. Компьютерное моделирование (стр. 16 )

Можно видеть, что в ряде случаев коррекция модели позволяет значительно уменьшить расхождения с данными ВЗ. Вместе с тем, в утренний период, когда наблюдаются более сильные продольные градиенты на реперной трассе, снижение отличий не такое существенное. Усредненные оценки для 50 моментов наблюдения в течение двух сезонов за 2002–2004 гг. эффективности уточнения критических частот по сравнению с модельными среднемесячными значениями показали, что рассмотренная коррекция снижает различия модельных значений f0 с наблюдаемыми в текущей ситуации примерно на 70 %, при средних значениях Δf0и и Δf0к равных соответственно 1,4 МГц и 0,4 МГц. Эти результаты, хотя и получены для одной реперной трассы и в силу этого носят предварительный характер, тем не менее свидетельствуют о достаточно высокой эффективности методики коррекции и возможности ее практического использования. Так, в частности, с учетом наличия в программном комплексе методики коррекции модели ионосферы на ее основе может быть выполнено дальнейшее уточнение значений f0 в пределах определенного пространственного региона, а также временного интервала.

Таким образом, рассмотренный способ адаптации параметров ионосферного радиоканала к текущей ситуации по наблюдениям за сигналами РРС на односкачковых радиолиниях использует доступную и достаточно просто получаемую информацию. Способ применим в невозмущенном состоянии ионосферы в средних широтах. Предварительные результаты оценки эффективности разработанного способа адаптации показывают целесообразность его практического применения. На основе применения этого способа может осуществляться уточнение критических частот ионосферы в пределах определенного временного интервала для достаточно протяженного пространственного региона.

3.2. Адаптация среднемесячной модели ионосферы к текущим условиям по данным о максимально применимых частотах двухскачковых реперных радиолиний

Условия односкачкового распространения при адаптации модели по методике, рассмотренной выше, налагают определённые ограничения на выбор возможных реперных трасс. Кроме того, в этом случае коррекция модели проводится в одной точке, что не даёт возможность уточнить описание горизонтальных градиентов электронной концентрации вдоль трассы. Поэтому в развитие методики рассмотрим возможность использования данных о МПЧ, полученных на двухскачковых реперных радиолиниях [22].

3.2.1. Методика адаптации модели по данным о МПЧ двухскачковых
радиотрасс

Определение МПЧ двухскачкового распространения (МПЧ2) по наблюдениям за сигналами реперных радиостанций производится по той же методике, что и для односкачковых радиолиний. Как показывают оценки [84], ошибки определения моментов времени t0 при наблюдениях на двухскачковых радиолиниях длиной 3000–4000 км составляют, в среднем, около 5 мин в условиях спокойной регулярной ионосферы.

При проведении анализа данных о суточных изменениях МПЧ2 на системе среднеширотных радиолиний было получено, что для двухскачковых радиолиний средние изменения МПЧ2 в дневной и ночной периоды такой же величины, как и на односкачковых трассах, а для переходных периодов несколько уменьшаются до 0,5 МГц. Ошибка для методики определения МПЧ на двухскачковых радиолиниях по наблюдениям за сигналами РРС оценивается как величина, составляющая примерно 3–5 % от значения МПЧ.

Расчёт МПЧ двухскачкового распространения (МПЧ2) затруднён тем, что при отражении сигнала от земли на величину МПЧ влияет не только состояние ионосферы вдоль трассы, но и рельеф земной поверхности в области отражения. Непосредственный учёт влияния этого фактора достаточно сложен [84], вместе с тем детальное знание земной поверхности в области отражения сигнала для произвольной трассы вряд ли возможно. С учётом эффективного характера коррекции модели, наиболее приемлемым при её проведении представляется косвенный учёт влияния отражающих свойств земной поверхности, который, как описано в подразделе 1.3 заключается во введении при траекторных расчётах принципа равенства между собой МПЧ отдельных скачков и в целом МПЧ2 трассы. При достаточно широком конусе углов отраженных от земли лучей расчёт траекторий в этом случае должен проводиться не при условии равенства угла падения углу отражения, как для гладкой поверхности земли, а по условию равенства МПЧ на первом и втором скачках. Таким образом моделируется изменение наклона отражающей поверхности и рассеяние радиоволн при отражении от земли, возможные в реальных условиях.

В алгоритме решения прямой задачи при расчёте МПЧ2, в соответствии с таким подходом (см. подраздел 1.3), длины первого и второго скачков изменяются с определённым дискретом, при их общей длине, равной длине трассы, пока не находятся такие дальности скачков, при которых их МПЧ становятся равными, как показано на рис. 3.3.

Рис. 3.3. К выбору длин скачков при расчётах МПЧ2 (f0– критическая частота
слоя F2 ионосферы, D – дальность радиолинии)

Полученное таким образом значение и будет являться рассчитанной МПЧ данной трассы − МПЧ2р. В целях повышения оперативности расчётов для отдельных скачков используется метод (см. подраздел 1.3), заключающийся в построении зависимости МПЧ от дальности скачка с интерполяцией этой зависимости при определении МПЧ на выбранной дальности. Проверка эффективности данного алгоритма определения МПЧ2р, приведённая в работе [11] на той же сети трасс наклонного зондирования, что и в работе [43], показала, что при решении прямой задачи в рассматриваемом подходе обеспечивается приемлемая для проведения дальнейшей коррекции модели точность расчёта среднемесячных значений МПЧ2. Среднее занижение расчетных значений по сравнению с измеряемыми составляет для периодов слабых и умеренных продольных градиентов f0 (менее 0,25 МГц на 100 км) 12 % при среднеквадратичном отклонении величиной 8 %.

Методика коррекции модели ионосферы по данным о МПЧ на двухскачковых реперных радиолиниях использует обоснованный в предыдущем подразделе результат о наиболее существенном влиянии на МПЧ критической частоты слоя F2 в области отражения сигнала в ионосфере. Определение этих областей на каждом из скачков при двухскачковом распространении выполняется на основе решения прямой задачи по расчёту МПЧ2 в исходной модели без коррекции. Далее их положение фиксируется, т. е. дальности скачков закрепляются, и в этих областях независимо варьируются значения критических частот f01 и f02, даваемых ПЭМИ. При этом от точки отражения в обе стороны отклонение от модельного значения величины f0 линейно уменьшается вдоль трассы с учетом радиусов пространственной корреляции отклонений критических частот [28]. Вариации f0 проводятся до тех пор, пока в пределах погрешности измерений расчетные значения МПЧр на каждом скачке не станут равными измеренному значению МПЧ2и радиолинии. Основываясь на том, что исходная модель правильно отражает качественный ход продольных градиентов электронной концентрации на трассе, пренебрегается возможными изменениями геометрии скачков, а, следовательно, и изменением положения областей отражения сигнала в ионосфере на каждом скачке для скорректированной модели по сравнению с исходной. Выполненное численное моделирование показало [97], что в условиях слабых и умеренных продольных градиентов критической частоты в областях отражения сигнала в ионосфере, изменения положений точек отражения составляют не более нескольких десятков километров, что примерно на порядок меньше среднего значения радиуса корреляции пространственных отклонений значений критических частот от их среднемесячных величин, даваемых моделью [28]. Данное, хотя и небольшое, различие вносит дополнительную ошибку в коррекцию модели по МПЧ2 в сравнении с коррекцией, выполняемой по МПЧ на односкачковых трассах. Вместе с тем проведение коррекции отдельно для областей отражения на двух скачках позволяет уточнить значение критических частот одновременно в двух точках трассы и более правильно, таким образом, описать текущий ход продольных градиентов электронной концентрации.

3.2.2. Оценка эффективности коррекции модели по максимально
применимым частотам двухскачкового распространения

При оценке эффективности разработанной методики [23] для пункта приёма в г. Иркутск выбрана система из двух реперных радиолиний с близкими значениями азимутов, на одной из которых выполняется односкачковое распространение (пункт передачи г. Новосибирск − вышеупомянутый маяк, длина радиолинии 1440 км), а на другой − многоскачковое (пункт передачи г. Москва − станция точного времени, длина радиолинии 4100 км). Для периодов времени, когда по расчётам на трассе Москва – Иркутск выполнялось распространение двумя скачками, проведены практически одновременные (отличия порядка 10 мин.) измерения значений МПЧ на данных трассах. Так как азимуты трасс почти совпадают, то в некоторый утренний период примерная геометрия скачков на них такова рис. 3.3, что область отражения сигнала на трассе Новосибирск – Иркутск близко расположена к области отражения сигнала на втором скачке трассы Москва – Иркутск.

Рис. 3.3. Примерная геометрия скачков на системе реперных радиолиний в утренний период

В такой ситуации, согласно принятой методике расчета, МПЧ данных трасс должны мало отличаться друг от друга. Если при этом выполнить определение f0 в области отражения на трассе Новосибирск – Иркутск по измеренному на этой трассе значению МПЧ, то её значение можно рассматривать как опорное для оценки эффективности определения f0 в этой же области по измеренной величине МПЧ2 на трассе Москва – Иркутск.

По такой методике и была проведена оценка точности коррекции значений f0 по измерениям МПЧ2 в утренний период времени. В табл. 3.2 для примера представлены результаты уточнения критических частот в отдельные моменты наблюдений. Для всех этих моментов положение в пространстве точек отражения нижних лучей на трассе Новосибирск – Иркутск и на втором скачке трассы Москва – Иркутск по данным траекторных расчетов отличалось не более чем на 70 км. В колонках, обозначенных ∆f0 и ∆f02, приведены величины уточнений значений f0 в рассматриваемой области по данным наблюдений МПЧ на обеих трассах, по сравнению со значениями, даваемыми моделью без коррекции. В колонке δf0 показано процентное отношение уточнений ∆f02 и ∆f0.