. Компьютерное моделирование (стр. 14 )

Рис. 2.16. Траектории лучей для модели ионосферы (2.4)–(2.6)
при расположении передатчика на расстоянии 1750 км слева от середины переходной области (сплошные линии). Пунктиром нанесены изолинии ε(x,z)·(1+z/R0)2 = const

Узкая группа лучей, проскользивших вдоль максимума нижнего слоя, оказывается захваченной в межслоевой волновод (осциллирующие траектории на рис. 2.16). Эта группа квазикритических лучей и ответственна за возбуждение межслоевых ионосферных каналов [92]. Так как критическая частота нижнего слоя у нас уменьшается вдоль трассы распространения, то эти траектории, вообще говоря, должны преломиться из волновода обратно в нижнюю атмосферу. Но для скользящих квазикритических лучей оказывается в данном случае достаточно незначительного горизонтального градиента в нижней части слоя F2 (см. поведение изолиний на рис. 2.16), чтобы быть захваченными в волновод.

Траектории на модели (2.4)–(2.6) рассчитывались для слоев E и F2, F1 и F2 при различных значениях ее параметров и величинах продольных градиентов электронной концентрации нижнего слоя. Результаты показали, что, когда градиенты значительны, количественные оценки для углов захвата могут быть получены и методом адиабатического инварианта (их величины для канала EF даны в [106, 108]). Однако когда величины градиентов меньше (порядка 0,05–0,1 Мгц на 100 км при fраб = 17 Мгц), существенным при захвате становится квазикритическое распространение, т. е. захват в межслоевой волновод могут обеспечить лучи в очень узком секторе (≤ 0,1º) вблизи критического угла для нижнего слоя, скользящие на некотором участке вдоль уровня критической рефракции в слое. В [95] показано, что в этом случае адиабатический инвариант не сохраняется и метод, основанный на его сохранении, может привести к неверным оценкам. Естественно, что квазикритические лучи возбуждают канал и в случае значительных градиентов, но их вклад по сравнению с лучами, углы выхода которых более отстоят от критического, будет определяться величиной их расходимости и зависимостью фокусировки траекторий в волноводе от угла, образованного захваченной траекторией и осью волновода [63]. Следовательно, при анализе эффективности такого захвата необходим учет расходимости лучей, которая может быть велика и, например, сравнима по величине с поглощением сигнала. Поэтому при расчете траекторий находилась также (см. формулу (1.19)) степень пространственного расхождения лучей J относительно распространения в свободном пространстве. На рис. 2.17 показана полученная для траекторий, изображенных на рис. 2.16, зависимость J от начального угла падения на ионосферу φ0. Для удобства на этом рисунке на оси абсцисс сделано два разрыва, и масштаб по ней неравномерен. Из данного рисунка видно, что для скользящего механизма захвата в межслоевой волновод расходимость может достигать 30–40 дБ.

Рис. 2.17. Зависимость расходимости лучей от угла падения на ионосферу при расположении передатчика на расстоянии 1750 км слева от середины нерегулярного участка

Возбуждение межслоевого канала возможно и при распространении лучей в сторону роста электронной концентрации нижнего слоя. На такую особенность указывалось в работе [24]. На рис. 2.18 приведены полученные нами траектории для среды с параметрами теми же, что и для рис. 2.16, но при расположении источника на расстоянии 1000 км справа от середины переходной области. Рисунок показывает, что прежде чем быть захваченными в волновод лучи должны проскользить определенной длины участок вблизи максимума нижнего слоя, т. е. налицо скользящий механизм захвата, при котором необходимо учитывать расходимость лучей. Этот факт и результаты дополнительно проведенных исследований говорят о том, что и в случае рефракционной «запитки» ионосферных каналов на участках трассы с ростом электронной концентрации при сравнительно небольших градиентах в канал захватываются только скользящие квазикритические лучи.

Рис. 2.18. Траектории лучей для среды с параметрами теми же,
что и для рис. 2.16, но при расположении источника на расстоянии 1000 км справа от середины переходной области. Пунктиром нанесены изолинии ε(x,z)·(1+z/R0)2 = const

В ходе исследований было также установлено [79], что захват скользящих квазикритических лучей в волновод будет наблюдаться и тогда, когда отклонения от монотонного хода высотной зависимости электронной концентрации в области нижнего слоя малы (несколько процентов), т. е. нижележащая ионизация выражена не ярко, и в высотном профиле N(z) имеется лишь точка перегиба ниже максимума основного слоя. Такая ситуация для регулярного профиля соответствует появлению или, наоборот, вырождению слоя F1.

3. Адаптация параметров ионосферного
радиоканала к текущим условиям

Известно, что ионосфера в отдельные дни испытывает значительные вариации описывающих ее параметров, что приводит к изменению условий распространений сигнала на ионосферных радиотрассах. Точное задание ионосферы в конкретной ситуации является сложной и трудоемкой задачей, не имеющей в настоящее время полного решения. Как указывалось выше, удовлетворительно описываются лишь среднемесячные вариации параметров ионосферы, для чего создан ряд соответствующих моделей. Вместе с тем для оперативного учета влияния изменений параметров ионосферы в текущих условиях на работу радиолинии можно адаптировать параметры ионосферного радиоканала, задаваемые по среднемесячной модели. Методы адаптации радиоканала с привлечением специализированных измерений (построение ионограмм наклонного зондирования (НЗ), определение углов прихода, напряженности поля сигнала на опорных радиолиниях) разработаны в ряде работ (см., например, [6, 15, 86]). В настоящем пособии внимание сосредоточено на методе адаптации среднемесячной модели ионосферы по ее основному параметру – критической частоте без проведения таких измерений, на основе наблюдения временного поведения амплитуды сигналов реперных радиостанций (РРС). Под РРС понимаются радиостанции декаметрового диапазона, рабочие частоты которых и местоположение известны. Например, как реперные могут использоваться радиостанции точного времени, радиовещательные передатчики, маяки систем радиосвязи и навигации, расположенные во многих точках земного шара и т. д. Данные о таких радиопередатчиках являются общедоступными и размещены в сети Internet. Наблюдения относительного изменения амплитуды сигналов РРС легко организовать с применением приемника декаметрового диапазона и использованием для автоматической регистрации результатов персонального компьютера. По сравнению с методами, использующими данные специализированных измерений, достигается выигрыш в простоте реализации и, следовательно, в доступности адаптации.

3.1. Адаптация к текущим условиям параметров ионосферного радиоканала по наблюдениям за сигналами реперных
радиостанций на односкачковых радиолиниях

3.1.1. Методика адаптации параметров радиоканала

Экспериментальные измерения поведения амплитуды сигнала А на односкачковых трассах, выполненные в работах [22, 77] показывают, что в период радиозахода на трассе спад А (и соответственно рост А в период радиовосхода), как правило, носит резкий характер. На рис. 3.1 показан пример изменения усредненной за минуту амплитуды сигнала, полученный [2] на трассе Новосибирск – Иркутск 20 ноября 1989 г. при радиозаходе.

Рис. 3.1. Пример изменения амплитуды сигнала при радиозаходе

Как видно, резкое уменьшение А на 20 дБ происходит в небольшом временном интервале порядка 5 мин. Обобщая результаты измерений, можно заключить, что такое резкое изменение А на 20–40 дБ типично для определенных временных интервалов и связано с тем, что в эти моменты происходит переход от рефракции волны в отражающем слое к ее рассеянию на неоднородностях различных масштабов. Рабочая частота станции при таком переходе в рамках теоретического описания процесса распространения радиоволн соответствует максимально-применимой частоте (МПЧ) радиолинии (частоте смыкания верхней и нижней ветвей на ионограмме НЗ). Изменения амплитуды на более низком уровне значений могут происходить произвольным образом из-за сложного временного поведения неоднородной структуры ионосферы. Таким образом, среднюю точку участка резкого изменения А, превышающего 20 дБ вблизи ее наибольшего (дневного) значения, можно принять за момент времени t0, когда рабочая частота РРС равна МПЧ радиолинии. Заложенная в таком определении ошибка при фиксировании моментов радиовосходов и радиозаходов в спокойных условиях на среднеширотных односкачковых трассах длиной 1000–2000 км не превышает, как показывают оценки [22], 5 мин. Рассматриваемый метод экспериментального определения МПЧи в отличие от измерения МПЧ по регистрации момента максимума А, позволяет избежать больших ошибок из-за замираний интерференционного характера и упростить метод регистрации. Заметим также, что в этом методе для усреднения быстрых и глубоких замираний сигнала из-за интерференции составляющих его лучей, при измерениях должно применяться усреднение за время Δt порядка десятков секунд.

Для определения точности рассматриваемой методики определения МПЧ был проведён анализ данных о суточных изменениях МПЧ на системе среднеширотных радиолиний, представленных в работе [43]. В итоге получено, что на односкачковых радиолиниях среднее изменение МПЧ за пятиминутный период не превосходят 0,2 МГц в дневные и ночные периоды и 0,6 МГц в утренние и вечерние периоды. С учётом того, что погрешность измерения МПЧ при наклонном зондировании (НЗ) ионосферы оценивается на уровне 1,5–2 % [1], можно заключить, что в дневной и ночной периоды дополнительная ошибка определения МПЧ по наблюдениям за сигналами РРС сопоставима по величине с ошибкой метода НЗ, рассматриваемого в качестве опорного, а для утренних и вечерних периодов примерно вдвое больше ошибки метода НЗ. Общая ошибка для методики определения МПЧ на односкачковых радиолиниях по наблюдениям за сигналами РРС может быть оценена, таким образом, как величина, составляющая примерно 3–4 % от значения МПЧ.