Рис. 3. ДЧХ (а), АЧХ (б) и УЧХ ((в) - угол места D, (г) - азимут a) на трассе зондирования Лейвертон (Австралия) - - Ростов-на-Дону. 12.01.2010г., 09:23 мск. ПС - прямой сигнал, БС - боковой сигнал
Эксперимент по трансэкваториальному зондированию ионосферного канала проводился в декабре 2009г. - апреле 2010г. В качестве передатчика ЛЧМ сигналов использовалась станция, расположенная в Лейвертон (28,6°S, 122,4°E), Австралия. Режим работы станции: диапазон частот 5 - 30 МГц, скорость перестройки частоты 125 кГц/с, повторяемость излучения через 4 минуты. Прием ЛЧМ сигналов осуществлялся в Ростове-на-Дону с помощью ЛЧМ ионозонда/пеленгатора, который позволяет измерять полный набор характеристик ионосферного радиоканала (дистанционно-частотные (ДЧХ), амплитудно-частотные (АЧХ) и угловые частотные (УЧХ) характеристики). Протяженность трансэкваториальной трассы Лейвертон (Австралия) - Ростов-на-Дону составляет 11790 км, азимут из приемного пункта на передатчик составляет 115°. Характерные примеры ДЧХ, АЧХ и УЧХ с аномальными сигналами показаны на рис. 3-5.
Рис. 4. ДЧХ (а), АЧХ (б) и УЧХ ((в) - угол места D, (г) - азимут a) на трассе зондирования Лейвертон- Ростов-на-Дону. 12.01.2010г., 11:35 мск. ПС - прямой сигнал, БС - боковой сигнал
Вертикальные полосы на ионограммах с отсутствием сигнала в окрестности частот ~ 6 и 7.3 МГц обусловлены воздействием сильных станционных помех. Как видно из рис. 3 и 4, в дневные часы, наряду с прямым сигналом с азимутом угла прихода a » 115°, регистрировались аномальные сигналы с небольшой задержкой: в 09:23 мск на частотах ~ 16 - 20.5 МГц с азимутом угла прихода a » 100° и задержкой ~ 1-2 мс относительно прямого сигнала (см. рис.3), амплитуда сигнала была на 15-20 дБ меньше амплитуды прямого сигнала; в 11:35 мск на частотах ~ 20 - 25 МГц с азимутом угла прихода a » 145-150° и задержкой ~ 2-3 мс (см. рис.4), амплитуда сигнала была на 20-25 дБ меньше амплитуды прямого сигнала. В вечернее время часто регистрировался интенсивный аномальный сигнал на частотах ~ 5 - 7 МГц с азимутом угла прихода a » 20° и задержкой ~ 11-12 мс относительно прямого сигнала. Типичный пример ДЧХ, АЧХ и УЧХ с наличием такого аномального сигнала для 21:27 мск показан на рис.5. В дальнейшем основное внимание мы уделим анализу аномальных (боковых) сигналов с большой задержкой, амплитуда которых сопоставима с амплитудой прямого сигнала. Этот сигнал наблюдался в основном в вечернее время с наибольшей появляемостью в 20:00 - 24:00 мск. Амплитуда аномального сигнала была сопоставима с амплитудой прямого сигнала, их отличие составляет величину ~ 5-10 дБ.
Рис. 5. ДЧХ (а), АЧХ (б) и УЧХ ((в) - угол места D, (г) - азимут a) на трассе зондирования Лейвертон - Ростов-на-Дону. 11.01.2010г., 21:27 мск. ПС - прямой сигнал, БС - боковой сигнал
Исходя из геометрии трансэкваториальной трассы и результатов измерений ДЧХ, АЧХ и УЧХ прямых и аномальных (боковых) сигналов, мы полагаем, что диффузные аномальные сигналы с задержкой ~ 2-3 мс, наблюдавшиеся в дневные часы, связаны с отражением радиоволн от горного массива Гималаи для сеанса 09:23мск и от Иранского нагорья для сеанса 11:35 мск. Что касается аномального сигнала с большой задержкой ~ 11-12 мс и азимутом угла прихода a » 20°, то мы считаем, что этот сигнал обусловлен рассеянием радиоволн от неоднородностей высокоширотной ионосферы. Геометрия трассы и возможные пути распространения радиосигналов показаны на рис.6.
Рис.6. Схема эксперимента и пути распространения сигналов: 1 - прямой сигнал; 2,3 - боковые сигналы с отражением от горного массива Гималаи и Иранского нагорья соответственно; 4 - аномальный сигнал с большой задержкой с рассеянием радиоволн от неоднородностей высокоширотной ионосферы северного полушария
Для подтверждения сделанных предположений о природе аномальных сигналов мы провели моделирование распространения радиоволн. Расположение областей рассеяния радиоволн на Земле и в ионосфере, ответственных за появление аномальных (боковых) сигналов, мы выбирали на основе результатов измерений задержки времени прихода и азимутальных углов прихода аномальных сигналов с учетом моделирования распространения радиоволн. Согласно измерениям и расчетам, за боковой сигнал с большой задержкой ответственна область высокоширотной ионосферы с географическими координатами подионосферной точки центра этой области 71°N, 68,5°E (геомагнитные координаты 66,25°N, 144,67°E). Для условий спокойной ионосферы эта область совпадает с положением северной стенки главного ионосферного провала (ГИП) ионизации, характеризуемого наличием в вечерние и ночные часы местного времени интенсивных мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации, ответственных за обратное рассеяние КВ сигналов [13]. Формирование неоднородностей в области северной стенки ГИП связано с высыпанием электронов и градиентно-дрейфовой неустойчивостью [14].
Как уже говорилось, в данной работе основное внимание мы уделили моделированию аномального сигнала с большой задержкой ~ 11-12 мс с азимутом угла прихода a » 20°. Проводился расчет траекторий для прямого сигнала на трассе Лейвертон (Австралия) - Ростов-на-Дону и для бокового сигнала на трассах Лейвертон - область рассеяния и область рассеяния - Ростов-на-Дону с учетом ракурсного рассеяния радиоволн. В расчетах область рассеяния (ОР) с мелкомасштабными неоднородностями взята в виде диска радиусом 100 кмна высотах F-области (200-300 км) с координатами подионосферной точки центра диска 71°N, 68,5°E. Горизонтальный размер диска ~ 200 км выбран для согласования с наблюдаемой диффузностью аномального сигнала ~ 1 мс. Расчет траекторий проводился по модели ионосферы IRI-2001 с коррекцией ионосферных данных по ионограммам наклонного ЛЧМ зондирования на прямой трассе Лейвертон - Ростов-на-Дону. Согласно расчетам, за счет отрицательного градиента электронной концентрации и увеличения высоты максимума F-слоя вдоль трассы распространения имел место рефракционный захват радиоволн на рикошетирующие траектории либо на первом, либо на втором скачке. Для захваченных в ионосферный канал рикошетирующих (волноводных) траекторий проводился расчет ракурсного рассеяния радиоволн на неоднородностях высокоширотной ионосферы и учитывались те траектории, которые после рассеяния попадают в пункт приема. Согласно расчетам, по условиям ракурсного рассеяния и последующего 1,5 скачкового распространения из всего диапазона частот рикошетирующих (волноводных) траекторий в приемный пункт попадают траектории только на частотах ~ 5 - 7 МГц, что хорошо согласуется с результатами наблюдений. Обрезание верхних частот из диапазона рикошетирующих (волноводных) траекторий обусловлено как ракурсными условиями рассеяния, так и низкими критическими частотами ионосферы на участке трассы ОР - Ростов-на-Дону, учитывая, что из-за большого расстояния от области рассеяния до приемного пункта ~ 3000 км для попадания в приемный пункт рассеянный сигнал должен отразиться от Земли и ионосферы. Таким образом, результаты расчета хорошо согласуются с экспериментальными данными, что отражает адекватность используемой физической модели реальным условиям распространения радиоволн на протяженной трансэкваториальной трассе.
Перспективы использования инструмента
Создание на базе ЛЧМ ионозонда/пеленгатора многофункциональной системы для исследования авроральных явлений и распространения радиоволн. Диапазон частот: 3 - 60 МГц, мощность: 100 - 1000 Вт.
Область применения:
1. Наземная, авиационная и морская радиосвязь
2. Радиопеленгация и радионавигация авиационных и морских судов
3. Радарные исследования структуры и динамики высокоширотной ионосферы в режиме доплеровского ЛЧМ ионозонда/пеленгатора
Дислокация станций. Северный эшелон: Мурманск, Диксон, Тикси, Певек. Среднеширотный эшелон: Калининград, Ростов-на-Дону, Серов (Свердловская обл.), Томск, Киренск (Иркутская обл.), Охотск (Хабаровский край).
Собственно говоря, нами предлагается российский аналог системы SuperDarn с тремя важными особенностями:
1) По функциональным возможностям, в отличие от системы SuperDarn, позволяющей решать научные и прикладные задачи, относящиеся к п.3 и частично к п.2 по радиопеленгации, система ЛЧМ ИП позволяет осуществлять радионавигацию и выбор ОРЧ в реальном времени для различных систем связи, что особенно актуально для высокоширотных радиолиний, подверженных воздействию магнитно-ионосферных возмущений.
2) В отличие от системы SuperDarn, работающей в диапазоне 8-20 МГц, предлагается расширить диапазон частот до 60 МГц. Расширение диапазона частот крайне важно для высокоширотных трасс, где имеет место авроральное поглощение, связанное с высыпанием частиц и наблюдается эффект блэкаута КВ во время сильных возмущений. В то же время известно, что высыпания частиц сопровождаются образованием пэтчей в области диффузных полярных сияний с развитой неоднородной структурой и часто образуется интенсивный спорадический слой Е. При этом во время возмущений, в период сильного поглощения КВ может проявляться механизм рассеяния радиоволн от неоднородностей и отражения от Es на частотах ~25ё30 - 60 МГц и тогда наличие полной картины распространения радиоволн в диапазоне частот 3 - 60 МГц будет позволять адаптировать радиоэлектронные системы различного назначения к текущей ионосферной обстановке и обеспечивать их работоспособность на полярных трассах в различных геофизических условиях.
3) Важно отметить, что использование системы SuperDARN ориентировано на исследование неоднородностей высокоширотной ионосферы. Известно, что во время магнитной бури наблюдается движение южной границы области с неоднородностями, ответственными за рассеяние, с высоких широт на средние широты. При этом по условиям распространения и геометрии рассеяния неоднородности оказываются вне зоны “видимости” высокоширотных КВ радаров. Это затрудняет детальное исследование динамики мелкомасштабных неоднородностей, локализованных на южной границе аврорального овала на всех стадиях развития магнитной бури с использованием таких радаров. Поэтому для получения полной картины динамики ионосферных неоднородностей во время магнитной бури необходимо наряду с высокоширотными радарами, использовать КВ радары расположенные на средних широтах. Предлагаемая дислокация ЛЧМ ИП как на высоких, так и на средних широтах, позволяет, наряду со связными задачами, решать указанные выше задачи. Эксперименты, проведенные в последние годы на базе сети ЛЧМ ионозондов, показали перспективность такого подхода для изучения динамики ионосферных неоднородностей и исследования волновых процессов в ионосфере и магнитосфере во время магнитных бурь [3,4].
Литература
1. Иванов В.А., Куркин В.И., Носов В.Е., Урядов В.П., Шумаев В.В. ЛЧМ ионозонд и его применение в ионосферных исследованиях//Изв. Вузов Радиофизика. 2003. т.46, №11.с. 919-952.
2. Uryadov V.P., Ryabova N.V. et al. The investigation of long-distance HF propagation on the basis of a chirp sounder // J.Atm. Terr. Phys. 1995, v.57, no. 11, p. 1263-1271.
3. Урядов В.П., Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г. и др. Радарные наблюдения искусственной ионосферной турбулентности во время магнитной бури.//Изв. Вузов Радиофизика. 2004.-т.47, №9.с. 722-738.
4. Урядов В.П., Куркин В.И., Вертоградов Г.Г. и др. Особенности распространения КВ сигналов на среднеширотных трассах в условиях геомагнитных возмущений .//Изв. Вузов Радиофизика. 2004. т.47, №12.с. 1041-1056.
5. Иванов В.А., Рябова Н.В. Урядов В.П., Шумаев В.В. Аппаратура частотного обеспечения в адаптивной системе КВ радиосвязи //Электросвязь, 1995, №11, с.30-32.
6. Goodman J.M. HF Communication, Sciences and Technology. New York, USA. 1992.
7. Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградов В.Г., Шевченко В.Н. Исследование угловых-частотных характеристик КВ-волн при наклонном ЛЧМ-зондировании ионосферы // Электромагнитные волны и электронные системы 2007, т.12, №5 с. 25-32.
8. Gething P.J.D. Radio direction finding and superresolution. -London: Peter Peregrinus Ltd, 1990. -365p.
9. Патент №2150122 Российской Федерации 7G01S 3/14, 5/04 Способ определения двумерного пеленга и частоты источников радиоизлучения / Шевченко В.Н., Вертоградов Г.Г., Иванов Н.М. Заявл. 06.04.1999 Опубл. 27.05.2000. Бюл.№15. -7 с.
10. Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградова Е.Г. Аппаратно-программный комплекс для определения оптимальных рабочих частот связной радиолинии по данным наклонного зондирования ионосферы. 1. Методы и алгоритмы обработки данных// XIII Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» RLNC-2007 Воронеж 17-19 апреля 2007г., т.2, с.1203-1214.
11. Урядов В.П., Вертоградов Г.Г. и др. Зондирование искусственно-возмущенной ионосферы с помощью ионозонда/пеленгатора с линейной частотной модуляцией сигнала .//Изв. Вузов Радиофизика. 2009.т.52, №4.с. 267-278.
12. Вертоградов Г.Г., Урядов В.П. и др. Сверхдальнее зондирование ионосферного канала с помощью ионозонда/пеленгатора с линейной частотной модуляцией сигнала .//Изв. Вузов Радиофизика. 2010.т.53, в печати
13. Moller H.G. Backscatter results from Lindau - II. The movement of curtains of intense irregularities in the polar F-layer// J. Atm. Terr. Phys. 1974, v.36, pp. 1487-1501.
14. Tsunoda R.T. High-latitude F region irregularities: a review and synthesis// Rev. Geophys. 1988, v.26, no.4, pp.719-760.