. Компьютерное моделирование (стр. 11 )

Рис. 2.5. Результаты расчёта углов прихода декаметровых радиотрасс
на односкачковой среднеширотной трассе для различных моделей ионосферы:

Для расчётов по модели IRI характерно значительное занижение углов места. Анализ формы профилей N(h), даваемых по трассе моделями IRI и ПЭМИ, показал, что данное занижение связано с отличиями в описании зависимости N(h) на средних высотах ионосферы от максимума слоя Е до максимума слоя F2, в частности, отсутствием в IRI выделения слоя F1 в ряде случаев. Надо отметить, что в более поздних вариантах этой модели ведется уточнение формы профиля на данных высотах.

Для модели ИПГ форма профилей мало отличается от ПЭМИ, но различия в рассчитанных значениях углов связаны, как было установлено, в основном, с заданием высоты максимума слоя F2 (hmF2). Сравнение модельных значений hmF2 с данными станций вертикального зондирования (ВЗ), привлечёнными для анализа, показало, что в некоторых точках кривой для февраля 1976 г. модель ИПГ дала более близкие к реальным значения hmF2, чем ПЭМИ. В этих случаях и значения рассчитанных углов ближе к экспериментальным. Однако в большинстве ситуаций модель ИПГ по значению hmF2 хуже, чем ПЭМИ, соответствовала данным станций ВЗ.

Поэтому дальнейшее более широкое сравнение было проведено для ПЭМИ и РМИ. Однако последняя модель построена на основе данных, полученных в периоды равноденствия, и поэтому рекомендуется к использованию именно в эти периоды. Поэтому из всего массива данных по углам места нижних лучей были отобраны данные для близких к равноденствию месяцев. На рис. 2.6 представлены результаты сравнения эксперимента и расчёта для выбранных месяцев.

Рис. 2.6. Примеры сравнения точности моделей ПЭМИ и РМИ
для периодов, близких к равноденствию. (Обозначения те же, что на рис. 2.5)

Можно видеть, что в целом обе модели достаточно хорошо согласуются с экспериментом. Так, средняя ошибка составляет лишь 0,9° для РМИ и 0,85° – для ПЭМИ. В то же время выполненные расчёты этих данных по месячным прогнозам распространения радиоволн [29, 115] дали ошибку 2,85°, т. е. примерно в три раза большую.

Тем не менее указанная область ограничения в РМИ сужает её применение в практических расчётах радиотрасс, тогда как ПЭМИ применима для всех сезонов года. Дальнейшая оценка точности для неё была выполнена по полному массиву наблюдений углов места, включающему и чисто летние и зимние месяцы [2]. Примеры сравнения расчёта и эксперимента в некоторые из них приведены на рис. 2.7. Анализ всех ситуаций (более 100) показал, что наблюдаемые значения углов места нижних лучей в среднем лишь на 1,4° превышают значения, рассчитанные по модели, при среднеквадратическом отклонении примерно 1,5° относительно средней ошибки.

Рис. 2.7. Примеры оценки точности модели ПЭМИ для летнего и зимнего периода.
(Обозначения те же, что на рис. 2.5)

Таким образом, базовая модель радиоканала даёт хорошую точность (средняя ошибка лишь немного превосходит инструментальную погрешность) описания средних значений важнейшего, с точки зрения оценки применимости модели, параметра сигнала.

Представляет интерес, большей частью для проверки алгоритма расчёта, а не задания среды, и оценка точности описания средних значений углов места верхних лучей (лучей Педерсена). На рис. 2.8 а, б приведено [8, 27] сравнение расчёта и эксперимента для двух месяцев используемого периода наблюдений.

Рис. 2.8. Сравнение данных расчёта и эксперимента для bР.
(1 – эксперимент, 2 – расчёт)

Можно также говорить о хорошем совпадении данных расчёта и эксперимента. В целом результаты данного раздела показывают, что разработанная базовая модель радиоканала достаточно адекватно описывает средние, за большой период наблюдений (около месяца), значения траекторных характеристик сигнала.

2.3. Расчёт средних значений напряжённости поля сигнала

Задача расчёта напряжённости поля в точке приёма является одной из самых сложных при ионосферном распространении радиоволн [16, 60, 80, 113]. На напряжённость, кроме факторов, связанных со средой распространения, влияют и факторы, определяемые используемыми техническими средствами, точное знание которых весьма затруднено. Тем не менее, применение более точного описания среды и строгих методов расчёта даёт возможность повысить точность расчёта и этого параметра.

Выполненное численное моделирование для различных радиотрасс показало, что при расчётах напряжённости поля существенное значение оказывает задание N(h) в области высот слоя D (от 80 км и ниже). Надо отметить, что вариации N(h) в этой области изучены недостаточно полно, тем не менее, имеются отдельные экспериментальные данные, по которым можно оценить разброс N(h) на этих высотах.

В то же время регистрируемые относительные отклонения частоты соударений n(h) в данном интервале высот значительно меньше, чем для N(h) и дают изменения поглощения (и, следовательно, и напряжённости поля) также существенно меньше.

Таким образом, предварительная оценка показала, что форма профиля N(h) в ПЭМИ, для высот области D должна быть уточнена. Для этого были использованы данные модели [19], построенной на большом массиве однородных измерений рефракции сверхдлинных волн, охватывающих широкий диапазон гелиогеофизических условий.

В ПЭМИ для описания зависимости N(h) на рассматриваемых высотах, за основу взята модель [67], в соответствии с которой профиль N(h) представлен в виде двух экспонент с границей между ними на высоте 65 км. Нижняя экспонента определяется значением N на начальном уровне высот – 40 км, которое может быть обозначено как N0. Верхняя экспонента на уровне 65 км сшивается с нижней, а её показатель варьируется в зависимости от получаемого решения в области выше 100 км. Таким образом, задавая различные значения N0, можно получать ту или иную форму профиля N(h) на данных высотах. Путём сравнения с данными модели [19] было подобрано значение N0, при котором суммарные расхождения по N между двумя моделями наименьшие. На рис. 2.9 показано для примера сравнение профилей N(h) для модели [19] и ПЭМИ с тремя значениями N0. Видно, что значение N0 = 2 см-3 даёт профиль, лучше согласующийся с моделью [19].

Оценка точности расчётов средних значений напряжённости поля была выполнена по данным измерений на нескольких среднеширотных трассах. В табл. 2.2 приведены [105] результаты сравнения расчёта и эксперимента для трассы Хабаровск – Иркутск в феврале 1985 г. Измерялась на специализированной установке средняя за 100 с амплитуда, наводимая суммарным сигналом на вертикальном вибраторе длиной 1,8 м. Для измерений были выбраны сравнительно низкие рабочие частоты и утренний период наблюдений, когда, несмотря на значительное поглощение радиоволн в ионосфере, сигнал уверенно выделялся на фоне помех. Было отобрано 90 сеансов за 6 дней эксперимента в период 0,4–10LT (LT – местное время) для середины трассы. Передатчик излучал на частотах 4–11 МГц сигнал мощностью 25 кВт. В качестве передающей системы использовался вертикальный вибратор ВВДШ – 8/39,5´1,5. При расчётах коэффициенты усиления передающей и приёмной антенн брались из [31].

Рис. 2.9. Сравнение профилей N(h)

Таблица 2.2

Сравнение расчётных и средних экспериментальных значений

напряжённости поля на трассе Хабаровск – Иркутск, февраль 1985 г.

fP, МГц	Часы, LT	ЕЭ, дБ	EP, дБ
4	04–06	5	26
7	04–06	28	32
7	06–08	35	34
8,2	06–08	35	30
11	06–08	36	34
11	08–10	30	28

Значения ЕЭ в таблице получены усреднением за все сеансы наблюдений внутри указанных двухчасовых периодов времени. Из таблицы можно видеть неплохое совпадение значений ЕЭ с расчётными EP, за исключением данных для ночного периода на частоте 4 МГц. Средняя ошибка D = <ЕЭ – EP> составила 2 дБ при s(СКО) = 7 дБ. Последнее значение близко к инструментальной ошибке измерений амплитуды, оцениваемой в 6 дБ [105]. В то же время значения D и s, полученные при расчётах по известному методу [41], составили соответственно 11 дБ и 21 дБ.

На рис. 2.10 приведены данные расчёта Е и измерений [71] на трассе Москва – Чита для апреля 1989 г. Экспериментальные данные получены усреднением за 10 дней месяца получасовых значений, каждое из которых получалось по 6 значениям, представляемым для устранения быстрых флуктуаций, связанных с изменением поляризации и интерференции магнитно-ионных компонент, усреднение по 200 отсчётам. Вертикальные линии на точках характеризуют наблюдаемый разброс значений внутри получаса. Как видно из рисунка, расчёты (сплошная линия) соответствуют измерениям в пределах регистрируемого разброса.

Рис. 2.10. Сравнение данных расчёта и эксперимента для Е на трассе
Москва – Чита, апрель 1989 г.