книги из ГПНТБ / Керблай, Т. С. О траекториях коротких радиоволн в ионосфере

форме экваториальной аномалии в слое F2. В тех случаях, когда оба максимума f 0F2 были четко выражены и сопровождались вы­ сокими градиентами электронной концентрации противополож­ ных знаков, вероятность прохождения радиоволн изучаемого диапазона была высока.

Выше обсуждалось влияние градиентов электронной концен­ трации, направленных вдоль радиолиний, на условия распростра­ нения радиоволн и характер траектории. Теперь следует рассмот­ реть эффекты поперечных градиентов.

Основным эффектом поперечного градиента на дальних радио­ линиях меридионального направления можно считать изменения азимутальных углов прихода, поскольку, как следует из гл. IV, изменения МПЧ, дальности скачка и углов А в этом случае не­ велики. Изменения азимутальных углов могут достигать значи­ тельных величин, поскольку в среднем они должны превышать изменения а, характерные для одного скачка. Схема двухскачковой радиолинии с поперечным градиентом электронной концен­ трации приведена на рис. 73 (в проекции на горизонтальную пло­ скость). Из рисунка видно, что на двухскачковой радиолинии

угол бокового отклонения а2примерно в два раза больше угла ах для односкачковой линии при той же величине градиента. Если число скачков больше двух, то боковые отклонения могут быть еще больше при условии, что поперечный градиент не меняет знак на протяжении всей длины радиолинии.

При рассмотрении особенностей радиолиний меридионального направления следует остановиться также на эффектах фокуси­ ровки поперечным градиентом электронной концентрации, рас­ смотренных в § 3 предыдущей главы. Как следует пз гл. V, попе­ речный градиент приводит к эффектам фокусировки, когда он не постоянен или меняет направление, в пределах области ионосфе­ ры, освещаемой излучаемым конусом, причем увеличение градиента и рост электронной концентрации направлены во внешнюю часть конуса излучения. Такие условия создаются в тех случаях, когда излучение направлено вдоль меридиана, пролегающего вблизи границы освещаемой и неосвещаемой областей Земли. В этом слу­ чае па частотах, близких к МПЧ, создается значительная фоку­ сировка. Если ионизация в северном и южном полушариях более или менее симметрична, что наблюдается в периоды равноден­ ствия, то область минимальных значений критической частоты слоя F2 и район быстрого ее роста в период восхода проходят вдоль границы утреннего меридиана в экваториальной зоне и приле­ гающих к ней областях северного и южного полушарий. Анало­

нальной трассе сохраняется на протяжении нескольких скачков и,

119

Рис. 74. Карта F2-О-МПЧ. Март 1968 г., 6 час. московского декретного времени

Г л а в а VII

ОВОЗМОЖНЫХ ОШИБКАХ В РАСЧЕТАХ ТРАЕКТОРИЙ II СПОСОБОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

§ 1. Факторы, от которых зависит точность методов расчета траекторий

Точность расчета траекторий радиоволн в ионосфере зависит GT ряда факторов. Условно их можно разделить на несколько групп.

Первая группа включает чисто методические приближения: использование метода геометрической оптики, с позиции кото­ рого велось все рассмотрение, и применение методов численного решения интегралов. В работах [55, 56] показано, что применение метода геометрической оптики дает вполне удовлетворительные результаты с точки зрения практического использования расчетов, а как показано в работах [55, 611, уменьшая шаг интегрирования, можно практически достичь любой заданной точности. От метода решения интегралов зависит непосредственно точность опреде­ ления пути радиоволны Z); п времени распространения t-Lв ионо­ сфере, а также точпость определения углов прихода. Ограниче­ ния, накладываемые точностью других этапов расчетов, делают нецелесообразным вычисление указанных величин с точностью, превышающей 1—3?ö (Di), 0,1 мсек (/,), десятых долей градуса (углов прихода).

Ко второй группе факторов относятся пренебрежение процес­ сами соударений частиц в ионосфере и влиянием магнитного ноля Землп.

Пренебрежение процессами соударений при расчете траекто­ рий вполне допустимо, поскольку число соударений много меньше рабочих частот коротковолнового диапазона, особенно в слое F2.

Что касается вопросов учета магнитного поля при расчетах характеристик, то в настоящее время они не могут считаться пол­ ностью исследованными. Однако на основании имеющихся работ [7, 100, 101] можно сделать заключение, что эффекты магнитного поля наиболее сильно проявляются при длине радиолинии, не превышающей 1000 км. Это касается боковых отклонений (см. под­ робнее гл. IV) и другой, важной для практики радиосвязи, ха­ рактеристики распространения — МПЧ. Превышение МПЧ не­ обыкновенной волны по сравнению с МПЧ обыкновенной — наи­ большее для малых расстояний (~ 500 км), когда при небольших абсолютных значениях МПЧ разность их равна /„/2. С увеличе­ нием расстояния разность МПЧ* — МГ1Ч0 уменьшается и даже

122

наибольшее значение (Д МПЧ = 0,8ч-0,4 Мгц) не превышает, как правило, 5% от МПЧ линий связи. Поэтому при исследова­ нии траектории радиоволн, перекрывающих одним скачком рас­ стояние более 1000 км, эффектом магнитного поля обычно пре­ небрегают.

Третья группа факторов, определяющих точность расчетов,— это недостаток сведений о N (^-распределении в ионосфере и его вариациях и соответственно связанных с этим градиентах элек­ тронной концентрации. Это весьма существенный источник оши­ бок. Количественные оценки их приведены в § 2 данной главы.

Обращение к некоторым искусственным моделям ионосферы (квазипараболический, квазилинейный слой) является методи­ ческим приближением. Как было показано в гл. Ill, оно суще­ ственных ошибок не вносит.

К четвертой группе факторов, влияющих на точность расчетов характеристик распространения радиоволн, можно отнести не­ стабильность характеристик самой ионосферы. Статистические параметры изменчивости ионосферы активно изучаются в послед­ нее время [119, 1201, и имеются некоторые материалы, позволяю­ щие оценить влияние изменчивости ионосферы на траекторию радиоволн и другие характеристики. Результаты этой оценки при­ ведены в § 3 настоящей главы.

§ 2. Ошибки в определении отдельных параметров -распределения и их влияние

на точность расчета траекторий

При распространении радиоволн мейсду двумя наземными пунк­ тами или в тех случаях, когда передатчик и приемник находятся ниже главного максимума ионосферы, траектории волн и другие характеристики распространения определяются распределением электронной концентрации с высотой в нижней части ионосферы (от начала слоя Е до главного максимума ионизации в области^).

Величина N m определяется многими способами и может быть получена с достаточной для расчетов точностью. Наибольшую информацию о N m (или критической частоте) области F дают ми­ ровая сеть ионосферных станций и зондирование ионосферы с ИСЗ. Причем значения критической частоты получаются непо­ средственно из измерений, отсутствуют какие-либо пересчеты, включающие различные допущения.

В настоящее время имеются методики прогнозирования ве­ личин f 0F2 и N mF2 [3], позволяющие при прогнозе солнечной активности с точностью +10 W в областях, удовлетворительно осве­ щенных данными ионосферных станций, прогнозировать меди­ анные за месяц значения f 0F2 с точностью +10% . Долгосрочные прогнозы f 0F2 (а также критических частот других регулярных слоев ионосферы) могут быть использованы для расчета средних характеристик распространения радиоволн. При этом следует иметь в виду, что максимальная электронная концентрация слоев

123

ионосферы претерпевает, кроме регулярных, суточных, Сезонных и других вариаций, учитываемых долгосрочным прогнозом, еще нерегулярные флуктуации вокруг медианных значений (см. под­ робнее следующий параграф).

Сложнее обстоит дело с точностью N (^-распределения, ха­ рактеризующего электронную концентрацию на любом уровне ионосферы. Наиболее «прямым» методом измерения N (/^-распре­ деления во всей толще ионосферы являются измерения с помощью ракет, но и они могут содержать некоторую погрешность. Кроме того, такие измерения являются эпизодическими и ие могут дать полное представление о вариациях и глобальной картине N (h)-

121

однако эти расчеты обычно выполняются при определенных упро­ щающих предположениях (монотонность профиля, учет одной магнито-ионной составляющей и др.), влекущих за собой неточ­ ности. Как видно из примеров, приведенных в [121], иеучет до­ полнительного минимума ионизации между слоями может при­ вести к ошибке на некоторых уровнях верхнего слоя, составляю­ щей 50% от определяемого значения концентрации, или ошибке в высоте до 20—25 км. Такого же порядка неточности в отдельных случаях возникают при использовании для расчетов только одной компоненты (обыкновенной) на ионограммах.

Следует заметить, что при расчете траекторий некоторые ошиб­ ки в определении электронной концентрации, характерные для небольшого интервала высот, могут сглаживаться, поскольку траектория определяется путем интегрирования по всей глубине ионосферы до области отражения.

Оценить количественные расхождения характеристик траек­ торий при изменении параметров и формы N (/і)-профиля можно по материалам, приведенным в гл. III.

Неточность в знании высот, на которых располагается слой

стик, связанных только с траекторией в самом ионизированном

(до 100 км), практически не вносит ошибок в расчет характери­ слое,

таких, как і/отр и D t, при условии, что толщина слоя изве­

стна достаточно точно и уотѵ и D, определяются заданным значе­ нием ф0. Однако полное расстояние D и углы выхода (прихода) излучения А, зависящие в сильной степени от высоты нижней границы слоя, существенно изменяются даже при ошибке в h0 на 25—50 км. Так, например, если при hQ— 200 км, ут = 80 км,

следующие изменения в общей траектории радиоволн с заданной

0

временно возрастает глубина проникновения в слой. Еще больше изменения DQ— с 2070 до 2250 км. Следовательно, общее увели-

124

чеппе D при подъеме слоя па 25 км будет 220 км. При этом сле­ дует заметить, что с увеличением h0растет как D0, так н (вслед­ ствие уменьшения ср0 и приближения его значения к критическому для данной рабочей частоты). Причем рост D 0 с увеличением h0 наибольший при углах нзлучеппя, близких к касательным, и мо­ жет достигать ~ 200 км при Ah = 25 км.

Рост Di незначителен при ср0, далеких от критического, и воз­ растает с приближением к ср0Іір до 200—300 км.

Ошибки в полутолщипе слоя до 20—30 км при достаточной точ­ ности определения h0 дают несколько меньшие по абсолютной ве­ личине расхождения. Так, из рис. 30 видно, что при очень боль­ шом различии полутолщин в 60 км расхождения в Di для одного и того же ср0 в большинстве случаев не превышают 300—400 км, доходя до величин ~ 600 км только в редких случаях (при 2,8 и бо­ лее). Следовательно, при ошибке в ут ~ 20 км можно ожидать ошибку в D і ■—■100-^-150 км, если при этом h0 не имеет ошибки, то ошибка в полном расстоянии D будет определяться только ошиб­ кой в Di. Общее расстояние D, перекрываемое при данном угле излучения Д, уменьшается при уменьшении ут и увеличивается

сего ростом. Что касается изменения углов прихода для фикси­ рованного расстояния, то они уменьшаются (для нижнего луча)

суменьшением ут. Причем наибольшие расхождения в Д имеются тогда, когда рабочая частота близка МПЧ, но в большинстве слу­ чаем не превышают 2°, а в основной массе меньше 1°. Все количе­ ственные оценки, приведенные выше, произведены в предположе­ нии, что N (/^-распределение в отражающем слое может быть ап­ проксимировано параболой. Такие же оценки могут быть выпол­ нены и для линейного слоя. Характер изменений для линейного и параболического слоев подобен, наблюдаются только некоторые количественные различия.

Втабл. 14 в качестве примера приведены изменения, которые

претерпевают углы 6Д и расстояния бD, соответствующие МПЧ,

Т а б л и ц а 14

125

при пзмепении / 0 на 7—10%, ут — иа 20% и h0 — на 25%. Из таблицы видно, что ошибки h0, ут вызывают ошибки D того же знака и ошибки А обратного знака, ошибки /0 приводят к ошиб­ кам D того же знака и ошибкам А обратного знака. При одина­ ковом относительном изменении наибольший эффект вызывается изменением критической частоты, наименьший — изменением полутолщішы. Кроме того, 6Д и бD зависят от отношения рабочей частоты к критической частоте слоя, наибольшие их величины на­ блюдаются при высоких ///с. В частности, особенно большие зна­ чения 8D появляются при ///с, близких к предельным.

В табл. 14 приведены величины изменения D и А, вычисленные для сферического слоя. В горизонтально-неоднородном слое ха­ рактер изменения D и А при изменениях /с и геометрических па­ раметров слоя подобен.

Далее следует остановиться на точности определения градиен­ тов параметров слоя. Если через б/с обозначить ошибку в опреде­ лении /0, то

где первый член соответствует истинной величине градиента, вто­

Если основной причиной ошибки б/с является, например, ошибка прогноза солнечной активности, то б/С1 и б/С2 будут иметь одинако­ вые знаки и примерно равны по величине. В этом случае даже при большой абсолютной величине б/С1 и б/С2 суммарная ошибка гра­ диента будет мала. Если же б/С1 и 6/С2 определяются локальными ошибками в двух пунктах, то знак их может быть произвольным и суммарная ошибка значительна.

Как видно из выражения (7.1), точность определения гради­ ента зависит также и от масштаба А0. Если градиент определяется на малых расстояниях, то второй член в выражении (7.1) может быть сравним с первым членом или даже больше его.

При расчете параметров траектории в неоднородной ионосфере

126

Ошибки градиентов параметров hm и ут определяются анало­ гично (7.1). Они несколько больше AöfJAD, так как точность их определения меньше точпости /с. При этом следует заметить, что точность определения по имеющимся ионосферным данным регу­ лярных градиентов всех параметров не должна вносить больших ошибок в расчеты траекторий. Во многих случаях при абсолютных ошибках и определении /с или других параметров, например при иеточпом прогнозе, тенденция их изменения в восходные (заходные) часы, в широтном ходе, сохраняется, и это дает верные зна­ чения градиентов. Абсолютные значения ошибок D, А, а, вноси­ мых неточной оценкой градиентов AfJAD и Д/с/Д%, могут быть оп­ ределены по графикам D (А), а также по материалам гл. IV.

В табл. 15 в качестве примера приведены значения углов Д, соответствующие наименьшему расстоянию скачка D для неко­ торых отношений ///с при разных значениях dfJdD. Из таблицы видно, что наибольшие ошибки в А и D из-за ошибки в градиенте будут возникать при больших отношениях ///с, малых углах и больших расстояниях.

§ 3. Зависимость характеристик распространения радиоволн от формы Аг( h ^-распределения

деления известен достаточно точно. В реальной иопосфере форма

точно проста и удовлетворительно соответствует N (/^-рас­ пределению в основных частях регулярных слоев. Отклонения от параболического закона, характерные для уровней, близких к началу слоя, не вносят значительных искажений в траекторию

127

волны, область отражения которой лежит в средней ласти слоя.

Как следует из гл. I, в ряде случаев N (^-распределение лучше аппроксимируется линейным законом. Количественные расхождения при переходе от параболической формы N (h)~ распределения к линейной можно оценить по материалам, приве­ денным в гл.III.

На рис. 28 и 32 сопоставляются высоты отражения и расстоя­ ния в ионосфере для радиоволн одинаковой частоты при рас­ пространении в параболическом и линейном слоях. Из рисунков видно, что наименьшие расхождения в траектории радиоволн, отражающихся от слоев разной формы, имеют место при зна­

роль по сравнению с изменением формы слоя.

Можно считать, что величины расхождений в характеристи­ ках траектории, возникающие при переходе от параболического слоя к линейному, являются максимальными. При изменении формы слоя от параболы к бипараболе, косинусоиде и другим возникают меньшие расхождения в характеристиках траектории.

128