В.А. Иванов, Л.В. Лыонг, А.М. Насыров, Н.В. Рябова Моделирование ионограмм...
Â.À. Èâàíîâ1
1
, Ë.Â. Ëûîíã2
2
, À.Ì. Íàñûðîâ2
, Í.Â. Ðÿáîâà1
Марийский государственный технический университет, Йошкар-Ола
vai@marstu.mari.ru, nvr@marstu.mari.ru
Казанский государственный университет, Казань
luongvietloc@mail.ru, nasyrov.albert@ksu.ru
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИОНОГРАММ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПЕРЕМЕЩАЮЩИХСЯ ИОНОСФЕРНЫХ
ВОЗМУЩЕНИЙ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СУТОЧНЫЕ ХОДЫ
МАКСИМАЛЬНО НАБЛЮДАЕМЫХ ЧАСТОТ
В работе представлены результаты численного моделирования влияния перемещающихся ионосферных
возмущений (ПИВ) на МНЧ. Приведены модельные ионограммы наклонного зондирования на протяженных
радиолиниях. Результаты моделирования сравниваются с экспериментальными данными, полученными методом
зондирования с использованием линейно-частотной модуляции (ЛЧМ) сигнала.
Введение
Одним из важных параметров, определяющих возможности
коротковолновой радиосвязи через ионосферу, является
максимально наблюдаемая частота (МНЧ). Известно,
что особенность ионосферы приводит к изменениям
в суточных ходах МНЧ декаметровых линий связи.
Изменчивость и неоднородность ионосферы обусловлена
различными процессами, один из них связан с прохождением
в ионосфере внутренних гравитационных волн,
вызывающих эффект перемещающихся ионосферных возмущений
(ПИВ). Последние приводят к вариациям МНЧ
радиолиний. ЛЧМ ионозонд позволяет исследовать влияние
этих эффектов на характеристики радиолиний.
Существует проблема интерпретации натурных экспериментальных
данных, связанная с необходимостью
решения обратных задач наклонного зондирования
ионосферы.
Цель работы
• Разработка методики моделирования ионограмм наклонного
зондирования (НЗ) ионосферы и суточных ходов
МНЧ с учетом ПИВ.
• Исследование связи между характеристиками остаточной
компоненты СХ МНЧ и параметрами ПИВ.
• Интерпретация данных натурных экспериментов по
наклонному зондированию ионосферы с использованием
результатов модельных экспериментов.
Задачи исследования
• Построение метода синтеза ионограмм наклонного
зондирования (НЗ) ионосферы с учетом ПИВ;
• Построение метода разделения суточных ходов МНЧ
на регулярную и остаточную (случайную) компоненты;
• Выделение связи между характеристиками остаточной
компоненты СХ МНЧ и параметрами ПИВ с использованием
метода синтеза ионограмм;
• Анализ связи между модельными и натурными
ионограммами для оценки эффективности метода
моделирования. Интерпретация данных натурных
экспериментов по наклонному зондированию
ионосферы.
2
2 (19) 2006
Методика моделирования ионограмм наклонного
зондирования ионосферы и суточных
ходов максимально наблюдаемых частот
с учетом перемещающихся ионосферных
возмущений
Для проведения вычислительного эксперимента были
выбраны математические модели как для профиля электронной
концентрации ионосферы, так и для распространения
радиоволн. Модель профиля электронной концентрации,
учитывающая как регулярную, так и нерегулярную
составляющие, задавалась в виде (Афраймович, 1982;
Фаткуллин, 1981):
,
где Np
(1)
(h) – регулярная составляющая профиля,
– его нерегулярная
составляющая, δN = ∆N/N – вариация электронной
концентрации, hc
ющихся ионосферных возмущений, zm
фикации, l – вертикальный масштаб перемещающихся
ионосферных возмущений.
Параметры ионосферы получены из международной
статистической модели IRI, позволяющей рассчитывать
профиль электронной концентрации для любой точки на
Земле при заданных: сезоне, времени суток, активности
Солнца и геомагнитной активности.
Для расчета МНЧ радиолинии решалось волновое уравнение
в приближении геометрической оптики для сферически
симметричной ионосферы. Использовались теоремы
эквивалентности (Дэвис, 1973), когда за основу брались
результаты расчетов характеристик вертикального
зондирования, которые затем по полученным формулам,
положенным в основу алгоритма расчета МНЧ, пересчитывались
на наклонное распространение:
– высота стратификации перемеща–
диапазон страти,
(2)
Стр.1
В.А. Иванов, Л.В. Лыонг, А.М. Насыров, Н.В. Рябова Моделирование ионограмм...
, (4)
протяженность трассы, fн
ного распространения, τн
íèÿ, τâ
где fâ
клонного распространения,
– критическая частота вертикального распростране–
задержка вертикального распространения, D –
– МНЧ эквивалентного наклон–
задержка эквивалентного наи
.
В
этой работе разработана дискретная модель наклонного
распространения КВ радиоволн в ионосфере, основанная
на теоремах эквивалентности (Дэвис, 1973).
Вычислительные эксперименты по исследованию вариаций
МНЧ радиолиний были проведены для сети радиолиний,
представленных в табл. 1. Расчеты охватывали
разные сезоны одного периода активности Солнца (11 лет)
с 1994 по 2005 ãîäû. Исследовался главный (îäíîñêà÷êîâîé)
мод распространения декаметровых радиоволн в
ионосфере (ìîä 1F).
Результаты исследования
Предполагалось, что суточные ходы МНЧ заданы последовательностью,
содержащей как регулярную, так и остаточную
компоненты:
,
где
(4)
– регулярная компонента суточных ходов МНЧ;
низких ÷àñòîò, с частотой среза 8 – 10 Fô
– остаточная компонента суточных ходов МНЧ.
Суточные ходы МНЧ разделялись методом фильтрации
, на регулярную и
остаточную компоненты (Иванов и др., 2004). Для исследования
зависимости вариаций остаточной компоненты суРис.
3. Зависимость
суточных
вариаций
остаточной
компоненты
МНЧ радиолиний
Иркутск –
Йошкар-Ола
от уровня солнечной
активности
за период с 1994 по 2005ã.
Рис. 4. Связь между амплитудой перемещающихся ионосферных
возмущений и летними вариациями остаточной компоненты
суточных ходов МНЧ радиолинии Кипр – Йошкар-Ола.
точных ходов МНЧ от времени суток использовался метод
скользящего временного окна с перекрытием 50%
(
) и апертурой, равной 3 часам (
). Исследовалась
зависимость вариаций остаточной компоненты
суточных ходов МНЧ от времени суток. В качестве характеристик
использовались математическое ожидание (µ) и
стандартное отклонение (σ).
Пример модели СХ МНЧ радиолиний г. Кипр – г. Йошкар-Ола
(2600км), полученный с использованием модели
IRI и программы, разработанной по вышеприведенному
методу, представлен на рис. 1. Показан результат разделения
СХ МНЧ на регулярную и остаточную компоненты с
помощью цифрового метода, реализующего фильтр низких
частот (ФНЧ) с прямоугольным окном.
Результаты исследования характеристик стандартного
отклонения остаточной компоненты суточных
ходов МНЧ (
) для весеннего времени, полученные
для радиолинии Кипр – Йошкар-Ола
(2600 êì), представлены на ðèñ. 2. Аналогичные
зависимости имеют место и для других радиолиний.
Их анализ позволяет сделать следующие
Рис. 1. Пример модели СХ МНЧ радиолинии Кипр – Йошкар-Ола и результаты
разделения СХ МНЧ.
обобщающие заключения:
• весной, осенью и зимой суточные вариации
остаточной компоненты суточных ходов
МНЧ выше днем, чем ночью;
• летом разница между вариациями остаточРис.
2. Суточные вариации стандартного отклонения остаточной компоненты
суточных ходов МНЧ радиолинии Кипр – Йошкар-Ола для весеннего
времени.
Рис. 5. Нормальный закон распределения остаточной
компоненты СХ МНЧ в разное время.
2 (19) 2006
3
Стр.2
В.А. Иванов, Л.В. Лыонг, А.М. Насыров, Н.В. Рябова Моделирование ионограмм...
ной компоненты суточных ходов МНЧ в течение суток
менее выражена;
• вариация остаточной компоненты суточных ходов
МНЧ достигает максимума в периоды около полудня, восхода
и захода Солнца. Минимум вариации имеет место в
моменты времени 22:00 – 4:00 LT, ò.å. сразу после захода и
до восхода Солнца.
Результаты моделирования суточных ходов МНЧ на
разных радиолиниях за период 1994 – 2005 ã. обнаруживают
почти линейные зависимости (
числа солнечных пятен (
ной радиации (
) от среднего
), среднего значения солнеч).
Для радиолинии Иркутск – ЙошкарОла
такая зависимость показана на рис. 3. Аналитически
их можно представить следующей формулой:
,
(
, (
где
станты.
,
и
, αi
)
)
, βi
(5)
(6)
– конИсследовалась
связь между вариациями остаточной
компоненты суточных ходов МНЧ и характеристиками перемещающихся
ионосферных возмущений. Результаты исследований,
проведенных для всех радиолиний в разное
время суток, указывают на линейную возрастающую зависимость
вариации остаточной компоненты суточных ходов
МНЧ от амплитуды перемещающихся ионосферных
возмущений. Кроме этого, вариация остаточной компоненты
суточных ходов МНЧ из-за перемещающихся ионосферных
возмущений днем (7:00 – 19:00 LT) âûøå, чем ночью
(19:00 – 07:00 LT). Это объясняется более высокой дневной
электронной концентрацией в ионосферном F-слое.
На рис. 4 показаны функциональные зависимости вариации
остаточной компоненты суточных ходов МНЧ с амплитудой
перемещающихся ионосферных возмущений для
радиолинии Кипр – Йошкар-Ола в летное время.
Результаты исследования показывают, что вариации остаточной
компоненты суточных ходов МНЧ, вызванные
влиянием перемещающихся ионосферных возмущений,
выше в полуденное время (10:00 – 14:00 LT) и ниже íî÷üþ.
Такая зависимость от времени суток проявляется в большей
степени в периоды высокой солнечной активности
(1999 – 2003 ã.).
между вариацией остаточной компоненты суточных ходов
МНЧ (
,
где
.
Полученные теоретические результаты представляют
основу методики интерпретации результатов наклонного
зондирования радиолиний большой протяженности и позволяют
сформулировать методику измерения характеристик
перемещающихся ионосферных возмущений по данным
об остаточной компоненте суточных ходов МНЧ,
определенным из результатов НЗ радиолиний с помощью
ЛЧМ ионозонда.
Далее, представлена интерпретация результатов натур4
2
(19) 2006
(7)
Математический анализ позволил установить связь
) и амплитудой перемещающихся
ионосферных возмущений ( ) в форме полинома четвертой
степени:
ного эксперимента путем сопоставления их с данными
проведенных в работе теоретических исследований. С использованием
критериев Стьюдента, Дарбина-Уотсона,
Пирсона доказан случайный характер остаточной компоненты
натурных суточных ходов МНЧ для радиолиний с
протяженностью 2,6 – 5,7 Ìì. На ðèñ. 5 представлен нормальный
закон распределения остаточной компоненты СХ
МНЧ для радиолинии Инскип – Йошкар-Ола.
Обнаружена корреляция мощности остаточной компоненты
суточных ходов МНЧ разных модов распространения
радиоволн в ионосфере с уровнем геомагнитной
активности, иллюстрацией которой является рис. 6. На нем
показана зависимость мощности (дисперсии –
)
остаточной компоненты суточных ходов МНЧ мода 1F от
уровня геомагнитной активности. Видно, что в области
частот 5 – 28 Fô
с ростом возмущенности увеличивается
мощность остаточной компоненты.
Результаты анализа показали, что для спокойных дней
полоса частот остаточной компоненты, имеющей связь с
уровнем геомагнитной активности, превышает 40 Fф
составляющие остаточной компоненты суточных ходов
МНЧ с амплитудами ~ 0.2 – 1 МГц, которые согласно полученным
результатам теоретических исследований обусловлены
перемещающимися ионосферными возмущениями
с периодами ~1 – 3 часа. Исследование вариаций текущего
спектра остаточной компоненты суточных ходов
МНЧ позволили выделить «восходно-заходные» эффекты,
которые выражаются в значительных изменениях спектральных
амплитуд и расширении полосы в область высоких
частот в периоды восхода (4:00 – 8:00 LT) и захода (16:00
– 20:00 LT) Солнца по местному времени (LT).
На рис. 7 представлены спектры остаточной компоненты
суточных ходов МНЧ радиолиния Инскип – Йошкар-Ола
в периоды разной геомагнитной активности. Видно,
что с увеличением геомагнитной возмущенности амплитуда
синусоидальных составляющих растет, а занимаемый
ими диапазон расширяется в область высоких частот.
Это означает, что в области терминатора возбуждаются
перемещающиеся ионосферные возмущения, амплитуда
и частотный диапазон которых увеличиваются с ростом
геомагнитной активности. Оценены амплитуды перемещающихся
ионосферных возмущений для восходного и
заходного времени.
Результаты проведенных комплексных исследований
свидетельствуют о том, что остаточная компонента суточных
ходов МНЧ является чувствительным индикатором
состояния космической погоды на уровнях верхней атмосферы
Земли. В этой связи в работе предположен подход в
исследовании одновременного влияния на дальнее распространение
декаметровых радиоволн перемещающихся
ионосферных возмущений, а также методика мониторинга
ионосферы в областях отражения сверхширокополосных
зондирующих ЛЧМ сигналов на дальних декаметровых
радиолиниях.
для возмущенных дней меньше 40 Fф
тях 10 – 16 Fô
и 22 – 28 Fô
Заключение
1. Разработаны новые методики: интерпретации данных
наклонного зондирования ионосферы с помощью
ЛЧМ ионозонда, позволяющая в остаточной компонен,
а
. В частотных обласбыли
выделены периодические
Стр.3