Удосконалення метеорної радіотехнічної системи моніторингу динамічних параметрів атмосфери землі за сигналами телевізійного мовлення (стр. 3 )

На підставі викладеного у першому розділі робиться висновок про необхідність удосконалення радіометеорного методу моніторингу динамічних параметрів атмосфери Землі та створення нового класу метеорних радіотехнічних систем, що дозволяють використовувати існуючі сигнали мережі ефірного теле/​​радіомовлення як зондуючі для вимірювання швидкості вітру на висотах МНТ. Наприкінці розділу формулюються завдання такого дослідження (див. стор. 4−5).

У другому розділі теоретично обґрунтовано можливість вимірювання швидкості вітру на висотах МНТ методом радіолокації метеорних слідів за сигналами ефірного телевізійного мовлення (СТМ). Аналіз потенційних можливостей використання СТМ як зондуючих показує, що ці сигнали через свій рівень потужності, неперервності і складної структури, котра містить як випадкові інформаційні, так і детерміновані службові складові (такі, як сигнал несучої частоти, рядкові і кадрові синхронізуючі імпульси та ін.), мають великий потенціал для вирішення різноманітних радіолокаційних задач. Основним критерієм придатності СТМ для моніторингу динамічних процесів на висотах МНТ є величина нестабільності їх несучої частоти на інтервалі часу, обмеженому тривалістю існування відбитого від метеорного сліду сигналу (близько 0,1 с). Ця величина має бути значно меншою, ніж очікувані ДЗЧ, викликані дрейфом сліду, і мати порядок не більше 10-8 відносно абсолютного значення несучої частоти. Але нестабільність частоти несучої СТМ на даному інтервалі часу не нормована, визначається параметрами конкретних телевізійних радіопередавачів ефірного мовлення (ТВ РПП) і, отже, має бути визначена експериментально для тих ТВ РПП, сигнали яких планується використовувати як зондуючі (див. розділ 4).

Радіотехнічна система, що реалізує вимірювання швидкості вітру на висотах МНТ методом радіолокації метеорних слідів за СТМ, належить до класу багатопозиційних (рознесених) РЛС.

ДЗЧ для багатопозиційних РЛС може бути розрахований як[1]:

, (1)

де − допплерівський зсув несучої частоти зондуючого сигналу;

− вектор швидкості дрейфу відбиваючої області метеорного сліду;

, − орти в напрямку від метеорного сліду до приймальної і передавальної позицій;

= c/f0 − довжина хвилі зондуючого сигналу;

f0 − частота несучої зондуючого сигналу;

c − швидкість світла.

Вважаючи вітрові рухи на висотах МНТ горизонтальними, вектор швидкості дрейфу метеорного сліду може бути представлений суперпозицією «поздовжньої» і «поперечної» компонент відносно базисної площини РЛС (площини, яка ортогональна поверхні Землі та проходить скрізь приймальну і передавальну позиції). Якщо передавальна позиція розташована в східному або західному напрямках відносно приймальної позиції, тоді «поздовжня» компонента відповідає зональній компоненті вектора швидкості дрейфу метеорного сліду, а «поперечна» компонента - меридіональній.

Для оцінки швидкості вітру за ДЗЧ відбитого сигналу необхідно знайти зворотне розв’язання рівняння (1). Однак таке розв’язання не завжди єдине, тому що ДЗЧ відбитого сигналу визначається одночасно величинами «поздовжньої» і «поперечної» компонент вектора дрейфу сліду. Для оцінки внеску кожної з компонент вектора дрейфу сліду в загальне ДЗЧ відбитого сигналу введено цільову функцію S|| - коефіцієнт селекції «поздовжньої» компоненти:

,

де D|| , D^ [Гц/(м·с-1)] - коефіцієнти пропорційності між ДЗЧ відбитого сигналу і величиною «поздовжньої» ( || ) або «поперечної» (^) компонент вектора швидкості дрейфу сліду відповідно.

Результати розрахунку для відстаней між приймальною і передавальною позиціями у 100...1000 км з урахуванням кривизни поверхні Землі показують (рис. 1), що область максимальних значень S|| знаходиться у просторі над приймальною позицією в діапазоні кутів місця метеорних слідів 90° ± 30° (S|| ≥ 0,7) або 90° ± 45° (S|| ≥ 0,5). Отже, ДЗЧ сигналів, відбитих від метеорних слідів, що знаходяться у просторі над приймальною позицією, визначається переважно «поздовжньою» компонентою вектора швидкості дрейфу сліду і слабко залежить від її «поперечної» компоненти. У цьому випадку зворотне розв’язання рівняння (1) буде єдиним і ДЗЧ відбитого сигналу буде пропорційним лише «поздовжній» компоненті вектора дрейфу сліду.

Просторову селекцію метеорних слідів над приймальною позицією (заштрихована область, рис. 1) можливо реалізувати за допомогою антени з вертикальною орієнтацією максимуму діаграми спрямованості (ДС). Ширина ДС має становити не більше 60...90°, що є конструктивно реалізованою вимогою для антен діапазону 30...80 МГц.

Вертикальна орієнтація приймальної антени дозволяє приймати відбиті від метеорних слідів сигнали, які належать різним ТВ РПП, розташованим на різних азимутальних напрямках відносно приймальної позиції. Кожній парі, що утворена приймальною позицією та одним із ТВ РПП, відповідає свій напрямок вимірюваної «поздовжньої» компоненти вектора швидкості дрейфу метеорного сліду. Цей напрямок визначається азимутом

Азимут (θ), °

Рис. 1. Залежність S|| від кута місця і азимута метеорного сліду у приймальній позиції

ТВ РПП відносно приймальної позиції. Отже, створюється можливість вимірювання різних компонент вектора швидкості вітру для однієї і тієї ж області простору за СТМ різних ТВ РПП, що входять до мережі ефірного телевізійного мовлення. Це дозволяє оцінювати напрямок та модуль вектора швидкості вітру в МНТ.

Необхідною умовою реалізації такого вимірювання компонент вектора дрейфу метеорного сліду є наявність апріорі відомої інформації про азимут на ТВ РПП, який є джерелом прийнятого СТМ. Але реальна мережа ефірного телевізійного мовлення складається з множини радіопередавачів, які знаходяться на різних азимутах відносно приймальної позиції і працюють у межах одного радіоканалу. Через це для виконання вимірювань потрібне вирішення додаткової задачі ідентифікації ТВ РПП за відбитим СТМ.

Величина несучої частоти СТМ, що випромінюється конкретним ТВ РПП (робоча частота ТВ РПП),− це сума номінального значення частоти несучої (стала величина для всіх ТВ РПП одного радіоканалу) і зміщення несучої частоти (ЗНЧ). Величини ЗНЧ нормовані, задані індивідуально для кожного ТВ РПП при плануванні мережі ефірного телевізійного мовлення та мають порядок одиниць − десятків кілогерц. Очікувані ДЗЧ несучої СТМ, відбитих від метеорних слідів і викликані їх дрейфом, значно менші величин ЗНЧ і складають одиниці − десятки герц. Отже, величини ДЗЧ і ЗНЧ можуть бути окремо виділені після вимірювання частоти сигналу, відбитого від метеорного сліду. Це дозволяє:

1. Ідентифікувати (за величиною ЗНЧ) ТВ РПП.

2. Оцінити (за величиною ДЗЧ) швидкість дрейфу метеорного сліду вздовж напрямку від приймальної позиції до ідентифікованого ТВ РПП.

Так само у другому розділі описано математичну модель процесу радіометеорного вимірювання швидкості вітру за СТМ. Вихідними параметрами моделі були висотно-часова структура поля швидкості вітру на висотах МНТ, задана профілями зональної та меридіональної компонент; розподіл кутів місця, азимутів і висот метеорних слідів; чисельність реєстрацій СТМ, відбитих від метеорних слідів; довжина хвилі СТМ і нестабільність його несучої частоти, виражена як середньоквадратичне відхилення (СКВ) від номінальної величини робочої частоти ТВ РПП; широта розташування приймальної позиції; азимут і відстань до ТВ РПП, сигнал якого «використовується» як зондуючий. Значення вихідних параметрів задавалися згідно з існуючими результатами радіометеорних спостережень, наведеними у відповідній літературі.

Результати математичного моделювання та оцінки похибок доводять, що найпростіший варіант вимірювання швидкості вітру в МНТ за СТМ може бути реалізований системою, в якій просторова селекція СТМ, відбитих від метеорних слідів, виконується за рахунок ДС приймальної антени, а приймальний пристрій системи лише виявляє відбитий сигнал і вимірює його ДЗЧ (різницю між несучою частотою відбитого сигналу і величиною робочої частоти відповідного ТВ РПП). Така система могла б проводити неперервний моніторинг амплітуд і фаз атмосферних припливів, оскільки величина похибки визначення амплітуд гармонік усередненої добової варіації швидкості вітру менша за очікувані величини амплітуд припливних коливань і становить не більше 10 % від їх значень. При цьому коефіцієнт кореляції між апріорі заданими і розрахованими внаслідок моделювання рядами середньогодинної швидкості вітру набуває значення більше 0,6, що дозволяє з надійністю висновку 0,95 відкинути гіпотезу про їх некорельованість (за умови, що кожен ряд містить не менше 12 оцінок швидкості вітру).