Анализ, оценка и прогноз состояния канала распространения коротких радиоволн в высоких широтах
На правах рукописи
Сергеева Мария Александровна
Анализ, оценка и прогноз состояния канала распространения коротких радиоволн в высоких широтах
Специальность 05.13.01 – «Системный анализ, управление и обработка
информации (в технике и технологиях)»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург
2007
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП)
Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор
Благовещенский Донат Владимирович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Монаков Андрей Алексеевич,
кандидат технических наук, доцент
Кулешов Юрий Владимирович;
Ведущая организация: Санкт-Петербургский филиал института земного
магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн.
Защита состоится «30» октября 2007 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.233.02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу: 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 67.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу: 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 67.
Автореферат разослан: «__ » _________ 2007 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор Л.А. Осипов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
В диссертации исследована специфика воздействий высокоширотной ионосферы, главным образом ионосферных возмущений за счет суббурь и мировых магнитных бурь, на условия распространения декаметровых радиоволн в приполярных областях. Анализ проводился на различных радиотрассах (авроральных, субавроральных, трансавроральных), преимущественно оборудованных аппаратурой наклонного зондирования ионосферы. Привлекались также данные магнитометров, риометров, радаров. Условия распространения обоснованы с феноменологической и физической точек зрения. Выявлены общие неизвестные до сих пор закономерности и тенденции в распространении радиоволн во время возмущений, полезные для построения систем передачи, приема и обработки информации в высоких широтах.
Актуальность.
Физика околоземного пространства, особенно с точки зрения космической погоды, в настоящее время является областью значительного внимания ученых-исследователей и относится к числу важных, актуальных направлений в науке. Представления о космической погоде, то есть о динамических, сильно меняющихся условиях в околоземной среде, включают условия на Солнце, в межпланетном пространстве, в системе магнитосфера – ионосфера - атмосфера Земли. Солнечные вспышки, пятна и т.п. вызывают в околоземном пространстве резкие изменения. Неблагоприятные изменения космической погоды влияют на надежность работы как космических аппаратов, так и различных систем типа связи, навигации, энергетических линий и пр. Важнейшей задачей является предсказание и смягчение эффектов космической погоды.
Магнитосферные бури и суббури вызывают геомагнитные возмущения, следствием которых является широкий спектр неоднородностей и процессов в ионосфере Земли. Классическая картина ионосферного возмущения подтверждается многочисленными наблюдениями. Однако, физическая природа многих механизмов еще недостаточно понятна. Ионосферное возмущение продолжает оставаться наиболее сложным явлением в верхней атмосфере. Эффекты бурь/суббурь в ионосфере зависят от большого числа параметров, таких как местное время, широта, сезон, фаза солнечной активности, интенсивность бурь/суббурь и ряда других. В настоящее время для полного понимания эффектов бурь и суббурь в параметрах солнечно-магнитосферно-ионосферного взаимодействия прилагается большое количество усилий с использованием самых современных методов и средств. Это подтверждается содержанием таких проектов как Интербол, Space Weather и др. Однако при этом недостаточно внимания уделяется эффектам, возникающим при распространения волн различных диапазонов, хотя известно, что волны УНЧ, СВ, КВ диапазонов реагируют на малейшие изменения состояния среды. В настоящее время уже существуют экспериментальные данные, которые позволяют ставить задачу, например, о диагностике и дальнейшем прогнозе начала возмущений по данным распространения волн. Здесь проясняющим данную постановку фактором является знание комплекса геофизических условий, предшествующих буре или суббуре. Однако, этот вопрос проработан явно недостаточно, поскольку практически во всех работах, посвященных рассматриваемой проблеме, акцент делается на момент развития активной фазы возмущения или, по крайней мере, фазы роста, и определение их начал по различным признакам (поворот Bz к югу, появление геомагнитных пульсаций Pc1 и Pi2, диполизация магнитного поля и др.). Поэтому существует настоятельная потребность в анализе данных по всем возможным проявлениям солнечно-магнитосферно-ионосферных связей и их воздействию на распространяющиеся радиоволны в периоды возникновения суббурь и бурь.
Рис.1. Высокоширотные авиалинии.
С прикладной точки зрения актуальность данной работы определяется насущными потребностями обеспечения прогноза состояния информационных каналов и создание эффективных систем передачи и приема информации в условиях высоких широтах. В частности, крайнюю степень заинтересованности в бесперебойной коротковолновой (КВ) радиосвязи испытывают самолетные линии, пересекающие области высоких широт, которые обеспечивают пассажиров наиболее краткими по времени и расстоянию маршрутами между различными континентами земного шара (рис.1).
Цель работы состоит в том, чтобы исследовать физические эффекты в каналах распространения декаметровых радиоволн в высоких широтах и оценить их влияние на процессы передачи и приема информации.
Основные задачи:
1. Выявить на основе экспериментальных данных особенности вариаций параметров высокоширотной ионосферы во время возмущенного состояния космической погоды.
2. Исследовать особенности поведения радиоканалов в высоких широтах под действием геомагнитных бурь и суббурь.
3. Исследовать влияние ионосферных структур на состояние радиоканалов в высоких широтах.
4. Исследовать физико-математическую модель канала распространения коротких радиоволн с учетом состояния ионосферы в спокойных и возмущенных условиях.
Методы исследования: В работе использованы результаты экспериментальных исследований, полученные с помощью радаров, риометров, магнитометров, диагностических методов исследования ионосферы, таких как наклонное (НЗИ) и вертикальное (ВЗИ) зондирование ионосферы, а также данные сети Интернет. При выполнении аналитических исследований применялись общие методы системного анализа, методы статистической обработки экспериментальных данных и методы численного моделирования.
Положения, выносимые на защиту.
1. Результаты исследования воздействия магнитосферных бурь и суббурь на распространение декаметровых радиоволн в высоких широтах.
2. Основные закономерности эффекта роста максимально наблюдаемой частоты перед началом активной фазы бури (суббури) и возможности использования этого эффекта для краткосрочного прогнозирования состояния каналов передачи информации.
3. Эффекты влияния высокоширотных ионосферных структур на процессы передачи информации в КВ-диапазоне в спокойных и возмущенных условиях.
4. Результаты численного моделирования условий распространения радиоволн в высоких широтах для описания состояний каналов передачи информации.
Научная новизна
1. Сформулированы признаки в изменениях параметров канала распространения декаметровых волн в высоких широтах, которые можно контролировать по ионограммам НЗИ, для прогнозирования развития суббурь.
2. Обнаружены и объяснены феноменологически общие тенденции вариаций параметров канала передачи информации во время возмущенных состояний: максимальной наблюдаемой (МНЧ) и наинизшей наблюдаемой (ННЧ) частот.
3. Показано, что в канале приема и передачи информации в высоких широ-
тах диапазон частот = МНЧ-ННЧ расширяется перед бурей в течение нескольких часов, резко сужается во время бури и снова расширяется в течение нескольких часов после ее окончания.
4. Предложены два критерия, которые могут служить прогностическими предвестниками активной фазы бури: рост ионизации в слое F2 за несколько часов перед и резкий рост риометрического поглощения в начале развития активной фазы бури.
5. Исследована возможность использования модели канала передачи информации в КВ-диапазоне для периодов магнитных бурь и суббурь в высоких широтах.
Научная и практическая ценность
1. Установлено, что амплитуда пика foF2 (разность возмущенных и спокойных значений критической частоты сигнала по слою F) за несколько часов до начала активной фазы первой суббури лежит в пределах 20 -100% от значений foF2. Этот пик может быть использован как критерий для осуществления краткосрочного прогноза развития бури/суббури за несколько часов до ее начала и прогноза состояния канала передачи информации.
2. Показано, что на трансавроральной радиотрассе полное время выхода трассы из строя (интервал срыва связи) зависит от местного времени LT. Во время возмущений днем трасса выходит из строя чаще, чем ночью.
3. На основе анализа данных НЗИ разработаны рекомендации для передачи информации по каналу радиосвязи:
- Сравнительно короткий промежуток времени, порядка 2-3 часа, перед бурей/суббурей, когда МНЧ велика и ННЧ низка можно использовать для организации надежной передачи информации.
- Организовать работу канала во время возмущения следует путем правильного выбора рабочих частот из достаточно узкого диапазона = МНЧ-ННЧ.
4. На основе анализа большого статистического материала определены особенности передачи информации на реальных КВ-линиях связи в авроральной зоне. Качество декаметровой радиосвязи в авроральной зоне в основном зависит от геофизических факторов воздействия, но не от направления или длины радиотрассы.
5. Несмотря на развитие новых средств телекоммуникаций, современные КВ-системы играют важную роль, в том числе и в высокоширотных областях. По своим основным параметрам они могут конкурировать со спутниковыми связными системами, при этом являясь значительно дешевле последних.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Региональной VI конференции по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 2000), Научных сессиях аспирантов и соискателей СПбГУАП (Санкт-Петербург, 2001, 2002, 2005, 2006, 2007), Шестой Нордической конференции по коротким волнам (Фар, Швеция, 2001), Региональных научных конференциях «Естественные проблемы Арктического региона» (Мурманск, 2001, 2002), Седьмой Санкт-Петербургской Ассамблее молодых ученых и специалистов (Санкт-Петербург, 2002), Международной конференции по проблемам геокосмоса (Санкт-Петербург, 2002), Международной байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике (Иркутск, 2003, 2006), Европейской конференции по антеннам и распространению (Ницца, 2006), VI Харьковской международной конференции молодых ученых «Радиофизика и электроника» (Харьков, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ:
- 4 статьи в реферируемых журналах: «Геомагнетизм и аэрономия» РАН – 1, «JASTP» AGU – 1, «Int. J. Geomagn. Aeron.» – 1 и в сборнике: «Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца» СО РАН - 1; а также 3 статьи в Трудах: Nordic Shortwave Conference – 1, конференции «Естественные проблемы арктического региона» -1 и конференции «Физические процессы в космосе и околоземной среде» – 1, всего 7 статей;
- доклады на международных конференциях – 5, на других – 7.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 97 наименований и 8 приложений. Основное содержание диссертации изложено на 156 страницах и содержит 50 рисунков и 4 таблицы.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении обосновывается актуальность темы и сформулирована цель работы, отмечена научная новизна, научная и практическая ценность результатов, их достоверность и обоснованность.
В первой главе приведены результаты исследований распространения декаметровых радиоволн на ряде радиотрасс во время магнитосферных суббурь и умеренных бурь (буря как совокупность отдельных суббурь). Здесь важно понять изменения, происходящие в ионосфере за период этих возмущений, и каким образом эти изменения влияют на характер распространяющихся сигналов.
В разделе 1.1 сделан обзор литературных источников, имеющих прямое или косвенное отношение к поставленной в диссертации задаче. Было выяснено, что непосредственно по теме настоящей работы другими исследователями было сделано недостаточно. Скорее всего это вызвано трудностями организации надлежащих экспериментов в высоких широтах и сложностью интерпретации данных. Что касается последнего, то для высоких широт интерпретация данных затруднительна даже в спокойное время, а для возмущенных условий она существенно усложняется.
В разделе 1.2 на примере магнитоактивного периода 23-28 октября 2003 года, когда имели место суббури и умеренные бури, рассмотрены главные изменения в ионосфере. В конце периода, 28 октября 2003 г., на Солнце произошла вспышка Х17, за ней имела место вспышка Х10, но уже 29 октября. Эти вспышки вызвали очень мощные геомагнитные бури (Halloween storms). Задача настоящего исследования состояла в том, чтобы сравнить вариации двух главных ионосферных параметров - критической частоты (foF2) и высоты максимума ионизации (hmF2) слоя F2 - на двух цепочках ионозондов, расположенных в Европе и Северной Америке, за период 23 – 28 октября 2003 г. Этот интервал расположен непосредственно перед бурей 28 октября и включает в себя ее начало.
Относительные отклонения от спокойного уровня соответственно равны:
foF2 = [(foF2 – foF2мед)/ foF2мед] ·100%,
hmF2 = [(hmF2 – hmF2мед)/ hmF2мед] ·100%,
- разность возмущенных и спокойных медианных значений.
Другой задачей работы является обнаружение проявлений в ионосфере, предваряющих взрывную фазу умеренной бури или суббури. Анализ основан на использовании данных системы SPIDR. Было получено следующее. Положительный пик foF2 наблюдается за несколько часов до начала магнитной бури или суббури (рис. 2). Этот пик может служить в качестве предвестника возмущения.
Рис. 2. Усредненные вариации значений foF2 и hmF2 в относительных единицах за период суббури со средней продолжительностью t = 3 ч. для ионозондов, расположенных к югу от аврорального овала.
Амплитуда значений foF2 лежит в пределах от 20 до 100% от значений foF2. Элементы сходства вариаций значений foF2 на двух цепочках следующие: а) отмеченный пик foF2 наблюдается, как правило, перед возмущением одновременно на двух цепочках, б) вариации foF2 близки по характеру на всех среднеширотных (или соответственно высокоширотных) ионозондах цепочки. Отличия в значениях foF2 следующие: а) воздействие главной фазы и фазы восстановления мощной бури на одной цепочке отличается от воздействия на другой цепочке, б) проявление возмущений на высокоширотных станциях цепочки отлично от проявлений на станциях средних широт. Вариации hmF2 примерно противоположны вариациям foF2 и амплитуды hmF2 лежат в интервале 15 – 25% от значений hmF2.
В разделе 1.3 исследованы особенности прохождения радиоволн с точки зрения физики процессов в полярной ионосфере по данным наклонного зондирования ионосферы на приполярной радиотрассе Санкт-Петербург – Белый Нос (Амдерма) в течение летних месяцев 1997 года во время суббуревой активности. По данным НЗИ находились следующие параметры: максимально наблюдаемая частота при отражении сигнала от слоя Es (EsMНЧ), максимально наблюдаемая частота при отражении сигнала от слоя F2 (F2MНЧ), соответственно наинизшие наблюдаемые частоты EsННЧ по слою Es и F2ННЧ по слою F2. Также находились абсолютные значения МНЧ и соответственно ННЧ. Кроме указанных параметров определялось общее количество лучей в месте приема. Для исследований отбирались изолированные суббури на спокойном фоне. Указанные суббури приводили к существенным изменениям ионосферного радиоканала и условий распространения на трассе. Результаты исследований состоят в следующем. 1) Установлены четкие закономерности в распространении коротких волн на трассе: диапазон рабочих частот = МНЧ - ННЧ существенно сужается за период суббурь; в течение суббури происходит изменение механизма распространения радиоволн; cущественный рост аврорального поглощения во время суббурь имеет место за период взрывной фазы и частично фазы восстановления суббури; многолучевость резко возрастает вблизи момента начала активной фазы суббури. 2) Сформулированы признаки в изменениях параметров распространения радиоволн, которые могут быть использованы для возможного прогнозирования начала развития суббурь. 3) Все выявленные закономерности в распространении коротких волн в зоне полярных сияний объяснены с геофизической точки зрения.
В разделе 1.4 сформулированы главные выводы по главе 1.
Во второй главе исследуется влияние магнитосферных бурь на ионосферу и распространение декаметровых радиоволн. Буря, как значительно более сложное и многогранное явление, чем суббуря, оказывает на распространение радиоволн двоякое воздействие. Во время интенсивных магнитных бурь имеет место полное поглощение сигнала и трасса выходит из строя. Бури умеренной интенсивности, хотя и воздействуют на распространение волн по-разному, не выводят трассы из строя. Некоторые общие закономерности вариаций самой ионосферы и распространения в ней радиоволн во время бурь выявлены и анализируются в главе.
Раздел 2.1. посвящен результатам исследований, выполненных в рамках Координированной исследовательской программы “High-rate SolarMax IGS/GPS-campaign “HIRAC/SolarMax”, инициированной европейским сообществом COST271. Цель кампании – набор данных по наземному приему трансионосферных сигналов от GPS и GLONASS спутников навигации, с тем чтобы выявить картину поведения ионосферы во время текущего солнечного максимума. В проекте принимали участие более десяти европейских стран, осуществлялась геофизическая поддержка различными средствами исследования ионосферы, магнитосферы и распространения радиоволн. Наиболее интересным оказался двухдневный период наблюдений 28-29 апреля 2001 года, когда имела место магнитная буря средней интенсивности, состоящая из трех суббурь. Были проанализированы, в частности, результаты исследований со стороны России и Великобритании и сделано их научное обоснование. Эти научные результаты и являются предметом обсуждения в настоящем разделе. С российской стороны проводились следующие наблюдения: наклонное зондирование ионосферы, вертикальное зондирование и прием GPS сигналов. Со стороны Великобритании осуществлялось НЗИ и наблюдения радаром CUTLASS. Перечисленными видами наблюдений в совокупности была охвачена значительная территория северо-западной части Европы, начиная от субавроральных широт и кончая средними.
Рис. 3. Данные радара CUTLASS за период магнитной бури.
Пример данных радара CUTLASS за период магнитной бури приведен на рис. 3, который иллюстрируют физические процессы в ионосфере и вариации параметров ее неоднородностей, обусловленные в первую очередь воздействием геофизических факторов. Здесь показана интенсивность энергии (power), рассеянной обратно от ионосферных неоднородностей, образующихся во время максимума магнитной бури. Для интервалов №2 и №3 (периоды суббурь) можно видеть достаточно протяженные по широте и времени области, где присутствуют интенсивные неоднородности. Эти области находятся на одной широте с границей диффузного высыпания. Эти неоднородности сосредоточены вблизи точки отражения трассы Мурманск - Санкт-Петербург. К окончанию магнитной бури, после 08UT, из рис. 3 можно видеть практически пропадание неоднородностей и восстановление ионосферы до невозмущенного уровня.
Рис.4 иллюстрирует динамику полного электронного содержания (ПЭС) за периоды взрывных фаз указанных суббурь. Панель (а) показывает, что во время мощной суббури №2 в ионосфере образуются крупномасштабные неоднородности и перепады концентрации. Панель (б) демонстрирует, что во время суббури №3 в ионосфере имеет место минимум концентрации как на низких широтах 50-55о, так и на высоких 60-75о. Таким образом, по результатам анализа данных GPS можно проследить вариации значений ПЭС во время магнитной бури и составляющих ее суббурь. Они совпадают с вариациями F2МНЧ по данным наклонного зондирования ионосферы как в средних, так и высоких широтах. С точки зрения физики явлений в ионосфере это совпадение закономерно.
Рис. 4. Вариации ПЭС по данным GPS за периоды взрывных фаз суббурь:
(a) No2 - 28.04 и (б) No3 - 29.04. Цифры 0-56 на шкале характеризуют
значения ПЭС в единицах [1016м -2]
В разделе 2.2 рассмотрены ионосферные эффекты во время главной фазы экстремально интенсивной магнитной бури 20 ноября 2003 г. (Dst =–472 нТ), вызванной вспышкой на Солнце класса М 18 ноября 2003 г. В период бури проводились наблюдения методом наклонного зондирования ионосферы на скользящей частоте на двух высокоширотных радиотрассах (рис.5). Состояние ионосферы контролировалось по данным диназонда в Тромсе (Швеция), который регистрировал аномально высокие для главной фазы магнитной бури на ночной стороне значения критических частот слоя F2 (foF2 = 4–7 МГц). Установлено, что на радиотрассах, проходящих в авроральной зоне, в течение нескольких часов полностью отсутствовало прохождение декаметровых радиоволн.
Рис. 5. Вариации параметров наклонного зондирования ионосферы (F2МНЧ, F2ННЧ, EsМНЧ и EsННЧ) на трассе Санкт-Петербург – Ловозеро в спокойный день (а), во время магнитной бури (б), а также вариации AE-индекса во время магнитной бури. (в).
В разделе 2.3 изучалось воздействие 14 геомагнитных бурь из списка CEDAR, GEM и ISTP бурь за 1997-99гг на условия распространения на трех высокоширотных коротковолновых радиотрассах Северо-запада России. Последние оценивались на основе вариаций МНЧ и ННЧ на каждой трассе до бури, во время нее и после. Для анализа привлекалась геофизическая информация по Dst, Bz, AE, а также риометрические данные по обсерватории Соданкюля, Финляндия. Показано, что производимые указанными бурями воздействия на ионосферу и распространение для каждой бури строго индивидуальны. Однако существуют и общие для всех бурь тенденции в изменении параметров распространения. Так, диапазон частот = МНЧ – ННЧ расширяется перед бурей в течение нескольких часов, резко сужается во время бури и снова расширяется в течение нескольких часов после ее окончания. Например, это хорошо видно из рисунка 6, где показаны изменения параметров для наиболее информативной из всех трасс.
Рис. 6. Вариации АЕ-индекса (а), значений МНЧ и ННЧ на трассе Санкт-Петербург –о.Хейса (б) и уровень поглощения по риометру А (в) в течение бури 10-11 января 1997 года. Отсутствие распространения показано стрелками.
Данные закономерности могут быть полезными при организации КВ радиосвязи в высоких широтах. На радиотрассе с точкой отражения на геомагнитной широте Ф’ = 66o полное время выхода трассы из строя tdes (destroyed) за период бури зависит от времени LT. Для дневных бурь среднее значение tdes = 30%, для ночных tdes = 20%. Установлено также, что рост ионизации в F2-слое перед началом активной фазы бури в течение нескольких часов (4 часа днем и 2 часа ночью) может служить надежным предвестником развития активной фазы бури. По данным настоящего эксперимента выявлено, что в высоких широтах работает не только традиционный механизм передачи солнечной энергии в верхнюю атмосферу через хвост магнитосферы, плазменный слой и авроральную ионосферу, но и совершенно иной, малоизвестный, механизм – через дневной касп и входной слой магнитосферы.
В разделе 2.4 сформулированы результаты исследований и даны выводы по главе 2.
В третьей главе рассматриваются вопросы моделирования условий распространения радиоволн во время ионосферных возмущений, вызванных магнитосферными бурями и суббурями. Дается обоснование, почему возникла не-
обходимость моделирования такого рода процессов.
В разделе 3.1 обсуждаются общие подходы в прогнозировании параметров такой изменчивой среды, как ионосфера. Представлены требования к прогностическим моделям.
А это прежде всего: 1) возможность использования модели для оценки параметров ионосферных каналов во время возмущений (бурь, суббурь), 2) возможность использования модели для расчета условий в высоких широтах.
В разделе 3.2. представлен обзор общих подходов для моделирования, особенностей различных прикладных программ, их возможностей. В рассмотрение были взяты программы, разработанные для КВ диапазона частот: Dxaid, Gwprop, Miniprop (в дальнейшем развившуюся в W6ELProp), SNAPMax, Comb6, PROLab-Pro, программа и модель Voacap (скорректированная и усовершенствованная версия Ioncap), на основе которой в настоящее время работает много прикладных программ для расчета параметров РРВ. Изучены достоинства и недостатки этих программ, а также возможность их применения для моделирования возмущенной ионосферы в полярных широтах. В случаях геомагнитноспокойных дней результаты расчета в основном отображают протекающие в среде процессы, но в случае возмущенных периодов они сильно отличаются от действительности. Но даже и для спокойных дней есть несоответствия, ибо большинство программ разрабатывалось для среднеширотных станций, а как уже отмечалось в предыдущих главах механизмы в ионосфере в средних и в высоких широтах действуют разные.
В разделе 3.3. приведено описание прикладной программы FUGD. В отличие от рассмотренных в главе программ, здесь применяется иной подход. Для того чтобы описать поведение параметров во время бури или суббури необходимо посмотреть, что же происходит в этот момент в ионосфере. Преимущество используемой прикладной программы FUGD заключается в возможности изменять параметры среды распространения по своему усмотрению и видеть, что при этом будет происходить с максимально применимой частотой (МПЧ).
Кратко излагается математический аппарат, который лежит в основе программы. Для описания реальных свойства каналов распространения радиоволн (РРВ) используется метод геометрической оптики (ГО). Этот простой и наглядный метод обеспечивает количественное описание волновых явлений.
Решение ищется в виде «почти плоской волны» при помощи формального разложения поля по обратным степеням малого параметра – волнового числа 
. Оно представляется в мультипликативном виде: медленно меняющаяся функция 
, определяющая амплитуду волны, и быстроосциллирующий множитель 
, определяющий её фазу:
 |
В задачах зондирования поле задают на некоторой граничной поверхности 
: 
, а решение, удовлетворяющее начальным условиям, представляют в виде: 
, 
, где 
– «обобщенный импульс», 
– лучевые координаты, причем координаты 
«нумеруют» лучи на граничной поверхности 
, а параметр 
определяет положение точки на фиксированном луче.
 |
Рис. 7. Лучевые координаты  и граничная поверхность  . |
Уравнение 
определяет семейство (или конгруэнцию) лучей для заданного распределения поля на 
. Условия на 
всегда ставятся одновременно для семейства, пучка лучей. Это связано с волновым характером поля. В нулевом приближении поток энергии направлен вдоль элементарных лучевых трубок, боковые стенки которых непроницаемы. В большинстве физических приложений ограничиваются анализом поля в нулевом приближении.
Результирующее поле вдоль экстремальных лучей 
, связывающих передатчик (приемник) с исследуемым объектом (радиолокационной целью), записывается в виде:
 |
где 
– величина, называемая расходимостью, 
– текущее и начальное (на 
) сечения элементарной лучевой трубки, 
– каустические сдвиги фаз, 
– мнимая часть показателя преломления, определяющая поглощение волны.
Распространение сигнала наклонного зондирования определяется пространственно-временными вариациями показателя преломления:
 . |
Здесь: 
- квадрат плазменной частоты электронов, 
- рабочая частота. Аналитическая аппроксимация вертикального профиля электронной концентрации представляет собой сумму бипарабол:
 |
Здесь: 
- критическая частота, высота и полутолщина i-го ионосферного слоя. Плазменная частота на какой-то высоте равна корню квадратному от суммы квадратов плазменных частот для различных ионосферных слоев.
Основные явления, которые описывает ГО-приближение при распространении радиоволн в земной атмосфере – это регулярная рефракция в приземных, наиболее плотных слоях атмосферы и в ионосфере, а также процессы рассеяния радиоволн на флуктуациях диэлектрической проницаемости. Распространение коротких радиоволн, а также средних и длинных волн на большие расстояния происходит за счет отражения от ионосферы. Определим условия, при которых возможно такое отражение – в пренебрежении поглощением радиоволн и в случае плоскослоистой ионосферы необходимо, чтобы на каком-то участке траектории было выполнено условие:
 . |
Это может быть в той области ионосферы, где 
. В итоге получим величину 
, необходимую для отражения частоты 
, падающей наклонно под углом 
на слой 
. Здесь 
измеряется в [1/м3], 
в [Гц]. В случае наклонного падения под углом 
максимальная частота, которая еще отражается от слоя при данном значении 
определится из соотношения 
. При фиксированном угле падения 
на ионосферу с увеличением 
возрастает электронная плотность 
, необходимая для отражения данной частоты. На фиксированной частоте 
с увеличением 
возрастает величина 
, необходимая для отражения радиоволны данной частоты, поэтому существует предельно крутая траектория, при которой волна еще может отразиться от ионосферы. Этой траектории соответствует угол падения 
. Для траекторий с углами 
условие отражения не выполняется. Заданное расстояние по Земле 
могут перекрывать два луча с сильно отличающимися углами падения на ионосферу: пологий луч с малым радиусом кривизны (нижний луч) и крутой луч с большим радиусом кривизны (верхний луч). Крутой луч является лучом Педерсена. Наибольшая дальность распространения, так называемое максимальное расстояние одного скачка 
, соответствует лучам, излученным касательно к поверхности Земли.
Система лучей формирует каустическую поверхность – сборку, начинающуюся в ионосфере с острия Поверлайна, которое переходит в 2 складки. Первая из них пересекает поверхность Земли и образует область каустической тени – «мертвую зону», в которой отсутствует отраженный от ионосферы сигнал. Вторая область каустической тени находится выше области отражения сигнала от ионосферы. Схематически лучевые траектории для различных углов падения 
радиоволны на ионосферу, расположение каустик, мертвой зоны представлены на рис. 8.
 |
Рис. 8. Система лучевых траекторий в зависимости от угла падения  ; 1-3 нижние лучи, 4,5 – верхние лучи, 6 – луч, вышедший за пределы ионосферы; для нижних лучей уменьшение угла падения приводит к уменьшению дальности, а для верхних лучей – к её увеличению. |
Рис. 9. Схема бипарабол, используемых для моделирования профиля
ионосферы.
На рис. 9, цифрами отмечены слои (слева) и рефракция на некой фиксированной частоте – справа. 1-ый слой заменяет область F, а второй – долину. В ряде случаев расстояние по высоте между максимумом слоя E и основанием области F очень велико (особенно в ночных условиях), поэтому и введен такой искусственный прием заполнения долины. Третий слой заменяет область E. В условиях реальной ионосферы изменения электронной концентрации, высоты,
критических частот и других параметров среды происходят в разной степени во
всех слоях. Нас интересует не количественный результат, а качественная оценка изменения параметров слоя F2, в дальнейшем будем говорить об изменении именно его параметров.
С помощью программы FUGD было смоделировано поведение МНЧ во время бури. На основании расчетов дана оценка - какие факторы и в какой степени влияют на перестройку ионосферы. Показано, что существует возможность использования программы для высоких широт. По проведенным расчетам сделаны следующие выводы:
- Наибольший вклад в вариации МПЧ дает изменение критической частоты области F. Далее по значимости идет изменение высоты. Полутолщина влияет сравнительно мало.
2) Установлены следующие зависимости: при увеличении критической частоты слоя, МПЧ растет, и наоборот при уменьшении. Обратная зависимость наблюдается между высотой максимума ионизации слоя и МПЧ, а так же между полутолщиной слоя и МПЧ.
В разделе 3.4. сформулированы выводы по главе 3.
В главе 4 исследуются особенности КВ радиосвязи в высоких широтах
В разделе 4.1 рассматриваются результаты специальных исследований на двух авроральных КВ радиотрассах: первой, длиной Д = 1420 км, ориентированной вдоль авроральной зоны, и второй, длиной Д = 510 км, и проходящей поперек этой зоны. Данные трассы являются действующими КВ радиолиниями связи, на которых определялась надежность (вероятность) связи. Рассматривались наихудшие условия работы линий – зимние ночные часы годов минимума солнечной активности. Главная цель состояла в том, чтобы выявить высокоширотные ионосферные эффекты в распространении коротких радиоволн для спокойных и магнитовозмущенных условий. Эффекты вызваны влиянием главного ионосферного провала, его северной границы, спорадическими образованиями в Е и F областях, авроральным поглощением. Было показано, что на надежность связи оказывают решающее влияние геофизические факторы воздействия, а не длина и ориентация радиотрасс. Среди этих факторов: главный ионосферный провал (ГИП), северная граница провала (СГП), спорадические образования в Е и F областях ионосферы, авроральное поглощение, уровень геомагнитной активности.
Сделаны практические рекомендации по выбору оптимальных рабочих частот на трассах. Выполненные оценки надежности КВ радиосвязи могут являться основой для планирования работы КВ систем связи с учетом морфологических особенностей авроральной зоны.
В разделе 4.2 коротко освещаются главные последние результаты и новые достижения в области КВ распространения и связи за период 1955-2005 годы (рис. 10).
Делается попытка обобщить имеющиеся материалы по влиянию магнитных и ионосферных возмущений на надежность КВ радиосвязи в высоких широтах. Обсуждаются, в частности, специфические особенности работы трансполярных радиолиний связи в возмущенных условиях, роль поглощения типов АА и РСА при нарушениях радиосвязи, зависимость надежности радиосвязи от взаимного расположения радиолиний и зон аврорального поглощения, методы повышения надежности радиосвязи и другие вопросы.
Рис. 10. Тенденция в скорости передачи данных в КВ диапазоне по годам
В разделе 4.3 сформулированы выводы по главе.
В разделе Заключение приведены основные результаты, полученные в диссертации.
В Приложениях даны описания экспериментов на радиотрассах, схемы расположения радиотрасс, краткое описание магнитных бурь, а также обзор подходов моделирования условий распространения радиоволн.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
В результате рассмотренных в работе исследований можно сформулировать следующие выводы.
1. При рассмотрении магнитной бури как совокупности суббурь, показано, что каждая суббуря вносит следующий эффект в ионосфере (так называемый «главный эффект»): в значениях параметра канала передачи информации foF2 (разность возмущенных и спокойных значений критической частоты сигнала по слою F2) перед началом суббури существует положительный пик, затем отрицательный минимум. Образуется сумма воздействий за период возмущения.
Амплитуда пика foF2 за несколько часов до начала активной фазы первой суббури лежит в пределах 20 -100% от значений foF2. Этот пик может служить критерием для осуществления краткосрочного прогноза развития бури/суббури за несколько часов до ее начала и прогноза состояния каналов передачи информации.
Вариации параметра hmF2 (разность возмущенных и спокойных значений высоты максимума ионизации слоя F2) находятся в противофазе с вариациями foF2. Амплитуда hmF2 лежит в пределах 15-25% от значений hmF2.
Поскольку, как обнаружено, область специфических вариаций foF2 и hmF2 достаточно велика, около 90о вдоль широты, то указанные вариации должны существенным образом влиять на условия распространения радиоволн в этой области во время возмущений. Изменятся траектории радиоволн и механизмы распространения по сравнению со спокойными условиями. Это важно для прикладных задач построения систем приема передачи информации по каналам радиосвязи.
2. Установлены закономерности распространения коротких волн в авроральной зоне. Происходит сужение диапазона рабочих частот = МНЧ - ННЧ за период суббурь (порядка 30% от невозмущенного уровня). Чем меньше значение MНЧ или более узок диапазон рабочих частот, тем выше вероятность сбоев в системах передачи и обработки информации.
Для прогнозирования развития суббурь сформулированы признаки в изменениях параметров коротковолнового канала передачи информации, которые можно контролировать по ионограммам НЗИ: резкий спад уровня многолучевости за несколько часов до начала развития суббури, изменение механизма распространения на подготовительной фазе суббури, рост значений F2МНЧ (максимально наблюдаемой частоты по слою F2) за 6-8 часов до начала развития суббури с последующим спадом, уменьшение значений ННЧ (наинизшей наблюдаемой частоты на трассе) за 2-3 часа до начала развития суббури.
3. Поведение характеристик НЗИ на субавроральной трассе во время возмущения определяется главным образом геофизическими факторами: вариациями ионосферы, приводящими к изменению механизмов распространения сигналов на трассе, и уровнем поглощения в нижней ионосфере. Характер вариаций параметров канала передачи информации на трассах высоких и средних широт имеет как сходные черты (например, при отражении сигналов на трассах от F2-слоя), так и отличия (для сигналов, отраженных на уровне Е-слоя).
5. Во время бурь обнаружен общий характер следующих явлений.
- Диапазон частот = МНЧ-ННЧ расширяется перед бурей в течение нескольких часов, резко сужается во время бури и снова расширяется в течение нескольких часов после ее окончания.
- Вариации МНЧ при отражении сигналов от F2 слоя представляют наложение главных эффектов отдельных суббурь, из которых состоит буря.
- Два основных явления - рост ионизации в слое F2 за время несколько часов перед началом и резкий рост риометрического поглощения в начале развития активной фазы бури могут служить прогностическими предвестниками активной фазы бури.
- На трансавроральной радиотрассе полное время выхода трассы из строя (интервал срыва связи) зависит от местного времени LT. Во время возмущений днем трасса выходит из строя чаще, чем ночью.
6. На основе анализа большого статистического материала определены особенности прохождения радиосигналов на реальных КВ-линиях связи в авроральной зоне. В спокойные условия, надежность связи низка из-за влияния главного ионосферного провала. Для слабой и умеренной геомагнитной активности надежность высока. Для умеренной геомагнитной активности спорадическая ионизация в Е области, особенно слои Esr, в вечерние и ночные часы зимы дает возможность увеличить надежность передачи данных за счет выбора более высоких частот на трассах порядка f = 12 – 20 МГц. Для сильной активности (бури, суббури) надежность становится низкой из-за аврорального поглощения.
Качество передачи информации по декаметровым радиоканалам в авроральной зоне в основном зависит от геофизических факторов воздействия, но не от направления или длины радиотрассы.
7. Результаты моделирования канала распространения радиоволн во время магнитных бурь и суббурь показали, что наибольший вклад в вариации МПЧ (максимально применимой частоты) дает изменение критической частоты области F. Далее по значимости идет изменение высоты. Полутолщина влияет сравнительно мало. МПЧ растет при увеличении критической частоты слоя ионосферы. Между высотой максимума ионизации слоя, а также между полутолщиной слоя и МПЧ наблюдается обратная зависимость.
8. Несмотря на развитие новых средств телекоммуникаций, современные КВ-системы играют важную роль, в том числе и в высокоширотных областях. По своим основным параметрам они могут конкурировать со спутниковыми связными системами, при этом являясь значительно дешевле последних.
Результаты анализа рассмотренных экспериментов могут быть полезны в вопросах космической погоды, организации работы систем передачи, приема и обработки информации в высоких широтах, а также прогнозирования состояния ионосферных радиоканалов во время магнитосферных возмущений.
ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
- Благовещенский Д.В., Сергеева М.А., Синянский П.А. Эффекты суббури на высокоширотных КВ радиотрассах наклонного зондирования ионосферы // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, вып. 112, СО РАН, 2001, с. 182-192.
- Благовещенский Д.В., Сергеева М.А., Синянский П.А. Параметры наклонного КВ зондирования ионосферы за периоды магнитосферных суббурь // Труды II рег. науч. студ. конф. «Естественнонаучные проблемы арктического региона», КНЦ РАН, Мурманск, 2001, с.30- 33.
- Благовещенский Д.В., Сергеева М.А, Синянский П.А. Substorm effects on high-latitude HF paths of the oblique ionospheric sounding // Сonference Proceedings of the Nordic Shortwave Conference, Sweden, 2001, p. 1.4.1-1.4.11.
- Blagoveshchensky D.V., Vystavnoi V.M., Sergeeva M. A. HF radio propagation through the auroral oval during substorms // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 67, 2005, pp. 1618 – 1625.
- Blagoveshchensky D.V.,Nozdrachev S. V. Sergeyeva M. A. Sinyansky P. A. Magnetic storm effects on a HF transauroral radio path // Int. J. Geomagn. Aeron. V. 5, GI3006, doi: 10.1029/2005GI00010, 2005.
- Благовещенский Д.В., Сергеева М.А., Выставной В.М. Эффекты суббурь в распространении КВ в авроральном овале // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 46, № 2, 2006, с. 175 – 181.
- Благовещенский Д.В., Сергеева М.А. Влияние космической погоды на распространение радиоволн // Труды IX конф. молодых ученых «Физические процессы в космосе и околоземной среде», ИСЗФ СО РАН, Иркутск, 2006, с.171-172.
- Благовещенский Д.В., Сергеева М.А., Синянский П.А., Проявление магнитосферных суббурь в параметрах наклонного зондирования ионосферы на трех высокоширотных радиотрассах // VI рег. конф. по распространению радиоволн, Спб ГУ, Санкт-Петербург, 2000, с.18.
- Благовещенский Д.В., Сергеева М.А., Синянский П.А., Эффекты суббури на высокоширотных КВ радиотрассах наклонного зондирования ионосферы // Тезисы докладов II рег. науч. студ. конф. «Естественнонаучные проблемы арктического региона», КНЦ РАН, Мурманск, 2001, с.14-15.
- Благовещенский Д.В., Сергеева М.А., Воздействие космической погоды на распространение КВ в высоких широтах // Тезисы докладов III рег. науч. студ. конф. «Естественнонаучные проблемы арктического региона», КНЦ РАН, Мурманск, 2002, с.10.
- Blagoveshchensky D.V., Sergeyeva M.A. Impact of the CEDAR, GEM and ISTP geomagnetic storms on radio propagation // Int. Conference Problems of Geocosmos, Book of abstracts, St.Petersburg, 2002, pp. 83-84.
- Сергеева М.А., Эффекты космической погоды в распространении ионосферных радиоволн // Аннотации работ Седьмой С-Петерб. Ассамблеи молодых ученых и специалистов, СпбГУ, 2002, с.75-76.
- Сергеева М.А., Влияние погоды в космосе на распространение радиоволн // Сборник докладов пятой научной сессии аспирантов и соискателей ГУАП, СПб, 2002, с.145-147.
- Благовещенский Д.В., Сергеева М.А. Распространение коротких волн в авроральном овале во время суббури // Тезисы докладов VI международной сессии молодых ученых "Волновые процессы в проблеме космической погоды", ИСЗФ СО РАН, Иркутск, 2003, с. 51.
- Сергеева М.А. Проявления суббурь и особенности прохождения коротких радиоволн в авроральном овале // Сборник докладов восьмой научной сессии аспирантов и соискателей ГУАП, Ч. I. Технические науки, Спб, 2005, с. 230-232.
- Сергеева М.А., Влияние авроральной ионосферы на коротковолновую радиосвязь // Сборник докладов научной сессии ГУАП, Ч. I. Технические науки, Спб, 2006, с.180-182.
- Blagoveshchensky D.V., Borisova T.D., MacDougall J., Sergeyeva M.A. Experimental study and modeling of HF radio wave propagation in the course of substorm // Abstracts of the European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Nice, France, 2006, pp. 143-144.
- Благовещенский Д.В., Сергеева М.А. Влияние космической погоды на распространение радиоволн // Тезисы докладов IX международной конф. молодых ученых «Физические процессы в космосе и околоземной среде», ИСЗФ СО РАН, Иркутск, 2006, с.43.
- Сергеева М.А., Благовещенский Д.В., Воздействие геомагнитых бурь на распространение радиоволн // Сборник тезисов VI Харьковской международной конф. молодых ученых «Радиофизика и Электроника», ИРЭ, НАН Украины, Харьков, 2006, с.66.
