Двадцать первая международная конференция "СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА"
XXI.I.99
Влияние перемещающихся ионосферных возмущений на характеристики радиосигнала
Михалёва Е.В. (1), Крюковский А.С. (1), Лукин Д.С. (1), Растягаев Д.В. (1,2)
(1) Российский новый университет, Москва, Россия
(2) Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Москва, Россия
Было выполнено математическое моделирование доплеровского изменения частоты, вызванного перемещающимся ионосферным возмущением (ПИВ). Данное исследование является продолжением экспериментальных и теоретических работ, выполненных в рамках школы Д.С. Лукина, в МФТИ [1-5] и РосНОУ [6-8]. Появление ПИВ характерно для динамики ионосферы в различных регионах РФ [9,10]. Особое внимание уделено зависимости доплеровского смещения частоты, а также запаздывания прихода сигнала и углов выхода лучей от несущей частоты радиосигнала с учетом поляризации радиоволны, распространяющейся в ионосфере в присутствии магнитного поля Земли.
При выполнении численного моделирования слабо-наклонного зондирования ионосферы предполагалось, что источник излучения находится в начале координат, а приёмник – на расстоянии 100 км. Экспоненциальная неоднородность (ПИВ) имеет характерные размеры вдоль трассы 40 км, а поперек трассы – 10 км, однако из-за экспоненциального спадания её влияние, как показывают вычисления, значительно больше. ПИВ движется от приёмника к источнику со скоростью 200 м/с на высоте 200 км. При этом центр неоднородности оказывается посередине трассы, если расстояние от передатчика 50 км. Модель электронной концентрации ионосферы содержит три слоя: слой E с максимумом на высоте 108 км, слой F1 с максимумом на высоте 196 км и слой F2 с максимумом на высоте 263 км. Вектор напряжённости магнитного поля лежит в плоскости выхода луча, направленного на приёмник. Численные расчеты выполнялись методом бихарактеристик, построенной в работах [11,12].
На основе численных результатов проанализирована зависимость доплеровского смещения частоты от положения центра ПИВ на частоте 6 МГц. Также исследована зависимость от положения центра ПИВ от группового времени и от угла выхода лучей. При различных начальных рабочих частотах от 5,0 до 6,1 МГц с шагом 100 кГц построены зависимости группового времени, угла выхода лучей от положения центра ПИВ. При рассмотрении зависимости группового времени видно, что, когда центр ПИВ проходит над серединой трассы, задержка резко уменьшается. Вблизи середины трассы задержка для о-волны и изотропного приближения практически совпадают, а для х-волны существенно меньше. С ростом частоты задержка увеличивается, так как волна проходит более длинный путь в ионосфере, но в середине трассы задержки на разных частотах выравниваются, так как все частоты отражаются от нижней границы ПИВ и поэтому распространяются по близким траекториям.
При рассмотрении зависимости угла выхода луча от положения центра ПИВ установлено, что при слабонаклонном распространении диапазон изменения углов для о-волны колеблется от 73 до 86 градусов, а для х-волны он значительно меньше. На малых частотах расчетные кривые напоминают синусоиды, а больших частотах – стремятся к пилообразной форме.
В работе исследованы зависимости доплеровского смещения частоты, группового запаздывания и углов выхода лучей из передатчика по направлению к приёмнику от положения центра локальной неоднородности (ПИВ) при различных частотах и при различных поляризациях электромагнитной волны. Форма кривой доплеровского сдвига меняется с ростом рабочей частоты от синусоидальной формы к пилообразной, центр кривой смещается в зависимости от поляризации излучения, кривая группового запаздывания имеет минимум, а область влияния ПИВ в несколько раз превосходит её характерный размер.
Ключевые слова: распространение радиоволн; доплеровское смещение частоты; групповое время; ионосфера Земли; перемещающиеся ионосферные возмущения; лучи; бихарактеристики.
Литература:
- Лукин Д.С., Школьников В.А. Численный метод расчета эффекта Доплера и приведённой разности доплеровских частот радиоволн, излучаемых когерентно с ИСЗ // Космические исследования, 1968. – Т.6, № 3. – С.389-394.
- Лукин Д.С., Школьников В.А. Исследование влияния регулярных горизонтальных градиентов, локальной и интегральной электронных концентраций ионосферы на величину и характер изменения вдоль орбиты ИСЗ приведённой разности доплеровских смещённых частот // Космические исследования, 1972. – Т.10, № 1. – С.66-72.
- Лукин Д.С., Заец П.Г., Макальский С.А., Чешев Ю.В., Школьников В.А., Палкин Е.А. Доплеровский метод экспериментального исследования квазиволновых процессов в ионосфере // XIII Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. Горький, 19–20 июня 1981 г. М.: Наука, 1981.– Т.1. – С. 49–52.
- Заец П.Г., Ипатов Е.Б., Лукин Д.С., Макальский С.А., Палкин Е.А., Чешев Ю.В., Школьников В.А. Экспериментальные исследования доплеровских спектров КВ-сигналов, излучаемых с ИСЗ // XIII Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. Горький, 19–20 июня 1981 г. М.: Наука, 1981. – Т.1. – С. 238–240.
- Гузминов П.П., Заец П.Г., Лукин Д.С., Палкин Е.А., Чешев Ю.В. Исследование ионосферы амплитудно-доплеровским методом. постановка эксперимента, методика обработки данных на ЭВМ // Распространение и дифракция волн в неоднородных средах. М.: МФТИ, 1989. – С. 15–23.
- Крюковский А.С., Лукин Д.С., Растягаев Д.В., Скворцова Ю.И. Численное моделирование распространения пространственно-временных частотно-модулированных радиоволн в анизотропной среде // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2015. Т. 9. № 9. С. 40–47.
- Крюковский А.С., Скворцова Ю.И. Математическое моделирование распространения радиоволн в нестационарной плазме с учетом кривизны поверхности Земли и ионосферных слоев // Вестник Российского нового университета. Серия: Сложные системы: модели, анализ и управление. 2016. № 1-2. С. 34–40.
- Крюковский А.С., Скворцова Ю.И. Влияние пространственно-временных возмущений ионосферной плазмы на распространение радиоволн // Известия вузов. Физика. 2016. Т. 59. № 12-3. С. 131–135.
- Куркин В.И., Медведева И.В., Подлесный А.В., Думбрава З.Ф., Поддельский И.Н. Влияние внезапного стратосферного потепления на характеристики среднемасштабных перемещающихся ионосферных возмущений в азиатском регионе России // Армандовские чтения. Всероссийская открытая научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн» - Муром 2022.– С. 27–35.
- Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Выборнов Ф.И. Моделирование распространения декаметровых радиоволн в условиях волновых возмущений концентрации электронов // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2018. – Т. 61, № 6. – С. 462–473.
- Казанцев А.Н., Лукин Д.С., Спиридонов Ю.Г. Метод исследования распространения радиоволн в неоднородной магнитоактивной ионосфере. // Космические исследования, 1967. – Т. 5, № 4. – С. 593–600.
- Крюковский А.С., Лукин Д.С., Кирьянова К.С. Метод расширенной бихарактеристической системы при моделировании распространения радиоволн в ионосферной плазме. // Радиотехника и электроника, 2012. – Т.57, № 9. – С. 1028–1034.
Презентация доклада
Дистанционное зондирование ионосферы
317