Влияние атмосферного ослабления на эффективность работы малогабаритного радиосекстанта миллиметрового диапазона длин волн

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние атмосферного ослабления на эффективность работы малогабаритного радиосекстанта миллиметрового диапазона длин волн

Л.И. Федосеев

Оценивается ограничиваемая только атмосферным ослаблением предельная угловая погрешность солнечного малогабаритного радиосекстанта миллиметрового диапазона длин волн при работе его в различных климатических зонах земного шара.

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на бурное развитие и широкое распространение современных средств навигации (особенно с использованием искусственных спутников Земли), надежные и полностью автономные средства астропеленгации - секстант и радиосекстант - вряд ли будут всецело вытеснены из практики навигации (морской, авиационной и др.). Более того, время от времени возникают требования совершенствования этих приборов, комплексирования с другими средствами, уменьшения габаритов и т.д.. В части, касающейся радиосекстанта, один из путей такого совершенствования давно уже связывается с переносом его рабочего диапазона в миллиметровый [1], так как при этом можно не только уменьшить диаметр антенны, но и увеличить соотношение сигнал/шум на выходе системы за счет допускаемого Регламентом радиосвязи [2] расширения полосы частот приема в коротковолновой части миллиметрового диапазона, а, главное, -- при ориентации по Солнцу улучшить точность пеленгации за счет существенно меньшего влияния солнечной активности на положение центра тяжести излучения диска Солнца [3].

Однако в миллиметровом диапазоне длин волн значительно возрастает роль земной атмосферы, проявляющаяся как в уменьшении сигнала от пеленгуемого источника, так и в возрастании флуктуаций пеленга из-за неоднородностей на трассе в телесном угле обсервации. Не касаясь влияния этих неоднородностей на точность пеленгации (этот вопрос требует отдельного рассмотрения), оценим пока ограничения точности пеленгации, например, Солнца, обусловленные только величиной атмосферного ослабления в некоторых физико-географических зонах земного шара.

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ПОГРЕШНОСТИ РАДИОСЕКСТАНТА

Очевидно, что с точки зрения влияния атмосферного ослабления наиболее сложные условия для работы радиосекстанта реализуются на борту подоблачных носителей (корабль, низколетящий самолет и т. п.). Поэтому при оценке погрешности пеленга будем полагать, что радиосекстант расположен на высоте не более 150 м над уровнем подстилающей поверхности, а, следовательно, в дальнейшем можно воспользоваться статистикой величины полного вертикального ослабления от уровня этой поверхности. погрешность радиосекстант угловой

Нетрудно показать, что тогда в случае конического сканирования осесимметричной диаграммой направленности по диску Солнца с равномерным распределением радиояркости величину среднеквадратического углового отклонения от истинного пеленга, обусловленную ослаблением сигнала в атмосфере до уровня ниже собственного шума приемника, в рамках плоскослоистой модели атмосферы можно рассчитать по формуле:

, (1)

где -- флуктуационная чувствительность радиометра; -- коэффициент, учитывающий потери в радиопрозрачном обтекателе антенны диаметром ; -- коэффициент рассеяния вне главного лепестка диаграммы направленности; -- длина волны; -- яркостная температура центра диска Солнца; -- угол места центра солнечного диска; -- коэффициент, учитывающий соотношение угловых размеров солнечного диска и главного лепестка диаграммы направленности антенны; -- производная по в точке половинной интенсивности от нормированной на максимум диаграммы направленности антенны, снятой по Солнцу.

Произведение можно вычислить, положив, что главный лепесток аппроксимируется гауссовой функцией, а радиодиаметр Солнца на миллиметровых волнах мало отличается от оптического [4]. Коэффициент рассеяния для хороших антенн близок к . Данные о спектре спокойного Солнца можно взять из [4].

Для того, чтобы более контрастно выявить оптимальный рабочий диапазон длин волн радиосекстанта, располагающийся, очевидно, в окнах прозрачности атмосферы, положим, что во всех миллиметровых окнах потери в обтекателе и флуктуационная чувствительность не зависят от длины волны и составляют, соответственно, дБ, 0,3 К.

Что касается статистических характеристик полного вертикального ослабления сразу во всех миллиметровых окнах прозрачности атмосферы, то наличием достаточно представительных наблюдательных данных такого рода характеризуются лишь немногие географические пункты, в частности, город Нижний Новгород. Для этого пункта континентального района европейской части территории России по данным годичных циклов измерений на длинах волн 2,07 и 3,34 мм [5]; 4,1 мм [6]; 8,2 мм [7] в свое время в [8] были построены кумулятивные распределения вероятности . Они приведены ниже на Рис.1 и будут использованы в последующих расчетах.

Рис.1

К сожалению, данными многоволновых длительных измерений для других регионов мы не располагаем. Поэтому для дальнейших оценок будут привлечены вычисленные в работе [9] кумулятивные распределения эффективной яркостной температуры излучения зенита . Расчет [9] выполнен на основании многолетней статистики метеорологического радиозондирования над Аляской, Гавайскими островами и над 13 континентальными и прибрежными регионами США, на которые разделена территория этой страны в соответствии с частотой появления и характерным типом облачности. Для каждого из этих районов, находящихся в различных климатических зонах, переход от кумулятивных распределений к кумулятивным распределениям приближенно можно выполнить в рамках изотермической модели, воспользовавшись следующей связью упомянутых величин:

, (2)

где 280 К -- температура воздуха на уровне облачного слоя, присутствующего, по крайней мере, в 50 % времени года.

К сожалению, автором [9] не учтен вклад дождей, так как они, как правило, занимают не более 5-8 % времени года. Приближенно их вклад можно учесть, положив, что даваемый автором работы [9] уровень кумулятивных распределений “100 % “ на самом деле означает 95 %. Далее, в работе [9] приведены кривые, соответствующие значениям 100 К, тогда как на частоте 90 ГГц температура зенита часто заметно превышает 100 К. В этом случае остается довольствоваться экстраполяцией данных.

РЕЗУЛЬТАТЫ ОЦЕНОК ПОГРЕШНОСТИ ГЕЛИОРАДИОПЕЛЕНГАЦИИ

Результаты оценок максимальных значений стандарта отклонений пеленга Солнца, определяемых только величиной атмосферного ослабления, приведены на Рис.2 для двух регионов: континентального -- Нижний Новгород и приморского -- Нью-Йорк. Расчет выполнен для двух диаметров антенн: см и см (подписано над соответствующими шкалами), а также для значений полного вертикального ослабления, которые не превышаются над Нижним Новгородом в течение 90% времени года и над Нью-Йорком в -- 85-90%. Такая неопределенность для Нью-Йорка и для других регионов США, о которых речь пойдет ниже, связана с только что отмеченными неточностями. Длины волн (в миллиметрах) подписаны около соответствующих кривых.

Из Рис.2 видно, что в континентальном районе, как и следовало ожидать, точность пеленгации должна быть выше, чем в приморском. Далее, при угле места Солнца в континентальном и в приморском районе наилучшая точность должна реализовываться в трехмиллиметровом окне прозрачности атмосферы. Существование оптимума связано с тем, что при укорочении длины волны наряду с увеличением направленности антенны заданного диаметра возрастает и атмосферное ослабление. Сама же величина стандарта отклонений пеленга при примерно в 90% случаев не должна превышать полминуты (диаметр антенны см) даже в приморском районе Нью-Йорка.

При высоте Солнца точность пеленгации должна улучшаться примерно на порядок. Уменьшение же диаметра антенны вдвое приводит к ухудшению точности примерно в 8 раз. Тем не менее, она остается достаточной для навигации некоторых носителей.

Чтобы проиллюстрировать влияние климатических условий обратимся к Рис.3. На нем в зависимости от годового количества осадков в ряде регионов США с характерными типами облачности (подробнее см.[9]) приведены максимальные значения стандарта отклонения пеленга, которые при диаметре антенны см должны реализоваться, по крайней мере, в течение половины времени года, если угол места Солнца не менее 11,5.

Рис.3

На Рис.3 кружки (в порядке размещения их слева направо) и аппроксимирующая кривая соответствуют континентальным регионам следующих штатов: Аризона, Техас, Монтана, Айдахо, Колорадо, Минесота, Мичиган, Арканзас; кресты (в том же порядке) -- приморским пунктам Сан-Диего (Калифорния), Окленд (Калифорния), Нью-Йорк, Орегон; светлый и темный ромбы -- южной оконечности полуострова Флорида и Гавайским островам.

Как видно из Рис.3, и в континентальных районах, и в приморских точность пеленгации должна быть хуже в тех пунктах, где количество осадков больше. При этом если в континентальных регионах максимальное значение в течение 50 % времени года ожидается не хуже 0,025-0,1 угл. мин., то в приморских и особенно в морских -- не хуже 0,05-0,26 угл. мин.. Если же угол места Солнца превышает , то даже в южных морях стандарт отклонения пеленга половину времени года должен быть не хуже 0,07 угл. мин. (при том же диаметре антенны см). Отметим, что в европейской части средней полосы России ситуация складывается несколько лучше, чем в близких по количеству осадков континентальных регионах США. Это, по-видимому, связано с региональным различием среднегодовых значений абсолютной влажности и температуры.

ДИСКУССИЯ

Оценки стандарта отклонения пеленга в предыдущем разделе были выполнены в предположении, что температурная чувствительность радиометра пеленгатора составляет =0,3 К. При этом сознательно не указывались ни время интегрирования, ни шумовая температура радиометра. Отметим, что существующие в настоящее время приемники как с усилителями высокой частоты на входе [10,11], так и начинающиеся непосредственно со смесителя [12], имеющие в диапазоне 35-115 ГГц шумовую температуру не хуже 300-400 К, позволяют обеспечивать упомянутую чувствительность при времени интегрирования в сотые доли секунды.

Если же имеется возможность проводить измерения с временем усреднения около 1 сек., то флуктуационные погрешности пеленга могут быть уменьшены на порядок по сравнению с приведенными выше оценками. Однако насколько реально такое улучшение до величин порядка 3-10 угловых секунд в континентальных и до величин 6-18 угловых секунд в морских регионах, в настоящий момент ответить довольно трудно, так как отсутствуют достаточно полные сведения о флуктуациях углов прихода на наклонных трассах в миллиметровых окнах прозрачности атмосферы.

Вместе с тем уже сейчас известно, что согласно измерениям [13] на волнах 1,3 и 3,5 мм с помощью 30-метрового радиотелескопа IRAM (Пико Велета, Испания, высота над уровнем моря 2850 м) и на волне 13 мм с помощью 100-метрового радиотелескопа в Эффельсберге (Германия) среднеквадратическое отклонение кажущегося положения источника от истинного обычно составляет около 0,6 угловой секунды. В случае же “аномальных рефракционных событий” оно может достигать 1,8 и 4,5 угловых секунды для упомянутых пунктов, соответственно. Это, казалось бы, позволяет реализовать максимальные точности, определяемые самой высокочувствительной аппаратурой. Однако следует напомнить, что авторами [13] не только в случаях разрывной облачности, но даже и при ясном небе на интервалах времени около 30 секунд были зарегистрированы размахи кажущегося положения источника (peak to peak) величиной до 19 и 43 угловых секунд (!) в Пико Велета и в Эффельсберге, соответственно.

Сказанным подчеркивается актуальность проведения подробного экспериментального исследования флуктуаций углов прихода на наклонных трассах одновременно в нескольких миллиметровых окнах прозрачности атмосферы в различных климатических зонах, а также необходимость разработки специальной методики пеленгации, исключающей или ослабляющей появление погрешности, связанной с вероятным вкладом “аномальных рефракционных событий”.

Автор благодарит С.Е.Третьякову за помощь в оформлении материала. Работа выполнена при поддержке Межотраслевой научно-технической программы “Физика микроволн”.

ЛИТЕРАТУРА

1. Николаев А.Г., Перцов С.В. Радиотеплолокация (пассивная радиолокация). Изд. “Советское радио”. М. 1964.

2. Регламент радиосвязи. Изд. “Радио и связь”. М. 1985.

3. Нагнибеда В.А., Пиатрович В.В.// Труды астрон. обсерватории. Л.: Изд. Ленинградского университета. 1987. Т.41. С.5.

4. Федосеев Л.И., Чернышев В.И.// Астрон. журн. 1998. Т.75. №1. С.120.

5. Fedoseev L.I., Kuznetsov I.V.// Intern. J. of Infrared and Millimeter Waves. V.1. No.2. P.373.

6. Исхаков И.А., Сухонин Е.В., Чернышев В.И.// II Всесоюзный симп. по миллиметровым и субмиллиметровым волнам. Тезисы докладов. Ч.2. С.159. Харьков. 1978.

7. Бабкин С.Ю., Сухонин Е.В., Чернышев В.И.// III Всесоюзный симп. по миллиметровым и субмиллиметровым волнам. Тезисы докладов. Т.1. С.271. Горький. 1980.

8. Кузнецов И.В., Федосеев Л.И.// XIV Всесоюзная конф. по распространению радиоволн. Тезисы докладов. Ч.2. С.27. Ленинград. 1984.

9. Slobin S.D.// Radio Science. 1982. V.17. No.6. P.1443.

10. Радзиховский В.Н., Горишняк В.П., Кузьмин С.Е., Шевчук Б.М.// Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. 1999. Т.42. № 3-4. С.40.

11. Pospieszalski M.W., Wollack E.J.// 1997 Topical Symposium on Millimeter Waves. Proceedings. Shonan Village Center. Hayama, Kanagava, Japan. 7-8 July 1997. P.143.

12. Божков В.Г., Геннеберг В.А., Кукин Л.М., Федосеев Л.И.// Изв ВУЗов. Радиофизика (в печати).

13. Altenhoff W.J., Baars J.W.M., Downes D., Wink J.E.// Astron. Astrophys. 1987. V.184. No10. P. 38.

Размещено на Allbest.ru