Мониторинг ионосферы в интересах коротковолновой связи

4. Мониторинг ионосферы в интересах коротковолновой связи

Появление в последние годы специализированных КВ модемов, 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, минимизации участия человека в процессе радиообмена.

Однако проблема нахождения оптимальных рабочих частот для каждого конкретного сеанса остается по-прежнему актуальной. Дело в том, что системы КВ связи (диапазон частот от 1 до 30 МГц) обеспечивают передачу информации на большие расстояния, до 6-9 тыс. км, за счет отражения радиоволн от ионосферы Земли. Нижняя граница ионосферы располагается на высоте 50-60 км, верхняя на уровне порядка 1000-1500 км переходит в плазмосферу или другие магнитосферные плазменные образования. Высота и профиль отражающих слоев испытывают значительные сезонные и суточные изменения, которые определяются углом солнца в данной точке над линией горизонта. Кроме того, на ионосферу существенно влияет Солнце, количественное значение активности которого выражается числами Вольфа и имеет период около 11 лет. В зависимости от этих параметров меняется так называемая критическая частота (КЧ) – наибольшая из всех частот, которая еще отражается от данного слоя ионосферы при вертикальном распространении радиоволны. В зависимости от текущих параметров ионосфера в КВ диапазоне может как способствовать передаче информации на дальние расстояния, вплоть до кругосветных, так и препятствовать даже на коротких радиотрассах из-за проявления эффектов многолучевости и частотной дисперсии. Довольно часто приходится сталкиваться и с полным разрушением канала связи за счет эффектов аномального поглощения.

Сложное строение среды распространения, а также непрерывное во времени изменение параметров ионосферной плазмы оказывают влияние на распространение радиоволн. Поэтому задачи исследования процессов в ионосфере связаны как с практическими задачами обеспечения устойчивой работы систем радиосвязи, так и с не менее важными научно-исследовательскими задачами мониторинга околоземного пространства. Экспериментальное и теоретическое изучение связи между изменением параметров распространяющихся в ионосфере радиоволн и процессами, происходящими в термосфере Земли, являются актуальными, а внимание к ним не ослабевает и в последние годы.

Отражение радиоволн от области атмосферы, расположенной примерно на высоте 100 км над земной поверхностью было обнаружено еще в 1925 году. Было доказано, что ионосфера состоит из смеси газа нейтральных атомов и квазинейтральной плазмы, в которой существует достаточное количество ионизированных частиц, способных влиять на распространение радиоволн. Вскоре был проведен ряд экспериментов, обнаруживший сложную слоистую структуру ионосферы. Принято считать, что ионосфера подразделяется на области называемые D, E, и F, внутри которых могут существовать слои электронов D, E1, E2, Es, F1, F2 соответственно.

Образование ионизированной части атмосферы связано с целым комплексом разнообразного типа явлений: процессы, протекающие на Солнце, вариации магнитного поля Земли, движения в верхней атмосфере, изменения плотности и состава атмосферного газа на различных высотах и географических широтах и тому подобные явления.

Главной характеристикой ионосферного слоя является критическая частота. Критической частотой fC, или частотой проникновения, называется самая высокая частота волны отраженной от ионосферного слоя, или самая низкая частота волны, которая проникает сквозь слой. Она является непосредственной мерой максимальной электронной концентрации NMAX слоя.

В эпоху азбуки Морзе и первых телеграфных аппаратов критическую частоту определяли на основании чисел Вольфа и специальных графиков-прогнозов. В зависимости от выбранного направления и дальности трассы, зная координаты точки отражения волны, можно было определить МПЧ – максимально применимую частоту данной радиолинии. Затем расчетные значения МПЧ корректировались по данным ионосферного зондирования.

Для получения информации о структуре ионосферных слоев и динамике ионосферной плазмы Земли используются различные варианты радиозондирования (вертикальное (ВЗ), наклонное (НЗ), возвратно-наклонное (ВНЗ), трансионосферное и различные виды сигналов (узкополосные (УПС), широкополосные (ШПС), сигналы с различными видами модуляции). Едва ли можно выделить какой-либо метод зондирования ионосферы, обладающий однозначным превосходством над остальными по всем параметрам и обеспечивающий всех заинтересованных потребителей во всех областях исследований. Различные методы исследования существуют совместно и успешно дополняют друг друга.

Наибольшую точность в определении МПЧ имеет метод трассового (наклонного) зондирования. Передатчик и приемник импульсов разнесены на расстояние одного или нескольких скачков. В заранее установленное время или с каким-то периодом передатчик посылает в эфир сигнал последовательно на нескольких частотах. На приемном конце оценивается слышимость и качество сигналов и делается вывод о подходящих частотах для данного времени суток и года. Накопленная статистика затем используется в процессе организации связи. В данном случае точность определения МПЧ будет определяться шагом перестройки частоты передатчика.

Еще одним способом практического определения КЧ и МПЧ являются методы вертикального и возвратно-наклонного зондирования. В обоих случаях прием осуществляется в точке передачи.

В ходе вертикального зондирования (ВЗ) радиоволны передатчика, находящегося в месте исследований, излучаются вверх и затем отражаются от ионосферы. Зная скорость их распространения, равную скорости света, и время от момента передачи до момента приема, можно определить высоту отражающего слоя. Разрешающая способность по задержке при импульсном зондировании определяется длительностью диагностирующего импульса и составляет, как правило, 2.5 - 5 км. По максимальному значению частоты приема определяется КЧ. Вертикальные ионозонды определяют состояние ионосферы непосредственно над пунктом расположения. Позволяя получать зависимость распределения электронной концентрации от высоты, они не очень хорошо подходят для исследований динамических процессов в ионосфере, а их применение является достаточно затратным из-за необходимости обеспечения работы радиопередающих систем.

В случае возвратно-наклонного зондирования (ВНЗ) используется эффект, впервые полученный русским ученым Николаем Ивановичем Кабановым. В 1948 году ему впервые в мире удалось зафиксировать отражение радиоволны от Земли в обратном направлении, так называемое "эхо". Это открытие получило название "эффект Кабанова" и в 1957 году было внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 1. По существу, ионосфера при ВНЗ выполняет функции огромного пассивного ретранслятора. Прогноз максимально применимых частот возможен на основе данных о высотном распределении профиля электронной концентрации и, прежде всего, данных о критической частоте и высоте слоя F2 ионосферы. Приняв обратную волну, которая образуется при отражении от земли на другом конце радиотрассы, по времени ее распространения и высоте отражающего слоя математическим способом определяется МПЧ конкретной трассы. С помощью ВНЗ можно обнаружить, например, появление в ионосфере спорадических слоев, метеорной ионизации, нерегулярных образований электронной плотности волнового и изолированного типов и другие явления. ВНЗ позволяет экcпepимeнтaльнo подбирать наилучшую частоту для радиосвязи на данной трассе в данное время.

На практике зачастую перед сеансом нет возможности проводить процедуру зондирования по соображениям дефицита времени или иным причинам. Кроме того, для проведения вертикального и возвратно-наклонного зондирования помимо наличия передатчика и приемной антенны с заданной диаграммой направленности требуются высокая точность определения времени между моментами передачи и приема радиоимпульсов, а также синхронизация работы передающих и приемных комплексов. Указанные причины привели к выделению частотно-диспетчерской службы КВ радиоцентров в отдельное структурное подразделение и появлению специальных станций зондирования.

В последние годы большую часть данных о волновых процессах в ионосфере удается получать с использованием глобальной сети GPS. Учитывая большое количество спутников данной системы, большое число двухчастотных наземных приемников (более 1000), а также доступность данных, можно сказать, что метод обеспечивает наилучшее пространственно-временное разрешение и наилучшую возможность получения статистически значимых наборов данных. Возможности применения метода GPS широко используются и хорошо освещены в публикациях доктора физико-математических наук Афраймовича Э. Л.

Мониторинг ионосферы с использованием навигационных спутников систем GPS и ГЛОНАСС обеспечивает возможность определения в реальном масштабе времени пространственного распределения параметров ионосферы и, тем самым, возможность оперативного прогнозирования МПЧ с целью эффективного планирования и проведения сеансов коротковолновой связи.

По результатам спутникового мониторинга, осуществляемого из одного наземного пункта, возможно с дискретностью не более 1 минуты в пределах пространственной области с радиусом примерно 1000 км оценивать необходимые для расчета МПЧ параметры ионосферы, а также определять высотные профили распределения электронной концентрации ионосферы в диапазоне высот 80…1000 км (с дискретностью 22 км) и ее полное электронное содержание.

Полученные результаты спутникового мониторинга ионосферы подтверждают адекватность предлагаемого подхода.