Шайдулин З.Ф., доцент, кандидат технических наук

Череповецкое высшее военное инженерное училище радиоэлектроники

Российская Федерация, 162600, Вологодская обл., г. Череповец, Советский пр., 126

Аннотация. Представлен усовершенствованный алгоритм расчета параметров ионосферы Арктической зоны. Особенностью разработанного алгоритма является учет явлений, протекающих в высокоширотной ионосфере, что позволяет на основании данных полученных от модели InternationalReferenceIonosphere (IRI) повысить точность определения высоты отражающего слоя, в интересах повышения точности определения местоположения источников радиоизлучения при определении координат угломерно-дальномерным способом.

Ключевые слова: Арктика, высокоширотная ионосфера, определение местоположения, усовершенствованный алгоритм.

 

П

отребность в более точном знании профиля электронной концентрации ионосферы, высоты отражающего слоя и критической частоты, для решения прикладных задач радиосвязи, пеленгации и ОМП ИРИ привела к международной практике организации рабочих групп, занимающихся моделированием ионосферы. Результатом деятельности таких групп стало создание различных моделей ионосферы. Каждая из множества разработанных моделей обладает своими характерными особенностями и недостатками, позволяющими решать определенный круг задач прогнозирования.

Проблема заключается в том, что ни одна изсуществующих моделей в том числе и одна из глобальных и наиболее часто используемых моделей ионосферы, международная эталонная модель IRI совершенно не подходит для расчета параметров высокоширотной ионосферы, потому что учитывает особенности только среднеширотной ионосферы. В связи с этим необходимо доработка и усовершенствование модели IRI для возможности расчета параметров высокоширотной ионосферы с учетом явлений протекающих в ней.

Необычное поведение геомагнитного поля над Арктикой определяет множество особенностей протекающих в ней геофизических процессов. Магнитное поле Земли устроено таким образом, что Арктические регионы оказываются подверженными прямому воздействию энергичных заряженных частиц, доставляемых от солнца солнечным ветром-выбросами солнечной плазмы. Эти частицы, вторгаясь в атмосферы Земли, вызывают свечения (полярные сияния) и ионизацию атмосферных газов, повышают проводимость ионосферы, приводят к усилению текущих в ней токов и создаваемых этим и токами магнитных полей (магнитные возмущения). Изменения проводимости Арктической ионосферы приводят к изменению скорости распространения электромагнитных волн в ней. [1]

Ионосфера высоких широт неоднородна, поскольку она состоит из различных крупномасштабных структур со свойственными им особенностями поведения (среднеширотный ионосферный провал, авроральный овал, полярная шапка и т.п.), которые в свою очередь значительно влияют на распространение радиоволн в этой области, что может явиться причиной ухудшению или полному прекращению прохождения связи в ВЧ-диапазоне.[2]

Усовершенствованный алгоритм расчета параметров высокоширотной ионосферы заключается в доработке модели IRI для возможности расчета параметров высокоширотной ионосферы и расчета параметров высокоширотных радиолиний с учетом этих доработок (рис. 1).

 

Выбор параметров  расчета

Рисунок 1. Усовершенствованный алгоритм расчета параметров ионосферы на основании данных полученных от модели IRI с учетом высокоширотных явлений

 

Для усовершенствования и дополнения модели IRI была решена следующая задача: корректировка зависимости распределения электронных концентраций от высоты профиль с учетом данных о состоянии высокоширотной ионосферы.

Решение поставленной задачи подразумевало решение двух подзадач:

1) Расчет параметров высокоширотной ионосферы: нахождение пиковых электронных концентраций для слоев ,  и , а также соответствующих им высот.

2) Корректировка профиля, рассчитанного при помощи модели IRI, с учетом результатов, полученных на предыдущих этапах.

Модель предусматривает расчет параметров ионосферы в двух разных высокоширотных зонах, таких как зона «полярной шапки», зона аврорального овала. [3]

Описание работы алгоритма:

В блоках 1,3,4,5,6 происходит стандартный расчет модели IRI.

Выходными параметрами модели IRIявляются следующие высотные профили: электронной плотности  и , электронной температуры , ионной температуры , нейтральной температуры  и процентного содержания ионов в диапазоне от 60 до 2000 км, а также ТЕС.

В данном случае рассмотрены выходные параметры при выборе параметров расчета пиков высот и пиков плотностей и рассчитанной электронной концентрацией в интервале от 100 км до 1000 км с шагом 50 км, в зависимости от выбранных выходных параметров они могут изменяться.

Блок 7. Определение принадлежности к высокоширотной зоне (зона поглощения «полярной шапки», зона аврорального овала, зона субаврорального поглощения).

Принадлежность рассчитываемой точкик данной зоне определяется ее геомагнитными координатами (точнее, геомагнитными широтами) и положением границ областей.

 

(1.1)

 

(1.2)

 

где  — граница зоны «полярной шапки»;

 — граница авроральной зоны;

 =15 • ;

 — исправленное (скорректированное) локальное магнитное время.

Относятся ли заданные координаты к зоне «полярной шапки», если да, то широта ( ) должна быть больше границы зоны «полярной шапки», то есть,

 ≥

Если относиться, то переходим к расчету параметров, если нет, то переходим к дальнейшему определению зоны.

Блок 8. Относятся ли заданные координаты к зоне аврорального овала, если да, то значение широты должно быть больше, чем граница аврорального овала и меньше границы зоны «полярной шапки».То есть,

Если относится, то переходим к расчету параметров, если нет, то переходим к дальнейшему определению зоны.

Блок 9. Расчет параметров ионосферы с учетом принадлежности к высокоширотной зоне.

Зона «полярной шапки».

В области «полярной шапки» параметры слоев  и  полагаются следующими:

 

 = 0,6 МГц                                        = 0,2 МГц

=120км                                                   =200км

=120/5,5=22км                                      =200/4=50км

 

где  — критическая частота слоя X;

 — пиковая частота слоя X;

 — полутолщина слоя X.

 

Зона аврорального овала.

В авроральной зоне на критическую частоту слоя  влияют солнечная ионизация и высыпание авроральных частиц. Максимальное значение критической частоты  от авроральных частиц зависит следующим образом:

 

=                                 (1.3)

 

где — эффективный индекс геомагнитной активности.

Далее делается поправка для вариаций исправленного локального магнитного времени :

= ,                    (1.4)

≤15,

- ,                  (1.5)

>15.

Между границей овала и точкой его максимальной поляризации проводят линейную интерполяцию, а  полярной и экваториальной границы авроральной зоны устанавливается равным 60% от . Высота максимальной ионизации авроральногоЕ слоя определяется выражениями:

=130 ,если ≤1;

=130-(       (1.6)

=90 , если ≥7.

 

В ночное время параметры слоя F1 имеют следующие значения:

 

 = 0,2 МГц;

=200км;

=200/4=50км.

 

В остальных случаях используются значения, рассчитанные с помощью модели IRI.

Ночное время определяется между временем захода и восхода солнца, которые в свою очередь рассчитываются при помощи модели IRI.

Сначала расчет слоя  производится с использованием модели IRI. Затем авроральное значение критической частоты  расчитывается следующим образом:

 

= ,                                                 (1.7)

 

где  — значение критической частоты слоя , рассчитанное при помощи модели IRI;

 

,

где - середина аврорального овала, если  = , то  = .

Высота максимума  для аврорального овала определяется с помощью модели IRI.

Блок 10. Расчет вероятности процесса.

Данные расчетавероятности происхождения процесса представлены в табл. 1.

Таблица 1

Данные расчета вероятности происхождения процесса

 

Основные геофизические факторы высокоширотной ионосферы	Относительная частота регистра­ции Р
Поглощение в полярной шапке РСА	Pрca ~0,07
Авроральное поглощение АА	Раa- 0,5

На основе данной таблицы делается вывод о вероятности процесса.

Блок 11. Корректировка значений профиля с учетом данных о высокоширотной ионосфере.

После вычисления параметров, задающих ионосферные слои, требуется произвести корректировку значений профиля. В случае зон субаврорального провала и аврорального овала полученные значения параметров просто подставляются в модель IRI.

В зоне «полярной шапки», где может наблюдаться ситуация, когда < , модель IRI не применима для слоев выше слоя , и для расчета профиля используется квазипараболическая модель.

Форма профиля слоя .

Так как в полярной области согласно предположению, указанному выше, слой  всегда существует, то профиль задается следующей функцией:

 

                                     (1.8)

где

,                           (1.9)

 

 

Форма профиля слоя .

Слой  задается аналогично слою :

 

                     (1.10)

 

где

 ,                                      (1.11)

 

                         (1.12)

 

Высота определяется соотношением

 

=                                     (1.13)

 

Проведена коррекция высотных профилей концентрации электронов модели IRI в авроральной зоне и полярной шапке. Коррекция учитывает эффекты корпускулярной ионизации атмосферы авроральными электронами, высыпающимися из магнитосферы в ионосферу. Использовано уравнение баланса процессов ионизации и рекомбинации в ионосфере

,                                    (1.14)

где α — коэффициент рекомбинации; N_e0 — фоновая концентрация электронов по модели IRI;

Δq — функция корпускулярной ионизации молекул нейтральной атмосферы авроральными электронами, высыпающимися из магнитосферы в ионосферу; q₀ — фоновое значение функции ионизации.

Таким образом, мы получаем полностью откорректированный профиль, в котором учитываются особенности высокоширотной ионосферы.

Представленный алгоритм реализован в программной среде LabView. В ходе программной реализации усовершенствованного алгоритма расчета параметров ионосферы Арктической зоны были разработаны следующие программы: «Расчет параметров ионосферы Арктической зоны», «Моделирование распространения радиоволн в Арктической зоне» и «Оценка эффективности усовершенствованного алгоритма расчета параметров ионосферы Арктической зоны» в совокупности которые позволяют реализовать усовершенствованный алгоритм расчета параметров ионосферы Арктической зоны.

Результаты моделирования показали, что разработанный усовершенствованный алгоритм позволяет повысить точность определения высоты отражающего слоя в несколько раз и соответственно повысить точность определения местоположения ИРИ при определении координат угломерно-дальномерным способом.

 

Литература

1. Акимов В.Ф..Калинин Ю.К. Введение в проектирование ионосферных загоризонтных радиолокаторов (под ред. С.Ф.Боева) –М:ТЕХНОСФЕРА 2017г.

2. Мизун Ю.Г. Распространение радиоволн в высоких широтах. - М: «Радио и связь» 1986 г.

3. Рябцев В.В. Расчет параметров ионосферы с учетом высокоширотной корректировки и возможности возникновения спорадического слоя. T-Comm / спецвыпускапрель 2015 г.

References

1. Akimov V.F. Kalinin Y.K. Introduction to the design of ionospheric over-horizon radar (edited by F.Boev) –M:TECHNOSPHERE 2017.

2. Mizun Y.G. Propagation of radio waves in high latitudes «Radio and communication» 1986.

3. Ryabtsev V.V. Calculation of ionospheric parameters with allowance and the possibility of the emergence of the sporadic layer. T-Comm / special issue April 2015.

 

⇐ Предыдущая26272829303132333435Следующая ⇒

Поделиться: