. Компьютерное моделирование (стр. 10 )

Большинство произвольных радиотрасс в декаметровом диапазоне имеют дальности более 1000 км, сравнительно высокие рабочие частоты (больше 7–8 МГц). При расчётах характеристик распространения на них можно не учитывать влияние магнитного поля Земли. Поэтому их удобно выбирать в качестве реперных для решения задачи коррекции модели радиоканала на текущие условия.

Таким образом, основным результатом, полученным в данном разделе, является разработка базовой модели ионосферного декаметрового радиоканала, позволяющей рассчитывать регулярные характеристики сигнала при наклонном распространении на трассах различной протяжённости. Полная схема модели включает учёт большого количества факторов, влияющих на распространение, и используется как опорная для тестовых вычислений. Для решения основного круга поставленных в работе задач правомерно использование упрощённой модели канала, соответствующей распространению в двухмерно-неоднородной изотропной ионосфере.

2. Моделирование распространения
радиоволн в двумерно-неоднородной
изотропной ионосфере

В разделе приведены данные по оценке эффективности базовой модели ионосферного радиоканала, полученные при сравнении результатов расчета по ней основных характеристик сигнала на радиотрассах с экспериментальными данными. Поскольку ионосферная модель дает значения параметров ионосферы, соответствующие среднемесячной ситуации, то результаты расчета по ней характеристик сигнала необходимо сравнивать с измеряемыми на радиолинии данными, усредненными за длительный, порядка месяца, временной интервал. При достаточно адекватном отражении средней картины распространения радиоволн на различных радиолиниях, модель может быть использована для выявления новых особенностей ионосферного распространения радиоволн. В качестве иллюстрации этого в разделе также приведены результаты численного моделирования по исследованию новых физических эффектов, связанных с квазикритическим распространением радиоволн.

2.1. Расчёт средних значений максимально-применимых
частот радиотрасс

Максимально-применимые частоты (МПЧ) являются одним из важнейших параметров радиотрасс [39, 48, 94, 104, 117]. Оценка точности описания средних значений МПЧ базовой моделью радиоканала выполнена по результатам многолетних измерений МПЧ по методике [3] на трассе Хабаровск – Иркутск (1975–1980 гг.), по методике [44] на системе трасс Москва – Иркутск, Санкт-Петербург – Иркутск и Магадан – Иркутск (1982–1989 гг.); измерений, проведённых в отдельные сезоны на трассах Москва – о. Хейса, Москва – Норильск, Москва – Ашхабад. Усреднение экспериментальных данных выполнялось за месячные интервалы. Для примера в табл. 2.1 приведены [35, 36] данные расчёта по базовой модели и экспериментальных измерений МПЧ односкачкового распространения для двух месяцев 1975 г. на трассе Хабаровск – Иркутск, а на рис. 2.1 продемонстрировано сравнение расчётных и экспериментальных данных по МПЧ односкачкового распространения для трассы Москва – о. Хейса в апреле 1980 г.

Таблица 2.1

Сравнение расчётных и средних экспериментальных значений МПЧ односкачкового распространения на трассе Хабаровск – Иркутск, 1975 г.

МДВ, час	МПЧР, МГц	МПЧЭ, МГц
Ноябрь
2,5	14,5	14,6
4,5	17,5	16,9
9,5	16,8	17,0
11,5	14,7	14,5
Февраль
4,5	16,9	17,2
6,0	17,2	17,3
7,5	18,4	17,3
10,5	17,4	17,2
11,5	16,2	16,3
13,5	15,9	16,2

Рис. 2.1. Сравнение расчётных и экспериментальных данных по МПЧ односкачкового распространения для трассы Москва – о. Хейса, апрель 1980 г.

Вертикальные линии дают разброс экспериментальных данных относительно медианы, сплошная линия соответствует расчёту. На рис. 2.2 показан пример сравнения расчёта и эксперимента для МПЧ двухскачкового распространения на трассе Москва – Иркутск в декабре 1987 г., а на рис. 2.3 – пример совпадения расчёта по базовой модели МПЧ трёхскачкового распространения с данными измерений на трассе Москва – Иркутск в марте 1989 г.

Рис. 2.2. Сравнение расчётных и экспериментальных данных для МПЧ двухскачкового распространения на трассе Москва – Иркутск, декабрь 1987 г.

Рис. 2.3. Суточная зависимость средних значений МПЧ моды 3F2 на трассе
Москва – Иркутск, март 1989 г.

В целом анализ всех данных сравнений (более 300 отдельных моментов) показал, что базовая модель обеспечивает достаточно высокую точность расчёта по данному параметру. Так, в условиях малости продольных градиентов на трассе, средняя ошибка для МПЧ односкачкового распространения практически равняется нулю, а среднеквадратичное отклонение s составило 5 %. С ростом степени горизонтальной неоднородности трассы (особенно в утренние и вечерние часы зимой) значения s достигают 15 %.

Для МПЧ двухскачкового и трёхскачкового распространения имеется средняя систематическая ошибка, заключающаяся в занижении расчётных данных по сравнению с измеряемыми на несколько процентов. Выше, примерно в 1,5 раза, и соответствующие значения s для периодов со слабыми и сильными продольными градиентами. Надо отметить, что данные по многоскачковому распространению приведены не только для демонстрации возможностей модели, но и с учетом того обстоятельства, что соответствующие значения МПЧ могут быть использованы для адаптации модели к текущим условиям (см. следующий раздел).

Таким образом, можно полагать, что базовая модель радиоканала практически адекватно описывает усреднённые за месячный интервал значения МПЧ для произвольных трасс среднеширотного региона.

2.2. Расчёт средних значений траекторных
характеристик сигнала

Как показало численное моделирование, вариации МПЧ в большей степени определяются изменением критической частоты ионосферы вдоль трассы и значительно меньше связаны с изменениями N в областях ниже максимума, т. е. с формой профиля N(h). В то же время траекторные характеристики сигнала (время распространения и углы прихода) существенней, чем МПЧ, зависят от особенностей формы профиля N(h). Поэтому точность их описания базовой моделью более полно характеризует эффективность модели. На рис. 2.4 а, б для примера показано [7, 8, 36] сравнение расчётных и измеренных [4] относительных задержек между нижним и верхним лучом Dt для односкачкового распространения на трассе Хабаровск – Иркутск в марте 1976 г. и ноябре 1975 г.

Выделение отдельных мод сигнала обеспечивалось за счёт излучения передатчиком коротких (100 мкс) импульсов. Сеансы измерений проводились 10–12 раз в час, затем было выполнено усреднение внутри часовых интервалов и за отдельные дни месяца (~10). Вертикальные чёрточки на рисунках характеризуют доверительные интервалы усреднения при надёжности 95 % [85], сплошная линия – расчёт. Можно видеть, что базовая модель обеспечивает неплохую точность описания средних значений Dt.

Углы прихода в вертикальной плоскости (углы места), особенно для нижнего луча, интегрально характеризуют изменения N от координат и являются, пожалуй, одним из важнейших [89] параметров, по которым может быть выполнена оценка применимости различных моделей ионосферы к расчётам радиотрасс.

Рис. 2.4. Сравнение данных расчёта и эксперимента по Dt.
(1 – эксперимент, 2 – расчёт)

Поэтому при расчётах углов места нижних лучей были использованы для сравнения некоторые другие модели ионосферы. Хотя при их разработке широко использовалось сопоставление рассчитанных профилей N(h) с отдельными измеряемыми, тем не менее, это не даёт возможности оценить, к каким потерям точности описания характеристик сигнала будет приводить применение той или иной модели для задания ионосферы вдоль трассы.

Среди эмпирических моделей наибольшего внимания, с точки зрения использования их в моделировании распространения радиоволн, заслуживают справочная международная модель IRI [121] и отечественная модель РМИ [21]. Первая рекомендована международным консультативным комитетом по радиосвязи (МККР) и основана на большом объёме экспериментальных данных. Вторая представляет результат обработки также большого числа экспериментальных профилей N(h), в основном среднеширотного региона, и успешно используется для расчётов сверхдальних трасс [25, 116].

В моделях, относимых к теоретическим, можно выделить модель [38], разработанную в Институте прикладной геофизики (ИПГ), так как при её проверке использован широкий набор экспериментальных профилей N(h), получаемых методом некогерентного рассеяния в ионосфере.

При оценке точности моделей были использованы [62, 73, 74, 75 119] данные об углах места нижнего луча за трёхлетний период наблюдений на трассе Хабаровск – Иркутск [4], полученные с помощью широкобазисного фазового пеленгатора с инструментальной точностью определения углов в 1°.

Вначале была выполнена оценка применимости указанных моделей по данным некоторых месяцев периода наблюдений. На рис. 2.5 представлено сравнение экспериментальных данных и расчётных с использованием указанных моделей для двух месяцев – апреля 1977 г. и февраля 1976 г. Видно, что модели IRI и ИПГ в целом хуже, чем ПЭМИ и РМИ, описывают эксперимент.