Повышение точности прогнозирования максимальных применимых частот модов 1F2 и 2F2 в горизонтально-неоднородной ионосфере

Размещено на http://www.allbest.ru/

3

Технический университет имени Ле Куй Дон, Ханой, Вьетнам

Иркутский национальный исследовательский технический университет (ИРНИТУ), Иркутск, Россия

Повышение точности прогнозирования максимальных применимых частот модОВ 1F2 и 2F2 в горизонтально-неоднородной ионосфере

Н.М. Жанг, Н.Г. Хоанг,

К.К. Фыонг, A. A. Амелин

Аннотация. В статье представлен метод расчета максимальных применимых частот (МПЧ) модов 1F2 и 2F2. Метод расчета учитывает неоднородность ионосферы. С целью повышения точности расчетов МПЧ используемая модель ионосферы корректируется по измеренным МПЧ на опорной трассе. При сравнении расчетных МПЧ с экспериментальными данными показано, что представленный метод расчета существенно повысит точность расчетов.

Ключевые слова: МПЧ; ионосфера; максимальная применимая частота; распространение радиоволн.

Abstract. In this paper the method of calculating the maximum usable frequency (MUF) of modes 1F2 and 2F2 is presented. The method takes into account the inhomogeneous of the Ionosphere. In order to improve the accuracy of the calculations of the MUF, the using ionosphere model will be adjusted according to the measured MUFs on the reference path. When comparing the calculated MUF with experimental data, it has shown that the proposed method significantly increases the accuracy.

Keywords: MUF; The ionosphere; Maximum Usable Frequency; propagation of radio waves.

Введение

Повышение точности прогнозирования максимальных применимых частот (МПЧ) имеет важное значение для коротковолновой системы радиосвязи. В настоящее время существуют методы прогнозирования максимальных применимых частот для односкачковых трасс и многоскачковых трасс, например, метод нормальных волн [1], метод характеристик [2]. Методы [1], [2] достаточно точно рассчитают значения МПЧ. Несмотря на это, при использовании этих трудоемких методов требуется много времени расчета, так как эти методы основаны на вычислительном интегрировании дифференциальных уравнений для построения траектории радиоволн в ионосфере. Кроме этого, при расчете МПЧ2F2 этими методами рассчитанные МПЧ часто ниже измеренных значений максимальных наблюдаемых частот (МНЧ). Это занижение объяснится наличием случайных неоднородностей в среде распространения радиоволн, которые не рассмотрены в этих методах [3].

Цель настоящей работы заключается в развитии приближенного метода оперативного прогнозирования МПЧ модов 1F2 и 2F2 с повышенной точностью расчетов.

коротковолновая радиосвязь ионосфера максимальная частота

Метод расчета МПЧ с учетом регулярных неоднородностей ионосферы

Рис. 1. Геометрия отражения радиоволн от эквивалентного наклонного зеркала

Для учета влияния горизонтально-неоднородностей ионосферы на МПЧ используется метод в работе [3]. Следуя этому методу, в горизонтально-неоднородной ионосфере точки отражения радиоволн смещаются от середины трассы в области более высоких критических частот f0F2. Это фактор приводит к увеличению МПЧ по сравнению с расчетами в горизонтально-однородной ионосфере. Для учета влияния смещения точки отражения на расчетные МПЧ мы используем рисунок 1 и формулу для расчета значения МПЧ трассы c заданной длиной D (км):

(1)

В (1) K(D) - это коэффициент коррекции на сферичность ионосферы, K(D) = , a = [4], R_E - радиус Земли, f0F2 - критическая частота слоя F2 в точке отражения, ц - угол, под котором радиоволна подает на эквивалентную зеркальную отражающую поверхность. С учетом изменения параметров f0F2 и М (коэффициент для определения МПЧ на дальности 3000 км) вдоль трассы, выражение расчета МПЧ(D) можно уточнить путем уточнения значения ц. Для этого, мы рассчитываем угол наклона эффективного зеркала отражающего слоя по выражению:

Где D₀ = 200 км, h₀₁ и h₀₂ - действующие высоты в точках, удаленных от середины трассы на одинаковое расстояние 100 км. Значение h₀₁, h₀₂ мы получим с использованием прогностической модели ионосферы [5]. Угол смещения точки отражения от середины линии в сторону уменьшения действующей высоты определится по выражению:

(2)

Где , h₀ - действующая высота отражающего слоя в середине трассы.

Подставляя значение из (2) в (1), мы можем рассчитать значение МПЧ(D) с учетом регулярных неоднородностей ионосферы. Из рисунка 1 также найдутся углы излучения и и приема в для дальности D (км) когда рабочая частота равна МПЧ для этой трассы. В треугольнике OTB имеем:

(3)

В треугольнике OAT имеем:

(4)

Из (3) и (4) следует, что с учетом смещения точки отражения радиоволн в регулярной неоднородной ионосфере углы приема и излучения отличаются на величину .

Метод коррекции модели ионосферы

Один из источников ошибок расчета МПЧ это недостаточная точность в определения параметров среды распространения радиоволн в момент проведения расчетов. Для устранения этой ошибки мы представляем метод адаптации используемой модели ионосферы к текучему состоянию ионосферы по измеренным данным МПЧ на опорной трассе. Для модели ионосферы [5] числа Вольфа (W) - являются единственными входными параметрами модели ионосферы, которые можно менять при фиксации трассы и времени. Числа W косвенно характеризуют потоки ионизирующего излучения Солнца в рентгеновской и ультрафиолетовой областях спектра. Можно предложить ряд методик определения W в зависимости от конкретных условий. Общим в этих методиках является изменение W для исходной модели ионосферы и расчет МПЧ до совпадения измеренных МНЧ и рассчитанных значений МПЧ на опорной трассе.

В итоге получают индекс W, который корректирует использованную в расчетах модель ионосферы._. По индексам W можно рассчитать МПЧ для данной опорной трассы в интервале до следующих измерений, а также для других трасс, не обеспеченных средствами наклонного зондирования.

Метод расчета МПЧ2F2

Для расчета МПЧ2F2 мы используем два метода: метод равных скачков [4] и метод равных МПЧ [3]. Метод равных скачков заключается в разделении трассы длины D на две части одинаковой длины D/2 и проводится расчет МПЧ 1F для каждой части. Наименьшее значение МПЧ из двух полученных значений МПЧ - это МПЧ 2F2 для всей трассы. Метод равных МПЧ представлен в работе [3]. Это метод косвенным образом учитывает случайные неоднородности ионосферы на МПЧ. Алгоритм расчета МПЧ по методу равных МПЧ представлены на рисунке 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

3

Рис. 2. Алгоритм расчета МПЧ 2F2 по методу равных МПЧ

Результаты расчета и обсуждение

Для оценки точности расчетов представленного метода мы проводим пример расчета МПЧ на трех трассах: Хабаровск - Иркутск, Норильск - Иркутск и Магадан - Иркутск и сравниваем результаты расчета с экспериментальным данными на этих трассах в работе[6].

Входные данные для расчета МПЧ: географические координаты пунктов приема и передачи: Хабаровск (48,5⁰ ш._, 135,1⁰ д.), Норильск (69,2⁰ ш._, 88,26⁰ д.), Магадан (60⁰ ш._, 151⁰ д.), Иркутск ( 52,5⁰ ш., 104⁰ д.); дата проведения расчётов - 17.3.2015 г.; число Вольфа (W) в день проведения расчета - 62 по данным из [7]. Для оценки точности расчета МПЧ мы рассчитываем средние ошибки расчета относительно измеренных МПЧ . Значение рассчитано по формуле:

,(5)

где , - соответственно значения МПЧ по измерениям и по расчету во времени i. ( i = 1,2..24).

Значение среднеквадратичного отклонения отдельных значений от рассчитано по формуле :

,(6)

где

а. Сравнение результатов расчета и измерений МПЧ1F2 и МПЧ2F2

В таблицах 1 и 2 показаны характеристики ошибки расчета МПЧ 1F2 и МПЧ 2F2 с учетом горизонтально-неоднородности ионосферы.

Таблица 1. Характеристики ошибки расчета МПЧ1F2

Таблица 2. Характеристики ошибки расчета МПЧ2F2

Параметр L - характеризует степень изменения МПЧ вдоль радиотрассы и определяется по формуле:

,

где - разность МПЧ, рассчитанных на двух концах трассы, - значение МПЧ в середине трассы.

Таблицы 1 и 2 показывают, что учет неоднородностей ионосферы позволяет повысить точность расчетов МПЧ1F2 и МПЧ2F2 и влияние неоднородности ионосферы на двухскачковое распространение коротких радиоволн гораздо сильнее, чем на односкачковое. При параметре L мало ( L? 0,14) два метода расчёта дают практически одинаковую точность расчетов.

б. Сравнение результатов расчета с коррекцией числа Вольфа с результатами измерений МПЧ1F2 и МПЧ2F2

Мы представим пример определения МПЧ2F на трассу Магадан - Иркутск с коррекцией числа Вольфа по измеренным данным МПЧ на опорной трассе. В качестве опорной трассы мы используем трассы Хабаровск - Иркутск и Норильск - Иркутск. В таблице 3 показаны значения чисел W, полученные при использовании измеренных МПЧ на трассе Хабаровск - Иркутск (Х - И) и Норильск - Иркутск (Н - И).

Таблица 3. Значения чисел Вольфа, полученных по опорной трассе

Полученные значения W в таблице 3 используются для прогнозирования МПЧ2F2 на трассе Магадан - Иркутск. В таблице 4. и рисунке 3 показаны результаты расчета МПЧ2F2 на трассе Магадан - Иркутск с коррекцией числа Вольфа по измеренным данным МПЧ на опорной трассе Хабаровск - Иркутск и Норильск - Иркутск.

Таблица 4. Характеристики ошибки расчета МПЧ2F2 с коррекцией числа W

Рис. 3. Суточные вариации расчётных и измеренных МПЧ2F2 на трассе Магадан - Иркутск: треугольники - измеренные, квадратики - расчет с использованием измеренных МПЧ на трассе Х-И, кружки - расчет с использованием измеренных МПЧ на трассе Н-И, звездочки - расчет без коррекции значения числа Вольфа

Из рисунка 3 нам видно, что, при использовании измеренных МПЧ2F2 на опорной трассе для коррекции значения числа Вольфа существенно увеличивается точность расчетов МПЧ2F2. Статистические расчеты по формулам (5) и (6) показали, что, при выборе опорной трассы Хабаровск - Иркутск для коррекции числа Вольфа средняя ошибка расчета МПЧ2F2 относительно измеренных МПЧ2F2 составляет -0,7 % , а среднеквадратическое отклонение - 10,2%. В случае выбора трассы Норильск - Иркутск в качестве опорной трассы средняя ошибка расчета МПЧ2F2 относительно измеренных МПЧ2F2 составляет 8,9 % , а среднеквадратическое отклонение 11,4%. Очевидно, что точность расчетов зависит от расположения опорной трассы относительно рассмотренной трассы. Чем ближе опорная трасса к рассмотренной трассе, тем точнее результаты расчетов. Мы оценим расстояние между двумя трассами по расстоянию между их серединами. При расчете показано, что расстояние между серединами трасс Магадан - Иркутск и Хабаровск - Иркутск составляет 830 км, что наполовину меньше расстояния между серединами трасс Магадан - Иркутск и Норильск - Иркутск -1518 км. И это объяснение, почему расчет МПЧ2F2 по опорной трассе Хабаровск - Иркутск дает лучшую точность расчетов.

Аналогично, мы получим результаты расчета МПЧ1F2 c коррекцией числа Вольфа, ошибки расчета МПЧ1F2 показаны в таблице 5.

Таблица 5. Характеристики ошибки расчета МПЧ1F2 с коррекцией числа W

Из таблицы 5 видно, что с коррекцией W по данным измерений МПЧ1F2 на опорной трассе Хабаровск - Иркутск и Норильск - Иркутск уменьшаются ошибки расчетов МПЧ1F2 на трассе Магадан - Иркутск на 20 % и 52 %, соответственно.

Заключение

В статье представлен метод расчета МПЧ1F2 и МПЧ2F2 с повышенной точностью расчетов путем учета неоднородностей ионосферы и использования измеренных МПЧ на опорной трассе для коррекции значения числа Вольфа. Предлагаемый метод расчета возможен к применению в системах радиосвязи с подвижными объектами, поскольку в этом случае отсутствуют данные статистической обработки измеренных значений за предшествующий период, что не позволяет прогнозировать МПЧ по регрессионным зависимостям.

ЛИТЕРАТУРА

1.Куркин, В.И. Метод нормальных волн в проблеме коротковолновой радиосвязи/ В.И. Куркин В.И., И.И. Орлов, В.Н. Попов. - М.: Наука, 1981. - 124 с.

2.Хазельгров Дж. Лучевая теория и новый метод расчёта траектории // Лучевое приближение и вопросы распространения радиоволн - М. : Наука, 1980. - 304 с.

3.Агарышев А.И., Агарышев В.А. Прогнозирование характеристик дальнего распространения радиоволн в неоднородной ионосфере: монография. - Иркутск: Иркутский филиал МГТУ ГА, 2018. - 303 с.

4.Davies, K. Ionospheric radio. London, United Kingdom: The Institution of Engineering and Technology, 1990. - 580 p.

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

6. N.М. Polekh, N.А. Zolotukhina, Е.B. Romanova, S.N. Ponomarchuk, V.I. Кurkin, А.V. Podlesnyi. Ionospheric Effects on Magnetospheric and Thermospheric Disturbances on March 17 - 19, 2015 // Geomagnetism and Aeronomy. -- 2016. -- V. 56, N 5. -- Pp. 557-571.

7.http://meteo-dv.ru/geospace/AverageMonthW.

REFERENCES

1.Kurkin V. I. Normal waves method in shortwave radio communication / V. I. Kurkin, I. I. Orlov, V. N. Popov. М. : Nauka, 1981. - 124 p.

2.Hazelgrov DZ. Ray-path theory and a new method of calculating a trajectory // Ray approximation and issues of radio waves propagation. М. : Nauka, 1980. - 304 p.

3.Agarushev А.I., Agarushev V.A. Prediction of the long-range propagation characteristics of radio waves in the inhomogeneous ionosphere: monograph. - Irkutsk: Irkutsk branch of MSTU GA, 2018. - 303 p.

4.Davies, K. Ionospheric radio. London, United Kingdom: The Institution of Engineering and Technology, 1990. - 580 p.

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

6. N.М. Polekh, N.А. Zolotukhina, Е.B. Romanova, S.N. Ponomarchuk, V.I. Кurkin, А.V. Podlesnyi. Ionospheric Effects on Magnetospheric and Thermospheric Disturbances on March 17 - 19, 2015 // Geomagnetism and Aeronomy. -- 2016. -- V. 56, N 5. -- Pp. 557-571.

7.http://meteo-dv.ru/geospace/AverageMonthW.

Размещено на Allbest.ru