. Компьютерное моделирование (стр. 1 )

Министерство образования и науки Российской Федерации

ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет»

Физический факультет

Компьютерное моделирование

распространения радиоволн

в регулярной ионосфере

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 621.371.3(075.8)

ББК 32.841я73

С14

Печатается по решению

учебно-методической комиссии физического факультета

Иркутского государственного университета

Рецензенты:

д-р физ.-мат. наук, проф. ,

д-р физ.-мат. наук

Компьютерное моделирование распространения радиоволн в регулярной ионосфере : учеб. пособие / . – Иркутск : Изд-во Иркут. гос. ун-та, 2010. – 91 с.

Рассматриваются алгоритмы и методики численного моделирования на ЭВМ распространения радиоволн в регулярной ионосфере, приводится базовая модель ионосферного радиоканала. Изложены алгоритмы для оценки точности расчета средних характеристик сигнала в задачах дальней декаметровой связи. Исследованы радиофизические особенности квазикритического распространения радиоволн при захвате энергии волны в ионосферные межслоевой и подслойный волноводы. Описаны методы адаптации параметров ионосферных радиоканалов к текущим условиям.

Предназначается для студентов специальности «Радиофизика и электроника», магистрантов и аспирантов по радиофизике.

Библиогр. 124 назв. Ил. Табл.

УДК 621.371.3(075.8)

ББК 32.841я73

© ГОУ ВПО «Иркутский государственный

университет», 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие...................................................................................... 4

1. Алгоритмы и методика моделирования................................... 6

1.1. Математическое моделирование ионосферы.................................. 7

1.2. Метод характеристик для описания распространения сигнала
в регулярной ионосфере................................................................. 9

1.3. Расчёт основных параметров сигнала............................................. 14

1.4. Алгоритм расчёта квазикритического распространения................. 20

1.5. Аналитическое представление дискретных данных ионосферной
модели........................................................................................... 26

1.6. Особенности расчёта траекторий лучей в трёхмерно-неоднородной
глобальной модели ионосферы...................................................... 37

1.7. Учёт магнитно-ионного расщепления при расчёте распространения
радиоволн с использованием глобальной модели ионосферы........ 41

2. Моделирование распространения радиоволн в
двумерно-неоднородной изотропной ионосфере.................. 47

2.1. Расчёт средних значений максимально-применимых частот
радиотрасс..................................................................................... 47

2.2. Расчёт средних значений траекторных характеристик сигнала..... 50

2.3. Расчёт средних значений напряжённости поля сигнала................. 55

2.4. Моделирование квазикритического распространения................... 58

2.4.1. Захват в подслойный волновод при наличии горизонтальных
градиентов электронной концентрации.............................. 58

2.4.2. Захват в межслоевые каналы при наличии регулярных
градиентов.......................................................................... 66

3. Адаптация параметров ионосферного радиоканала к
текущим условиям....................................................................... 70

3.1. Адаптация к текущим условиям параметров ионосферного
радиоканала по наблюдениям за сигналами реперных радиостанций
на односкачковых радиолиниях..................................................... 71

3.1.1. Методика адаптации параметров радиоканала.................... 71

3.1.2. Получение экспериментальных данных............................... 74

3.1.3. Оценка эффективности адаптации...................................... 76

3.2. Адаптация среднемесячной модели ионосферы к текущим условиям
по данным о максимально применимых частотах двухскачковых
реперных радиолиний.................................................................... 77

3.2.1. Методика адаптации модели по данным о максимально
применимых частотах двухскачковых радиотрасс............... 78

3.2.2. Оценка эффективности коррекции модели по максимально
применимым частотам двухскачкового распространения.... 80

Список использованной литературы........................................... 83

ПРЕдисловие

Ионосферное распространение радиоволн является одним из важнейших разделов общей комплексной научной проблемы «Распространение радиоволн». Особенности ионосферного распространения радиоволн во многом определяют эффективность построения и эксплуатации современных систем наземной дальней декаметровой связи, загоризонтной радиолокации и местоопределения. Важно их учитывать также при создании спутниковых систем связи и навигации. Поэтому изучению этих особенностей посвящен ряд разделов учебного курса «Излучение и распространение радиоволн» специальности «Радиофизика и электроника» классических университетов.

Сложность и постоянная изменчивость структуры ионосферы, с одной стороны, наличие определенного числа достаточно существенных приближений в математическом аппарате аналитического описания распространения радиоволн в такой среде, с другой стороны, приводят к тому, что более точные и полные результаты расчета характеристик радиоволн при этом возможно получить лишь в рамках компьютерного моделирования с использованием численных методов. Поэтому в последние десятилетия это направление интенсивно развивается, и по нему было получено, в том числе и в России, много интересных результатов. В то же время известные учебники по распространению радиоволн, используемые в процессе обучения в вузах [30, 110, 114], практически не содержат сведения по компьютерному моделированию этого процесса в ионосфере. Изданный в 2009 г. учебник «Распространение радиоволн» [82] частично восполняет этот пробел, приводя ряд важных результатов компьютерного моделирования ионосферного распространения декаметровых радиоволн. В то же время объем учебника не позволил авторам более детально изложить алгоритмы и методику проведения компьютерного моделирования, рассмотреть дополнительно некоторые интересные его результаты.

Данное обстоятельство стимулирует и делает актуальным выпуск настоящего пособия с подробным изложением алгоритмов и методик моделирования с тем, чтобы читатель получил возможность их реализовать самостоятельно и на этой основе быть подготовленным к исследованию возможных новых эффектов в ионосферном распространении радиоволн.

Из достаточно широкого круга вопросов, рассматриваемых в компьютерном моделировании ионосферного распространения радиоволн, внимание в предлагаемом пособии сосредоточено на наиболее сложном для описания наземном распространении радиоволн декаметрового диапазона при наличии отражений от ионосферы. Рассматриваются условия спокойной регулярной ионосферы при отсутствии в ней различного рода локализованных неоднородностей. Для таких условий методы компьютерного моделирования представляются к настоящему времени наиболее разработанными и апробированными. Поэтому этот этап в компьютерном моделировании ионосферного распространения декаметровых радиоволн может считаться исходным, базовым для дальнейших его направлений.

Необходимо отметить, что общие методические принципы компьютерного моделирования с рядом детально разобранных примеров для некоторых физических процессов приведены в учебных пособиях [37, 54], которые, несомненно, рекомендуются в помощь читателю настоящего пособия и позволяют в то же время автору опустить ряд материалов, относящихся к выбору инструментальных средств моделирования и программных сред его реализации.

Предлагаемое учебное пособие подготовлено по материалам исследований, проводимых автором на кафедре радиофизики (основатель кафедры – заслуженный деятель науки России ) Иркутского государственного университета. Значительная часть из них была выполнена под руководством и при непосредственном участии проф. , за что автор выражает ему глубокую признательность. Ряд важных результатов, излагаемых в учебном пособии, получен совместно с
, , . Автор считает приятным долгом искренне поблагодарить их за активное научное сотрудничество.

1. Алгоритмы и методика моделирования

Начальным этапом в проведении компьютерного моделирования является создание алгоритмов и методик, по которым оно будет выполняться. В данном разделе приведены сведения по основным разработанным алгоритмам и методикам для компьютерного моделирования ионосферного распространения радиоволн.

Приближение геометрической оптики [20, 52, 118] традиционно используется для описания распространения декаметровых волн (ДКМВ) в ионосфере. Оно хорошо апробировано, обладает достаточной простотой и наглядностью при интерпретации экспериментальных данных. Вместе с тем, наличие ограничений в геометрооптическом методе обусловило разработку и других подходов, таких как методы интерференционного интеграла [13, 70], нормальных волн [53, 56], параболического уравнения [47, 111], канонического оператора Маслова [59, 61]. Эти подходы позволяют более детально и строго описать процесс распространения сигнала в ионосфере, естественно, они являются и более сложными. В то же время геометрооптический метод в областях его неприменимости может быть достаточно удобно сопряжен с более строгими способами описания распространения сигнала. Такой комбинированный подход и принят нами при разработке алгоритмов. Особенности распространения декаметровых радиоволн в регулярной ионосфере рассматриваются в рамках геометрооптического подхода, при расчете же квазикритического распространения геометрооптическое решение на границе области его неприменимости сопрягается с решением, полученным в этой области более строгим методом эталонных функций.