Метод и алгоритм прогнозирования углов прихода декаметровых радиоволн при их распространении в горизонтально – неоднородной рассеивающей ионосфере

Введение…………………………………………………………………………………6
1. Основные методы расчета и анализа углов прихода декаметровых радиоволн
при распространении в ионосфере и результаты измерений их характеристик….17
1.1. Особенности распространения радиоволн декаметрового диапазона………………17
1.2. Методы задания модели ионосферы……………………………………………19
1.2.1 Линейный слой………………………………………………………………….20
1.2.2. Параболический слой…………………………………………………………..20
1.2.3. Косинусный слой……………………………………………………………….21
1.2.4. Экспоненциальныйслой…..……………………………………………………21
1.2.5. Квазипараболический слой…………………………………………………….21
1.3. Методы построения траекторий ДКВ……………………………………………22
1.3.1. Метод, основанный на решении уравнений четвертой степени Букера……22
1.3.2. Уравнение Хазельгровса……………………………………………………….23
1.3.3. Метод геометрической оптики…………………………………………………23
1.4. Прикладные методы анализа угловых характеристик декаметровых
радиоволн……………………………………………………………………………….25
1.4.1. Метод прогнозирования параметров ионосферы…………………………….25
1.4.2. Оперативный расчѐт МПЧ, углов излучения и приѐма ДКВ……………….29
1.4.3. Методики измерений углов прихода ДКВ……………………………………31
1.4.4. Обработка и интерпретация экспериментальных данных…………………..33
1.5. Анализ экспериментальных данных о регулярных вариациях углов места
основных модов распространения ДКВ…………………………………………….35
1.6. Выводы к разделу 1………………………………………………………………41
2. Разработка метода и алгоритма прогнозирования углов прихода
декаметровых радиоволн в горизонтально-однородной рассеивающей
однослойной ионосфере…………………………………………………………….43
2.1. Распространение радиоволн в плоскослоистом ионосферном слое………….43
2.2. Применение закона Снеллиуса для построения траекторий радиоволн в
горизонтально-однородной рассеивающей ионосфере…………………………….44
2.2.1. Модифицированный закон преломления для толстого искривленного
слоя…………………………………………………………………………………..…45
2.2.2. Построение траекторий декаметровых радиоволн на основе применения
модифицированного закона Снеллиуса в горизонтально-однородной
рассеивающей ионосфере…………………………………………………………….46
2.3. Оценка точности метода и алгоритма расчета, основанного на применении
модифицироанного закона Снеллиуса…………………..…………………………..51
2.3.1. Известный метод построения траекторий радиоволн в горизонтально –
однородной ионосфере…….……………………………………………………….…51
2.3.2. Сравнение результатов расчета характеристик ДКВ по разработанному
методу с результатами расчета по известному методу……………………………..52
2.4. Программа расчета характеристик распространения ДКВ в горизонтально –
однородной рассеивающей ионосфере………………………..……………………..54
2.5. Дистанционно-угловые характеристики ДКВ для модели однослойной
ионосферы……………………………………………………………………………..56
2.6. Дистанционно-угловые характеристики ДКВ для модели трѐхслойной
ионосферы……………………………………………………………………………..58
2.7. Выводы к разделу 2………………………………………………………………59
3. Прогнозирование углов прихода декаметровых радиоволн в
горизонтально-неоднородной рассеивающей трѐхслойной ионосфере…………..61
3.1. Влияние неоднородностей ионосферы на углы приема ДКВ………………..61
3.2. Построение траекторий радиоволн в горизонтально–неоднородной
трѐхслойной ионосфере………………………………………………………………63
3.2.1. Математическая модель трѐхслойной ионосферы……………………………63
3.2.2. Расчет градиента коэффициента преломления в горизонтально –
неоднородной ионосфере……………………………………………………………..65
3.2.3. Результаты моделирования влияния горизонтально–неоднородной
рассеивающей ионосферы на угловые характеристики ДКВ………………………67
3.3. Программная реализация моделирования угловых характеристик
ДКВ в горизонтально–неоднородной рассеивающей ионосфере………………….69
3.3.1. Блок-схема расширенного алгоритма расчета……………………………….69
3.3.2. Интерфейс пользователя программы…………………………………………72
3.3.3. Режимы прогнозирования угловых характеристик ДКВ…………………….74
3.4. Выводы к разделу 3………………………………………………………………78
4. Оценка точности расчета и примеры применения разработанной программы
для решения практических задач…………………………………………………….79
4.1. Оценка точности расчета разработанной программы………………………….79
4.1.1. Сопоставление результатов расчета с результатами измерений углов
прихода ДКВ по трассе Хабаровск – Иркутск………………………………………79
4.1.1.1. Измерение углов прихода радиоволн для трассы Хабаровск -Иркутск ….79
4.1.1.2. Реализация расчетов углов прихода радиоволн по трассе Хабаровск-
Иркутск…………………………………………………………………………………79
4.1.2. Сопоставление результатов расчета с результатами измерений углов
прихода ДКВ по трассе Кипр – Ростов-на-Дону……………………………………82
4.1.3. Сопоставление результатов расчета с результатами измерений углов
прихода ДКВ по трассам Москва –Ростов-на-Дону, Минск – Ростов-на-Дону…..84
4.1.3.1. Прогнозирование углов приѐма обыкновенной компоненты радиоволн
по трассе Москва – Ростов-на-Дону при рабочей частоте f=4.996 МГ……………84
4.1.3.2. Прогнозирование углов приѐма ДКВ по трассе Москва–Ростов
-на-Дону при рабочей частоте f = 9.996 МГц……………………………………….86
4.1.3.3. Сопоставление результатов расчета с результатами измерений
углов прихода ДКВ по трассе Москва – Ростов-на-Дону при рабочей частоте
f = 14.996 МГц…..……..………………………………………………………………87
4.1.3.4. Сопоставление результатов расчета с результатами измерений углов
прихода ДКВ по трассе Минск–Ростов-на-Дону……………………………………89
4.2. Примеры применения разработанной программы для решения
практических задач………….………………………………………………………..90
4.2.1. Примеры прогнозирования углов прихода ДКВ, распространяющихся
между городами ……………….………………………………………………………90
4.2.1.1. Прогнозирование суточной зависимости углов прихода ДКВ по трассе
Новосибирск – Москва.…………….…………………………………………………91
4.2.1.2. Прогнозирование суточной зависимости углов прихода ДКВ по трассе
Уфа – Иркутск…………………………………………………………………………92
4.2.1.3. Расчет углов прихода ДКВ по трассе Чита – Санкт-Петербург…………..92
4.2.1.4. Прогнозирование углов прихода мода 1F2 на трассе Мадрид (Испания)
– Ростов-на-Дону………….………………………………………………………….93
4.2.2. Расчет основных параметров ионосферы и временной зависимости углов
прихода мода 1F2……………………………………………………………………..94
4.2.3. Применение разработанной программы для прогнозирования углов
прихода всех модов, приходящих в областях от пункта передачи до пункта
приѐма при различных рабочих частотах……………………………………………97
4.2.4. Использование результатов прогнозирования угловых характеристик
ДКВ для оптимизации диаграмм приѐмо-передающих антенн…………………..107
4.2.4.1. Задача оптимизации диаграммы приѐмо-передающих антенн…………..107
4.2.4.2. Характеристики приѐмо-передающих антенн ДКВ………………………107
4.2.4.3. Проектирование антенн декаметрового диапазона на основе
прогнозирования углов прихода радиоволн…….…………………………………109
4.2.4.4. Пример проектирования антенн декаметрового диапазона…….………..111
4.3. Выводы к разделу 4……………………………………………………………..113
Заключение……………………………………………………………………………115
Список сокращений и условных обозначений………………………………………117
Список использованных источников…………………………………………………119
Приложение 1……..………………………………………………………………….135

Приложение 2…..……………….……………………………………………………157

Диссертационная работа посвящена разработке метода и алгоритма прогно-
зирования углов прихода декаметровых радиоволн в горизонтально – неоднород-
ной рассеивающей ионосфере. В ходе выполнения диссертационной работы были
получены следующие результаты:
1. Разработаны метод и алгоритм прогнозирования углов прихода ДКВ на
основе применения модифицированного закона Снеллиуса с учетом влияния на
характеристики распространения радиоволн горизонтального градиента элек-
тронной концентрации ионосферы вдоль трассы и случайных возмущений ионо-
сферы в рамках принятой модели.
2. Показано, что метод построения траекторий ДКВ на основе применения
модифицированного закона Снеллиуса с шагом расчета, равным 1 км, даѐт ре-
зультаты расчета угловых характеристик ДКВ с погрешностью не больше 0.1.
3. Проведенные вычисления в рамках используемой модели случайных воз-
мущений показывают, что на трассах длиной больше 2000 км влияние таких не-
однородностей может увеличивать средние углы приема по сравнению со сред-
ними углами излучения.
4. Получены аналитические выражения для расчетов градиента коэффици-
ента преломления в неоднородной ионосфере для модели трѐхслойной ионосфе-
ры, на основе которых возможно построение траекторий декаметровых радиоволн
в горизонтально-неоднородной рассеивающей ионосфере.
5. Разработано программное обеспечение, которое позволяет оперативно
прогнозировать углы прихода ДКВ с достаточной для решения практических за-
дач точностью.
6. Разработана методика оптимизации диаграмм направленности приѐмо-
передающих антенн, заключающаяся в выборе направления главного лепестка,
учитывающая расчеты углов прихода ДКВ в вертикальной плоскости (количе-
ственное различие в углах места направления главного лепестка, рассчитанных
известным методом и разработанным нами методом составляет до 46%).
7. В результате прогнозировании углов прихода ДКВ показано, что хорошая
точность прогноза достигается на трассе длиной 931 км, при этом погрешность
составляет менее 10, а на трассе длиной 2300 км погрешность увеличивается до 20,
оставаясь, тем не менее, значительно лучше, чем точность, обеспечиваемая из-
вестными методами, которые не учитывают горизонтальные градиенты концен-
трации электронов.
8. Создан метод исследования ионосферного распространения радиоволн,
который обеспечивает учѐт горизонтальных градиентов критической частоты и
высоты отражающего слоя, а также эффектов рассеяния радиоволн.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ДКВ декаметровые радиоволны

МПЧ максимально применимая частота

D дальность радиолинии; D – слой нижней ионосферы

M(3000)F2 коэффициент для определения МПЧ на дальности 3000 км

МНЧ максимальная наблюдаемая частота

1F2 одно отражение от слоя F2 ионосферы нижним лучом

1F2в одно отражение от слоя F2 ионосферы верхним лучом

2F2 два отражения от слоя F2 ионосферы

1Es одно отражение от спорадического слоя Es ионосферы

1E одно отражение от слоя E ионосферы

fm F 2 критическая частота слоя F2 ионосферы

fm E критическая частота слоя E ионосферы

fm F1 критическая частота слоя F1 ионосферы

f m Es критическая частота слоя спорадического слоя Es ионосферы

ВЗ вертикальное зондирование ионосферы

НЗ наклонное зондирование ионосферы

ДН диаграмма направленности

КНД коэффициент направленного действия

λ длина радиоволны

fп предельная частота отражения радиоволны от ионосферы

h высота над поверхностью Земли

W сглаженное относительное число солнечных пятен
Wэ эффективный индекс активности Солнца, определяемый по

данным НЗ ионосферы

N плотность электронов в ионосфере

LT местное время

UT всемирное время

hmF2(hm) высота главного максимума плотности электронов в ионосфере

ymF2 (ym) полутолщина параболической аппроксимации слоя F2

ионосферы

Hм эквивалентная высота отражения радиоволны с f = МПЧ

S параметр, характеризующий интенсивность рассеяния КВ

в ионосфере

θ угол излучения радиоволны в вертикальной плоскости

β угол приѐма радиоволны в вертикальной плоскости

βк критический угол, разделяющий отраженные и преломленные

ионосферой лучи

ηЗ разность групповых задержек КВ для различных траекторий

распространения