Результаты исследования ионосферы земли методом наклонного зондирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Результаты исследования ионосферы земли методом наклонного зондирования

С.В. Литвинов

Д.С. Мудрик

Аннотации

Исследование ионосферы и изменения ее характеристик в режиме реального времени необходимо для всех радиосредств, работающих в диапазоне коротких волн. Для этой цели в новейшей России воссоздана сеть вертикальных ионозондов, которые также способны осуществлять наклонное зондирование ионосферы. В статье дается обоснование необходимости непрерывного отслеживания параметров ионосферы и приводятся некоторые основные ее характеристики. Демонстрируются результаты экспериментального наклонного зондирования и проводится их анализ. Кратко приводятся основные методы определения характеристик ионосферы. Рассматривается возможность применения этих результатов в целях ионосферного обеспечения радиолокаторов загоризонтного обнаружения.

Ключевые слова: ионосфера, вертикальное зондирование, наклонное зондирование, ионозонд, радиолокатор, РЛС ЗГО

RESULTS OF THE EARTH'S IONOSPHERE RESEARCH BY A METHOD OF INCLINED SENSING

S.V. Litvinov1, D.S. Mudrik1

1JSC "Distant Radiocommunication Scientific Research Institute", Moscow, Russia

Abstract. The study of the ionosphere and changes in its characteristics in real time is necessary for all radio equipment operating in the short wave range. For this purpose, a network of vertical ionosondes has been created in modern Russia, which are also capable of performing oblique sounding of the ionosphere. The article provides a rationale for the need for continuous tracking of the parameters of the ionosphere and some of its main characteristics. The results of experimental oblique sounding are shown and analyzed. The main methods for determining the characteristics of the ionosphere are briefly described. The possibility of using these results for ionospheric support of over-the-horizon radar is being considered. ионосфера зондирование отслеживание

Keywords: ionosphere, vertical sounding, oblique sounding, ionosonde, over-the-horizon radar.

Введение

Мониторинг космической погоды на сегодняшний день является чрезвычайно актуальной темой. Этим уже занимаются 14 стран в рамках Международной службы окружающей космической среды, с российской стороны за это отвечает Институт прикладной геофизики. Одним из направлений деятельности института является изучение и исследование ионосферы, с целью предоставления гелиогеофизической информации потребителям.

С 2011 года в России активно разворачивается сеть станций вертикального радиозондирования ионосферы, основу которых составляют новейшие ионозонды отечественного производства. На текущий момент развернуто десять таких станций по всей территории страны: от Калининграда до Камчатки. В течение всего срока работы в круглосуточном режиме ионозонды поставляют каждые 15 минут актуальную информацию о состоянии ионосферы. Проведенная модернизация и последующие опыты показали, что эти ионозонды способны выполнять также наклонное зондирование. Этот результат был достигнут благодаря привязке всех отдельных станций к Системе Единого Времени (СЕВ), а также мощному излучателю (10 кВт), сигнал которого через боковые лепестки диаграммы направленности распространяется и может быть принят на расстоянии до 2000 км.

Следует отметить, что в России на регулярной основе исследование ионосферы методом наклонного зондирования осуществляется ААНИИ (Арктический и антарктический научно-исследовательский институт). Сеть, оснащенная канадскими ионозондами CADI и ЛЧМ-ионозондами отечественного производства, расположена преимущественно на берегу Северного ледовитого океана. Также на территории России размещены несколько дигизондов DPS-4 (производство США), входящие в мировую ионосферную сеть и проводящие только вертикальное зондирование ионосферы. Кроме того, отдельными организациями и инициативными группами проводятся разработки собственных средств зондирования ионосферы, к сожалению, не получившими широкого распространения.

Основные параметры ионосферы

Одним из самых распространенных видов представления информации об ионосфере является ионограмма. Это, как правило, график, показывающий зависимость высоты отражающего слоя ионосферы от частоты. Вместе с графиком потребителям предоставляется и другая информация, определяемая во время зондирования. Подробное описание всех параметров, получаемых в процессе зондирования приведено в Руководстве по ионосферным, магнитным и гелиогеофизическим наблюдениям, выпущенным ИПГ. [1] Эти параметры определяются автоматически и, при необходимости, уточняются оператором. Пример типичной ионограммы и предоставляемых характеристик представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Типичная ионограмма и характеристики ионосферы

На ионограммах почти всегда видны несколько похожих друг на друга следов отражений, так называемых "кратников". Такие отражения получаются, когда импульсы проходят от 2 до 3 раз (а иногда и больше) между станцией и ионосферой. Действующая высота отражений 2-й (3-й) кратности будет в 2 (3) раза больше действующей высоты отражения основного (1-го) отражения. Все числовые характеристики обычно снимаются по отражениям 1-й кратности, т.е. по основному следу. Также на ионограмме присутствует высотный профиль концентрации электронов (Ne(h)-профиль ионосферы).

Основными ионосферными параметрами являются:

1. foF2 - критическая частота О-компоненты, отраженной от самого высокого слоя - F2;

2. hmF2 - минимальная действующая высота слоя F2;

3. M3000F2 - коэффициент, показывающий отношение максимально применимой частоты (МПЧ), отражающейся от слоя F2 при наклонном падении на расстояние скачка, равное 3000 км, к критической частоте foF2.

Эти параметры изменяются в зависимости от времени суток, времени года, а также 11-летнего цикла солнечной активности, поэтому отслеживание их изменений является важной задачей. На рисунках 2, 3, 4 приведены изменения этих параметров в московском регионе в течение 2018 года.

Рис. 2. График изменения параметра foF2 в течение 2018 года над Москвой

Рис. 3. - График изменения параметра hmF2 в течение 2018 года над Москвой

Рис. 4 - График изменения параметра M(3000)F2 в течение 2018 года над Москвой

1. Комплексное зондирование ионосферы

Использование сетевых ионозондов в экспериментальных целях накладывает ограничения на изменение параметров зондирования. Т.е. ни в коем случае нельзя оставить заинтересованных потребителей без актуальной информации. Это означает, что пропуск сеанса зондирования недопустим, станция должна выйти в эфир, а, следовательно, передатчик не отключается. В результате получен совершенно уникальный результат, выраженный в том, что следы наклонного зондирования накладываются на следы вертикального отражения (т.н. комплексное зондирование). [3] Пример комплексного зондирования представлен на рисунке 5.

Рис. 5 - Данные комплексного радиозондирования ионосферы, полученные ионозондами на ст. ИЗМИРАН-Калининград (слева, совмещенная линейная антенна) и ст. ИЗМИРАН-Троицк (справа, поляризационный прием) 17 ноября 2017 г 14:57 UTC

На рисунке кроме ионограммы вертикального зондирования присутствуют следы, начинающиеся на частоте ~ 8 МГц и находящиеся на высоте 600 км. Это результаты приема сигнала другого ионозонда, а именно: приёмник ионозонда "Парус-А", расположенного в Москве, регистрирует следы передатчика "Парус-А", расположенного в Калининграде, и наоборот. Расстояние между ионозондами - 1093 км.

Высоты 600 км обуславливается тем, что ионозонд измеряет не высоту напрямую, а задержку возврата сигнала. С учетом угла отражения сигнала от ионосферы (от 140° до 160є) получается реальное расстояние между ионозондами.

2. Результаты эксперимента

Имеющееся количество и географическое расположение ионозондов позволило провести различные эксперименты по наклонному зондированию ионосферы. Всего на данный момент развернуто десять ионозондов: Троицк, Ростов-на-Дону, Электроугли, Подкаменная Тунгуска, Магадан, Калининград, Салехард, Новосибирск, Хабаровск, Петропавловск-Камчатский. Размещенные в разных частях России, такие ионозонды отличным образом объединяются в отдельные сектора: в европейской части, в Сибири и на Дальнем Востоке (Рис. 6).

Рис. 6 - Расположение ионозондов "Парус-А" и основные трассы экспериментального наклонного зондирования

В 2017 году протестированы трассы всех секторов, а также трасса Москва-Салехард. [4] В каждом случае наблюдается устойчивый прием сигнала и отображение результатов в виде следов наклонного зондирования (НЗ). На рисунке 7 представлены результаты наклонного зондирований по трассам: (а) - Троицк - Калининград, (б) - Ростов-на-Дону - Электроугли, (в) - Магадан - Петропавловск-Камчатский, (г) - Троицк - Салехард.

Рис. 7 - Результаты эксперимента по наклонному зондированию ионосферы

В 2018 году эксперименты продолжились в расширенном формате. В частности, проводились опыты по дистанционной поверке одного ионозонда другим, эталонным. А также проводились суточные прогоны на некоторых направлениях, что позволило оценить изменение высотно-частотной характеристики в течение суток.

Именно такой эксперимент проведен на уже проверенной трассе Магадан - Петропавловск-Камчатский (Рис. 8). [5] Протяженность трассы - 910 км. Отмечено, что со спадом солнечной активности частоты, на которых происходит отражение от ионосферы, уменьшаются. При этом и высота отражающего слоя при НЗ также уменьшалась, что подтверждается результатами вертикального зондирования. Кроме того, в некоторых случаях, когда после захода Солнца вертикальное зондирование практически отсутствовало, следы наклонного зондирования еще некоторое время наблюдались (около двух часов). Активность передатчика на станции Магадан доказывается присутствием следов на ионограмме в Петропавловске-Камчатском.

Рис. 8 - Данные комплексного радиозондирования ионосферы, полученные ионозондами на ст. Магадан (слева) и ст. Петропавловск-Камчатский (справа) 8.11.2018 г.

Такой же эксперимент проведен на трассе Магадан - Хабаровск (Рис. 9). Протяженность трассы - 1747 км - практически предельная для наклонного зондирования ионозондом такого типа. Также отмечено устойчивое наклонное зондирование в отсутствие вертикального. Однако при этом сигнал проходил только с переотражением от земной поверхности, и также явно видно снижение отражающего слоя.

Рис. 9 - Данные комплексного радиозондирования ионосферы, полученные ионозондами на ст. Магадан (слева) и ст. Хабаровск (справа) 10 ноября 2018 г.

Также практически на предельной дальности подтвержден взаимный прием сигнала на трассе Москва - Салехард (1972 км.). Сигнал принимается сильно ослабленным, поскольку излучение и прием производятся боковыми лепестками диаграммы направленности. Результаты представлены на рисунке 10.

Рис. 10 - Данные комплексного зондирования ионосферы, полученные ионозондами на ст. ИЗМИРАН-Троицк (слева) и ст. Салехард (справа) 23 октября 2018 г. 08:00 UTС

Любопытный результат достигнут в европейском секторе на трассе Москва - Калининград. К слову, в московском регионе размещены сразу два ионозонда - в Троицке и в районе города Электроугли, на расстоянии 69 километров друг от друга. В итоге на ионограмму в Калининграде наложились следы сразу двух ионозондов (Рис. 11).

Рис. 11 - Данные комплексного радиозондирования ионосферы, полученные ионозондами на ст. ИЗМИРАН-Калининград (справа, поляризационный прием), ст. ИЗМИРАН-Троицк (слева сверху) и ст. Электроугли (слева снизу) 30 октября 2018 г 08:59 UTС

При этом на ионограмме явно различаются эти следы, в зависимости от высоты. Поскольку ионозонд в Электроуглях хоть и ненамного, но дальше, то и следы НЗ выше, чем следы от Троицка.

Таким образом, новый этап эксперимента подтвердил возможность устойчиво осуществлять комплексное зондирование на сетевых ионозондах "Парус-А". При этом каких-либо существенных доработок не потребовалось.

3. Методы определения параметров ионосферы

В качестве первичной оценки состояния ионосферы возможно использовать статистический метод, например, модель ионосферы IRI-2016 (International Reference of Ionosphere - международная справочная модель ионосферы). [6] Эта система позволяет провести моделирование и узнать параметры ионосферы в конкретном месте и в конкретное время. Она является глобальной медианной моделью ионосферы (т.е. позволяет строить долгосрочные прогнозы в любой точке земного шара). У нее довольно высокая точность долгосрочного прогноза при сравнении с реально полученными данными вертикального зондирования.

Наиболее полную и легко интерпретируемую информацию о состоянии ниже максимума электронной концентрации ионосферы дают средства вертикального радиозондирования ионосферы (ВЗ) [7]. Основным преимуществом метода ВЗ является возможность получения профиля электронной концентрации нижней ионосферы (N(h) - профиля) из непосредственных измерений с использованием модельных представлений только о ненаблюдаемой при ВЗ впадине электронной концентрации между областями E и F. Точность получения N(h)-профиля из данных ВЗ проверена многолетними исследованиями и является в отсутствии прямых ракетных измерений эталонной. Недостатком метода ВЗ, который компенсируется установкой сети станций, является локальность метода, а оперативное представление данных в мировой сети Inthernet позволяет использовать их для решения большинства прикладных задач.

Метод наклонного радиозондирования ионосферы, суть которого состоит в пространственном разносе приемной и передающей систем ионозонда и синхронизации процессов излучения и приема, дает принципиальную возможность прямого экспериментального исследования как прохождения радиоволн на фиксированной дальности, так и возможность оценки состояния ионосферы в области средней точки радиотрассы при односкачковом распространении. Если изменение частоты происходит в достаточно широком диапазоне, то результатом является ионограмма наклонного радиозондирования ионосферы, которая отражает частотную зависимость группового запаздывания сигналов, прошедших различными путями в ионосфере, в точке приема, т.е. модовую структуру волнового поля.

Некоторой разновидностью метода НЗ можно считать случай совмещения пунктов излучения и приема - возвратно-наклонное радиозондирование ионосферы (ВНЗ). [8] Этот метод нашел широкое применение в РЛС загоризонтного обнаружения. Так, одно из возможных решений задачи согласования параметров РЛС (таких, как рабочая частота) с характеристиками трассы распространения (амплитудно-частотными и дальностно-частотными) заключается во введении в состав РЛС специального тракта определения оптимального поддиапазона рабочих частот. Назначение этого тракта заключается в выборе поддиапазона частот, в котором затухание на трассе распространения минимально, с целью оптимизации работы тракта обнаружения полезного сигнала. Конструктивно данный тракт может представлять собой самостоятельную РЛС, входящую в состав основной РЛС, со своим возбудителем и отдельными приемными устройствами. Как, например, станция ВНЗ "Круг", входившая в ЗГ РЛС "Дуга". Также этот тракт реализуется в режиме работы самой РЛС на тех же аппаратных средствах, что и обнаружение, этот режим осуществляет возвратно-наклонное зондирование и уточняет параметры работы РЛС.

Заключение

В результате получаем задачу определения оптимального состава системы ионосферного обеспечения загоризонтной радиолокационной станции. Очевидно, что такая система должна быть оптимальной и по технико-экономической составляющей.

Целесообразно для первоначальной оценки параметров ионосферы использовать известные статистические модели. Т.е. на основе статистических данных, учитывая недавнее сканирование, составляется прогноз состояния ионосферы: высоты слоев, частотная зависимость, электронное распределение. Далее имеет смысл уточнить параметры ионосферы путем периодического сканирования трассы распространения радиоволн возвратно-наклонным зондированием.

Все это не потребует значительных дополнительных затрат, однако и не даст необходимой точности. Применение системы вертикальных ионозондов в корне изменит ситуацию. Поскольку создание такой системы в интересах только одной РЛС экономически нецелесообразно, имеет смысл создания масштабной системы отслеживания параметров ионосферы в интересах всей страны. По данным специалистов Института Прикладной Геофизики для перекрытия потребности в ионосферных данных достаточно 40 ионозондов на Россию. Существующие на данный момент ионозонды на территории нашей страны не объединены в единую сеть, принадлежат различным организациям и не поставляют информацию в единый центр.

Объединенные в единую сеть, пусть и состоящую из различных ионозондов, они смогут осуществлять наклонное зондирование и перекрыть гораздо большую площадь, нежели по отдельности. Ионозонды "Парус-А" показывают возможность устойчиво осуществлять как вертикальное, так и наклонное зондирование ионосферы. Его разработка и производство ведущими российскими специалистами выгодно отличает его от других типов сетевых средств зондирования ионосферы, применяемых на территории нашей страны.

В качестве примера успешной реализации этой системы можно привести систему загоризонтного обнаружения Австралии JORN (Jindalee Operational Radar Network). Кроме трех основных РЛС ЗГО "Jindalee" в систему входят 12 собственных вертикально-наклонных ионозондов, 5 ионозондов Департамента Обороны и 7 приемоответчиков. Все это позволяет контролировать состояние ионосферы в области отражения радиосигналов. И, внося соответствующую поправку, более точно определять координаты воздушных и надводных целей.

Рис. 11. Расположение РЛС "Jindalee" и ионозондов радиолокационной сети JORN

Литература

1. Руководство по ионосферным, магнитным и гелиогеофизическим наблюдениям, Москва ФГБУ "ИПГ" 2012, 270 с.

2. Власов Ю.М., Глинкин И.А., Литвинов С.В. Применение наклонного зондирования иононсферы для увеличения точностных характеристик ЗГ РЛС // Вопросы Радиоэлектроники №3 2018 г., С.11-18.

3. Литвинов С.В., Паньшин Е.А. Результаты работ по расширению функциональных возможностей ионозонда "Парус-А" ионосферной сети ФГБУ "ИПГ // Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн / Материалы Всероссийской научной конференции. -Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2018. С 381 - 388.

4. Анохина Н.П., Атряхин В.А., Литвинов С.В., Ребриков А.В. Метод уменьшения ошибок определения координат воздушной цели в загоризонтном радиолокаторе // Вестник Ярославского высшего военного училища противовоздушной обороны: науч. журн.; ЯВВУ ПВО. - Ярославль, 2018. - № 2. - с. 15-22.

5. Литвинов С.В., Сидоров Р.В. Применение фазированной антенной решетки для наклонного зондирования ионосферы // IV Всероссийская научно-техническая конференция "РТИ Системы ВКО-2016": труды конференции. - Москва: Изд. МГТУ им Н.Э. Баумана, 2017. С.738-748.

6. Кузьмин А.В., Канаев А.С. Cредства вертикального радиозондирования ионосферы // Гелиофизические исследования Выпуск 2, С.72-82, 2012.

7. Акимов В.Ф., Калинин Ю.К. Введение в проектирование ионосферных загоризонтных радиолокаторов; под ред. С.Ф. Боева; ОАО "РТИ", ОАО "НПК "НИИДАР". - Москва: Техносфера, 2017. - 491 с.

8. Гивишвили Г.В., Крашенинников И.В., Лещенко Л.Н., Власов Ю.М., Кузьмин А.В. Ионозонд "ПАРУС-А": функциональные возможности и перспективы // Гелиофизические Исследования выпуск 4, 68-74, 2013.

References

1. 1. Guidelines for ionospheric, magnetic and heliogeophysical observations, Moscow, IPG 2012, 270 p.

2. 3. Vlasov Yu.M., Glinkin I.A., Litvinov S.V. The use of oblique sensing of ion-spheres to increase the accuracy characteristics of the CG radar // Questions of Radioelectronics No. 3, 2018, P.11-18.

3. 4. Litvinov S.V., Panshin E.A. The results of the work on expanding the functional capabilities of the Paros-A ionosonde of the ionospheric network of the FSGI "IPG" // Modern problems of remote sensing, radiolocation, propagation and diffraction of waves / Proceedings of the All-Russian Scientific Conference. -Murom: Izd.-Printing Center MI VlSU, 2018. C 381 - 388.

4. 5. Anokhina N.P., Atryakhin V.A., Litvinov S.V., Rebrikov A.V. The method of reducing errors in determining the coordinates of an airborne target in a trans-horizon radar. Vestnik Yaroslavskogo Higher Military School of Air Defense: Scientific. Journal .; HAMM air defense. - Yaroslavl, 2018. - № 2. - p. 15-22.

5. 6. Litvinov S.V., Sidorov R.V. Application of a phased antenna array for oblique sounding of the ionosphere // IV All-Russian Scientific and Technical Conference "RTI VKO Systems 2016": proceedings of the conference. - Moscow: Izd. Bauman Moscow State Technical University, 2017. P.738-748.

6. 7. Kuzmin A.V., Kanaev A.S. Means of vertical radio sounding of the ionosphere // Heliophysical studies Issue 2, P.72-82, 2012.

7. 8. Akimov V.F., Kalinin Yu.K. Introduction to the design of ionospheric over-the-horizon radars; by ed. S. F. Boyev; OJSC "RTI", OJSC "NPK" NIIDAR ". - Moscow: Technosphere, 2017. - 491 p.

8. 9. Givishvili G.V., Krasheninnikov I.V., Leshchenko L.N., Vlasov Yu.M., Kuzmin A.V. Ionosonde "PARUS-A": functional capabilities and prospects // Heliophysical Studies Issue 4, 68-74, 2013.

Размещено на Allbest.ru