IV Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» – ИРЭ РАН, 29 ноября -3 декабря 2010 г.

43

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО МОНИТОРИНГА ИОНОСФЕРЫ В ИНТЕРЕСАХ

ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОРОТКОВОЛНОВОЙ СВЯЗИ

Смирнов В.М., Смирнова Е.В., Скобелкин В.Н., (1), Тынянкин С.И. (2) 1 - Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН

2 – ЗАО БЛИКС vsmirnov@ire.rssi.ru

Рассмотрены возможности глобальных навигационных систем GPS и ГЛОНАСС для мониторинга

ионосферы Земли в реальном режиме времени. Для обработки данных измерений создан автоматизированный модуль ионосферного обеспечения, основанный на реализации метода радиопросвечивания ионосферы Земли по трассе «наземный пункт - навигационный спутник». Приведена блок-схема модуля и описаны осуществляемые им функции. Показана схема проведения измерений и интерпретации данных, а также алгоритм параметрической идентификации обратной задачи радиопросвечивания ионосферы. Проведено сравнение с результатами трассового зондирования и ионозонда вертикального зондирования.

Введение

Появление в последние годы специализированных модемов декаметрового диапазона, способных передавать двоичные файлы и данные в радиоканале со скоростью до 9,6 кбит/сек с малой (до 10-9) вероятностью ошибки на бит информации, возродили коммерческий интерес к коротковолновой связи. Такие крупнейшие производители, как Harris, Codan, Motorolla и другие, а также некоторые российские предприятия, приступили к серийному выпуску радиостанций, реализующих алгоритмы автоматического вхождения в связь (ALE – Automatic Link Establishment), перезапросов фрагментов сообщений и исправления ошибок в реальном масштабе времени при минимальном участии человека в процессе радиообмена.

Однако проблема нахождения оптимальных рабочих частот для каждого конкретного сеанса остается по-прежнему актуальной, поскольку распространение радиоволн декаметрового диапазона и, как следствие, эффективность средств радиосвязи КВ диапазона существенно зависят от текущих параметров ионосферы.

1. Суточные и сезонные вариации критических частот ионосферы

Ионосфера - это ионизованная часть верхней атмосферы Земли, которая окружает нашу планету в виде оболочки, расположенной на высотах выше 60-70 км. Структура и свойства ионосферы сильно меняются с высотой. Процессы, протекающие в ионосфере, тесно связаны как с солнечной активностью, так и с процессами в магнитосфере и вариациями магнитного поля Земли, с движениями верхней атмосферы и т. д. Этим обусловлена сильная изменчивость свойств ионосферы во времени (в течение суток, в зависимости от времени года, с одиннадцатилетним циклом солнечной активности), а также в зависимости от высоты и географической широты.

Существующие в настоящее время системы дальней коротковолновой связи обеспечивают передачу информации на большие расстояния за счет отражения радиоволн от ионосферы Земли на частотах, не превышающих критическую частоту [1-2]. Схема распространения радиоволн КВ-диапазона показана на рис. 1.

Максимально применимые частоты (МПЧ) ионосферных радиотрасс являются важными характеристиками состояния ионосферы для различных групп пользователей, так как МПЧ может служить, с одной стороны, индикатором космической погоды в исследуемом регионе, что вызывает интерес радио- и геофизиков, с другой стороны, значения МПЧ также важны с практической точки зрения для организации эффективной работы декаметровых радиотехнических систем дальней радиосвязи и загоризонтной радиолокации.

IV Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» – ИРЭ РАН, 29 ноября -3 декабря 2010 г.

44

Для обеспечения устойчивой работы таких линий связи необходимо, в первую очередь, знать предельно высокую частоту (максимально применимую частоту МПЧ), которая при отражении от ионосферы может обеспечить работу радиолинии с наибольшей надежностью.

Максимально применимой частотой для линии связи определенной протяженности называется наибольшая частота, которая в результате отражения от ионосферы может быть принята в заданной точке приема [1-2]. В общем случае МПЧ зависит от длины трассы, высоты отражающего слоя, высотного распределения профиля электронной концентрации и критической частоты отражающего слоя ионосферы. Существующие ионосферные данные показывают, что суточный и сезонный ход критических частот и минимальных действующих высот описываются достаточно хорошо повторяющейся зависимостью. Однако частоты и действующие высоты в один и тот же час следующих друг за другом дней, как правило, не повторяются. Сезонные значения полуденных критических частот для характерных областей ионосферы представлены на рис. 2 [3]. Изменчивость среды и механизмов распространения определяет необходимость прогнозирования МПЧ. В практике прогнозирования различают два основных вида прогнозов: долгосрочный и краткосрочный.

Долгосрочный прогноз представляет собой зависимость усредненного месячного значения результирующей максимально-применимой частоты, оптимально-применимой частоты (0.8*МПЧ) и напряженности поля на этой частоте от текущего времени суток в выбранной системе времени. Обычно он используется для предсказания регулярных периодических процессов при планировании работы систем радиосвязи. Как следствие, он не учитывает короткопериодические процессы, связанные с нерегулярными и случайными явлениями, и имеет соответственно невысокую точность 50-60 % [4]. Такая точность не удовлетворяет требованиям оперативной работы средств радиосвязи. Краткосрочный и оперативный прогнозы рассчитаны на соответствующие периоды: сутки, часы. Оперативный прогноз дает более детальную информацию о модовой структуре и параметрах поля приходящих в точку приема волн для заданного времени суток и выбранного интервала прогнозирования (1-4 часа). В режиме оперативного прогнозирования для коррекции базовой ионосферной модели может быть использована текущая ионосферная информация (параметры максимума слоя F2), учитывающая нерегулярные вариации ионосферы с характерными временными масштабами. Коррекция может проводиться, как по FoF2, так и по FoF2 и HmF2. При использовании операции коррекции прогноз более надежен и достоверен, особенно для трасс, конечные точки которых отстоят не более 1000 км от ионозонда [5]. Следует отметить, что наклонное зондирование действующей радиолинии, как показали результаты экспериментов, более эффективно, чем вертикальное [4].

В экспериментах по наклонному зондированию, как правило, измеряется максимально наблюдаемая частота (МНЧ) радиолинии. Искомая максимальная частота, при которой происходит отражение от ионосферы, определяется известным соотношением:

Рис. 1. Распространение радиоволн КВ-диапазона.

IV Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» – ИРЭ РАН, 29 ноября -3 декабря 2010 г.

45

2

2

2

2

11

11

880

)az(sin

)z(f

)az(sin

)z(N,f

m

o

m

,

где )z(fo - критическая частота слоя на высоте mz , - зенитный угол направления траектории радиолуча в точке излучения, a - радиус Земли.

Учитывая, что критическая частота 2Ffo слоя F2 является критической частотой (КЧ) для

всей области ионосферы, можно записать, что максимальные частоты отражения будут определяться следующей формулой

2

2

211

2

)aHF(sin

Ff)(f omax

,

где 2HF высота максимума слоя F2. Таким образом, из приведенной формулы следует, что для прогноза максимально

применимых частот необходимо знание критической частоты 2Ffo и высоты 2HF слоя F2, которые зависят от состояния ионосферы.

2. Структура модуля ионосферного обеспечения Основным элементом системы мониторинга является модуль ионосферного обеспечения,

основанный на реализации метода радиопросвечивания ионосферы Земли по трассе «наземный пункт - навигационный спутник» [6]. Возможная блок-схема модуля приведена на рис. 3.

Модуль ионосферного обеспечения должен осуществлять следующие функции: 1. Прием и накопление исходной навигационной информации от навигационных спутников

для двух диапазонов частот L1 и L2. 2. Обработка бинарных данных навигационных измерений и конвертирование их (при

необходимости) в стандартную форму записи, регламентируемую протоколом RINEX. 3. Формирование файлов данных измерений по отдельным спутникам. 4. Определение высотных профилей электронной концентрации ионосферы вдоль

траектории подионосферных точек для всех спутников, находящихся в зоне видимости наземного приемника.

5. Определение координат подионосферных точек для восстановленных параметров максимума слоя F2.

6. Формирование массива данных, содержащего координаты точки для максимума слоя F2, значения критической частоты слоя и его высоты в зависимости от времени наблюдения.

7. Реконструкция поля параметров максимума слоя F2 для всей зоны видимости наземного пункта.

Рис. 2. Сезонный ход критических частот на средних широтах

IV Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» – ИРЭ РАН, 29 ноября -3 декабря 2010 г.

46

Создание модуля ионосферного обеспечения, построенного по такой схеме, не требует

больших финансовых затрат. Необходимым условием является наличие двухчастотного навигационного приемника (или доступа в интернет) и компьютера с установленным на нем специализированным программным обеспечением, реализующим решение обратной задачи радиопросвечивания.

3. Результаты обработки и интерпретации данных измерений

С помощью штатных средств КВ диапазона были проведены экспериментальные исследования по использованию аппаратно-программного комплекса для решения задач прогноза условий распространения радиоволн вдоль заданной трассы. Аппаратно-программный комплекс включал в себя двухчастотный навигационный приемник, работающий по сигналам системы GPS, и программное обеспечение, реализующее решение обратной задачи радиопросвечивания ионосферы Земли на основе применения метода сопряженных градиентов.

Результаты экспериментальных исследований показали, что относительная погрешность определения максимально применимой частоты (МПЧ) по данным метода радиопросвечивания составила не более 5% для дневных и 11% для ночных условий наблюдения (рис.4) [7].

Рис. 4. Сопоставление данных трассового зондирования (1) и метода

радиопросвечивания (2).

Рис. 3. Блок-схема модуля ионосферного обеспечения.

IV Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» – ИРЭ РАН, 29 ноября -3 декабря 2010 г.

47

Сравнение с данными ионозонда вертикального зондирования и расчетами по модели IRI [8] с входными параметрами, полученными в результате решения обратной задачи радиопросвечивания, представлены на рис. 5. Видно, что совпадение результатов достаточно хорошее. Следует заметить, что данные, полученные методом радиопросвечивания, относятся к территории, радиус которой составляет 150 км относительно места расположения ионозонда.

Заключение На основе результатов трассового зондирования показано, что метод радиопросвечивания

позволяет определять близкие к реальным значениям параметры ионосферы. Это дает возможность строить карты распределения 2Ffo и в дальнейшем создавать карты прогноза МПЧ, используя адаптивные модели ионосферы.

Работа выполнена при финансовой поддержке программы ОФН РАН «Плазменные процессы в солнечной системе».

Литература

1. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. М.: Советское радио, 1972, 152 с. 2. Калинин А.И., Черенкова Е.Л. Распространение радиоволн и работа радиолиний. М.: Связь, 1971, 439 с. 3. Альперт Я.Л. Распространение радиоволн и ионосфера. М.: АН СССР, 1960. 480 с. 4. Рябова Н.В. Современные подходы в краткосрочном прогнозировании МПЧ – индикаторе состояния космической погоды. Лекции БШФФ-2006. С. 47-53. 5. HFPRO - комплекс прогнозирования ионосферного прохождения КВ радиоволн для системы радиотрасс, версия 3.0. ИЗМИРАН, Троицк. 6. Смирнов В. М., Смирнова Е. В. Модуль ионосферного обеспечения на базе спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС. Журнал Радиоэлектроники, 2010, №6 http://jre.cplire.ru/jre/jun10/3/text.pdf. 7. Смирнов В.М., Смирнова Е.В., Секистов В.Н., Мальковский А.П., Тынянкин С.И. Распространение радиоволн коротковолнового диапазона и возможности метода радиопросвечивания ионосферы Земли для расчета максимально применимых частот. Радиотехника и электроника2008, Т.53. №9. С.1112-1120. 8. Bilutza D. International reference ionosphere. Radio Sci., 1986, V.21, №3, p343.

Рис. 5. Сопоставление данных ионозонда (квадрат), модели IRI (кружок) и метода

радиопросвечивания (ромб).