗЗ. № 1. С.258-162. 1993.

9. Крашенинников И.В. Погрешности прогнозирования ионосферного прохождения радиоволн на основе глобальной ионосферной модели.

/ Крашенинников И.В., Егоров И.Б., Коломийуев О.П. и Черкашин Ю.Н. / Геомагнетизм и аэрономия. Т. 44. № 2. С. 221-226. 2004.

10. Крашенинников И.В. Формирование комбинированных модов в ионосферном прохождении радиоволн.

/ Крашенинников И.В., Егоров И.Б./

Геомагнетизм и аэрономия. Т. 45. № 2. С. 241-244. 2005.

11. Крашенинников И.В. Особенности поведения волнового поля радиоизлучения в окрестности максимально применимой частоты.

/Еременко В.А., Крашенинников И.В., Черкашин Ю.Н. / Геомагнетизм и аэрономия. Т. 47. № 3. С. 407-412. 2007.

12. Крашенинников И.В. Воздействие мощного наклонного радиоизлучения на ионосферу Земли.

/ Черкашин Ю.Н.. Еременко В.А., Крашенинников И.В. / Электромагнитные волны и электронные системы. Т. 12. № 8. С.47-54. 2007.

13. Крашенинников И.В. Эффективность прогнозирования прохождения радиоволн в ионосфере на основе ионосферной модели IRI-2001.

/ Крашенинников И.В., Егоров И.Б., Павлова Н.М. / Геомагнетизм и аэрономия. Т.48. №4. с. 526-533. 2008.

14. Крашенинников И.В. О структуре и динамике области ионосферы с искусственными мелкомасштабными неоднородностями по данным комплексных измерений характеристик рассеянных радиосигналов.

/ Урядов В.Л., Вертоградов Г.Г., Понятое A.A. и др. / Известия ВУЗов. Радиофизика. T.LI. №12. С. 1011-1025. 2008.

15. Крашенинников И.В. Зондирование искусственно возмущенной области ионосферы с помощью ионозонда/пеленгатора с линейной частотной модуляцией сигнала. / Урядов В.П., Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г. и др. /

Известия ВУЗов. Радиофизика. T.LII. №4. С. 267-277. 2009.

16. Крашенинников И.В. Диагностика искусственно-возмущенной ионосферы с помощью современной техники зондирования.

/ Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградов В.Г. и др. /

Электромагнитные волны и электронные системы. Выпуск: Проблемы космических исследований. Т. 15. С. 22-29. 2010.

17. Krasheninnikov I.V. Inversion Techniques for Determining the Electron Density Profile from Oblique Incidence Ionograms.

/ Krasheninnikov I. V., Liannoy B.E. /

Jour. Adv. Space Res. V.8. No.4. P. 83-87. 1988.

18. Krasheninnikov I.V. Estimation of the ionospheric height profile with a continious gradient from oblique sounding data.

/ Krasheninnikov I. V., Liannoy B.E. /

Jour. Atmos. Ten. Phys. V.52. No.2. P. 113-117. 1990.

19. Krasheninnikov l.V. Analysis of power-frequency dependence of oblique sounding io-nograms.

/ Krasheninnikov I.V., Kischa P.V. and Broms M. /

XXV-th General Assambly of the URSI, Lille, France. Abstracts. P.357, 1996.

20. Krasheninnikov I.V. Compatible analysis of vertical and oblique sounding data. /Krasheninnikov I. V., Jodogne J.-C. andAlberca L.F.. /

Annali di Geofisica. Vol.39(XXXIX). No.4. P.763-768. 1996.

21. Krasheninnikov I.V. Autoscala: an Aid for Different Ionosondes. /Peziopane M., Scotto K., TomasikL., Krasheninnikov I. /

Acta Geophysica. V.58. No.3. P.513-526. 2009.

22. Krasheninnikov I.V. Application of Autoscala to ionograms recorded by the AlS-Parus ionosonde.

/Krasheninnikov I., Pezzopane M., Scotto C. / Computers & Geosciences. V.36. P.628-635. 2010.

23. Krasheninnikov I.V. IRI-2001 model efficiency in ionospheric radiowave propagation forecasting.

/Krasheninnikov I. V., Egorov LB. /

Jour. Advances in Space Research. V.45. P.268-275. 2010.

Цитируемая литература.

-Гуревич A.B. Нелинейные явления в ионосфере // УФН. -2007. -Т. 177. -№11. -С.1145-1177.

-Жулина Е.М., Керблай Т.С., Ковалевская Е.М. и др. Основы долгосрочного ра-диопрогноэирования. М.: Наука, 68 с. 1969.

-Кравцов Ю.А., Орлов Ю.И. Геометрическая оптика неоднородных сред. М.: Наука. 304 с. 1980.

-Крашенинников И.В., Лянной Б.Е. Модовая структура ионограмм НЗ при некоторых видах искусственного возмущения ионосферы. Геомагнетизм и аэрономия. 1.21. № 6. С.936-942. 1987.

-Кубова P.M. Метод коррекции прогноза по измерениям в отдельных точках пространства // В кн. Прогнозирование ионосферы и условий распространения радиоволн. М.: Наука. С.65-67. 1985.

-Куницын В.Е., Терещенко Е.Д., Андреева Е.С. Радиотомография ионосферы. М.: Физмат, 336 с. 2007.

-Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука,

1978.

-Фролов В.Л., Бахметьева Н.М., Беликович В.В. и др. Модификация ионосферы Земли мощным KB радиоизлучением // УФН. Т. 177. №3. С.330-340. 2007.

-Часовитин Ю.К., Широчков А.В. и др. Глобальная эмпирическая модель распределения электронной концентрации, температуры и эффективной частоты соударений электронов в ионосфере // Ионосферные исследования. № 44 М.: МГК, 6-13, 1988.

Шпионский Ш.Г. Инструкция по расчету коротковолновых линий радиосвязи. М.: ИЗМИРАН. 126 с. 1961.

- Урядов В.П., Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г. и др. Зондирование искусственно возмущенной области ионосферы с помощью ионозонда/пеленгатора с линейной частотной модуляцией сигнала. Изв. вузов. Радиофизика. T.LII. №4. С. 267-277. 2009.

-Bilitza D. International Reference Ionosphere 2000 // Radio Science. V. 36. No. 2. P. 261-275.2001.

-Bochkarev G.S., Krasheninnikov I. V., Sales G.S. The effects of powerful oblique radio transmission on the ionosphere on vertical sounding data // Jour. Atmos. Terr. Phys. V. 59. No. 18. P. 2305-2311. 1997.

-Forbes J.M., Palo S.E., ZhangX. Variability of the ionosphere // J. Atmos. Solar-Тегт. Phys. V. 62. № 8. P. 685 - 693. 2000.

-Krasheninnikov L, Egorov LB. IRI-2001 model efficiency in ionospheric radiowave propagation forecasting. Jour. Advances in Space Research. V.45. P.268-275. 2010.

-Rishbeth H., Mendillo M. Patterns of F2-layer variability // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 63. № 15. P. 1661-1680. 2001.

Подписано в печать 1.11.2011 г. Формат 60x84/16. Печ. л. 2 Тираж 110 экз. Заказ 6249.

Издательство «Тровант» ЛР 071961 от 01.09.1999 г.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства «Тровант». 142191, г. Троицк Московской обл., м-н «В», д. 52. Тел. (495) 775-43-35, (4967) 50-21-81 E-mail: trovant@trtk.ru. http://www.trovant.ru/

1 2 -1468

¿9

2010294775

2010294775

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИОНОСФЕРНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН НА ОСНОВЕ РЕШЕНИЯ ПРЯМОЙ И ОБРАТНОЙ ЗАДАЧ МНОГОЧАСТОТНОГО НАКЛОННОГО РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ

ВВЕДЕНИЕ

I Синтез ионограмм НЗ и задача прогнозирования прохождения ^ радиоволн в ионосфере

1.1 Общая постановка задачи многочастотного наклонного ^ радиозондирования ионосферы

1.2 Ионосферные модели в задаче распространения радиоволн в ионосфере

1.2.1 Ионосферная модель СМИ

1.2.2 Ионосферная модель IRI

1.2.3 Спорадический слой Es

1.3 Особенности дифракционного спадания волнового поля в окрестности ^ максимально-применимой частоты

1.3 .1 Математическое моделирование 59 1.3.2 Экспериментальные исследования

1.4 Синтез ионограмм наклонного радиозондирования ионосферы

1.5 Оценка эффективности определения частотного интервала прохождения ^ радиоволн на основе глобальной модели ионосферы

1.5.1 Долгосрочное прогнозирование

1.5.2 Краткосрочное (оперативное) прогнозирование

1.6 Анализ эффективности эмпирических ионосферных моделей в задаче оценки напряженности поля

1.6.1 Исследования на морской поверхности (дальнее распространение)

1.6.2 Исследования на УАС "Академик Вернадский" (сверхдальнее ¡Qg распространение)

1.7 О формировании комбинированных модов в ионосферном прохождении радиоволн

1.7.1 Экспериментальные исследования (ЛЧМ-зондирование)

1.7.2 Анализ экспериментальных данных И

История возникновения научного направления - ионосферного распространения радиоволн берет свое начало с 12 декабря 1901 г., когда впервые Гульельмо Маркони (Guglielmo Marconi) был проведен эксперимент передачи телеграфного сообщения, состоящего всего лишь из одной буквы "S", между Англией и Ньюфаундлендом (Канада). В данном эксперименте использовался искровой передатчик мощностью примерно 10 кВт с системой формирования выходного сигнала, близкой к колебательному контуру (изобретен Николой Тесла в 1896 г.), и сложными, по тем временам, болыперазмерными антеннами. Принципиальным отличием от предшествующих опытов по беспроводной передаче сигналов, на основе принципов, заложенных Герцем, одним из основоположников которых являлся и русский ученый А.С.Попов, являлось расстояние между конечными пунктами, превышающее 3000 км. Другой отличительной чертой полученных результатов являлась явно выраженная нестабильность передачи сообщений - они успешно передавались только в ночных условиях, да и то не всегда. Эти свойства были подтверждены в экспериментах 1902 г. с приемным устройством, установленным на лайнере "Филадельфия" в трансатлантическом рейсе, в которых было показано, что в дневных условиях можно было принимать сообщения до расстояния ~ 1000 км, а в ночных до ~ 3000 км [Maslin, 1987].

Следствием эксперимента 1901 г. и попыток его объяснения на основе механизмов дифракции и распространения поверхностной волны привели к тому, что в 1902 г. Хевисайд (Англия) и Кеннелли (США) выдвинули гипотезу о существовании проводящего слоя в верхних слоях земной атмосферы. Этот слой должен бы обладать свойствами отражения радиоволн и, таким образом, преодолеть ограничения, связанные с кривизной Земли. Физические принципы возникновения и существования такого слоя в то время не были понятны - они были развиты позднее. Последующее развитие техники связи с длинными и короткими волнами все более подкрепляли данную гипотезу, но прямое доказательство существования отражающего слоя было получено только в 1925 г. в экспериментах Эпплтона и Барнета с магнитной кольцевой и вертикальной дипольной антеннами. Это были, по сути дела, первые эксперименты по пеленгованию радиоволн и было показано, что волновой вектор приходящих сигналов имеет наклон к горизонту. Этот тип волн получил название небесных волн (sky waves) или в современной терминологии - ионосферные волны. Развитие техники импульсной радиолокации в применении к ионосфере (Эпплтона, Брайта и Тьюва [Villard, 1976]) привело, во-первых, к открытию слоистости ионизированной области атмосферы, названной ионосферой, и, во-вторых, к изобретению устройства, способного определять ее состояние - ионозонда. Результатом работы ионозонда на сканирующей рабочей частоте является ионограмма - графическое изображение группового запаздывания и интенсивности отраженных сигналов от частоты. Впервые ионограмма в классическом виде, принятом и в настоящее время, была получена в мае 1933 г. [Villard, 1976]. В дальнейшем, прогресс в разработке электронных компонентов, внедрение микропроцессоров и цифровой обработки сигналов дали возможность на основе сложных сигналов создать ионозонды со значительно пониженным потенциалом излучающих средств. Так, использование фазо-кодоманипулированных (ФКМ) сигналов позволило снизить мощность передающего устройства с ~ 20 кВт в классическом импульсном зондировании до ~ 0,5 - 1 кВт, а применение ЛЧМ-сигнала дает возможность получить ионограмму на нескольких десятках ватт или даже нескольких ваттах непрерывного излучения.

Развитие сети ионозодов, в совокупности с математическими методами инверсии ионограмм в вертикальный профиль электронной концентрации (из множества методов инверсии данных ВХ в высотный профиль выделим два, которые в дальнейшем будут использоваться в данной работе, [Paul, 1977; Titheridge, 1988]), позволило собрать массив данных о состоянии ионосферы при различных уровнях солнечной активности, для различных сезонов и времени суток и построить на этой основе глобальные эмпирические (статистические) модели ионосферы. Первичной целью такого моделирования было описание пространственно-временного распределения электронной плотности, чтобы попытаться построить прогноз состояния ионосферы, а из него - прогноз распространения, прежде всего, декаметровых радиоволн. Для прогнозирования распространения радиоволн из одной точки пространства в другую используется специальный термин - "прохождение", отражающий частотный диапазон существования способов переноса излучения (модов).

Начиная с середины 50-х годов, в практике ионосферных исследований широко используется метод наклонного зондирования (НЗ) ионосферы, при котором передающая и приемная часть зондирующей системы (в отличие от ВЗ) пространственно разнесены и расположены на концах трассы НЗ. На начальном этапе своего внедрения метод НЗ, в основном, использовался для обеспечения связи в декаметровом диапазоне длин волн (трассовое зондирование канала связи). Однако к концу 60-х годов появляются работы, посвященные использованию метода НЗ для целей дистанционной диагностики ионосферы, в которых была поставлена задача о восстановлении эффективного (с оценкой наиболее вероятного места его локализации) Ые (Л) - профиля ионосферы по таким экспериментально регистрируемым параметрам как ионограмма НЗ, т.е. зависимость группового запаздывания Р'(/) от частоты / зондирующих сигналов (дистанционночастотная характеристика ионосферы).

Среди достаточно широкого набора современных средств и методов исследования верхней ионизированной части атмосферы Земли метод многочастотного наклонного радиозондирования имеет в своем потенциале возможность решения двух задач: оценки диапазона прохождения радиоволн между двумя точками земной поверхности и дистанционной оценки параметров ионосферы в области отражения зондирующих волн. Соответственно, круг вопросов, связанных с первой проблемой формирует прямую, а втрое направление - соответственно обратную задачу наклонного зондирования ионосферы. В свою очередь, решение этих задач включает в себя как экспериментальные средства и методики радиозондирования, так и математические и программные методы решения задачи переноса излучения в неоднородной магнитоактивной низкотемпературной ионосферной плазме, а прикладные аспекты проблемы, связанные с прогнозированием прохождения радиоволн, также включают в себя и современные сетевые средства передачи информации. Рассмотрим основные моменты и современные результаты в решении прямой и обратной задачи многочастотного наклонного радиозондирования ионосферы.

Экспериментальные методы наклонного радиозондирования ионосферы.

Наиболее распространенным средством оценки состояния ионосферы Земли является метод вертикального радиозондирования с плавным изменением частоты радиосигнала и измерением его группового запаздывания. Этот метод, наряду с его большой информативностью и наличием развитых математических методов обработки и анализа данных, обладает существенным ограничением - полученные оценки ионосферных параметров являются локальными, а для диагностики в каждой точке необходимо иметь полный набор средств радиозондирования: передающее устройство, приемник и, что самое сложное, антенно-фидерную систему. При наклонном радиозондировании передатчик и приемник разнесены в пространстве и один передатчик используется для сколько угодно большого количества приемных устройств при условии их синхронной работы. Если изменение частоты происходит в достаточно широком диапазоне, то результатом является получение ионограммы наклонного радиозондирования ионосферы, которая отражает частотную зависимость группового запаздывания сигналов, прошедших различными путями в ионосфере, в точке приема, т.е. модовую структуру поля. Разрешающая способность методов радиозондирования, т.е. способность разделить способы переноса энергии электромагнитной волны из одной точки пространства в другую, определяется структурой используемого сигнала и, соответственно, от него и зависит качество ионограммы НЗ. В настоящее время в практике зондирования ионосферы используется три вида сигналов: амплитудно-моду лированный (простой радиоимпульс), линейно-частотномодулированный (ЛЧМ) и фазо-кодо манипулированный (ФКМ). Последние два вида из этих сигналов считаются широкополосными, хотя, нужно отметить, что и для работы с первым видом от приемника тоже требуется расширенная полоса приема.

1. Амплиту дно-моду лированный сигнал. Исторически это самый первый вид сигнала, примененного для разделения модов в поле волны, прошедшей ионосферу, и первые ионограммы НЗ с использованием этого метода были получены, по видимому, в начале 50-х годов [8и1гег, 1955]. В своем дальнейшем развитии в рамках этого подхода использовалось импульсное излучение в широком диапазоне длительностей - от 10 до 500 мкс. Для приема коротких импульсов уже необходима расширенная полоса приемника. Так, как выяснилось в результате экспериментов, для оптимальной длительности в ~100 мкс требуется полоса приема ~ 15 КГц. Использование простого радиоимпульса также предполагает значительную мощность передающего устройства ~ 20 кВт в импульсе, поскольку расширенная полоса приема повышает также и уровень шумов. Кроме того, радиоимпульс, при прохождении диспергирующей и случайно-неоднородной среды, расплывается за счет диффузии и рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях плазмы. Поэтому приходящий импульс, как правило, уширен и следы на ионограммах НЗ не очень высокого качества. В ИЗМИР АН работы по наклонному зондированию с использованием гладких импульсных сигналов начались в начале 80-х [рис. 1, верхняя панель], а снятой уже с применением цифровых методов обработки сигналов, на трассе Калининград(30 ИЗМИР АН)-ИЗМИР АН, имеющей дальность ~ 1100 км, представлен на рис. 1, нижняя панель (любезно предоставлена В.Ю.Кимом). Видно разделение модов, формирующихся при отражении от ионосферных слоев, но разрешения уже не хватает для качественного разделения магнитоионных компонент внутри модов, верхних лучей и следов кратных отражений.

2. Линейно-частотно модулированный сигнал. В основе этого метода лежит идея о переводе группового запаздывания модов в частотное пространство и использование развитых методов спектрального анализа для их разрешения и формирования модовой структуры. Для этого частоты передатчика и приемника синхронно перестраиваются и вследствие того, что для различных модов время прохождения расстояния между двумя конечными точками трассы различается, в суммарном поле они будут иметь различное частотное смещение. Чем ниже скорость перестройки, тем большая энергия может быть передана в конкретном частотном интервале, тем выше будет соотношение сигнал/шум и меньше требуемая мощность излучения. Однако при этом возрастает общее время зондирования. Разрешающую способность данного метода так же, как и в классическом случае, ограничивает дисперсионное искажение при расширении полосы зондирующего сигнала и рассеяние на мелкомасштабных неоднородностях. Поэтому, в настоящее время, наиболее употребительной скоростью перестройки является ~100 кГц/сек. Мощность передатчика варьируется в пределах от 100 Вт до 2 кВт непрерывного излучения. Первые ионограммы НЗ на основе этого принципа были получены в начале 70-х |Те1гшск, 1973], а т

-7'' V» 1

•ж ,

I, *-5 г в; к! 4» М,:*. - • .4.4,

ЯВдаШтнк и

ВАгБМ [опо^т *.оиЛ : Ь = 720 кт , Г =13084 кВи

Кт 1300,

Мовео?^ ' ШЛЕ

Тие Иоу 01 1£56с00 2005

41®

Рисунок 1 - Ионограммы наклонного радиозондирования ионосферы на трассе Калининград(30ИЗМИРАН)-ИЗМИРАН 21.09.82 и 01.11.2005 при использовании простого импульсно модулированного радиосигнала.

Трасса ИЗМИРАН Ни»ни4 Нопора» Дп 21 09 2010 Время 17 « йяихи 2.00 20.00 МНг [ 100.00 №гЛ|

20 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 90 10.0 11 0 120 130 140 150 160 170 18.0 190

МНг

282 I. МНг

Трасса; 1пв1йр (Великобритания 54ЫЗ\Л/)

Дата 13.03.2003 Время 18:52

Пыпппчпм- Л 7П

35.7с1В

- Москва (ИЗМИРАН)

Рисунок 2 - Примеры иоиограмм наклонного радиозондирования ионосферы на трассах ИЗМИРАН - Нижний-Новгород и Англия-ИЗМИРАН при использовании линейно-частотно модулированного сигнала со скоростью перестройки 100 кГц/сек. обзор современного состояния ионосферных исследований с применением JI4M-сигналов можно найти в [Иванов и др, 2003]. Пример современных ионограмм НЗ, полученных на трассе Инскип(Англия)-ИЗМИРАН (-2500 км), представлен на рис.2. Из сопоставления рис.1 и рис. 2 видно, что использование техники JI4M-зондирования позволяет выделить не только базовые моды, но и различить магнитоионные компоненты внутри этих модов, да и само качество ионограмм НЗ, в общем, заметно выше по сравнению с простым импульсным методом.

2. Фазо-кодо манипулированный сигнал. В основе этого метода лежит использование цифровых псевдослучайных последовательностей (ПСП) для модулирования исходного информационного сигнала. Причем один исходный импульс модулируется, например, 32-элементной ПСП. При этом возрастает его длительность, расширяется спектр, но значительно понижается мощность излучения. На приемном конце используется корреляционный анализ для выделения исходного сигнала. В ионосферных исследованиях такой подход применяется в американском ионозонде вертикального радиозондирования DPS-4, в котором длительность одного элемента ПСП составляет - 40 мксек и число элементов в одной ПСП - 128, 256 и 512. Мощность передатчика составляет -300 123401234

Г/т t/x

Рисунок 3. - Нормированная амплитуда сигнала на выходе накопителя при одномодовом и двухмодовом распространении радиоволн. Эксперимент на трассе Екатеринбург (Егоршино) - ИЗМИР АН (-1500 км) 14.07.2004 г.

Вт. Применение этих ионозондов для наклонного зондирования показывают, что качество ионограмм НЗ находится на уровне ионограмм, полученных с использованием классического радиоимпульса. Хотя потенциал этого вида сигнала еще не исчерпан. На рис. 3 представлен пример разделения модов на фиксированных частотах зондирования для трассы 1500 км при полосе 150 кГц, который можно рассматривать как первый шаг в развитии нового и, по всей видимости, перспективного метода радиозондирования ионосферы [Сахтеров, 2006].

Математические методы в задаче наклонного радиозондирования. Под прямой задачей многочастотного наклонного радиозондирования будем понимать задачу синтеза ионограммы НЗ, т.е. частотной зависимости группового запаздывания модов (способов прохождения) зондирующих сигналов. В настоящее время, по-видимому, можно выделить два механизма описания волнового поля, на которых строится и решается задача синтеза ионограмм НЗ: метод геометрической оптики [Кравцов и Орлов, 1980], математические основы которого были заложены Хазелгровом [Hazelgrove, 1955], и метод нормальных волн [Куркин и др., 1981]. В настоящее время прямая задача НЗ строится в сочетании с моделью ионосферы, определяющей необходимые для расчета волновых параметров распределения электронной концентрации и эффективной частоты соударений электронов. В данной работе, в рамках прямой задачи синтеза ионограмм НЗ, будут рассматриваться две проблемы: а) прогнозирование прохождения радиоволн на основе глобальных статистических моделей ионосферы в довольно общей, но специфической, разработанной автором, квази-трехмерной постановке и б) диагностика локализованных ионосферных возмущений, в том числе и имеющих искусственное происхождение, например, под воздействием мощных волновых пучков падающих вертикально или наклонно на ионосферу.

Разработанная система "Прогноз-ИЗМИРАН" является обобщением и развитием на современной базе ионосферного моделирования, математических методов построения лучевых траекторий и сетевых технологий, созданной в 196070-х годах методики долгосрочного прогнозирования [Жулина и др., 1969; Керблай, 1964; Керблай и Ковалевская, 1974; Шпионский, 1961]. Система

Прогноз-ИЗМИРАН" также отличается от разработанной в США программы расчета долгосрочного прогноза (УОАСАР) тем, что дает не только усредненный (медианный) долгосрочный прогноз, но и, используя текущие данные солнечной активности и ВЗ, позволяет рассчитывать краткосрочный (оперативный) прогноз, более адекватно отражающий текущие условия прохождения радиоволн. В рассматриваемой реализации, по-видимому, впервые была применена глобальная модель, дающая эффективную частоту столкновений электронов в газокинетическом рассмотрении [Часовитин, 1988], удалось соединить модель с общей трехмерной постановкой задачи распространения радиоволн в магнитоактивной ионосфере в приближении геометрической оптики, синтезировать ионограммы НЗ в высокоширотной ионосфере и построить метод учета столкновительного поглощения волнового поля на этой основе [Кшца и др., 1993]. В дальнейшем, в связи с выявившимися недостатками модели СМИ-88, имеющими принципиальный характер в приполярных и полярных областях, аналогичная процедура была перенесена на модель 1111-2001 [Крашенинников и др., 2004].

На основе использования приближения геометрической оптики ставится и обратная задача НЗ. В математической литературе обратные задачи математической физики обычно принято делить на следующие классы: -одномерные или многомерные обратные задачи, и - линейные либо нелинейные задачи. Обратная задача НЗ является нелинейной и в наиболее общем случае своей постановки - многомерной. Все известные в настоящее время по литературе походы к решению обратной задачи НЗ можно условно разделить на два основных направления. К первому следует отнести методы, основанные на пересчете (трансформации) ионограммы НЗ ионосферы в эквивалентную ей (как предполагается, с тем же самым Ые (А) - профилем) ионограмму ВЗ, по которой затем, используя хорошо отработанные процедуры решения обратной задачи ВЗ, получить искомый Ые(/?) -профиль. Такой подход привлекателен своей простотой, поскольку при его реализации на практике отпадает необходимость в разработке специальных алгоритмов пересчета ионограммы НЗ в Ые (/?) - профиль, и для получения решения обратной задачи НЗ достаточно иметь в наличии только алгоритмы обращения данных ВЗ. Ко второму классу методов решения обратной задачи НЗ следует отнести методы, реализующие прямой пересчет данных НЗ, регистрируемых в виде ионограммы НЗ, непосредственно в одномерный N (/г) -профиль, минуя какие-либо промежуточные преобразования исходных данных. Следует, однако, сразу отметить, что пересчет ионограммы НЗ в эквивалентную ионограмму ВЗ (первый класс методов решения обратной задачи НЗ) производится на основе теоремы Брайта и Тьюва и теоремы Мартина [Дэвис, 1973], справедливых только в случае плоской ионосферы. Для более сложных случаев имеются некоторые эмпирические приближенные обобщения теорем Брайта и Тьюва и Мартина, и поэтому, как показано в дальнейшем, такой подход можно рекомендовать для получения грубых оценок //(Л)-профиля в процессе экспресс-анализа данных НЗ. В настоящее время в связи с широким внедрением в практику исследований ионосферы цифровых ионозондов, в состав которых обычно входит высокопроизводительный компьютер (либо с ними сопрягается внешний компьютер), более целесообразным является использование второго класса методов решения обратной задачи НЗ, т.е. прямого пересчета данных НЗ в Ие (А) - профиль, поскольку, несмотря на их большую вычислительную трудоемкость, они обладают большей точностью, чем методы из первого класса и дают более корректную оценку реального Ые (А) - профиля. В свою очередь, методы решения обратной задачи НЗ, образующие второй класс, можно разбить на два подкласса, причем к первому подклассу отнести методы, использующие приближенный оператор прямой задачи, на базе обращения которого строится процедура решения обратной задачи НЗ, а ко второму - относятся методы, основанные на использовании точных соотношений. В настоящее время большая часть публикаций, посвященных методам решения обратной задачи НЗ относится к первому подклассу, причем их использование позволяет получить оценку Ие (И) - профиля в масштабе времени близком к реальному. Однако, быстрый рост производительности у современных компьютеров и широкое внедрение в практику параллельных архитектур также позволяет, несмотря на большую вычислительную трудоемкость методов решения обратной задачи НЗ из второго подкласса, приблизить время их решения на современных многопроцессорных компьютерах к масштабу времени, близкому к реальному (например, [Махмутова, 1990]).

Таким образом, в математическом аспекте решения обратной задачи НЗ можно выделить два возможных пути: а) прямое решение системы интегро-дифференциальных уравнений и б) используя приближенные и асимптотические методы, свести систему интегральных уравнений к более простой системе нелинейных уравнений. Однако, непосредственное решение системы уравнений, используя вариационный принцип отбора решения по невязке, требует большого объема памяти и, самое главное, большого быстродействия ЭВМ. Основные проблемы в таком подходе к решению задачи об оценке вертикального распределения электронной концентрации по ионограмме НЗ изложены в [Барашков и Дмитриев, 1972; Дмитриев и Барашков, 1975]. Кроме того, в ряде случаев, например [Дмитриев и Салтыков, 1988], для его реализации требуется в дополнение к зависимости группового пути от частоты зондирования информация об углах прихода в вертикальной плоскости, что представляет собой трудную экспериментальную задачу. Второй путь решения обратной задачи НЗ основан на использовании аналитических решений лучевых уравнений для некоторых модельных представлений вертикального профиля электронной концентрации, его основоположником, по-видимому, следует считать Гетинга [Gething, 1969]. В дальнейшем этот подход был развит в работах [George, 1970; Smith, 1970; Rao, 1973; Chuang and Yeh, 1977; Reilly, 1985; Krasheninnikov and Liannoy, 1990; Xueqin Huang et al., 1996]. При этом может быть использовано разбиение Ne (Л) - профиля на ряд участков (сегментов), для каждого из которых существует аналитическое решение, и таким образом построить полное решение для заданного профиля. Решение обратной задачи в этом случае сводится к решению системы нелинейных уравнений относительно параметров каждого сегмента со специальным исследованием устойчивости и единственности. Общие математические вопросы регуляризации и стабилизации решения обратной задачи в классах гладких функций (с непрерывным высотным градиентом) рассмотрены в работе [Снеговой, 1992].

Постоянное совершенствование технических измерений, средств автоматизации и вычислительной техники позволило в последнее время приступить к новому этапу исследований, связанному с использованием данных, получаемых на мировой сети ионозондов для решения задачи глобального мониторинга ионосферы в реальном масштабе времени. При этом ясно, что в зависимости от количества и степени информативности экспериментальных данных, получаемых на мировой сети ионозондов, восстановленная по этим данным структура ионосферы будет в большей или меньшей степени соответствовать ее реальной структуре. В работе [Write and Paul, 1981] для реализации более качественного восстановления пространственной структуры ионосферы в зонах зондирования наземных радиофизических средств, предложено, наряду с режимом ВЗ, дополнительно обеспечить также режим НЗ между ними в пределах односкачковых трасс, поскольку пересчет данных НЗ в эффективный N (А) -профиль, привязываемый к центру трассы НЗ, позволяет таким образом получить информацию об ионосфере и для тех точек, где ионозонды ВЗ отсутствуют. В свою очередь, такой подход требует разработки эффективных в вычислительном отношении численных методов для оперативной обработки экспериментальных данных НЗ с целью пересчета их в N (Л) -профиль и соблюдения принципа однородности как в стартовых условиях, т.е. одинакового учета области ненаблюдаемой ионизации, так и в другом аспекте обратных задач -представлении долины межслоевой ионизации. В процессе постановки обратной задачи НЗ ионосферы применительно к таким приложениям, как связь, локация, пеленгация и др., также принципиальным моментом является вопрос обеспечения режима обработки данных ИЗ и НЗ в реальном масштабе времени.

Актуальность темы. В силу того, что распространение радиоволн в декаметровом диапазоне продолжает играть значительную роль в специальных системах радиокоммуникаций и смежных задачах, таких как радиопеленгация и контроль среды над территорией РФ, вопросы развития и совершенствования этого научного направления, с учетом современных результатов в области ионосферного моделирования, математических методов описания ионосферного распространения радиоволн и технических средств, являются актуальными.

Цель работы. Исследования и разработки, представленные в диссертации, имеют своей целью дальнейшее развитие метода многочастотного наклонного радиозондирования ионосферы и его применение как в задаче прогнозирования прохождения радиоволн в ионосфере, так и в задаче диагностики состояния ионосферы как естественной, так и локально возмущенной среды, в том числе и при воздействии мощных волновых пучков.

Идея работы состоит в том, чтобы: а) на основе новых программных разработок и современных моделей ионосферы создать новую систему прогнозирования прохождения радиоволн в ионосфере, обобщающую традиционно существующую (созданную в ИЗМИР АН в 60-70-х годах) и позволяющую автоматизировать сбор общих данных на центральном сервере с возможностью их использования в долгосрочном и краткосрочном прогнозировании работы систем радиосвязи, а также в решении других специальных вопросов использования радиоволн декаметрового диапазона; б) использовать метод многочастотного наклонного радиозондирования ионосферы как эффективный и высокочувствительный инструмент диагностики состояния ионосферы, в том числе и при наличии локализованных ионосферных возмущений естественного и искусственного происхождения.

Задачи исследований, исходя из целей работы:

1. Разработка новой системы долгосрочного и краткосрочного (оперативного) прогнозирования с учетом текущего уровня солнечной активности и состояния ионосферы;

2. Исследование возможностей метода многочастотного наклонного радиозондирования ионосферы в задачах с наличием крупномасштабных локализованных ионосферных возмущений;

3. Оценка эффективности и адекватности предлагаемого, более высокой степени гладкости, метода инверсии ионограммы НЗ в высотный профиль электронной концентрации;

4. Исследование эффективности и адекватности разработанной системы прогнозирования прохождения радиоволн "Прогноз-ИЗМИРАН" в практике работы реальных радиолиний.

Методы исследований в достижении целей работы:

1. Теоретические, математические и программные разработки в области моделирования ионосферного распространения радиоволн декаметрового диапазона;

2. Экспериментальные исследования на установках, позволяющих осуществлять многочастотное наклонное и вертикальное зондирование ионосферы и специальные исследования в практике радиосвязи, электромагнитной доступности и одноточечной пеленгации ИРИ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработана, создана и апробирована новая система долгосрочного и краткосрочного прогнозирования ионосферного прохождения радиоволн -"Прогноз-ИЗМИРАН", являющаяся развитием и обобщением на современном уровне классических методик ИЗМИР АН 1960-70-х годов;

2. Теоретически предсказан и экспериментально обнаружен принципиально новый тип отклика возмущенной области, генерируемой в области отражения мощной вертикально падающей волны накачки в методе наклонного ЛЧМ-зондирования, связанный с механизмом захвата зондирующих волн в открытый крупномасштабный резонатор, и формирование прожекторного эффекта (резонаторные моды в задаче диагностики);

3. Выполнена интерпретация уникальных данных диагностики эффекта воздействия мощного наклонного волнового пучка на ионосферу на основе модели открытого крупномасштабного резонатора, формирующегося в области острия простой каустики;

4. Разработан метод инверсии ионограмм НЗ в высотный профиль, основанный на построении устойчивого решения обратной задачи многочастотного наклонного радиозондирования ионосферы в классе функций с непрерывным высотным градиентом, и однородный по параметрам профилей, получаемых из классических данных ВЗ.

Достоверность полученных научных и практических результатов базируется на применении научно обоснованных теоретических методов, современных средств разработки программных модулей, моделировании и обработке результатов многолетних экспериментов с использованием нового уникального научного оборудования и анализе соответствия экспериментальных и теоретических исследований, в том числе, полученных другими авторами.

Научная новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами, разработанными методами их решения, впервые полученными результатами и состоит в следующем:

1. Разработана методика долгосрочного и краткосрочного (оперативного) прогнозирования на основе общей системы трехмерных лучевых уравнений и глобальных моделей ионосферы (СМИ-88 и IRI-2001) в квазитрехмерной реализации и учете текущих данных солнечной активности и вертикального (наклонного) радиозондирования в автоматическом режиме.

2. На массиве экспериментальных данных наклонного импульсного и JI4M-зондирования ионосферы, данных по измерениям сигналов РВМ на длинных и сверхдлинных трассах показана эффективность разработанных методик.

3. Открыт новый механизм отклика искусственно возмущенной вертикальным мощным волновым пучком области при диагностике методом многочастотного наклонного радиозондирования - формирование резонаторных модов.

4. Показано, что при резонансных условиях воздействие мощного наклонного волнового пучка может приводить к образованию в области острия простой каустики открытого крупномасштабного резонатора, способного при определенных условиях формировать дополнительные следы на ионограмме ВЗ;

5. Разработан метод получения устойчивого решения обратной задачи НЗ в классе функций с непрерывным высотным градиентом.

Личный вклад автора. Диссертация обобщает результаты теоретических и экспериментальных исследований, в большей части которых участие автора было определяющим или равноценным, в основном, в соавторстве с сотрудниками ИЗМИР АН. Во всех работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежит полноценное участие в постановке задач и, как правило, определяющее в математической и программной части, анализе данных. В частности, в работах по развитию прогнозированния автору принадлежит постановка задачи, разработка методик совместно с Кшцей П.В., руководство и определяющее участие в окончательной программной реализации. Исследования в области решения обратной задачи выполнялись совместно с аспирантом Снеговым A.A., в двумерной обратной задаче - совместно с Барановым В.А., а исследования по спаданию поля в закаустическую область совместно с Еременко В.А., который провел математическую часть задачи. Экспериментальные исследования по многочастотному наклонному и специальным приложениям вертикального зондирования ионосферы в 1980-2000 гг. и вопросы применения результатов выполнялись совместно с Лянным Б.Е., а ЛЧМ-зондирование возмущенной области от стенда "Сура" в 2007-2010 гг. проводились совместно с Урядовым В.П. (ФНГУ "НИРФИ"), Вертоградовым Г.Г. (ЮФУ), Ивановым В.А. (МарТУ) и Валовым В.А. (ФГУП "НПП "Полет"). Теоретическое обоснование возможности существования резонаторных модов в возмущенных областях получено лично автором, а экспериментальное подтверждение совместно с перечисленными участниками экспериментов 2007 - 2010 гг. Данные по проявлениям воздействия мощного наклонного волнового пучка любезно предоставлены проф. Сэйлсом (G.S.Sales, Lowell, USA), а их интерпретация выполнена автором. Автор признателен всем коллегам по совместным работам.

Практическая значимость полученных в диссертации результатов заключается, прежде всего, применительно к декаметровому диапазону радиоволн, в разработке распределенной системы прогнозирования прохождения радиоволн "Прогноз-ИЗМИРАН", включающей в себя как средства расчета, так и обеспечения текущими гео-гелиофизическими данными. Система прогнозирования "Прогноз-ИЗМИР АН" является рабочим инструментом в практике работы ряда организаций РФ, использующих в своей деятельности ионосферную радиосвязь. Разработанные программные модули местоопределения ИРИ с использованием глобальных статистических моделей ионосферы используются в современных пеленгационных комплексах. Общие программы, иллюстрирующие процессы распространения радиоволн в ионосфере Земли, используются в учебном процессе.

Реализация и апробация результатов работы. Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом госбюджетных и целевых научно-исследовательских работ в лаборатории моделирования волновых полей в ионосфере ИЗМИР АН. В целом система "Прогноз-ИЗМИР АН" была создана в ходе ОКР «Прогноз-ИЗМИР АН» и «Рукав» в 2003 - 2010 гг., прошла государственные испытания и была принята к эксплуатации в ряде организаций

Минобороны и других ведомств. Данная система является действующей и используется, в том числе, и в учебном процессе, например, в Черкасском государственном университете (Украина). Результаты по диагностике искусственных возмущений ионосферы в экспериментах по нелинейному взаимодействию мощного радиоизлучения с ионосферной плазмой получены, частично, в ходе выполнения ФЦП №26/ГФ/Н-08 2008 - 2010 гг. По вопросам обратной задачи многочастотного наклонного радиозондирования ионосферы аспирантом защищена диссертация на соискание степени кандидата физ.-мат. наук.

Основные результаты работы и положения, выносимые на защиту, докладывались и обсуждались на:

- Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (XIV -Ленинград, 1984; XV - Алма-Ата, 1987; XXI - Йошкар-Ола, 2005; XXII - Ростов-на-Дону, 2008; XXIII - Йошкар-Ола, 2011);

- General Assambly of the URSI (XXV - Lille, France, 1993; XXX - Istanbul, 2011);

- International Suzdal URSI Symposium "Effects of Artificial Action on the Earth Ionosphere by Powerful Radio Waves" (I - Москва (Суздаль), 1985; III - Москва (Суздаль), 1991; IV - Uppsala (Sweden), 1994; VII - Москва (ИЗМИРАН), 2007);

- Региональная конференция по распространению радиоволн (Санкт-Петербург) (2008; 2011);

- IRI/COST 296 Workshop, Prague, 2007; и других научных конференциях и симпозиумах.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 50 печатных работ в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе в журналах "Геомагнетизм и аэрономия", "Известия вузов. Радиофизика", "Электромагнитные волны и электронные системы", Journal Atmospheric and Terrestrial Physics, Journal of Advances in Space Research, Annali di Geofísica, Computers & Geosciences, Acta Geophysica.

Список основных публикаций в реферируемых научных изданиях: 1. Крашенинников И.В. Оценка высотного распределения электронной концентрации по ионограмме наклонного зондирования ионосферы. / Крашенинников И.В., Лобачевский Л.А., Лянной Б.Е., Снеговой A.A.!

Геомагнетизм и аэрономия. Т. 23. № 5. С.727-732. 1983.

2. Крашенинников И.В. Изменение дистанционно-частотных характеристик наклонного зондирования в условиях искусственного возмущения верхней ионосферы. Бахметьева Н.В., Бенедиктов Е.А., Бочкарев Г. С. и др. / Геомагнетизм и аэрономия. Т.25. №2. С. 233-238. 1985.

3. Крашенинников И.В. Модовая структура ионограмм НЗ при некоторых видах искусственного возмущения ионосферы. Крашенинников И.В., Лянной Б.Е. /

Геомагнетизм и аэрономия. Т.27. № 6. С.936-942. 1987.

4. Крашенинников И.В. Вариации траекторных характеристик сигналов НЗ в условиях искусственно возмущенной ионосферы.

Бочкарев Г.С., Кольцов В.В., Крашенинников И.В., Лянной Б.Е. / Известия ВУЗов. Радиофизика. Т.ЗО. № 6. С.697-702. 1987.

5. Крашенинников И.В. Метод возмущений в обратной задаче наклонного зондирования двумерно-неоднородной ионосферы. Баранов В.А., Крашенинников И.В. /

Известия ВУЗов. Радиофизика. Т.31. № 10. С. 1180-1185. 1988.

6. Крашенинников И.В. О диагностике локализованных искусственных неоднородностей в нижней ионосфере методом многочастотного наклонного зондирования. Крашенинников И.В./

Геомагнетизм и аэрономия. Т.29. № 4. С.635-640. 1989.

7. Крашенинников И.В. Об интерпретации одного вида перемещающегося ионосферного возмущения по ионограммам вертикального радиозондирования. Крашенинников И.В., Лянной Б.Е. /

Геомагнетизм и аэрономия. Т.31. № 3. С.427-433. 1991.

8. Крашенинников И.В. Моделирование многочастотного распространения КВ-сигналов в высоких широтах. Кища П.В., Крашенинников И.В., Лукашкин B.M.I Геомагнетизм и аэрономия. Т.33. № 1. С.258-162. 1993.

9. Крашенинников И.В. Погрешности прогнозирования ионосферного прохождения радиоволн на основе глобальной ионосферной модели. Крашенинников И.В., Егоров И.Б., Коломищев О.П. и Черкашин Ю.Н. / Геомагнетизм и аэрономия. Т. 44. № 2. С. 221-226. 2004.

10. Крашенинников И.В. Формирование комбинированных модов в ионосферном прохождении радиоволн. Крашенинников И.В., Егоров И.Б./

Геомагнетизм и аэрономия. Т. 45. № 2. С. 241-244. 2005.

11. Крашенинников И.В. Особенности поведения волнового поля радиоизлучения в окрестности максимально применимой частоты.

Еременко В.А., Крашенинников И.В., Черкашин Ю.Н. / Геомагнетизм и аэрономия. Т. 47. № 3. С. 407-412. 2007.

12. Крашенинников И.В. Воздействие мощного наклонного радиоизлучения на ионосферу Земли. Черкашин Ю.Н., Еременко В.А., Крашенинников И.В. / Электромагнитные волны и электронные системы. Т. 12. № 8. С.47-54. 2007.

13. Крашенинников И.В. Эффективность прогнозирования прохождения радиоволн в ионосфере на основе ионосферной модели 1111-2001.

I Крашенинников И.В., Егоров И.Б., Павлова Н.М. / Геомагнетизм и аэрономия. Т.48. №4. с. 526-533. 2008.

14. Крашенинников И.В. О структуре и динамике области ионосферы с искусственными мелкомасштабными неоднородностями по данным комплексных измерений характеристик рассеянных радиосигналов. Урядов В.П., Вертоградов Г.Г., Понятое А.А. и др. / Известия ВУЗов. Радиофизика. Т.П. №12. С. 1011-1025. 2008.

15. Крашенинников И.В. Зондирование искусственно возмущенной области ионосферы с помощью ионозонда/пеленгатора с линейной частотной модуляцией сигнала. Урядов В.П., Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г. и др. / Известия ВУЗов. Радиофизика. Т.Ы1. №4. С. 267-277. 2009.

16. Крашенинников И.В. Диагностика искусственно-возмущенной ионосферы с помощью современной техники зондирования. Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградов В.Г. и др. / Электромагнитные волны и электронные системы. Выпуск: Проблемы космических исследований. Т. 15. С. 22-29. 2010.

17. Krasheninnikov I.V. Inversion Techniques for Determining the Electron Density Profile from Oblique Incidence Ionograms. Krasheninnikov I. V., Liannoy B.E. /

Jour. Adv. Space Res. V.8. No.4. P. 83-87. 1988.

18. Krasheninnikov I.V. Estimation of the ionospheric height profile with a continious gradient from oblique sounding data. Krasheninnikov I. V., Liannoy B.E. /

Jour. Atmos. Terr. Phys. V.52. No.2. P. 113-117. 1990.

19. Krasheninnikov I.V. Analysis of power-frequency dependence of oblique sounding ionograms. Krasheninnikov I.V., Kischa P.V. and Broms M. /

XXV-th General Assambly of the URSI, Lille, France. Abstracts. P.357, 1996.

20. Krasheninnikov I.V. Compatible analysis of vertical and oblique sounding data. /Krasheninnikov I. V., Jodogne J.-C. andAlbercaL.F. /

Annali di Geofisica. Vol.39(XXXIX). No.4. P.763-768. 1996.

21. Krasheninnikov I.V. Autoscala: an Aid for Different Ionosondes. / Pezzopane M, Scotto К, TomasikL., Krasheninnikov I. /

Acta Geophysica. V.58. No.3. P.513-526. 2009.

22. Krasheninnikov I.V. Application of Autoscala to ionograms recorded by the AIS-Parus ionosonde. Krasheninnikov /., Pezzopane M., Scotto C. / Computers & Geosciences. V.36. P.628-635. 2010.

23. Krasheninnikov I.V. IRI-2001 model efficiency in ionospheric radiowave propagation forecasting.

Krasheninnikov I. V., Egorov I.B. /

Jour. Advances in Space Research. V.45. P.268-275. 2010.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 328 страниц текста, 121 рисунок, 6 таблиц и библиографию из 205 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформулируем основные научные результаты, полученные в диссертационной работе:

1. Разработка и апробация новой системы долгосрочного и краткосрочного прогнозирования ионосферного прохождения радиоволн - "Прогноз-ИЗМИРАН", являющейся развитием и обобщением на современном уровне классических методик ИЗМИР АН 1960-70-х годов. Эффективность методов прогнозирования, в части оценки верхней границы частотного интервала прохождения, была проверена на данных комплексного вертикального в ИЗМИРАН и ЛЧМ-зондирования ионосферы на двух ортогональных радиотрассах в широком диапазоне уровней солнечной активности. Адекватность представления напряженности волнового поля была исследована на данных, полученных на длинной и сверхдлинной трассах, а его тонкая модовая структура - на примере анализа комбинированных модов в ионосферном распространении радиоволн.

2. Теоретическое предсказание и экспериментальное обнаружение принципиально нового типа отклика возмущенной области, генерируемой в области отражения мощной вертикально падающей волны накачки в методе наклонного ЛЧМ-зондирования, связанного с механизмом захвата зондирующих волн в открытый крупномасштабный резонатор и формирование прожекторного эффекта - резонаторные моды в задаче диагностики. Этот эффект был зарегистрирован и получил объяснение впервые.

3. Интерпретация, на основе модели искусственного резонатора, дополнительных следов на ионограмме ВЗ, зарегистрированных в уникальном эксперименте при воздействии очень мощного наклонного волнового пучка на ионосферу. Методами численного моделирования показана возможность образования таких следов при формировании (в геофизических условиях близких к случаю образования резонаторных модов при вертикальном воздействии) в области острия простой каустики, где имеет место максимальная естественная фокусировка волнового пучка, области с сильно пониженным содержанием электронов.

4. Интерпретация динамики ионограмм ВЗ при прохождении мощного волнового возмущения, когда имеет место сильная продольная неоднородность ионосферы в области зондирования. Показано, что волновой вектор возмущения электронной концентрации ориентирован по направлению геомагнитного поля.

5. Разработка алгоритма построения устойчивого решения обратной задачи многочастотного наклонного радиозондирования ионосферы в классе функций с непрерывным высотным градиентом, на основе которого создан и апробирован на экспериментальных данных метод инверсии ионограммы НЗ в высотный профиль, однородный по стартовым условиям с профилями, получаемыми из классических данных ВЗ.

6. На примере анализа специальных исследований на трех реальных радиолиниях различной дальности и ориентации показано, что долгосрочный прогноз достаточно адекватно, в статистическом смысле, соответствует экспериментальным данным. Однако, в конкретные интервалы времени, как правило связанные с повышенной неоднородностью электронной концентрации, могут возникать ситуации значительных отклонений от среднемесячных параметров, которые уже являются объектом краткосрочного прогнозирования.

В целом, представленные результаты показывают корректность подходов и адекватность оценок, полученных с использованием разработанных методик долгосрочного и краткосрочного прогнозирования прохождения радиоволн в двухточечной задаче и реализованные в программном обеспечении системы "Прогноз-ИЗМИРАН". Совокупность полученных автором результатов позволяет полагать, что диссертацию можно квалифицировать как крупное научно-обоснованное достижение в понимании механизмов и решении проблемы прогнозирования ионосферного распространения радиоволн, в обеспечении работы специальных систем связи, радиопеленгации и имеющее значение в повышении обороноспособности страны.

В заключение хочу выразить признательность и благодарность коллегам и соавторам научных исследований: зав. отделом распространения радиоволн д.ф.-м.н. А.В.Попову за научное консультирование, проф. Ю.Н.Черкашину за постоянный интерес к работе, к.ф.-м.н. И.Б.Егорову, к.ф.-м.н. В.А.Еременко и сотрудникам лаборатории моделирования волновых полей в ионосфере за вклад в программную реализацию системы прогнозирования, к.ф.-м.н. нук Б.Е.Лянному, к.ф.-м.н. Баранову В.А., д.ф.-м.н. Г.С. Бочкареву, к.ф.-м.н. П.В. Кшце и проф. Сэйлсу (G.Sales, USA) за многолетнее сотрудничество, д.ф.-м.н. Урядову (НИРФИ), проф. Иванову В.А. (МарГТУ), проф. Вертоградову Г.Г. (ЮФУ), д.ф.-м.н. Куркину В.И. (ИСЗФ РАН) за плодотворное сотрудничество в экспериментальных исследованиях по наклонному ЛЧМ-зондированию ионосферы.

1. Айзенберг. Г.З. Коротковолновые антенны. М.:"Радио и связь", 1962. 815 с.

2. Айзенберг Г.З., Белоусов С.П., Журбенко Э.М., Клигер Г.А., Курашов А.Г. Коротковолновые антенны. М.:"Радио и связь", 1985. 535 с.

3. Алехин Ю.Н., Шаронин С.Г. Современные ВЧ радиокоммуникационные системы достойная альтернатива спутниковой связи // Сети. №8. С.39-43. 1996.

4. Алтынцева В.И., Ильин Н.В., Куркин В.И. и др. Моделирование декаметрового радиоканала на основе метода нормальных волн // Техника средств связи. Серия СС. М.: Экое. Вып.5. С.28-3. 1987.

5. Ануфриева Т.А., Шапиро Б.С. Геометрические параметры слоя F2 ионосферы. М.: Наука, ИЗМИР АН, 1976. 90 с.

6. Анютин А.П. Искажения сигналов в окрестности пространственной каустики // Геомагнетизм и аэрономия, 1985. Т. 25. № 6. С. 935-940.

7. Анютин А.П., Галушко В.Г., Ямпольский Ю.М. О возможности определения поглощения в отклоняющей области ионосферы по измерению поля вблизи мертвой зоны. Известия ВУЗов. Радиофизика, 1985. Т.28. №2. С. 247-249.

8. Апарина Р.В., Егоров И.Б., Егорова В.Н. и др. Сравнение точности некоторых методов расчета характеристик распространения декаметровых волн // Геомагнетизм и аэрономия, 1975. Т.15. №2. С.373-375.

9. Афанасьев Н.Т. Влияние ионосферных неоднородностей на распространение радиоволн в условиях сильной регулярной рефракции. Диссертация на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук. Иркутск: Иркутский Государственный университет, 1999.

10. Бабич В.М., Булдырев B.C. Асимптотические методы в задачах дифракции коротких волн. М.: Наука, 1972.

11. Баранов В.А., Бочкарев Г.С. Оценка влияния области ИИВ на вариации азимутального угла прихода // В кн. Распространение декаметровых радиоволн. М.: ИЗМИР АН, 1980. С. 49-52.

12. Баранов В.А., Крашенинников И.В. Метод возмущений в обратной задаче наклонного зондирования двумерно-неоднородной ионосферы // Изв. вузов. Радиофизика, 1988. Т.31. № 10. С. 1180-118.

13. Баранов В.А., Лопатников С.Л. Черкашин Ю.Н. Явление захвата в рамках нелинейной геометрической оптики // В кн. Распространение радиоволн и плазменные неустойчивости. М.: ИЗМИР АН, 1974. С. 49-52.

14. Баранов В.А., Попов A.B. Асимптотическое описание лучевой картины дальнего распространения коротких радиоволн // Распространение коротких радиоволн. М.: Наука, 1980. С.28-44.

15. Барабашов Б.Г., Вертоградов Г.Г., Хонду A.A. Оценка эффективности использования вертикального зондирования в угломерно-дальномерных комплексах диапазона коротких радиоволн. Радиотехника, 1987. №9. С.3-7.

16. Барабашов Б.Г., Вертоградов Г.Г., Кулешов Г.И. Экспериментальная проверка метода расчета напряженности поля декаметровых волн на трассах малой протяженности // Труды НИИР: Сб. статей. М.:Радио и связь, 1997. С.98-103.

17. Барашков A.C., Дмитриев В.И. Об обратной задаче наклонного зондирования ионосферы // В кн.: Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Вып. 25. Иркутск, сс., 1972.

18. Бархатов H.A., Ревунов С.Е., Вертоградов Г.Г. и др. Прогнозирование максимально наблюдаемой частоты ионосферного КВ-радиоканала методом искусственных нейронных сетей // Геомагнетизм и аэрономия, 2006. Т.46. №1. С. 8898.

19. Бахметьева Н.В., Игнатьев Ю.А., и др. II Геомагнетизм и аэрономия, 1982. Т.22. №2.С. 924-929.

20. Бахметьева Н.В., Бенедиктов Е.А., Бочкарев Г.С. и др. Изменение дистанционно-частотных характеристик наклонного зондирования в условиях искусственного возмущения верхней ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия, 1985. Т.25. №2. С. 233-238.

21. Блаунштейн Н.М., Ружин Ю.Я. и Филипп Н.Д. Диффузионная релаксация анизотропных ионосферных неоднородностей. Препринт № 57(811). ИЗМИР АН. 1984.

22. Блиох П.В., Галушко В.Г., Ямпольский Ю.М. Исследование структуры поля коротковолновых сигналов в окрестности каустики с помощью остронаправленной антенны // Препринт ИРЭ АН УССР. №194. 24 с. 1982.

23. Бойко Г.Н, Васьков В.В., Голян С.Ф. и др. Изв. ВУЗов. Радиофизика, 1985. Т.21. № 8. С. 960-965.

24. Бойко Г.Н., Грач С.М., Сергеев E.H. и др. Искусственная полость в ионосфере, индуцированная излучением стенда "Сура" // Изв. вузов. Радиофизика, 1999. Т.42. №7. С. 682-690.

25. Борисов Н.Д., Васьков В.В., Туревич A.B. Самофокусировочная неустойчивость радиоволн при наклонном зондировании ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия, 1978. № 5. С. 827-832.

26. Бочкарев Г.С. Воздействие ионосферы, искусственно возмущенной мощным наземным (вертикальным и наклонным) радиоизлучением, на распространение радиоволн. Диссертация на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук. М. ИЗМИР АН. 1992.

27. Бочкарев Г.С., Ким В.Ю., Лобачевский Л. А. и др. Взаимодействие декаметровых радиоволн на частотах вблизи МПЧ F2 при наклонном распространении // Геомагнетизм и аэрономия, 1979. Т. 19. №5. С.830-833.

28. Бочкарев Г.С., Еременко В.А., Лобачевский Л.А. и др. Моделирование воздействия мощной волны на ионосферу при наклонном падении // Геомагнетизм и аэрономия, 1980. Т.20. № 5. С.848-853.

29. Бочкарев Г.С., Кольцов В.В., Крашенинников И.В., Лянной Б.Е. Вариации траекториях характеристик сигналов НЗ в условиях искусственно возмущенной ионосферы // Изв. вузов. Радиофизика, 1987. Т.30. № 6. С. 697-702.

30. Бронин А.Г., Денисенко П.Ф., Заботин H.A., Ямпольский Ю.М. Ослабление декаметровых радиоволн в случайно-неоднородной среднеширотной ионосфере // Геомагнетизм и аэрономия, 1991. Т.31. №5. С. 946-949.

31. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе A.A. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 527 с.

32. Васильев К.Н. Вертикально перемещающиеся возмущенности в области F ионосферы. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук. М.: ИЗМИР АН. 114 с. 1969.

33. Васькин A.A. Нелинейные макромасштабные эффекты воздействия мощныхрадиоволн, наклонно падающих на ионосферу // Нелинейный мир, 2007. Т.5. № 6. С. 373 -381.

34. Васьков В.В., Гуревич A.B. Крупномасштабное расслоение плазмы при вертикальном зондировании ионосферы мощными радиоволнами // Геомагнетизм и аэрономия, 1976. Т. 16. №1. С.50 57.

35. Вертоградов Г.Г. Прогнозирование энергетических характеристик сигналов, отраженных от ионосферы, на основе модели IRI-2001. // Электромагнитные волны и электронные системы. 2006. Т.П. №5. С.28-31.

36. Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградов В.Г.,, Шевченко В.Н. Исследование угловых-частотных характеристик КВ-волн при наклонном JI4M-зондировании ионосферы // Электромагнитные волны и электронные системы. 2007. Т. 12. №5. С.25-32.

37. Гинзбург B.JI. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука, 1967. 683 с.

38. Гинзбург В.Л., Гуревич A.B. Нелинейные явления в плазме, происходящие в переменном электромагнитном поле // УФН. 1960. Т.70. С. 201-246.

39. Гончаренко И.В. Антенны КВ и УКВ. М.:Радио, 2004. (в 4-х томах).

40. Госсард Э., Хук У. Волны в атмосфере. М.:Мир, 1978. 532 с.

41. Гуревич A.B. Нелинейные явления в ионосфере // УФН. 2007. Т. 177. №11. С. 1145-1177.

42. Гуревич A.B., Шварцбург А.Б. Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере. М.: Наука, 1973. 272 с.

43. Гуревич A.B., Цедилина Е.Е. Сверхдальнее распространение коротких радиоволн. М.: Наука, 1979. 246 с.

44. Данилкин Н.П., Лукин Д. С. и Стасевич В. И. Траекторный синтез ионограмм при наличии искусственных ионосферных неоднородностей. // Геомагнетизм и аэрономия, 1987.1.21. №3. С. 217-223.

45. Де Бор К. Практическое руководство по сплайнам. М.: Радио и связь, 1985. 303с.

46. Денисенко П.Ф., Соцкий В.В. О возможности установления долины по ионограммам. // Геомагнетизм и аэрономия, 1978. Т. 18. №6. С. 1045-1050.

47. Дмитриев В.И., Барашков A.C. Об обратных задачах электромагнитного зондирования ионосферы. В кн.: Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. 4.4. Казань. Казанский университет, 1975. С. 137-138.

48. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. М.: Связь. 1972. 336 с.

49. Дробжев В.И., Пеленицын Г.М., Хачикян B.C., Шарадзе З.С., Яковец А.Ф. Пространственно-временная структура волновых возмущений ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия, 1980. Т.20. №2. С. 335-338.

50. Жженых A.A. Исследование эффектов и определение параметров тонкой структуры ионосферы при наклонном распространении коротких радиоволн. // Диссертация на соискание степени канд. физ.-мат. наук. Иркутский государственный университет. Иркутск, 2004.

51. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир, 1973. 502 с.

52. Егоров И.Б., Попов A.B. О распространении узких пучков радиоволн в ионосфере. В кн.: Региональная XVI конференция по распространению радиоволн. Сборник трудов конференции. Санкт-петербург. С.82-85. 2010.

53. Еременко В.А., Черкашин Ю.Н. К развитию метода параболического уравнения для расчета волновых полей в неоднородных средах. // Волны и дифракция. Тезисыдокладов VIII Всесоюзного симпозиума по дифракции и распространению радиоволн, Т.2, С. 257-260, 1981.

54. Еременко В.А., Черкашин Ю.Н. Нелокальное нелинейное взаимодействие высокочастотных волн с ионосферой // Изв. Вузов. Радиофизика, 1999. Т.42. №7.

55. Еременко В.А., Крашенинников И.В., Черкашин Ю.Н. Особенности поведения волнового поля радиоизлучения в окрестности максимально применимой частоты // Геомагнетизм и аэрономия, 2007. Т. 47. № 3. С. 407-412.

56. Ерухимов Л.М., Иванов В.А., Митяков H.A., Урядов В.П., Фролов В.А., Шумаев

57. B.В. Изв. вузов. Радиофизика, 1987. Т. XXX. №9. С. 1055-1065.

58. Завьялов Ю.С., Квасов Б.И., Мирошниченко В.Л. Методы сплайн-функций. М.: Наука, 1980. 352 с.

59. Зализовский A.B., Галушко В.Г., Кащеев A.C. и др. Доплеровская селекция КВ-радиосигналов на сверхдальних трассах // Геомагнетизм и аэрономия, 2007. Т.47. №5.1. C. 674-684.

60. Жулина Е.М., Керблай Т.С., Ковалевская Е.М. и др. Основы долгосрочного радиопрогнозирования. М.: Наука, 1969. 68 с.

61. Жулина Е.М. О надежности моделей распределения плотности и частоты соударений электронов. В кн.: Ионосферное прогнозирование. М.: Наука, 1982. С.172-177.

62. Иванов В.А., Куркин В.И., Носов В.Е., Урядов В.П., Шумаев В.В. ЛЧМ-ионозонд и его применение в ионосферных исследованиях // Изв. вузов. Радиофизика, 2003. Т.46. № 11. С. 919-252.

63. Иванов В.П., Ким В.Ю., Крашенинников И.В. и др. Исследование нестационарных характеристик и тонкой структуры КВ сигналов вблизи МПЧ. В сборнике докладов XXI всероссийской научной конференции по распространению радиоволн, Йошкар-Ола. С. 83-87. 2005.

64. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. М.: Мир, Т.1. 280 с. 1981.

65. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. М.: Мир, 1981. Т.2. 317 с.

66. Казанцев А.Н. Поглощение коротких радиоволн в ионосфере и напряженность электрического поля в месте приема. Известия АН СССР. ОТН. 1947. №9. С. 11071137.

67. Карпачев А. Т. Статистические и динамические характеристики ионосферных провалов. Диссертация на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук, М.: ИЗМИР АН. 2001.

68. Керблай Т.С. Инструкция по расчету частот коротковолновой радиосвязи, отражающихся от слоя Es. М.: Наука. ИЗМИР АН. 72 с. 1964.

69. Керблай Т.С., Ковалевская Е.М. О траекториях коротких радиоволн в ионосфере. М.: Наука, 1974. 160 с.

70. Кища П.В., Крашенинников И.В., Лукашкин В.М. Моделирование многочастотного распространения КВ-сигналов в высоких широтах // Геомагнетизм и аэрономия, 1993. Т.ЗЗ. №1. С. 158-162.

71. Кища П.В., Крашенинников И.В., Лукашкин В.М. Моделирование многочастотного распространения КВ-сигналов в высоких широтах // Геомагнетизм и аэрономия, 1993. Т.ЗЗ. № 1. С.258-162.

72. Ковалевская Е.М., Керблай Т.С. Расчет расстояния скачка, максимально применимой частоты, углов прихода радиоволны с учетом горизонтальной неоднородности ионосферы. М.: Наука. ИЗМИР АН. 115 с. 1971.

73. Кононович Э.В., Шефов H.H., Храмова М.Н. Аппроксимация соотношений между индексами солнечной активности числа Вольфа солнечных пятен и поток радиоизлуче-ния на волне 10.7 см // Геомагнетизм и аэрономия, 2002. Т. 42. № 4. С. 455-459.

74. Кравцов Ю.А., Орлов Ю.И. Геометрическая оптика неоднородных сред. М.: Наука, 1980. 304 с.

75. Крашенинников И.В. О возможности оценки электронной концентрации в межслоевой области по ионограмме наклонного зондирования и углам прихода ввертикальной плоскости // В кн. Дифракционные эффекты декаметровых радиоволн. М.: ИЗМИР АН, 1984. С. 145-150.

76. Крашенинников И.В. Оценка профиля продольных градиентов электронной концентрации в обратных задачах наклонного зондирования ионосферы // В кн. Распространение радиоволн в ионосфере. М.: ИЗМИР АН, 1985. С.22-28.

77. Крашенинников И. В. О диагностике локализованных искусственных неоднородностей в нижней ионосфере методом многочастотного наклонного зондирования // Геомагнетизм и аэрономия, 1989. Т. 29. № 4. С.635-640.

78. Крашенинников И.В., Егоров И.Б., Коломийцев О.П. и Черкашин Ю.Н. Погрешности прогнозирования ионосферного прохождения радиоволн на основе глобальной ионосферной модели // Геомагнетизм и аэрономия, 2004. Т. 44. № 2. С. 221-226.

79. Крашенинников И.В., Егоров И.Б. Формирование комбинированных модов в ионосферном прохождении радиоволн // Геомагнетизм и аэрономия, 2005. Т. 45. № 2. С. 241-244.

80. Крашенинников И.В., Егоров И.Б., Павлова Н.М. Эффективность прогнозирования прохождения радиоволн в ионосфере на основе ионосферной модели IRI-2001 // Геомагнетизм и аэрономия, 2008. Т.48. № 4. С. 526-533.

81. Крашенинников И.В., Лобачевский Л.А., Лянной Б.Е., Снеговой A.A. Оценка высотного распределения электронной концентрации по ионограмме наклонного зондирования ионосферы. Геомагнетизм и аэрономии, 1983. Т. 23. № 5. С.727-732.

82. Крашенинников И.В., Лянной Б.Е. Об оценке электронной концентрации Е-области ионосферы по ионограммам наклонного зондирования // В кн. Взаимодействие декаметровых радиоволн с ионосферой. М.: ИЗМИР АН, 1885. С. 162-168.

83. Крашенинников И.В., Лянной Б.Е. Модовая структура ионограмм НЗ при некоторых видах искусственного возмущения ионосферы. Геомагнетизм и аэрономия, 1987. Т.27. № 6. С.936-942.

84. Крашенинников И. В., Лянной Б.Е. Об интерпретации одного вида перемещающегося ионосферного возмущения по ионограммам вертикального радиозондирования. Геомагнетизм и аэрономия, 1991. Т. 31. № 3. С.427-433.

85. Крашенинников И.В., Снеговой A.A. Метод последовательных приближений в обратной задаче наклонного зондирования магнитоактивной сферически-слоистой ионосферы // В кн. Распространение радиоволн в ионосфере М.: ИЗМИР АН, С. 10911. 1986.

86. Крофт Г.А., Хугасьян Г. Точные расчеты параметров траектории луча в квазипараболической ионосфере без учета магнитного поля // В кн. Лучевое приближение и вопросы распространения радиоволн. М.: Наука, 1971. С.

87. Кубова P.M. Влияние изменчивости области F2 ионосферы на характеристики KB сигнала на дальних радиолиниях. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук. М.: ИЗМИР АН, 1988. 114 с.

88. Кубова P.M. Метод коррекции прогноза по измерениям в отдельных точках пространства // В кн. Прогнозирование ионосферы и условий распространения радиоволн. М.: Наука, 1985. С.65-67.

89. Куницын В.Е., Терещенко Е.Д., Андреева Е.С. Радиотомография ионосферы. М.: Физмат, 2007. 336 с.

90. Куркин В.И., Орлов И.И., Попов В.Н. Метод нормальных волн в проблеме коротковолновой радиосвязи. М.: Наука, 1981. 122 с.

91. Куркин В.И., Орлов И.И., Пономарчук С.Н., Потехин А.П. Пространственная структура КВ-сигнала в волноводе Земля-ионосфера // Труды VII международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь". Воронеж. 2001. Т.1. С. 524-531.

92. Лобачевский Л.А., Махмутова М.С. и Шоя Л.Д. Восстановление двухмерного распределения электронной концентрации по данным вертикального и наклонного зондирования // Геомагнетизм и аэрономия, 1989. Т. 29. № 1. С. 76-80.

93. Лукин Д.С., Спиридонов Ю.Г. Применение метода характеристик для решении на ЭВМ задач распространения электромагнитных волн в неоднородных анизотропных средах // В кн.: Лучевое приближение и вопросы распространения радиоволн. М.: Наука, 1971. С.265-279.

94. Мальцева O.A. Метод корректировки Ne(h)~ профиля с учетом межслоевойионизации в E-F // Геомагнетизм и аэрономия, 1970. Т. 10. №5. С. 936-939.

95. Махмутова М.С. Разработка быстрых алгоритмов решения прямой и обратной задачи зондирования ионосферы на основе параллельных вычислений. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук. М.: ИЗМИР АН, 1990.

96. Минуллин Р.Г. Аналитическое описание вариаций предельных частот отражения от слоя Es. II Ионосферные исследования. 1988. №4. С.45-47.

97. Минуллин Р.Г. Радиофизическая модель среднеширотного спорадического Es слоя. // Ионосферные исследования. 1997. Т.50. № 3. С.34-64.

98. Мясников E.H., Муравьева И.В. Характеристики пространственного спектра неоднородностей плазмы, возбуждаемых на средних широтах мощным стендом «Сура» // Известия ВУЗов. Радиофизика, 2007. Т. L. №8. С. 722 730.

99. Надененко С. И. Антенны. Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио. М. 1959.

100. Намазов С.А. Результаты зондирования ионосферы широкополосными сигналами // Тезисы докладов. XV Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. Секция I. М.: Наука, 1987. С. 141.

101. Попов A.B., Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере. М.: Наука, 1973. 272 с.

102. Понтрягин Л.С. Обыкновенные дифференциальные уравнения. М.:Наука, 1965.

103. Самарский A.A., ГулинА.В. Численные методы. М.:Наука, 1989. 430 с.

104. Сахтеров В. И. Исследование распространения радиоволн декаметрового диапазона на среднеширотной трассе с применением широкополосных сигналов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук. М.: ИЗМИР АН, 2006.

105. Снеговой A.A. Обратная задача наклонного многочастотного радиозондирования ионосферы. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук. М.: ИЗМИР АН, 1992. 199 с.

106. Тинин М.В. Асимптотические методы в волновых и лучевых задачах ионосферного распространения коротких радиоволн. Диссертация на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук. Иркутск: Иркутский Государственный университет, 1982. 299 с.

107. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука,1978.

108. Троицкий Б. В. Отклик сигнала радиозондирования на ионосферные неоднородности. Алма-Ата: Наука, 1983. 164 с.

109. Урядов В.П., Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г., Комраков Г.П., Черкашин Ю.Н., Васьков В.В. Ракурсное рассеяние коротких радиоволн в условиях воздействия на ионосферу мощным наклонным радиоизлучением. Изв. вузов. Радиофизика, 2003. T. L. №8. С. 669-252.

110. Часовитин Ю.К., Широчков A.B. и др. Глобальная эмпирическая модель распределения электронной концентрации, температуры и эффективной частоты соударений электронов в ионосфере // Ионосферные исследования. № 44 М. : МГК, 6-13, 1988.

111. Черкашин Ю.Н., Еременко В.А., Крашенинников И.В. Воздействие мощного наклонного радиоизлучения на ионосферу Земли. // Электромагнитные волны и электронные системы. 2007. Т. 12. № 8. С.47-54.

112. Чернышев Ю.К., Васильева Т.Н. Прогноз максимально применимых частот. М.: Наука, 1975. 96 с.

113. Шерстюков О.Н. Воздействие атмосферных процессов на динамику среднеширотного спорадического слоя Е и его влияние на распространение декаметровых радиоволн. Диссертация на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук. Казань, КГУ. 2004.

114. Шлионский Ш.Г. Инструкция по расчету коротковолновых линий радиосвязи. М.: ИЗМИР АН, 1961. 126 с.

115. Филипп Н.Д., Ораевский В.Н., Блаунштейн Н.Ш. и др. Эволюция искусственных плазменных неоднородностей в ионосфере Земли. Кишинев: Штиинца, 246 с. 1986.

116. Форсайт Д., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. М.: Мир, 1980. 280 с.

117. Фролов В.Л., Бахметьева Н.М., Беликович В.В. и др. Модификация ионосферы Земли мощным KB радиоизлучением // УФН. 2007. Т. 177. №3. С.330-340.

118. Хазельгров Дж. Лучевая траектория и новый метод расчета траекторий. В кн.: Лучевое приближение и вопросы распространения радиоволн. М.: Наука, 1971. С.36-49.

119. Хайрер Э., Нёрсетт С., Ваннер Г. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Нежесткие задачи. М.: Мир, 1990. 512 с.

120. Agy V., Davies K. and Salomon R. An atlas of oblique-incidence ionograms. NBS, Technical Note. 1959. No. 31. 98 p.

121. Banks P.M. Collision frequencies and energy transfer. Planet and Space Sci. 1966. V. 14. No.ll.P. 1085-1103.

122. Baranov V.A., Karpenko A.L., Popov A.V. Evolution of Gaussian beams in the nonuniform Earth-ionosphere waveguide. Radio Science. 1992. V. 27. No 2. P. 307-314.

123. Bibl K. and Calandrella M. Practical Method for Routine Analysis of the Valley Parameters Between E- and F-region of the Ionosphere // Adv. Space Res. 1985. V.5. No. 10. P.65-68.

124. Bilitza D. International Reference Ionosphere 2000 // Radio Science. 2001. V. 36. No. 2. P. 261-275.

125. Bilitza D and Reinisch B. International Reference Ionosphere 2007: Improvements and new parameters, J. Adv. Space Res. doi:10.1016/j.asr.2007.07.048, 2008

126. Blanch P., Arrasolla D., Altadill D., Buresova D. andMosertM. Improvement of IRI B0, B1 and D1 at mid-latitude using MARP, Jour. Adv. Space Res. doi:10.1016/j.asr.2006.08.007. No.5. P. 701-710. 2007.

127. Bochkarev G.S., Eremenko V.A., Lobachevcky L.A. et al. Non-linear interaction of decametre radio waves at close frequencies on oblique propagation // Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics. 1982. V.44. No 12. P. 1137-1141.

128. Bochkarev G.S., Krasheninnikov I.V., Sales G.S. The effects of powerful oblique radio transmission on the ionosphere on vertical sounding data // Jour. Atmos. Terr. Phys. 1997. V. 59. No. 18. P. 2305-2311.

129. Budden K.G. The propagation of radio waves: the theory of radio waves of low power in the ionosphere and magnetosphere. Cambridge University Press. 1985. 669 p.

130. Ching B.K., Chiu Y.T. A phenomenological model of global ionospheric electron density in the E, F1 and F2 regions // Jour. Atmos. Terr. Phys. 1973. V.35. No.9. P. 16151630.

131. Chuang S.L., Yeh K.S. A method for inverting oblique sounding data in the ionosphere. Radio Science. 1977. V. 12. No. 1. P. 135-140.

132. Cooper J., Cummack C.H. The analysis of travelling ionospheric disturbance with non-linear ionosation response //Jour. Atmos. Terr. Phys. 1985. V. 48. No.l. P.61-64.

133. Danilkin N.P., Denisenko P.P., Barabashov B.G.,Vertogradov G.G. Electron collision frequency and HF waves attenuation in the ionosphere //1. J. Geomagn. And Aeron. V.5, GI3009, doi:10.1029/2004GI000081, 2005.

134. Gajdanskij V.I., Karpenko A.L., Krasheninnikov I.V., Manaenkova N.I., Silvestrov S. V., SmirnovA.A. The Base Network Digital Ionospheric Station "PARUS" // XXVth General Assembly of the international union of radio science, Abstracts. 1996. P. 360.

135. Gething P.J.J. The calculation density profiles from oblique ionograms. // Jour. Atmos. Terr. Phys. 1969. V.31. No.3. P. 347-356.

136. Gething P.J.J. The calculation Density Profiles from Oblique Ionograms. Jour. Atmos. Terr. Phys. 1969. V.31. No.3. P. 347-356.

137. George P.L. True Height Analysis of Oblique Incidence HF Radio Wave Data. // Jour. Atmos. Terr. Phys. 1970. V.32. No.5. P.905-916.

138. Groves G. V. Seasonal and latitudinal models of atmospheric temperature pressure and density, 25 to 110 km. // Mass. USA. Air Force Cambridge Res. Labs., L.G. Hanscom Field. 1970. 76 p.

139. Gudman J.M. HF Communication: Science and Technology. New York: Van Nostrand Reinhold, USA. 1992. 631 p.

140. Gulyaeva T.L. Implementation of a new characterictic parameter into the IRI sub-peak electron density // Adv. Space Res. 1983. V. 2. No. 10. P. 191-194.

141. Gulyaeva T.L., Tithe ridge J.E., Rawer K. Discussion of the valley problem in N(h) analysis of ionograms // Advances in Space Research. 1990. V.10. No. 8. P. 123-126.

142. Hazelgrove J. Ray theory and a new method for ray tracing. The physics of the ionosphere. Phys. Soc. London. 1955. P. 355-364.

143. Hedin A.E., Salah J.E., Evans J. V. ea al. A global thermospheric model based on mass spectrometer and incoherent scatter data. MSIS. 1. N2 density and temperature // Jour. Geoph. Res. 1977. V. 82. No. 16. P. 2139-2147.

144. Hedin A.E., Reber C.A., Newton G.P. ea al. A global thermospheric model based on mass spectrometer and incoherent scatter data. MSIS.2. Composition 11 Jour. Geoph. Res. 1977. V.82. No. 16. P. 2148-2156.

145. Herbert T. Tables of virtual heights for models of monotonic and nonmonotonic ionospheric layers. Radio Science. 1967. V. 2. No. 10. P. 1269-1277.

146. Honary F., Borisov N., Beharell M, Senior A. Temporal development of the magnetic zenith effect. 2011. J. Geophys. Res., 116, A06309, doi: 10.1029/2010JA016029.

147. Jacchia L.G. Thermospheric temperature, density, and composition: new models. Special report N 375 // Mass. USA, Smithsonial Astrophys.Obser. 1977. 106 p.

148. Jiuhou L., Libo L., Weixing W., Shun-Rong Z. Variations of electron density based on long-term incoherent scatter radar and ionosonde measurements over Millstone Hill. Radio Science. V. 40. RS2008, doi:10.1029/2004RS003106, 2005.

149. Fenwick R.B. Oblique chirpsounders: the HF communication test set. //Barry Research Corporation. Technical Note 2, February, 1973.

150. Fenwick R.B. Oblique chirpsounders: the HF communication test set. // Communication news, February. 1974. P.243-248,

151. Forbes J.M., Palo S.E., ZhangX. Variability of the ionosphere // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2000. V. 62. № 8. P. 685 693.

152. Krasheninnikov I. V., Liannoy B.E. Inversion Techniques for Determining the Electron Density Profile from Oblique Incidence Ionograms // Adv. Space Res. 1988. V.8. No. 4. P.83-87.

153. Krasheninnikov I.V., Liannoy B.E. Estimation of the ionospheric height profile with a continious gradient from oblique sounding data. Jour. Atmos. Terr. Phys. 1990. V.52. No 2. P. 113-117.

154. Krasheninnikov I. V., Jodogne J.-C. and Alberca L.F. Compatible analysis of vertical and oblique sounding data. Annali di Geofisica. 1996. V.39(XXXIX).No.4.P.763-768.

155. Krasheninnikov /., Egorov LB. IRI-2001 model efficiency in ionospheric radiowave propagation forecasting. // Jour. Advances in Space Research. 2010. V.45. P.268-275.

156. Krasheninnikov /., Pezzopane M., Scotto C. Application of Autoscala to ionograms recorded by the AIS-Parus ionosonde. // Computers & Geosciences. 2010. V.36. P.628-635.

157. Kravtsov Yu.A., Orlov Yu.I. Caustics, Catastrophes and Wave Fields. SpringerVerlag Berlin Heidelberg. 1999. 216 p.1.bb R.J., Titheridge J.E. The valley problem in bottomside iono gram analysis. // Jour. Atmos. Terr. Phys. 1977. V.39. No.l. P.35-42.

158. Maltseva O.A., Poltavsky O.S., Shlyupkin A.S. The model IRI residual difference and the new method of N(h)-profile determination. Acta Geophysica. 2007. V. 55.No. 3.P.28-41.

159. Meltz G., Holway L.H. and Tomjanovich N.H. II Radio Sci.1974. V. 9.No6.P.10491054.

160. Maslin N.M. HF Communication: A System Approach. Pitman Publishing. 1987.240 p.

161. Paul A.K. A simplified inversion procedure for calculating electron density profiles from ionograms for use with minicomputers // Radio Sci. 1977. V.20.No. l.P. 119-123.

162. Paul A.K., Smith G.H. and Wright J.W. Ray-Tracing Synthesis of Ionogram Observations of a Large local Disturbance in the Ionosphere // Radio Sci. 1968. V.3. No.l. P. 15-26.

163. Pezzopane M. Interpre: a Window software for semiautomatic scaling of ionospheric parameters from ionograms // Computer & Geosciences. 2004. 30. P. 125-130.

164. Pezzopane M., Scotto K., Tomasik L., Krasheninnikov I. Autoscala: an Aid for Different Ionosondes //Acta Geophysica. 2010. V.58. No.3. P.513-526.

165. Piggot W.R.,Rawer K. URSI handbook of ionogram interpretation and reduction. -World Data Center A. Rep. UAG-23A. Boulder. 1978. 206 p.

166. Philip B. and Gallagher H. Radio-frequency Backscatter of Artificial Electron Cloudes // Journ. Geophys. Res. 1968. V.68. No. 10. P.2987-3010.

167. Popov M.M. A new method of computation of wave fields using Gaussian beams. // Wave Motion. 1982. V. 4. No. 1. P. 85-97.

168. Rao NN. Bearing deviation in high-frequency transionospheric propagation. Radio Science. 1969. V.4. No. 2. P. 153-160.

169. Rao N.N. A note on the analysis of oblique ionograms. Jour. Atmos. Terr. Phys. 1973. V.35. No.8. P. 1561-1563.

170. Rash J.P.S., Gledhill J.A. Electron density profiles over the Southern ocean from oblique incidence ionograms. Jour. Atmos. Terr. Phys. 1984. V.46. No. 10. P.945-951.

171. Raver K., Bilitza D. International Reference Ionosphere plasma densities: Status 1988. // Adv. Space Res. V. 10. No. 8. 1990.

172. Reilly M.H. Ionospheric true height profiles from oblique ionograms. Radio Science. 1986. V. 20. No. 3. P. 280-286.

173. Reinisch B.W., Huang X., Galkin I.A„ Pazhukhov V., Kozlov A. Recent advances in real-time analysis of ionograms and ionospheric drift measurements with digisondes. Jour. Atmos. Sol. Terr. Phys., 2007. V.67. P. 1054-1062.

174. RishbethH., MendilloM. Patterns of F2-layer variability. // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2001. V. 63. № 15. P. 1661-1680.

175. Smith M.S. The calculation of ionospheric profiles from data given on oblique incidence ionograms. Jour. Atmos. Terr. Phys. 1970. V. 32. No. 6. P. 1047-1056.

176. Titheridge J.E. Starting model for the real height of ionograms // Jour. Atmos. Terr. Phys., 1986. V.48. No.5. P.435-446.

177. Titheridge J.E. Ionogram analysis: Least square fitting of a Chapman-layer peak. // Radio Science, 1985. V.20. No.2. P.247-256.

178. Titheridge J.E., Lobb R.J. A least-square polynomial and its application to topside ionograms. //Radio Science, 1977. V.12. P.451-459.

179. Titheridge J.E. The real height of ionograms: a generalized formulating. Radio Science, 1988. V.23. No.5. P. 831-849.

180. Samardjiev T., Bradley P.A., Cander Lj.R. and Dick M.J. Ionospheric mapping by computer contouring techniques // Electronic Letters. 1993. V.29. No. 20. P. 1794-1795.

181. Sales G.S., Reinicsh B.M., Dorois C.S., Field E.C., Warber C.R. Ionospheric modification with oblique incident radio waves. Proc. II Suzdal Symposium, Moscow. 1979. P.79.

182. Sales G.S., Piatt I. G., Hains D.M., Huang Y., Heckscher J. Recent measurements of oblique HF ionospheric modification. Proc. Ill Suzdal Symposium, Moscow. 1991.P. 221.

183. Scotto C. Electron density profile calculation technique for Autoscala ionogram analysis // JASR. V. 44. No.6. doi: 10.1016/j.asr. 2009.04.037. 2009.

184. Sherstyukov O.N., Akchurin A.D., Ryabchenko E.Yu. Statistical modeling of the radio wave propagation under sporadic E-Layer influence. // Jour. Advances in Space Research. 2008. V.43. P.1835-1839.

185. Spaulding A.D., Stewart F.G. An Updated Noise Model for Use in IONCAP. NTIA Report TR-87-212. 72 p. 1987.

186. Sulzer P. G. Sweep-frequency pulse-transmission measurements over a 2400-km path // Journal Geophysical Research. 1955. V.60. No. 4. P. 411-420.

187. Villard O. G. The ionospheric sounder and its place in the history of radio science // Radio Science. 1976. V.ll. No. 11. P.847-860.

188. Wieder B. Some Results of a Sweep-frequency Propagation Experiment over an 1150-km East-West Path // Jour. Geoph. Res. 1955. V.60. P.395-410.

189. Wright J. W. The lifetime and movement of artificially produced electron cloudes observed with spaced ionosondes // Jour. Geoph. Res. 1963.V.68. P.3011-3016.

190. Wright J. W. Ionosonde studies of some chemical releases in the ionosphere // Radio Science Jour. Res. NBS.1964. V.68 D. No. 10. P. 189-196.

191. Wright J. W, Paul A.K. Toward Global Monitoring of the Ionosphere in Real Time by a modern Ionosonde Network: the Geophisical Requirements and Technological Opportunity. NOAA Environmental Research Laboratories, Boulder, Colorado. 1981.

192. Zabotin N.A., Wright J.W, Zhbankov G.A. NeXtYZ: Three-dimensional electron density inversion for dynasonde ionograms // Radio Science. V.41. RS6S32. doi: 10.1029/2005RS003352. 2006.