автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Метод и алгоритм прогнозирования углов прихода декаметровых радиоволн при их распространении в горизонтально-неоднородной рассеивающей ионосфере

На правах рукописи

Нгуен Минь Жанг

МЕТОД И АЛГОРИТМ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ УГЛОВ ПРИХОДА ДЕКАМЕТРОВЫХ РАДИОВОЛН ПРИ ИХ РАСПРОСТРАНЕНИИ В ГОРИЗОНТАЛЬНО-НЕОДНОРОДНОЙ РАССЕИВАЮЩЕЙ ИОНОСФЕРЕ

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы

и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з 1,.0Н 2015

Иркутск - 2015

005569679

Работа выполнена на кафедре радиоэлектроники и телекоммуникационных систем ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет»

Научный руководитель:

Агарышев Анатолий Иванович,

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет»

Официальные оппоненты:

Демьянов Владислав Владимирович,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения»;

Сажин Виктор Иванович,

доктор физико-математических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет», заведующий кафедрой

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет гражданской авиации»

г 00 ,

Защита состоится 22 июня 2015 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д212.073.09 при ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83, корпус «К», конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет», с авторефератом — на официальном сайте университета wwvv.istu.edu

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, прошу высылать по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.073.09 А.Г. Ченскому.

Автореферат разослан 19 мая 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.073.09, у

кандидат физико-математических наук, доцент А.Г. Ченский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время существует множество видов систем радиосвязи. Они разработаны, в том числе, за последние годы, благодаря научно-техническому прогрессу с целью удовлетворения непрерывно растущих потребностей пользователей. К их числу относятся волокно-оптические и кабельные линии связи, радиорелейные и спутниковые радиолинии.

При этом системы связи с использованием декаметровых радиоволн (ДКВ) сохраняют свою значимость. Декаметровые радиоволны отражаются от ионосферы с малыми потерями, поэтому они могут распространяться на большие расстояния в процессе однократного или многократных отражений от ионосферы и поверхности земли и не требуют передатчиков большой мощности. Системы радиосвязи, использующие ДКВ, могут использовать для диагностики состояний ионосферы, так как распространяющиеся ДКВ радиоволны очень чувствительны к параметрам окружающей среды. Кроме того, системы ДКВ радиосвязи обладают рядом преимуществ перед другими системами связи, например, сравнительно низкой стоимостью эксплуатации средств системы ДКВ радиосвязи и высокой устойчивостью систем ДКВ-радиосвязи к внешним воздействиям.

Для повышения эффективности системы ДКВ радиосвязи разработан ряд способов. Среди них - использование ретранслятора, вынесенного за зону расположения абонентов системы, прогнозирование оптимальной рабочей частоты, применение метода наклонного зондирования (НЗ) ионосферы. Важный вклад в развитие этих методов внесли, в том числе К. Дэвис, Р. Фенвик, В.Б. Смирнов, В.А. Иванов, О.В. Головин, А.П. Потехин, В.И. Куркин.

Особое место занимает способ повышения эффективности систем ДКВ радиосвязи на основе оптимизации диаграмм направленности приёмопередающих антенн, что требует дополнительных устройств в виде антенн с управляемыми по углу диаграммами направленности. Для реализации данного способа необходимы прогнозы углов излучения и приема радиоволн в вертикальной плоскости (углов места) с использованием экспериментальных данных об угловых характеристиках ДКВ, полученных, например, А.И. Агарышевым и В.Е. Унучковым [1*], экспериментальные данные локации в ДКВ диапазоне.

Известный метод прогнозирования углов места, рекомендованный к практическому использованию Международным консультативным комитетом по радио (МККР), основан на задании параметров ионосферы и расчётах характеристик радиоволн. Он реализован в виде программы для ЭВМ, которая обеспечивает высокое быстродействие расчётов характеристик ДКВ и может применяться в задачах проектирования систем радиосвязи, требующих большого объема расчётов, например, при проектировании систем ДКВ радиосвязи с вынесенным ретрансляционным пунктом. Однако метод МККР не учитывает регулярные (прогнозируемые) изменения параметров ионосферы вдоль радиолиний, т.е. не учитывает возможные отличия средних значений углов излучения и приёма ДКВ в вертикальной плоскости. Возможны также систематические ошибки прогнозов этих углов в условиях многослойной ионосферы (днём летом и в равноденствие) из-за нарушений условий применения теорем эквива-

лентности в условиях сферической ионосферы, лежащих в основе метода МККР. Существуют также методы, основанные на численном интегрировании системы лучевых уравнений для ионосферы с изменяющейся в вертикальном и горизонтальном направлениях плотностью электронов N. Они обеспечивают более высокую, по сравнению с методом МККР, точность прогнозов углов излучения и приёма (из этих методов самый пример В.И. Сажин [2*]), но не обеспечивают необходимое при проектировании систем ДКВ радиосвязи быстродействие расчетов характеристик ДКВ.

Поэтому актуальность темы диссертации состоит в разработке методов прогнозирования углов прихода ДКВ, позволяющих учесть влияние регулярных и случайных неоднородностей N. т.е. учесть эффекты регулярной рефракции и рассеяния ДКВ такими неоднородностями.

Метод учёта влияния регулярных и случайных (рассеивающих) неоднородностей N обоснован в [1*], но этот метод предназначен для среды, при которой отсутствуют градиенты электронной плотности вдоль трассы.

Цель диссертации заключается в разработке метода и алгоритма для прогнозирования углов прихода ДКВ в горизонтально-неоднородной рассеивающей ионосфере, а также в оптимизации диаграммы приёмо-передающих антенн.

Для достижения цели распространение ДКВ в ионосфере описывается законом Снеллиуса с учетом возмущений только на нижней части слоя. Такой характер возмущений радиоволн вполне оправдан, так как их характерный масштаб возмущений на высоте 100 км э ~ 100 м, а с ростом высоты на 300 км характерный масштаб возрастает на 100 км. Степень влияния возмущений на траекторию радиоволн определяется соотношением Д^/б, где Ах = АЫ /N -возмущение электронной концентрации в процентах, Ах ~ 1% на высоте 100 км и Ах ~ 10% - на 300 км, поэтому Д^/в на высотах в 100 км больше 100 раз по сравнению с отношением Ах/& на высотах 300 км.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Найдены аналитические выражения для расчета градиента коэффициента преломления в горизонтально-неоднородной рассеивающей ионосфере, с использованием которых появилась возможность построения траекторий распространения декам етровых радиоволн.

2. Разработаны метод, алгоритм и программное обеспечение для оперативного прогнозирования углов прихода декаметровых радиоволн в горизонтально-неоднородной рассеивающей ионосфере.

3. Проведен анализ точности разработанного метода прогнозирования углов прихода ДКВ в горизонтально-неоднородной рассеивающей ионосфере путём сравнения результатов расчета с результатами известных измерений.

4. Разработана методика оптимизации приемо-передающих антенн, основанная на прогнозах углов излучения и приема ДКВ в вертикальной плоскости.

По результатам выполненных исследований можно сформулировать следующие основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод обеспечивает учёт горизонтальных градиентов критической частоты и высоты отражающего слоя, что следует из анализа экспериментальных данных по среднему углу ориентации антенн и проведенных расчетов.

2. Разработанный алгоритм и созданная программа повышают оперативность прогнозирования угловых характеристик ДКВ и учета влияния рассеяния на изменение дальности по сравнению с другими численными методами расчёта.

3. При прогнозировании углов прихода ДКВ экспериментально показано, что хорошая точность прогноза достигается на трассах длиной до 1000 км, а на трассах длиной свыше 2000 км точность определения измененной дальности падает, оставаясь, тем не менее, лучше, чем точность, обеспечиваемая известными методами, которые не учитывают градиенты концентрации электронов.

Таким образом, предметом исследований являются характеристики при-емо-передающих антенн в декаметровом диапазоне и результаты измерений углов прихода радиоволн.

Методы исследований заключались в применении математических методов для построения траекторий декаметровых радиоволн в горизонтально-неоднородной рассеивающей ионосфере и анализа экспериментальных данных, а также в применении компьютерного моделирования на языке Delphi 7.0 для описания программной реализации углов излучения и прихода ДКВ.

Достоверность и обоснованность основных результатов и выводов работы определяется использованием математических методов расчетов траекторий радиоволн в ионосфере, описанием программной реализации на ЭВМ с использованием известного метода прогнозирования параметров регулярной ионосферы и сравнением результатов расчета с экспериментальными данными.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Обоснована возможность применения модифицированного закона Снеллиуса для построения траекторий декаметровых радиоволн в горизонтально-неоднородной рассеивающей ионосфере и получены формулы, позволяющие рассчитать градиенты коэффициента преломления ионосферы.

2. В результате расчётов показано, что влияние случайной неоднородности ионосферы увеличивает средние углы приёма и уменьшает средние углы излучения для горизонтальной однородной односкачковой трассы, что становится более заметным для трасс длиннее 2000 км.

3. Предложена новая методика выбора направления главного лепестка при-емо-передающих антенн, включающая учет влияния горизонтальных градиентов электронной концентрации и показано, с использованием известных экспериментальных данных для среднеширотной трассы 2300 км, что она имеет большую точность определения углов прихода ДКВ, чем методика, не учитывающая наличие таких градиентов.

Результаты работы внедрены в учебном процессе ФГБОУ ВО Иркутский национальный исследовательский технический университет (лекции, курсовой проект и лабораторные работы по дисциплинам «Системы радиосвязи» и «Электродинамика и распространение радиоволн»).

Практическая значимость работы состоит в том, что разработана программа, обеспечивающая прогнозирование углов прихода декаметровых радиоволн, применение которой позволяет повысить эффективность работы приёмопередающих антенн за счет прогнозирования углов прихода радиоволн; резуль-

таты прогнозирования можно использовать при проектировании и эксплуатации систем коротковолновой радиосвязи, радиолокации.

Апробация работы. Диссертация прошла апробацию на семинарах кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем Иркутского государственного технического университета, на XI, XII, XIII всероссийских научно-технических конференциях "Современные проблемы радиоэлектроники и связи" (г. Иркутск, 2012, 2013, 2014 г.г.), на XXIV Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (Иркутск - ИСЗФ СО РАН, 2014 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, из них 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, а также 1 свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Личный вклад. Все выносимые на защиту результаты получены лично автором или при его непосредственном участии. Постановка задач, методы решения поставленных задач, обобщение результатов диссертации, анализ экспериментальных данных выполнены совместно с научным руководителем А.И. Агарышевым. Автором самостоятельно разработаны алгоритмы и описание программной реализации для ЭВМ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4-х разделов, заключения и приложений общим объемом в 160 страниц, включая список используемых источников из 138-ти наименований, 8 таблиц и 64 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описана общая характеристика работы, ее актуальность, сформулированы цель диссертации и решаемые задачи, определены положения, выносимые на защиту, обоснована научная новизна и практическая значимость выполненных исследований. Показан личный вклад автора, внедрение результатов работы, ее апробация, приведено краткое содержание диссертации.

В разделе 1 рассмотрены существующие методы задания моделей однослойной ионосферы. Даны описания метода прогнозирования параметров регулярной ионосферы, метода оперативного расчета характеристик декаметровых радиоволн, в том числе максимальная применимая частота (МПЧ), углы излучения и приёма радиоволн, а также метод измерения углов прихода ДКВ. Рассмотрены основные методы построения траекторий радиоволн в ионосфере. Приведены результаты измерений углов прихода радиоволн по трассе Хабаровск — Иркутск и анализа полученных результатов. В заключении к разделу 1 сделан вывод о необходимости учета влияния случайных и регулярных неодно-родностей N ионосферы на угловые характеристики декаметровых радиоволн при построении траекторий декаметровых радиоволн.

Раздел 2 посвящен анализу возможностей применения закона Снеллиуса для построения траекторий радиоволн в ионосфере и приведены метод и алгоритм расчета углов излучения и прихода ДКВ в горизонтально-однородной рассеивающей ионосфере.

В подразделе 2.1 дано описание характеристик распространения радиоволн в плоскослоистом ионосферном слое.

В подразделе 2.2 дано описание модифицированного вида закона Снеллиуса для толстого слоя ионосферы, метода и алгоритма построения траекторий радиоволн на основе применения этого закона.

Для толстого слоя, где толщина слоя не является пренебрежимо малой по сравнению с высотой от Земли, закон Снеллиуса имеет вид [3*]:

= , (1) где п, и, - коэффициенты преломления среды на уровне «п» и «1»; К, Я, - радиусы от центра Земли до уровня «п» и «1»; (р, <р] - углы между траекторией радиоволн и радиусами Я и , определяется с учетом среднеквадратического отклонения СКО [1*] (рис. 1).

При входе в ионосферу и выходе из ионосферы (рис. 1) углы входа радиоволн в ионосферу (р и углы выхода из ионосферы (рв испытывают случайные возмущения уп, у21 (параметр рассеяния), которые имеют одинаковые характеристики, распределенные по нормальному закону.

Для определения параметра рассеяния (в градусах) используется метод, предлагаемый в работе А.И. Агарышева [1*]. Выберем на поверхности Земли отрезки длиной Л и для лучей с Д, попадающими в к-й отрезок, рассчитаем средние значения вк ,рк ,Ьк ,йк, а также среднеквадратические отклонения от этих средних а. При этом важно, что изменение параметра рассеяния до совпадения измеренных и рассчитанных (^позволяет определить параметр рассея-

а) б)

Рис. 1. Построение траектории волны в соответствии с законом Снеллиуса (а) и метод учета рассеяния радиоволн в ионосфере (б): 1 - преломлённый луч; 2 - отражённый луч

Согласно рис.1, а траектория радиоволн состоит из трёх участков: 1) прямая между передатчиком и нижней границей отражающего слоя (участок Б1); 2) искривлённая траектория в отражающем слое (/)2); 3) прямая между нижней границей слоя и приёмником ( И3). Длина участка траектории радиоволн от предатчика до нижней границы ионосферы рассчитывается по формуле:

£)[=/?£- СОБ

в + агсзт( Я1

соб( в) ЯЕ+И0

Где в, Ид —утоп излучения ДКВ и высота отражающего слоя.

Алгоритм построения траекторий ДКВ в ионизированной среде ионосферы просто реализуется при отсутствии изменений плотности электронов в направлении вдоль радиолинии (горизонтальном направлении ¿). В этом случае использовался алгоритм пошагового расчёта траекторий ДКВ по закону Снеллиуса (1), основанный на аппроксимации участков траекторий отрезками прямых одинаковой длины Д5, направленными в соответствии с показателями преломления пк_, и центральными углами в начало этих участков. Затем направления этих прямых меняются в соответствии со значениями пк, в конце этих участков. Значение показателя преломления пк (Ь) можно рассчитать по формулам (4), (5) при использовании параболической модели ионосферы.

сШ = Л5-со5(1рк_1), (2)

Ък = Ък_, + а1, (3)

/оП (Ьк) ~ /т

1 -

=М-

/01

/

где /дг2 - плазменная частота на высоте Ък.

Подставляя значение пк из (5) в (1) найдётся значение <рк:

(ръ=вт((рк_1)-

■щ

Я,

(4)

(5)

(6)

<Рк

л •Л

/ | А

<Рк-1 ск

Як-1

Рис. 2. Расчет угла преломления в ионосфере через каждый шаг движения радиоволн

Через каждый шаг по траектории ЛБ дальность распространения радиоволн увеличивается на значение с!х = а15 • зт( <рк) (рис. 2) и общая дальность распространения радиоволн в ионизированной среде 02 становится равной Э2 = Б2 + АБ ■ .чт(<рк). Углы входа в ионосферу (р и выхода из ионосферы (рв радиоволн испытывают случайные возмущения и становятся равными <р = (р+Уц', <РВ =<Рв + У 21 ■ (Рис- б). При этом отмечено, что лучи с углами

(рв > агс.чт( Е ) (7)

исключаются из дальнейших расчётов, поскольку проходят над сферической поверхностью. Отражение радиоволны от ионосферы произойдёт на высоте Ьотр при фотр = 90°. После отражения от отражающего слоя радиоволна движется вниз к Земле и, когда она опускается до высоты меньшей высоты начала слоя, тогда считается, что радиоволна входит в неионизированную среду.

Длина нисходящей траектории радиоволн от нижней границы отражающего слоя до приёмника рассчитана по формуле:

о3 = кЕ-

(рв + агссоэ

Е

Общая длина траектории радиоволн равна £> = В1 + £>2 + . (8)

Подраздел 2.3 посвящен обоснованию выбора значения длины прямолинейных участков Д5. Эта задача решена путем сравнения результатов разработанных и точных решений. В качестве известного решения используется известный интеграл для зависимостей дальностей ионосферных участков радиолинии от начальных углов падения на отражающий ДКВ горизонтально-однородный слой с радиусом основания Я0, радиусом отражения Яотр, радиусом Земли Д£[3*]:

В результате сопоставления результатов расчета характеристик ДКВ по разработанному методу и по известному методу [3*] (табл. 1) обоснован выбор шага по траектории для расчетов по разработанному методу.

Таблица 1

Сопоставление дальностей траекторий ДКВ, рассчитанных известным и разработанным методом, в зависимости от углов излучения в (градусы) для различных шагов приращения вдоль траекторий Д5

Метод [3*] 0,1 км ЛБ = 1 км АБ = 10 км

в Ба О Р-Оа| О Р-Ба| Б р-Оа

2 3048 3045 3 3052 4 2606 442

4 2693 2689 4 2692 1 2888 195

6 2400 2396 4 2398 2 2430 30

8 2163 2160 3 2170 7 2194 31

10 1976 1974 2 1985 9 2080 104

12 1831 1830 1 1838 7 1855 24

14 1725 1724 1 1729 4 1763 38

16 1657 1655 2 1660 3 1695 38

18 1634 1631 3 1635 1 1678 44

20 1703 1693 10 1696 7 1754 51

21 1881 1848 33 1850 31 1878 3

Из табл. 1 видно, что шаг вдоль траектории /15 = 1 км обеспечивает необходимую точность расчёта дальностей распространения ДКВ, а дальнейшее уменьшение этого шага практически не повышает точность расчётов. При шаге 4?=10 км ошибки расчёта дальностей распространения ДКВ существенно возрастают. Две последние строки табл.1 соответствуют, так называемым, верхним лучам, отражённым от слоя ¥2 ионосферы, дальности которых гораздо сильнее зависят от углов излучения по сравнению с дальностями распространения нижних лучей, что объясняет рост ошибок расчёта дальностей для верхних лучей.

В подразделе 2.4 дано описание программы, по которой рассчитываются траектории ДКВ без учета изменения электронной плотности вдоль трассы. Приведены интерфейс пользователя, а также необходимые входные данные для расчета характеристик ДКВ и выходные данные.

В подразделе 2.5 приведены результаты расчета дистанционно-угловых характеристик декаметровых радиоволн для модели однослойной ионосферы в горизонтально-однородной рассеивающей ионосфере (рис. 3). Сделан вывод о том, что влияние случайных неоднородностей на угловые характеристики ДКВ увеличивает средние углы приёма ДКВ и уменьшает средние углы излучения для дальностей больше 2000 км.

а) б)

Рис.3. Рассчитанные известным методом зависимости дальности распространения от углов излучения (а) и приёма (б), где(») - без возмущения; (о) - с возмущением СКО=1°

а) б)

Рис. 4. Рассчитанные разработанным методом зависимости дальности от углов излучения (а) и приёма (б), где (•) - без возмущения; (о) - с возмущением при СКО=1°

Рис. 3 а, б показывают, что рассеяние ДКВ в ионосфере увеличивает средние углы приёма и уменьшает средние углы изучения для дальностей, превышающих 2200 км. Такой же эффект, согласно рис. 4 а, б, наблюдается при расчётах разработанным методом.

В подразделе 2.6 приведен результат расчёта дистанционно-угловых характеристик ДКВ для модели трёхслойной ионосферы.

Заключение к разделу 2. Делается вывод о том, что ошибки расчёта углов излучения и приёма радиоволн разработанным методом практически не превышают 0.1° с выбранном шагом расчёта равным 1 км. Такая точность вполне достаточна для прогнозов характеристик распространения ДКВ и решения практических задач, в том числе, для решения задач оптимизации диаграмм направленности (ДН) приёмо-передающих антенн.

В разделе 3 приведены описания алгоритмов и программной реализации для прогнозирования угловых характеристик ДКВ в горизонтально-неоднородной трёхслойной рассеивающей ионосфере.

В подразделе 3.1 Приведён анализ влияния рассеяния мелкими и крупными неоднородностями электронной концентрации на угловые характеристик распространения ДКВ

В подразделе 3.2 дано описание модели трёхслойной ионосферы. Приведены математические выражения высотной зависимости плазменной частоты слоёв ионосферы Е, Б1, ¥2 (рис. 5).

11, км

/г.

,е

1

--1

Гт'

ГтпП

ГтР2. Г, МГц

Рис. 5. Модель плазменных частот для ионосферных слоёв Е, И, Р2

Модель трёхслойной ионосферы используется для того, чтобы установить высотную зависимость плазменной частоты 4ли(/г) слоёв Е, Р1, ¥2 ионосферы. Согласно этой модели, в слоях Е и ¥2 плазменная частота нелинейно зависит от высоты, а в слое Р1 она линейно зависит от высоты. Ниже представлены аналитические формулы модели трёхслойной ионосферы.

(10)

ИтЕ= 110км, утЕ= 20 км,

Кг2 - К

1 — 0.3 ■ ¡1 -1.5 •(

Л

т¥2

У тР2

при 90 < Ь < 110 км (слой Е)

(И) (12) (13)

. УтЕ

при 110<Ь</гтЛ (слойБ!)

= /тЕ ■ (*• 0.225+итр1 -1.225-ите)/(кр,-ке)\

при ктР1 < Ъ<кт¥2 (слой Б2)

/таз (Ь) = 1тТ2

1-

ъ-ът

УтЕ 2

(15)

(16)

При учете градиента электронной концентрации в горизонтальном направлении распространения волн, закон Снеллиуса имеет вид:

я дп

п-Я-зт(<р)-п0-В.0■ $т( %) = - (17)

где — - горизонтальный градиент коэффициента преломления, с1Б - элемент дв

траектории радиоволн.

Правая часть уравнения (17) рассчитывается приближённо по формуле:

т,)д п

*<ко>дв дв [дв]

(18)

где ЛБ = Б (Я,) - ) - шаг расчёта по траектории.

Из модели трёхслойной ионосферы (10-16) найдётся градиент коэффициента преломления дп/дв через градиенты критических частот

дв ' дв ' дв

, градиенты высот максимума электронной плотности

(дк

тЕ, и градиенты полутолщин ^¡п. \ слоёв Е, Р1,Р2.

{дв' дв дв )

{ дв ' дв ' дв

В слое Е (/ несущая):

дп_ дв

1

' I2 + /.Е

{К

(Ке-Ь) {УтЕ У ^У ¿УтЕ

■А)

УтЕ

дв

У3тЕ

дв

где

В слое Р1:

дп _ дв"

Л = /„* •

■ (а + в-с),

п-Г

д/„Е (0.225 + дв

(19)

(20)

1,225 ■ИяБ )2

(К

■ Ке Г

-{0,225 - А + 1.225 ■ 1,225

( V 1 ~ ЬтЕ У

(дИ„

С =

дв

• (0,225 ■ И + ЪтГ, - 1,225 ■ ЬтЕ )"

дп дв

В слое 72: 1

/п,Р2Л 1

{К

(Кг 1 - ктЕ У

(у „Г 2 У

дв -И)2 ду

КР 2

(К

А) ЭА„

УпР 2

дв

УтГ 2

дв

П

При расчете полагается, что критические частоты, высоты максимума и полутолщины слоев изменяются линейно от места передатчика до места приёма. Через каждый шаг ЛЯ рассчитываются значения критических частот, высот максимума, и полутолщин слоев Е, Б1, ¥2 по формулам:

/„=ив+хШ2):и1)\ (22)

Ут =Ут(1) + :

(23)

(24)

Б

*(кт(2)-Ия(1)) -»

х{ут(2)-ут(1)) £>

где /т( 1 ),Ит( 1 ),ут( 1)— критическая частота, высота максимума электронной концентрации и полутолщина слоя в пункте передачи; /т(2),кт(2),}>„,(2) — критическая частота, высота максимума и полутолщина слоя в пункте приёма; /т,Ът,ут — критическая частота, высота максимума и полутолщина в рассмотренной точке, х - расстояние от пункта передачи до рассмотренной точки.

Через каждый шаг движения радиоволн проводятся расчеты значений

градиентов . Для малого центрального угла дв справедливо при-

дв ' дв ' дв ближенное выражение (рис. 6):

11х

Ъв~$т(дв) =

Я,

к-1

где сЬс, дв- приращения дальности и центрального угла через один шаг движения радиоволн (рисунок 6 изображен для ¿-ого шага), Як_, - радиус между центром Земли и начальной точкой ¿-ого шага движения радиоволн.

и-

Рис. 6. Расчет градиентов критических частот, высот максимума и полутолщин слоев через каждый шаг движения радиоволн

Затем рассчитываются градиенты критических частот, высот максимума и полутолщин слоев в каждом шаге движения волн:

дв--л ' (25)

~дв--Л ' (26)

= (у* - Ук-}\ ^к-1 (27)

дв ¿к У '

„ viI им,, иуч л,,

Зная МОЖНО рассчитать — по формулам (19, 20, 21) для

Си Си Си дв

слоев Е, П, И2 и из уравнения Снеллиуса вида (17) найти угол падения (направление движения) <р для следующего шага движения радиоволн. Отражение радиоволны от ионосферы произойдёт на высоте Ьотр при ср01р = 90°.

Расчеты длин участков траекторий радиоволн в неионизированной среде и метод генерации случайных возмущений ионосферы такие же, как для среды однородной ионосферы, представлены в разделе 2.

В подразделе 3.3 дано описание программы расчётов углов прихода ДКВ и дано описание блок-схемы алгоритма расчета. В программе предусмотрены два режимы расчета. Первый режим - это прогнозирование суточной вариации углов прихода моды ДКВ в пункт приёма. Второй режим - это прогнозирование углов излучения и приёма всех мод ДКВ, принятых в заданной области в заданное конкретное время. На рис.7 дается блок-схема алгоритма прогнозирования углов прихода в горизонтально-неоднородной рассеивающей ионосфере.

Блок 4

Рис. 7. Блок-схема программы В качестве входных данных используются: дата Б, время Т, число Вольфа географические координаты передатчика и приёмника к,,^^ к2,ср2, коэффициент рассеяния Б, минимальный и максимальный углы излучения в„ит 0т

шаг по углу Д0(град), шаг по траектории dS (км). По входным данным в блоке 1 определяются параметры ионосферы (f0E,f0F2, M(3000)F2) вблизи передатчика и приёмника с использованием табличных параметров ВЗ ионосферы, измеренных в дни и часы проведения экспериментов. Далее, определяются значения высот максимума в пунктах передачи и приёма по формуле, разработанной в работе [1*]:

hF2=, 1490 -176 (28)

■4м (зооо У -1

Выходные данные из блока 1 - это f0E(l), f0F2(l).hmF2(1) и f0E(2), f0F2(2),hmF2(2), соответственно, критические частоты слоя Е, F2 и высота максимума электронной концентрации слоя F2 над пунктом передачи (обозначение цифрой 1 в скобках) и приёма (обозначение цифрой 2 в скобках).

В блоке 2 рассчитываются длина трассы и азимут радиолинии по заданным географическим координатам места передачи и приёма. Формулы расчета длины трассы D представлены ниже:

D = OG.RE, (29)

где центральный угол 0а между приёмным и передающим пунктами рассчитается по формуле:

0G=^L-arclg(^r), (30)

2 \1 - G

G = sin( <р,) ■ sin( (р2) + cos( <р,) • cos( (р2 ) ■ cos( Ä2-Ä!), (31) где (р1,Л1\(р2,Л2 - широта и долгота пункта передачи и приёма (в градусах).

Расчет азимута радиолинии:

sin( <р2 ) - cos( вс ) ■ sin( <р,) .

cos (А) =---;—. ->

cos( (р,) ■ sm( вс )

$.п(А) = cos(<p2).sm(Ä2-Ä,) _ (33)

sin( в0 )

Выходные данные из блока 2 - это длина трассы D и азимут радиолинии А.

В блоке 3 реализуются расчеты углов излучения и приёма ДКВ для каждого значения угла излучения по методу и алгоритму, представленным в подразделе 3.2 и разделе 2. Значения угла излучения изменяются от втт до 0ша с шагом Ад. Выходные данные из блока 3 - это массив данных углов излучения и приёма радиоволн, полученных в пункте приёма.

В блоке 4 рассчитаны средние значения углов излучения и приёма (п-числа попаданий):

п п

I®, ЕА

ßvp = —-'

р п П

В блоке 5 выполняется функция вывода данных расчетов. Результаты расчётов представлены в виде графиков и таблицы и их можно сохранить в текстовом документе или выводить на печать.

В подразделе 3.4 представлены описания интерфейса программы жимов её работы. На рис. 8 показан интерфейс программы.

и ре-

• » I т э'"©5ирсьа>«<*« /тга • I юогсзммамоделирования Рабочая частота

Рс(МГц) |1ё,8 Угол излучения (Грея)

Периметры слоя Е НтЕ_перед8т{Км) |110 УтЕ_передат(Км) Р

I Широта перед ¡43.55

I Долгота перед Н 35.25

[ Минимальный угол

; Максимальный угол |до Шаг угла [од

Шаг прнрзшенич р

Левый генератор возмущения (Град)

От р До р

Правый генератор возмущения (Град)

Широта приём ¡51.82

Долгота приём Ь 03.07

Число Волфа ¡50

П рогно зиров вниз ее«-* модое. приходящих Прогнозирование углов прихода заданного мода в приёмнике течение суток

Дата

15.11 1977

Дата

Время

1501.20Н

Запуск

Ь

Мод

Время Т1 И000

Время Т2 ¡23 00.0:

Г? Показать графики ¡У Показать таблицы

Запуск

Рис. 8. Интерфейс программы прогнозирования углов прихода ДКВ

В качестве входных данных используются: дата, время Т, среднее число Вольфа соответствующее заданной дате, географические координаты передатчика и приёмника А},(ри Х2,(р2, интенсивность рассеяния 8 (в градусах, минимальный и максимальный угол излучения 9тах, шаг по углу ав (град), шаг по траектории Ж (км).

2 000 3 000 2 000 3 000

Дальность, км Дальность. км

а) б)

Рис. 9. Графики зависимости углов излучения (а) и приёма моды 1Р2 (б)

Исходив данные Координаты передатчнка: Широта (град) Долгота [град} Коорджаты прметтика: Широта (град): Долгота [градЬ Дата Время:

Рабочая частота [МГц} Число Вольфа: Высота рассеивания [км): Параметр расссеивания (град} Мим. угол излучетя (град): Макс, угол излучения [град): Шаг по углу (град}

100

12 100 90

24.05 2014 23:37.56

43.9 135.2

80

35 30

Результата рассчётов: Параметры ионосферы Длина трассы

8062,«

Рис. 10. Результаты расчета в виде таблицы

На рис. 9 и 10 представлены выходные результаты прогнозирования углов прихода и излучения ДКВ в виде графиков и таблицы.

Для режима прогнозирования углов прихода ДКВ в пункте приёма в заданном интервале времени в дополнение к исходным данным, перечисленным выше, задаются еще следующие входные данные: название прогнозируемой моды, дата, начальное и конечное время Т1, Т2 (часы: минуты: секунды), в течение которых проводится прогнозирование.

После запуска программы автоматически получаются результаты прогнозирования углов прихода и излучения ДКВ в заданном интервале времени.

В заключении к разделу 3 делается вывод о том, что разработана программа, позволяющая прогнозирование углов прихода ДКВ в горизонтально-неоднородной рассеивающей ионосфере с точностью 0,1 градуса.

Раздел 4 посвящен анализу возможностей применения разработанной программы на практике. Приведены сопоставления результатов измерений углов прихода ДКВ по трассе Хабаровск - Иркутск, Кипр - Ростов-на-Дону, Москва - Ростов-на-Дону, Минск - Ростов-на-Дону с результатами расчетов по разработанной программе, а также приведено применение результатов прогнозирования угловых характеристик для оптимизации диаграмм приёмопередающих антенн применительно к углам излучения и прихода ДКВ.

В подразделе 4.1 приведена интерпретация результатов измерений углов прихода ДКВ по трассе Хабаровск - Иркутск. Приведены результаты расчетов временной зависимости углов прихода ДКВ по трассе Хабаровск - Иркутск.

Для реализации прогнозов углов прихода радиоволн вводятся следующие исходные данные: географические координаты передатчика (Хабаровск) и приёмника (Иркутск), время проведения прогнозирования с 8 ч. до 16 ч. по местному времени в середине трассы Хабаровск - Иркутск, число Вольфа Ш=50, рабочая частота - 16.8 МГц, минимальный и максимальный углы излучения вт1п = 1°, втах = 80°, шаг углов Д0 = 0.01 параметр интенсивности рассеяния 5=1°, шаг по траектории ёз=1 км, прогнозируемая мода - 1Б2.

10 12 И 16 Время, часы

Время, часы

Рис. 12. Рассчитанные методом [4*] (штриховые кривые), разработанным методом (сплошные кривые) и результаты измерений (точечные кривые) зависимости угла прихода ДКВ от местного времени в середине трассы Хабаровск-Иркутск в январе (а), феврале (б), марте (в), октябре(г), ноябре (д), декабре (е)

С целью сопоставления в одной и той же системе координат построены еще и результаты расчётов углов прихода радиоволн по трассе Хабаровск -Иркутск, полученные по известному методу [4*], основанному на теореме эквивалентности между вертикальным и наклонным отражением радиоволн в ионосфере. Результаты измерений и расчета представлены на рис. 12 а-е.

Видно, что углы прихода радиоволн практически монотонно растут от утра к вечеру. Такие изменения объясняют регулярным (прогнозируемым) возрастанием плотности электронов с запада на восток утром и обратным изменением - вечером и влиянием случайных неоднородностей структуры ионосферы. При сравнении результатов измерений с результатами расчётов показано, что результаты прогнозирования углов прихода радиоволн, полученные по разработанному методу (сплошные кривые), лучше согласуются с результатами измерений, чем результаты, полученные по методу [4*].

В подразделе 4.2 приведены примеры использования программы для прогнозирования углов прихода ДКВ, распространяющихся между пунктами: Кипр - Ростов-на-Дону, Москва - Ростов-на-Дону, Минск - Ростов-на-Дону, Новосибирск - Москва, Уфа - Иркутск, Чита - Санкт-Петербург.

Для трассы Москва - Ростов-на-Дону приведены результаты расчета при рабочих частотах 4.996,9.996,14.996 МГц. На рис.13 представлены результаты расчета и измерений для частоты 4.996 МГц. Для прогнозирования заданы географические координаты Москвы и Ростова-на-Дону, дата; среднее число

(III! I 1 ! !

О 5 10152025303540455055606570 75 Время, часы

Угол места, градусы

а) б)

Рис. 13. Распределение углов прихода ДКВ на трассе Москва - Ростов-на-Дону, 23.11.2013, 5:00 - 6:00 мск, частота - 4.996 МГц (а) [5*] и суточная вариация углов прихода ДКВ на трассе Москва - Ростов-на-Дону в 23.11.2013 (б) по расчёту разработанным методом расчета

Из рис. 13, б видно, что углы прихода ДКВ по расчету изменялись в течение суток в диапазоне от 22 градусов до 42 градусов. В частности, в интервале времени с 5:00 до 6:00 мск среднее значение углов прихода ДКВ равно 35 градусов. Эти результаты прогнозирования согласуются с результатами измерений моды F20 - обыкновенная компонента моды 1Б2, что показано на рис.13, а (вертикальной стрелкой).

Заметим, что не наблюдалась мода 2Б2 по прогнозированию с 05 до 06 ч для рабочей частоты 4.996 МГц, хотя по результатам эксперимента (рис.13, а) эта мода наблюдалась. Для обоснования этого факта проводился расчет значения максимальной применимой частоты моды 2Р2 (МПЧ2Р2) для трассы Москва - Ростов-на-Дону по методу равных скачков [1*] .В результате расчета получено значение МПЧ2Р2 с 5:00 до 6:00 мск МПЧ2Р2, равное 3.95 МГц. По этим результатам расчета МПЧ2Р2 следует, что теоретически при рабочей частоте 4.996 МГц невозможно наблюдать моду 2Р2 в интервале с 5 до 6 ч. Несмотря на это, на практике прохождение радиоволн с / >МПЧ2Р2 возможно (как показано по результатам эксперимента на рис. 13, а из-за влияния случайных неоднородностей ионосферы двух различных типов: 1) мелкомасштабных (характерный размер <1 км) неоднородностей N, расположенных ниже отража-

ющего радиоволны слоя, и крупномасштабных (размер >100 км) неоднородно-стей, к которым можно отнести, так называемые, перемещающиеся возмущения ионосферы (ПИВ) [6*]. Благодаря этим неоднородностям, при рабочей частоте /> МПЧ2Р2 можно наблюдать моду 2¥2 на пункте приёма.

В подразделе 4.3 дан пример прогнозирования временной зависимости углов излучения и прихода моды 1Р2 для трассы длиной 2300км, а также результаты прогнозирования дистанционно-угловых характеристик всех мод распространения ДКВ по трассе длиной 8100 км.

В подразделе 4.4 дано описание методики оптимизации работы приёмопередающих антенн и пример решения задачи оптимизации диаграммы направленности ромбической антенны для трассы Хабаровск - Иркутск.

Для проектирования приёмо-передающих антенн рекомендуем выполняться следующие этапы:

1. Прогнозирование углов излучения и приёма ДКВ.

2. Выбор типа антенны декаметрового диапазона. Проводится проектирование антенны в соответствии с прогнозируемым углом прихода радиоволн и с оптимальной рабочей частотой.

Предполагается, что требуется проектировать антенны для системы ДКВ радиосвязи по трассе Хабаровск - Иркутск с рабочей частотой 16,8 МГц. Для решения этой задачи сначала по результатам прогнозирования средних углов прихода радиоволн в пункте приёма за 12 месяцев (таблица 2) найден средний угол приёма радиоволн в год.

Таблица 2

Средние углы прихода ДКВ в различных месяцах и в год для трассы

Хабаровск - Иркутск

Месяцы Январь Февраль Март Апрель Май Июнь

10,2 10 10,5 11 13,7 13,2

Месяцы Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь

Рср 13,2 12,7 11,3 9,7 9,4 9,0

Из таблицы 2 найдено среднее значение угла приёма радиоволн для трассы Хабаровск - Иркутск за год, который равен 11.2 градусов. По этому среднему прогнозируемому углу прихода радиоволн, из справочника, например [7*],

выбирается ромбическая антенна РГ—1 с максимумом главного лепестка ДН,

4

который соответствует прогнозируемому углу прихода ДКВ. 1,0 0,8 0,6 0,1, 0,2 О

/ Л* II 1 ! 1 1 !

\ <> _! I п

/

1

/ Ч 1 /

/ 4 I

/ \\ / !

/ \ I ;

■ 1 1 IV У V X —и] !

Рис. 14. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости антенны

рг6-^

4

Ю ¡0 33 40 5о

ео

70 ¿¡град 20

Из рис.14 видно, что задача синтеза оптимизированной приёмо-передаю-щей антенны для трассы Хабаровск-Иркутск успешно решена, так как область максимума главного лепестка ДН дает прогнозируемый угол прихода 11.2°.

В заключении к разделу 4 даны выводы о возможности применения разработанной программы при решении практических задач, в том числе, при проектировании приёмо-передающих антенн, проектировании и эксплуатации системы радиосвязи, пеленгации, радиолокации.

Основные выводы и результаты работы

1. Разработаны метод и алгоритм прогнозирования углов прихода ДКВ на основе применения модифицированного закона Снеллиуса с учетом влияния на характеристики распространения радиоволн горизонтального градиента электронной концентрации ионосферы вдоль трассы и случайных возмущений ионосферы.

2. Показано, что метод построения траекторий ДКВ на основе применения модифицированного закона Снеллиуса с шагом расчета, равным 1 км, даёт результаты расчета угловых характеристик ДКВ с погрешностью не выше 0.1° по сравнению с результатами расчета известными методами.

3. Результаты расчёта дистанционно-угловых характеристик ДКВ показывают, что влияние случайных неоднородностей ионосферы увеличивает средние углы приёма и уменьшает средние углы излучения, что заметно на трассы длиной больше 2000 км.

4. Получены аналитические выражения для расчетов градиента коэффициента преломления в неоднородной ионосфере для модели трёхслойной ионосферы, 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 задач точностью.

6. Продемонстрирована возможность оптимизации диаграммы приёмопередающих антенн при прогнозировании диапазона углов прихода декаметровых радиоволн.

7. В результате прогнозирования углов прихода ДКВ показано, что хорошая точность прогноза достигается на трассах длиной до 1000 км, а на трассах длиной свыше 2000 км точность определения измененной дальности падает, оставаясь, тем не менее, лучше, чем точность, обеспечиваемая известными методами прогноза.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

В изданиях из перечня ВАК РФ:

1. Агарышев А.И., Нгуен Минь Жанг. Применение закона Снеллиуса для расчета траекторий радиоволн в регулярной рассеивающей ионосфере // Вестник ИрГТУ — 2013. - № 4. - С. 131-136.

2. Нгуен Минь Жанг. Прогноз угловых характеристик декаметровых радиоволн в неоднородной рассеивающей ионосфере // Вестник ИрГТУ. - 2014. -№ 11.-С. 217-221.

3. Прогнозирование характеристик декаметровых радиоволн на неоднородной рассеивающей ионосфере / А.И. Агарышев, Нгуен Минь Жанг; Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015610215, заявка № 2014661368 от 10 ноября 2014 г., дата гос. регистрации Реестре программ для 12 января 2015 г.

В научных рецензируемых изданиях и сборниках трудов:

4. Нгуен Минь Жанг. Расчёт углов прихода декаметровых радиоволн на основе применения закона Снеллиуса / Нгуен Минь Жанг, А.И. Агарышев // Современные проблемы радиоэлектроники и связи : материалы X и XI всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2012.-С. 38-42.

5. Нгуен Минь Жанг. Программная реализация прогнозов декаметровых радиоволн через горизонтальную неоднородную рассеивающую ионосферу / Нгуен Минь Жанг, А.И.Агарышев // Современные проблемы радиоэлектроники и связи : материалы XIII Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2014. - С. 4-8.

6. Нгуен Минь Жанг. Разработка алгоритма и программы расчетов характеристик распространения декаметровых радиоволн в ионосфере на основе применения закона преломления Снеллиуса / Современные проблемы радиоэлектроники и связи : материалы XII Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2013. - С. 5-13.

7. Нгуен Минь Жанг. Программная реализация прогнозов угловых характеристик декаметровых радиоволн в горизонтальной неоднородной рассеивающей ионосфере / Нгуен Минь Жанг, А.И. Агарышев // Распространение радиоволн : сб. докл. XXIV Всерос. науч. конф. (Иркутск, 9 июня - 5июля, 2014 г.): в 4 т.; под ред. Д.С. Лукина [и др.]. - Иркутск : ИСЗФ СОРАН. - 2014. -Т. 3.-С. 21-24.

Цитируемая литература:

[1*]. Агарышев А.И. Системы коротковолновой радиосвязи с подавлением многолучевости сигнала / А.И. Агарышев, В.А. Агарышев, П.М. Алиев, К.И. Труднев. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2009. - 160 с.

[2*]. Сажин В. И. Компьютерное моделирование распространения радиоволн в регулярной ионосфере : учеб. пособие / В.И. Сажин. - Иркутск : Изд-во Иркутск, гос. у-та, 2010.-91 с.

[3*]. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. - М.: Мир, 1973. - 502 с.

[4*]. A simple HF propagation method for MUF and field strength: Document CCIR 6/288. - CCIR XVI-th Plenary Assembly. - Dubrovnik, 1986. - 34 p.

[5*]. Чайка Е.Г. Использование данных текущей диагностики ионосферы в задаче КВ-пеленгации и однопозиционного место определения / Е.Г. Чайка, Г.Г. Вертоградов / Распространение радиоволн : сб. докл. XXIV Всерос. науч. конф. (Иркутск, 29 июня - 5 июля, 2014 г.): в 4 Т.; под ред. Д.С. Лукина [и др.]. - Иркутск : ИСЗФ СОРАН. - 2014. - Т. 2. - С. 41^4.

[6*]. Katamzi Z.T. Statistical analysis of travelling ionospheric disturbances using TEC observations from geostationary satellites / Z.T. Katamzi, N.D. Smith, C.N. Mitchell et. al. // J. Atmos. Terr. Phys. - 2012. - V. 74. - P. 64-80.

[7*]. Айзенберг Г.З. Коротковолновые антенны - M.: Связьиздат, 1962. - 815 с.

Подписано в печать 18.05.2015. Формат 60 х 90 / 16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,75. Тираж 100 экз. Зак. 134. Поз. плана 9н.

Отпечатано в Издательстве ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет» 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83