. Компьютерное моделирование (стр. 15 )

С другой стороны, расчеты характеристик радиоканала, при адекватном реальным условиям описании ионосферы на трассе и достаточно точном методе определения параметров распространения радиоволн, могут позволить получить близкое к экспериментальному значение максимально применимой частоты – МПЧр. Так, в разделе 2 было показано, что хорошие результаты при расчетах среднемесячных значений МПЧр дает рассматриваемая в настоящем пособии базовая модель радиоканала, сочетающая задание ионосферных условий по глобальной полуэмпирической модели ПЭМИ и расчетов распространения радиоволн по методу характеристик, являющемуся строгим в рамках геометрической оптики.

В то же время в конкретные моменты времени МПЧр может существенно отличаться от измеряемой МПЧи. Первая причина различий заключается в отличии значений параметров регулярной ионосферы в конкретной ситуации от их средних величин, даваемых среднемесячными моделями. Так, для критической частоты ионосферы в средних широтах типичны отличия в пределах ±20 % от среднемесячных значений, получаемых по ПЭМИ [78]. В качестве второй причины таких отличий выступает наличие в ионосфере локализованных перемещающихся возмущений с пространственным масштабом в сотни километров. Наконец, случайные неоднородности ионосферы более мелких размеров могут вносить за счет рассеяния определенный вклад в принимаемый сигнал и изменять значения МПЧ.

Вторая и третья причина отличий МПЧр от МПЧи возможны в сравнительно небольшом проценте случаев, тогда как первая причина присуща конкретной ситуации практически всегда, преобладает по величине отличий и является поэтому наиболее существенной, основной.

Таким образом, отличие МПЧр от МПЧи может служить в большинстве случаев своеобразным индикатором текущего состояния ионосферы на трассе, характеризующим степень различия ее по сравнению с модельным среднемесячным описанием. Используя оперативно получаемую информацию по значениям МПЧи, можно, следовательно, скорректировать параметры модели, т. е. адаптировать ее к текущим условиям.

Задача определения параметров среды по характеристикам распространяющегося в ней сигнала относится к классу обратных задач математического моделирования. Трудности их решения известны, в общем случае такие задачи являются некорректными и не дают однозначного решения. Некоторые полезные результаты при уточнении параметров ионосферы могут быть получены на пути использования упрощенных представлений зависимости электронной концентрации от координат, которые позволяют установить аналитические соотношения между отдельными параметрами модели среды и характеристиками сигнала, распространяющегося в ней (см., например [6]). Тем не менее отличия реальной ионосферы от таких представлений весьма значительны, кроме того, присутствует и связь между изменениями отдельных параметров, не учитываемая в таком подходе.

Нами принят способ оценочного решения обратной задачи, который можно назвать физическим [86]. Он основан на использовании, по возможности наиболее точного метода решения прямой задачи, который, в нашем случае, реализует метод характеристик с заданием ионосферы по ПЭМИ. Далее проводится численное моделирование по установлению степени и характера связей вариаций того или иного входного параметра модели, и изменений некоторой характеристики сигнала. При этом проверяется устойчивость задачи – не появляются ли большие изменения выходных данных при малом изменении входных. В случае выявления определяющего влияния вариаций какого-либо из параметров среды на определенную характеристику сигнала, рассматривается возможность устранения отличий в расчетном и измеряемом значении этой характеристики подбором величины этого входного параметра. При этом для диапазона его изменений берутся типичные значения, определяемые на основе предварительной экспериментальной обработки, или по литературным данным, т. е. используется априорная физическая информация. Разумеется, подобранное значение параметра будет в известной мере эффективным, косвенно соответствующим реальному значению, тем не менее его значение не должно выходить за разумные пределы. Естественно, что при таком способе решения обратной задачи необходима независимая проверка действительного улучшения соответствия модели реальной ситуации. Для этого должна быть использована какая-то дополнительная информация (по другим характеристикам сигнала), получаемая в данный момент времени.

В соответствии с данным способом было выполнено моделирование [69] по влиянию на значения МПЧ односкачковых радиотрасс вариаций основных параметров ПЭМИ – критической частоты, высоты максимума, эффективной полутолщины. Оно показало, что определяющее, наиболее существенное влияние в данном случае оказывают изменения критических частот в области отражения сигнала. При этом изменения задавались для ПЭМИ в точке отражения и величина отклонения f0 от модельного значения линейно уменьшалась в обе стороны от данной точки, исходя из значений радиусов пространственных отклонений критических частот, определенных в работе [28].

Таким образом, имеется возможность изменением в модели значений f0 в области отражения сигнала на трассе добиваться совпадения значений МПЧр радиолинии с экспериментально определяемой из наблюдений за сигналами реперных радиостанций МНЧи, в пределах ошибок измерений. Соответствующие значения f0 могут при этом считаться уточненными, скорректированными на текущую ситуацию. Результативность адаптации к текущим условиям может быть оценена по данным вертикального зондирования (ВЗ) ионосферы.

3.1.2. Получение экспериментальных данных

Определение момента времени t0, когда fр = МПЧи в эксперименте выполнялось следующим образом [22]. Для упрощения регистрации вводилось пороговое кодирование амплитуды, и t0 определялся, как момент перехода через выбранный порог (см. рис. 3.1). Высота порога задавалась на уровне около -20 дБ от максимальных значений сигнала в дневной период. Наблюдения проводились на односкачковой трассе Новосибирск – Иркутск. Был использован один из 18 маяков системы контроля декаметровых каналов, описанной в работе [124]. Преимущество радиостанций этой системы перед другими возможными РРС состоит в том, что каждый маяк работает по постоянному частотно-временному расписанию на пяти частотах в верхней части декаметрового диапазона на ненаправленную в горизонтальной плоскости антенну с максимальной излучаемой мощностью 100 Вт. Временное разрешение с учетом цикла работы составляет 180 с.

Для измерений использовался радиоприемник Р-160П с антенной в виде вертикального вибратора длиной 1,8 м с емкостной нагрузкой на верхнем конце. С учетом используемых в эксперименте длин волн от 11 до 21 м размеры вибратора составляют менее ¼ самой короткой длины волны этого диапазона и можно считать, что направленные свойства антенны практически не зависят от частоты. Согласование антенны с кабелем выполнено с помощью малошумящего усилителя на полевых транзисторах. Таким способом достигнута слабая зависимость свойств антенны в рабочем диапазоне частот, малая изрезанность ее диаграммы в вертикальной плоскости и круговая диаграмма направленности в горизонтальной плоскости, что необходимо при сравнении результатов наблюдений для РРС, работающих на разных частотах.

Для первичной обработки сигнала, выделения его из шумов и помех была применена цифровая фильтрация на основе алгоритма быстрого преобразования Фурье с прямоугольным временным окном длительностью 10 с. С этой целью сигнал с НЧ выхода приемника после аналогового фильтра с полосой пропускания 3 кГц подавался на звуковую карту ПК и выполнялась обработка данных программой BeaconSee (Internet), синхронизированной по времени с частотно-временным расписанием работы маяков.

На основе предварительных наблюдений за сигналами РРС был подобран порог, по которому определялся момент t0. В программе BeaconSee каждому маяку соответствует отдельный сегмент, в котором изображены спектрограммы сигналов и помех за 10-секундные временные слоты, соответствующие периодам работы принимаемой станции. Составляющие спектрограммы в зависимости от интенсивности окрашены в различные цвета: от темно-синего до ярко-желтого. Для примера на рис. 3.2 показана типичная картина, наблюдаемая на экране ПК при наблюдениях за сигналом РРС в пункте Иркутск 1 марта 2004 г. (для удобства рисунок скомпонован из нескольких «экранов» программы).

Рис. 3.2. Пример картины, наблюдаемой на экране ПК

Картинка на рисунке соответствует типичной ситуации для «радиовосхода» (t’0) и «радиозахода» (t"0) в период с 14:03 по 15:00 местного времени. При большой амплитуде уровень сигнала РРС превышает заданный порог и наблюдается засветка экрана. При рабочих частотах
fр > МПЧи из-за сравнительно низкой чувствительности приемной аппаратуры и малой мощности передатчика уровень сигнала не превышает порог и на экране остаются только шумовые составляющие излучения РРС. Отношение сигнал/шум на МПЧи составляло около 20–30 дБ.
С учетом резкого уменьшения сигнала на 20–40 дБ при переходе рабочей частоты через МПЧ субъективные ошибки определения t0 были невелики и по времени не превышали 5 мин.

3.1.3. Оценка эффективности адаптации

В табл. 3.1 для примера приведены отдельные данные уточнения значений f0 в точке отражения сигнала на трассе Новосибирск – Иркутск.

Таблица 3.1

Примеры апробации методики уточнения критических частот ионосферы

Дата	Время LT Иркутск	МПЧи	МПЧр, без коррекции	f0 для Иркутска	∆f0и	∆f0k	∆отн, %
модель без коррекции	модель с коррекцией	данные ВЗ
29.04. 2002 г.	11:16	18,11	19,19	9,38	8,97	8,5	-0,88	-0,47	47
12:00	21,15	19,49	9,49	10,26	10,25	0,76	-0,01	98
30.04. 2002 г.	10:55	18,11	17,34	8,10	9,40	9,0	0,90	-0,40	55
11:45	21,15	18,80	9,20	10,17	10,0	0,80	-0,17	79

Для контроля эффективности коррекции использованы данные вертикального зондирования ионосферы, полученные на станции ИСЗФ СО РАН г. Иркутска [11]. Перенос уточненных данных из точки отражения сигнала трассы в пункт Иркутск осуществлен с использованием ПЭМИ, при этом фиксировалась такая же величина отклонения значений f0 от модельных, как для точки отражения. В колонках таблицы для конкретных дат и моментов наблюдений представлены измеряемые значения МПЧи, расчетные значения МПЧр и величины критических частот для пункта Иркутск, полученные при использовании ПЭМИ в исходном варианте без коррекции. Далее аналогичные величины приведены для расчетов по скорректированной на текущую ситуацию модели ионосферы. В следующих графах таблицы показаны данные ВЗ и абсолютные отличия значений критических частот для двух вариантов модели по сравнению с данными ВЗ. В колонке с обозначением Δ приведены данные в процентах, получаемые в каждом конкретном случае, относительные снижения отличий по f0 между данными ВЗ и модели после коррекции по рассматриваемой методике.