Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
We present the forecast results of maximal usable frequencies for mid-latitude paths on the base of complex We present the results of forecasting maximum usable frequencies (MUF) on middle-latitude paths on the basis of complex algorithm including modules of the ionosphere and plasmasphere global model (IPGM) and the model of radio wave propagation. The computation of propagation characteristics for decameter radio waves is carried out within the framework of normal wave technique. IPGM developed in ISTP SB RAS enables to compute electron concentration profiles and effective frequency of collisions using minimum number of input data and taking into account physical processes in the Earth’s upper atmosphere. To estimate the efficiency of using IPGM in long-term forecast of radio wave propagation we computed MUF for radio communication in various heliogeophysical conditions. To obtain precision characteristics of MUF forecast we used experimental data of oblique sounding on Magadan–Irkutsk, Khabarovsk–Irkutsk, Norilsk–Irkutsk paths. The paths are equipped with modern ionosphere diagnostic hardware for oblique sounding by continuous chirp signal. We also compared results of MUF forecast using IPGM with computations carried out according IRI model.
ionosphere, ionogram, radio wave propagation
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в связи с потребностями радиосвязи предъявляются новые требования не только к теории распространения радиоволн, но и еще в большей степени к качеству алгоритмов расчета характеристик сигналов. В связи с этим задача разработки эффективных, практически значимых алгоритмов расчета характеристик декаметровых сигналов на базе современных глобальных моделей ионосферы является актуальной. Разработка вычислительной схемы в рамках волноводного подхода позволила реализовать комплексный алгоритм расчета пространственно-частотных характеристик на основе метода нормальных волн [Алтынцева и др., 1987; Пономарчук и др., 2014]. Отличительной особенностью алгоритма является его универсальность, позволяющая единообразно, в рамках единой схемы, рассчитывать амплитудные, временные и угловые характеристики КВ-сигналов для произвольных точек расположения пунктов приема и передачи. Комплексный алгоритм расчета характеристик распространения был реализован в виде пакета программных средств, включающего модули расчета модели ионосферы и характеристик распространения радиоволн в рамках волноводного подхода. Выходными параметрами модели ионосферы являются высотные профили электронной концентрации N(h) и эффективной частоты соударений ν(h). Для регулярного радиоканала с плавными продольными градиентами достаточно иметь высотные разрезы N(h) и ν(h) с шагом по дальности порядка 300-400 км. В программном комплексе расчета характеристик распространения реализована возможность использования различных моделей ионосферы: международной справочной модели IRI [Bilitza, Reinisch, 2008], полуэмпирической модели ионосферы [Поляков и др., 1986], теоретической модели ионосферы [Котович и др., 2010], а также разработанной в ИСЗФ СО РАН глобальной модели ионосферы и плазмосферы (ГМИП) [Кринберг, Тащилин, 1984; Tashchilin, Romanova, 2002]. ГМИП позволяет по минимальному набору входных данных рассчитывать профили N(h) и ν(h) с учетом физических процессов в верхней атмосфере Земли. Для оценки эффективности ГМИП при долгосрочном прогнозе условий распространения радиоволн были проведены расчеты МПЧ радиосигнала в различных гелиогеофизических условиях. Для получения точностных характеристик прогноза МПЧ привлекались экспериментальные данные наклонного зондирования на трассах Магадан-Иркутск, Хабаровск-Иркутск, Норильск-Иркутск, оснащенных современными средствами диагностики ионосферы при наклонном зондировании непрерывным линейно-частотно-модулированным (ЛЧМ) сигналом [Иванов и др., 2003; Подлесный и др., 2013]. Проведено сопоставление результатов прогноза МПЧ по ГМИП с расчетами, выполненными по модели IRI.
ЭКСПЕРИМЕНТ И МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
В работе приведены результаты тестирования комплекса программных средств прогноза МПЧ по данным ЛЧМ-зондирования ионосферы на трассах Магадан-Иркутск, Хабаровск-Иркутск, Норильск-Иркутск. Были выбраны следующие периоды наблюдений: январь, март, июль, сентябрь, октябрь 2010 г.; январь и ноябрь 2012 г. Интервал наблюдений в каждом из этих месяцев составлял не менее десяти дней. Средняя активность Солнца, выраженная в индексе F10.7, в 2010 г. была равна 80, что соответствует периоду низкой солнечной активности. В 2012 г. средний индекс F10.7 был равен 121.
В выбранные периоды наблюдений в интерактивном режиме интерпретации ионограмм НЗ по выделенным точкам моментов прихода сигналов со значимой амплитудой были сформированы массивы экспериментальных значений максимальных наблюдаемых частот (МНЧ) в суточном ходе. Рассматривались стандартные моды распространения при отражении радиоволн от слоя F. В летний период, в условиях многослойности ионосферы и присутствия спорадического слоя Es вдоль трассы распространения радиоволн, на ионограммах НЗ регулярно регистрировались сигналы с выраженной диффузностью. Обработка ионограмм и идентификация треков с последующим определением истинных значений МНЧ в данной ситуации затруднены. Так, ошибка определения МНЧ для мода минимальной кратности из-за диффузности трека могла достигать 1 МГц. Отметим, что в отдельные летние дни в дневное время спорадический слой Es полностью экранировал отражение сигналов от слоя F.
1. Altyntseva V.I., Ilyin N.V., Kurkin V.I., et al. Modeling the decameter radio channel based on the method of normal waves. Tekhika sredstv svyazi. Seriya SS. [Communication Facilities Technique]. Moscow, Ekos Publ., 1987, no. 5, pp. 28-34 (in Russian).
2. Bilitza D., Reinisch B.W. International Reference Ionosphere 2007: Improvements and new parameters. Adv. Space Res. 2008, vol. 42, pp. 599-609.
3. Ivanov V.A., Kurkin V.I., Nosov V.E., et al. FMCW-ionosounder and its application in ionosphere research. Izvestiya vuzov. Radiofizika. [Radiophysics and Quantum Electronics]. 2003, vol. 46, no. 11, pp. 919-952 (in Russian).
4. Kotovich G.V., Grozov V.P., Kim A.G., et al. Application of the theoretical reference ionosphere model for calculating HF radiowave propagation characteristics. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2010, vol. 50, no. 4, pp. 530-534 (in Russian).
5. Krinberg I.A., Tashchilin A.V. Ionosfera i plazmosfera. [Ionosphere and Plasmasphere]. Мoscow, Nauka Publ., 1984. 189 p. (in Russian).
6. Podlesnyi A.V., Brynko I.G., Kurkin V.I., et al. Multifunctional chirp ionosonde for monitoring the ionosphere. Geliogeofizicheskie issledovaniya [Heliogeophysical Research]. 2013, no. 4, pp. 24-31 (in Russian).
7. Polyakov V.M., Suhodol´skaya V.E., Ivel´skaya M.K., et al. Semiempirical model of the ionosphere: For wide range of heliogeophysical conditions. Moscow, 1986. 140 p. (Materials of the World Data Center B.) (in Russian).
8. Ponomarchuk S.N., Ilyin N.V., Penzin M.S. Тhe model of radio wave propagation in 1-10 МHz frequency range on the base of normal wave technique. Solnechno-zemnaуa fizika [Solar-Terrestrial Physics]. 2014, iss. 25, pp. 33-39 (in Russian).
9. Tashchilin A.V., Romanova E.B. Numerical modeling the high-latitude ionosphere. Solar-Terrestrial Magnetic Activity and Space Environment: Proc. COSPAR Colloquium. Amsterdam, 2002, pp. 315-325. (COSPAR Colloquia Series. Vol. 14).
