ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2Gl3, том 452, № 5, с. 5l0-5l3
= ФИЗИКА
УДК 535-14:535-15
СВЕРХФОНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ D-СЛОЯ АТМОСФЕРЫ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 0.8-6.0 ГГЦ
© 2013 г. Г. В. Голубков, М. Г. Голубков, М. И. Манжелий
Представлено академиком А.А. Берлиным 01.04.2013 г. Поступило 01.04.2013 г.
DOI: 10.7868/S0869565213300105
В периоды повышения солнечной активности в ионосфере Земли происходят неконтролируемые спорадические нарушения спутниковых сигналов глобальной системы позиционирования (GPS), что обусловлено фазовой и групповой задержками при распространении электромагнитного излучения. Поиск путей, обеспечивающих устойчивость работы системы GPS, является фундаментальной научно-технической проблемой. В настоящей работе предлагается один из возможных вариантов ее решения за счет выбора другого диапазона частот.
Традиционные модели ионосферных процессов, опирающиеся на полное содержание электронов и волновую оптику, при сильных геомагнитных возмущениях ионосферы оказываются неэффективными [1]. В последнее время начали исследовать оптические квантовые свойства нейтральной среды нижней ионосферы, которая наиболее активно воздействует на распространение спутниковых сигналов [2, 3]. Воздействие сводится к искажению сигнала за счет каскада резонансного перерассеяния при его прохождении и возникновению дополнительного высокочастотного (UHF) излучения самой среды в дециметровом диапозоне. Перспективным подходом к исследованию таких резонансных свойств может служить одновременный анализ образующегося сверхфонового шума и времени задержки распространения сигнала, определяющего ошибку позиционирования . Использование стандартных методов измерения шума не позволяет выявить ряд физико-химических реакций в нижней ионосфере, которые ответственны за его формирование и влияют на ошибки позиционирования [1, 2]. Для решения этой задачи уровень сверхфонового шума удобно привязать к измеряемому сигналу GPS, задержки распространения которого связаны с проявлением важнейшего атмосферно-
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской Академии наук, Москва
го процесса: /-перемешивания высоковозбужденных состояний [3, 4]. С этой целью целесообразно перейти к параметру сигнал/шум (С/N), где под сигналом следует понимать уровень выделенного приемником сигнала GPS, а под уровнем шума — величину его флуктуации.
Результаты прямого эксперимента [5], выполненного с использованием баллистической ракеты (с максимумом высоты полета 700 км), показывают, что основные ошибки позиционирования возникают вследствие изменений характеристик сигналов при прохождении через D-слой ионосферы. Это убедительно продемонстрировано на рис. 1, где приведена усредненная зависимость отношения {C/N) от времени полета. Она соответствует результатам, полученным со спутника, который на протяжении полета находился в вертикальном положении. За первые 100 с полета, когда ракета достигла высоты 120 км, величина C/N увеличилась от 2 до 6 децибел. Величина (C/N) (около 5.5 децибел) сохраняется вплоть до стадии падения на такой же высоте, что соответствует 730-й секунде полета. Так как вблизи поверхности Земли величина C/N во время полета не изменялась, то влиянием плотных слоев атмосферы, располо-
(C/N)
8 I-
_1_1_1_1_1_1_1_1_1_
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
с
Рис. 1. Зависимость отношения сигнал/шум от времени полета ракеты с момента старта. Контролируемая часть полета относится к интервалу времени 0—850 с, который заканчивается на высоте 50 км.
СВЕРХФОНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ D-СЛОЯ АТМОСФЕРЫ 511
Частота излучения, ГГЦ
Рис. 2. Зависимость плотности потока Ж от частоты излучения, концентрации пе и температуры Те электронов;
а: пе = 103 см-3, Те = 1000 К (ночное время, спокойные условия); б: пе = 5 • 103 см-3, Те = 1000 К и Те = 1500 К (утреннее время, спокойные условия); в: пе = 104 см-3, Те = 1500 К и Те = 2000 К (дневное время, спокойные условия).
женных ниже 50 км, на распространение спутникового сигнала можно пренебречь.
Спектр сверхфонового микроволнового (UHF) излучения, как указано в [6], обусловлен радиационными переходами между ридберговскими состояниями атомов и молекул, которые возбуждаются потоками выбрасываемых из ионосферы электронов. Ридберговские состояния расположены вблизи границы ионизации и обладают одним слабосвязанным электроном, размеры орбиты которого на порядки превышают характерные размеры ионного остова. Поэтому их излучатель-ные способности зависят от плотности окружающей среды [3, 4].
Теоретические исследования сверхфонового UHF-излучения в диапазоне частот 0.8—1.8 ГГц при сильных геомагнитных возмущениях были
проведены в работах [2, 3]. Показано, что это излучение образуется в результате формирования неравновесной двухтемпературной плазмы за счет переходов между орбитально вырожденными ридберговскими состояниями квазимолекул А**^ и А**02 [7]. Их заселенности определяются концентрацией ра и температурой Та среды, температурой Те, концентрацией пе и потоком свободных электронов.
Определение плотности потока ИНБ-излуче-ния ^) потребовало учета зависимости пе от ра в интервале высот 60-110 км, что согласно данным измерений [8], имеет вид
ne (Pa ) = ne (Pa)
Pa Pa.
0.89
512
ГОЛУБКОВ и др.
Таблица 1. Зависимость п от концентрации пе и температур верхних Т< и нижних Т> кривых плотности по-
(2)
тока UHF-излучения на частоте raf
ne, 103 см-3 T<-T>, K n
5 1000-1500 1.09
10 1500-2000 1.18
20 2000-2500 1.03
50 2500-3000 2.0
где ю- частота излучения, пе(ра) и ра - концентрации электронов и среды на высоте 110 км. На рис. 2 представлены зависимости плотности потока некогерентного сверхфонового ИНБ-излу-чения атмосферного слоя 50-110 км от параметров плазмы, где в соответствии с [2] диапазон частот расширен от 0.8 до 6.0 ГГц. Расчеты выполнены с использованием программы "Рид-берг", созданной на основе теории [2] с учетом пе(ра) и вклада радиационного тушения ридбер-говских состояний. Включение ударного ушире-ния излучения при прохождении через атмосферу было проведено аналогично [9]. Установлено, что основной вклад в плотность потока сверхфонового ИНБ-излучения, приходящего на поверхность Земли, вносит слой ионосферы от 80 до 110 км.
На рис. 2а показан профиль Ж(ю f) для концентрации пе = 103 см-3 и температуры Те = 1000 К, воспроизводящий на частотах 0.8-1.8 ГГц результат, полученный ранее в [3]. Отметим, что зависимость сечения процесса /-перемешивания рид-берговских состояний молекул от главного квантового числа п и углового момента / обладает ярко выраженной осциллирующей структурой, которая обусловлена сильной неадиабатической связью электронного и ядерного движений [7]. Поэтому наряду с минимумами потока интенсивно-стей фонового излучения, образующихся в результате интерференции амплитуд радиационных переходов между орбитально вырожденными состояниями [2], в спектре дополнительно возникают столкновительные минимумы. Например,
локальный минимум на частоте ю® = 1.57 ГГц точно соответствует провалу сечения /-перемешивания вследствие неадиабатической связи с вращением в ридберговской молекуле азота. При повышении концентрации пе происходит сбой фаз амплитуд переходов между ридберговскими и орбитально вырожденными состояниями за счет вращательного возбуждения молекул электронами. В результате провал сечения сглаживается, а минимум интенсивности Ж(ю f) смещается влево к частоте 1.4 ГГц [2]. Именно этим объясняется последо-
вательность уменьшения C/N на несущих частотах L и L2 системы GPS при солнечных вспышках различной мощности [3].
Следующий минимум потока интенсивности, как показано на рисунках 2б, в, расположен вблизи частоты 5 ГГц. В отличие от первого минимума он обусловлен радиационными переходами и является более устойчивым при изменении параметров плазмы. С ростом температуры Te характер кривой W(® f) меняется на противоположный и переходит в пологую зависимость от частоты. В радиофизике это называется "бутылочным горлышком" (bottle neck). Такая картина зависимости плотности потока излучения от Te обеспечивает малое изменение задержки сигнала GPS на заданной частоте, которое не превышает 10% на температурном интервале разности между нижней и верхней кривой ATe = T^ - T< = 500 К в предположении, что задержка сигнала пропорциональна интенсивности фонового излучения. Сказанное наглядно иллюстрируют данные табл. 1, где приведены отношения потоков излучения п =
W(T<) „ rr
= —для различных значений ne и le на часто-
W Ю
те ю® = 5 ГГц. Значение п = 2 для ne = 5 • 104 см-3 является границей перехода к сильному увеличению задержки.
Отношение потоков интенсивностей на первой частоте ю® = 1.57 ГГц для концентрации ne = 104 см-3 и интервала Te от 2000 до 3000 К достигает величины п = 2. В этих условиях точка ю® расположена на крутом наклоне кривой зависимости W(®f) [3]. На второй частоте ю® « 5 ГГц, соответствующей минимуму верхней кривой W(® f ,T<) и пологому поведению нижней W(®f ,Te>), для
концентрации ne = 2 • 104 см-3 и указанного интервала температур Te отношение интенсивно-стей составляет 1.08.
Так как для устойчивости спутникового сигнала имеет значение только модуль разности
A W (ю f) = |W(®f ,Te<) - W(fflf ,Te\,
(2)
то вторая частота юf имеет преимущество по отношению к первой для использования в системе GPS. Не менее важным обстоятельством является то, что ширина второго минимума значительно превышает ширину первого и поэтому должна быть более информативной. В условиях сильного
геомагнитного возмущения (при ne > 105 см-3) плотность потока фонового UHF-излучения на
(2)
частоте ю f сильно возрастает и переходит на на-
СВЕРХФОНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ D-СЛОЯ АТМОСФЕРЫ
513
клонный участок кривой, что приводит к невозможности обнаружения сигнала.
Анализ полученных данных указывает на то, что величина задержки радиосигнала на частоте 5 ГГц может быть восстановлена по мощности спектра ИК-излучения, которая должна измеряться спектрометром, установленным на спутниках GPS-группировки. В то же время для частоты 1.57 ГГц использование всех возможных способов фильтрации сигнала не может устранить ошибку позиционир
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.