. Компьютерное моделирование (стр. 12 )

Были использованы также результаты измерения напряжённости поля на трассе Новосибирск – Иркутск за несколько летних месяцев 1990 г. [72]. Измерения проводились в освещённое время суток типовым устройством FSM-11 с использованием рамочной системы. Отсчёты с интервалом в 2 мин усреднялись внутри каждого часа. Для выбранной рабочей частоты (15 МГц) был осуществлён предварительный анализ наличия станционных помех. По всему массиву наблюдений получены значения
D = –2,5 дБ; s = 8 дБ.

Таким образом, подводя итоги проведённого сравнения, можно говорить о том, что разработанная базовая модель достаточно хорошо описывает и средние по большому временному интервалу значения напряжённости поля сигнала.

2.4. Моделирование квазикритического распространения

Квазикритическое распространение при ионосферной связи играет непосредственно небольшую роль, так как обладает значительным затуханием сигнала, обусловленным геометрической расходимостью верхних лучей. В то же время, как будет показано ниже, этот вид распространения может играть важную роль для попадания энергии в подслойные и межслоевые ионосферные каналы, прохождению сигнала в которых свойственно отсутствие потерь при промежуточных отражениях от земной поверхности и относительно слабое поглощение, в силу того, что сигнал идет выше основного поглощающего слоя Д. Поэтому такой механизм распространения выгоден на дальних и сверхдальних трассах. Исследование возможностей его реализации представляет актуальную задачу для организации экономичных линий ионосферной декаметровой связи.

2.4.1. Захват в подслойный волновод при наличии горизонтальных
градиентов электронной концентрации

Исследуем [90] возбуждение подслойного волновода на модели ионосферного слоя с наличием переходной области, в которой высота максимума слоя меняется по следующему закону:

Здесь ε, как и ранее – диэлектрическая проницаемость, (fкр – критическая частота слоя, fраб – рабочая частота); z1 – высота максимума слоя, α1 определяет полутолщину слоя, т. е. расстояние от максимума, на котором величина второго члена в правой части (2.1) меняется в e раз; x и z – координаты введенные в подразделе 1.3, a – радиус Земли. Наличие ε11 приводит к появлению области с горизонтальным градиентом высоты максимума слоя: слева от этой области она равна z1, справа – z1χ, а в самой области плавно изменяется между этими значениями. Максимальный градиент (при χ = 0, в середине переходной области) характеризует β, т. е. для заданного значения χ параметр β определяет ширину переходной области.

На рис. 2.11 показаны траектории лучей, полученные в такой модели при положении излучателя в точке x = 1800 км и следующих значениях параметров (2.1) и (2.2): ε1 = 0,08, z1 = 300 км, α1 = 4·10-4 км-2 (полутолщина слоя при этом равна 50 км); χ = 0,7 и β = 0,3 · a (высота максимума слоя возрастает в направлении от передатчика на 90 км в области шириной около 1000 км).

Рис. 2.11. Траектории лучей для модели ионосферы (2.1)–(2.2) при положении излучателя в точке с x = 1800 км. Пунктиром нанесено изменение zm слоя по оси x

Из рисунка видно, что, вследствие положительного градиента высоты максимума слоя возникают рикошетирующие траектории, наименьшие высоты прохождения которых над Землей h порядка 100–150 км. Отражаясь вторично от слоя, высота которого дальше не меняется, лучи вновь проходят примерно на тех же высотах над поверхностью Земли, не касаясь ее, снова отражаются от слоя и т. д. Из рисунка также видно, что такие траектории дают как нижние, так и верхние квазикритические лучи [122], скользящие в узкой области вблизи максимума слоя. Выяснение относительной роли нижних и верхних лучей при возбуждении подслойных волноводов представляет несомненный интерес. В связи с этим были проведены дальнейшие исследования. Они показали, что для нижних лучей значение h наибольшие, когда точка отражения лежит вблизи области максимального градиента высоты максимума слоя. Для верхних скользящих вдоль участка критической рефракции вблизи максимума слоя лучей наименьшие высоты прохождения рикошетирующей траектории над поверхностью Земли значительны (больше 100 км), когда выход из участка критической рефракции происходит в интервале расстояний от x ≈ 50 км до x ≈ 300 км. Когда точка выхода из участка скольжения лежит в области с x ≈ 300 км и более, значения h уменьшаются и становятся равными нулю. При выходе из участка скольжения в области с -300 км < x < 0 прикритические лучи не возбуждают подслойный волновод, их траектории или спускаются на Землю, или преломляются сквозь слой. Когда скользящие лучи отрываются от уровня критической рефракции в области с x ≤ -300 км, они снова выходят на рикошет, но значения h при этом небольшие – порядка 30 км.

Интервал начальных углов падения φ0, в котором возможен эффективный захват в подслойный волновод нижних лучей составляет несколько градусов и весьма мал (менее градуса) для верхних.

По мере приближения излучателя к переходной области происходит следующее. При положении точки излучателя с x = 1100 км и менее квазикритические лучи не дают эффективных рикошетирующих траекторий (за исключением случая, когда рабочая частота близка к МПЧ, см. ниже), так как при этом точка выхода из участка скольжения лежит в области с x < 50 км. Нижние лучи захватываются в подслойный волновод с величинами h > 100 км вплоть до положения точки излучения с x ≈ 700 км, при этом начальные значения углов падения, при которых обеспечиваются наибольшие значения h, уменьшаются. Таким образом, с упомянутой оговоркой, при положении точки излучения в интервале 700 км < x <
< 1100 км эффективно захватываются в волновод только нижние лучи.

При удалении излучателя от переходной области нижние лучи выходят на рикошет с большими значениями h, пока точка излучения лежит в области до x ≈ 2000 км (значения φ0, при которых величины h максимальны, увеличиваются при этом до π/2). Скользящие же лучи дают эффективные рикошетирующие траектории и при дальнейшем удалении точки излучения от переходной области. Вышесказанное иллюстрирует рис. 2.12, где представлены зависимости наибольших значений h–hm от положения точки излучения относительно середины переходной области (x = 0) для нижних (сплошной линией) и верхних квазикритических (пунктирной) лучей, полученные при тех же значениях параметров (2.1), (2.2).

Рис. 2.12. Зависимость hm для модели ионосферы (2.1)–(2.2)

от положения точки излучения (сплошная линия – для нижних лучей,
пунктирная для верхних квазикритических)

С увеличением рабочей частоты наименьшие высоты прохождения над Землей рикошетирующих траекторий увеличиваются, причем это увеличение значений h происходит и для траекторий, которые дают скользящие лучи, выходящие из участка критической рефракции за переходной областью. Для них в пределе (при приближении fраб к МПЧ), как показали расчеты, значения h становятся порядка величины перепада высоты максимума, т. е. в данном случае ~ 100 км, лучи же, выходящие из участка скольжения в области с 50 км ≤ x ≤ 300 км, дают значения h, гораздо большие.

Из приведенных результатов следует, что при захвате в подслойный волновод скользящих лучей вследствие наличия горизонтальных градиентов высоты максимума слоя определяющей для получения эффективных рикошетирующих траекторий является не величина перепада этой высоты, а величина градиента ее в переходной области. Этот вывод был подтвержден при анализе траекторий, полученных при значениях параметров (2.1), (2.2), но с меньшими величинами β – наименьшие высоты прохождения над Землей захваченных в подслойный волновод скользящих лучей значительно уменьшились при β = 0,2 и упали до 0 при β = 0,1.

Рассмотрим теперь полученные результаты исследования захвата в подслойный волновод вследствие градиентов критической частоты. Ионосферная модель была взята аналогично (2.1), только имела переходную область не с перепадом высоты максимума слоя, а с перепадом критической частоты:

Параметры (2.3) имеют тот же смысл, что и в (2.1), (2.2). На рис. 2.13 показаны для примера рассчитанные траектории лучей для положения точки излучения с x = -1400 км при ε1 = 0,02; α1 = 4·10-4 км-2; z1 = 300 км; β = 0,3 и χ = 0,25 (такие значения β и χ соответствуют уменьшению критической частоты слоя наполовину в переходной области порядка 1000 км).

Рисунок показывает, что так же, как в рассмотренной выше ситуации с градиентом высоты максимума слоя, эффективный захват в подслойный волновод наблюдается для нижних и скользящих лучей. Исследования, проведенные аналогично выше описанным, дали следующие результаты.

При перемещении точки излучения относительно переходной области было установлено, что для нижних лучей наблюдается соответствующая случаю с градиентом высоты максимума слоя зависимость hm от положения точки излучения, эффективный захват происходит, когда она удалена от середины переходной области, примерно от 700 до 2000 км
(-700 км ≤ x ≤ 2000 км).