ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2013, том 53, № 2, с. 233-238
УДК 550.388.2/621.371
ВАРИАНТ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ КОРОТКОВОЛНОВОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ © 2013 г. В. Ф. Иванов, Т. О. Мысливцев, Б. В. Троицкий
Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского, г. Санкт-Петербург e-mail: vf_ivanov@list.ru, tim33@list.ru, borya.troitsky@yandex.ru Поступила в редакцию 28.03.2011 г. После доработки 20.09.2011 г.
В работе обсуждаются возможности метода траекторных расчетов при решении задачи местоопре-деления источников КВ радиоизлучения. Зависимость электронной концентрации от координат задается моделью SPIM, корректируемой ионосферным индексом солнечной активности, который задается по картам полного электронного содержания. Предложен вариант построения региональной карты полного электронного содержания по данным измерений сигналов навигационных систем ГЛОНАСС/GPS. Показано, что метод траекторных расчетов в совокупности с корректируемой моделью ионосферы повышает точность местоопределения источников КВ радиоизлучения.
DOI: 10.7868/S0016794013020065
1. ВВЕДЕНИЕ
Задача определения координат источников радиоизлучения (далее источников) имеет большую историю, а публикации — большую библиографию. Так или иначе эта задача решалась, но растущие требования по точности, особенно на дальностях в несколько тысяч километров, по-прежнему возвращают к ней внимание.
Условно эту задачу можно разделить на три части:
1-я часть техническая, связанная с обнаружением, идентификацией сигнала, а также с измерением его частоты и амплитудно-фазовых характеристик;
2-я часть — обработка измерений с целью определения углов прихода, поляризации и до-плеровского сдвига частоты;
3-я часть — методическая, включающая алгоритм расчета координат источников по измеренным углам прихода.
Усовершенствование, касающееся именно этой, третьей, части задачи местоопределения источников, составляет предмет данной работы.
Многочисленные измерения углов прихода КВ сигналов от известных (реперных) источников показали, что они на фоне медленных суточных изменений ионосферы флуктуируют с временным масштабом от 5 до 10 мин, испытывая иногда значительные вариации в единицы градусов по азимуту и десятки — по углу места в зависимости от протяженности трассы. Естественно, что флуктуации углов прихода связывались с эффектом рассеяния радиоволн на неоднородно-стях ионосферы, что, вообще говоря, справедли-
во при одномодовом распространении. Однако в большинстве ситуаций работы радиосистем КВ диапазона наблюдается многомодовое распространение (в лучевой трактовке — это волны, пришедшие по разным траекториям) и, следовательно, флуктуации могут быть результатом интерференции нескольких мод, что было подтверждено применением управляемых узконаправленных приемных антенн. На протяженных радиолиниях (D > 1000—1500 км) многолучевость является в основном результатом прихода волн, отразившихся от различных уровней ионосферы (моды E и F) и пришедших разным количеством скачков. На малых дальностях интерферируют магнитоионные компоненты и волны, отраженные зеркально, но имеющие при одном скачке разные углы места из-за присутствия в ионосфере средне- и крупномасштабных неоднородностей электронной плотности.
Если сигнал принят и углы прихода измерены, то дальше работает методика определения координат источника, которая по возможности должна учитывать состояние ионосферы — первопричины всех вариаций характеристик распространяющихся радиоволн. В случае так называемого одноточечного (однопозиционного) местоопределения известны частота f), азимут (а) и зенитный угол (ф) принятой волны, т.е. необходимо по заданным f и ф определить дальность скачка (D). Если имеется ионозонд в месте приема, то в предположении отсутствия в ионосфере горизонтальных градиентов электронной концентрации можно воспользоваться соотношением Брайта—Тьюва, из которого следует D = 2гдверт(/ cos 9)tg9. Значе-
а
20° W 0° 20° E 40° E 60° E 80° E
75° N / 2001/3/19 75 iN/ 05:30
SSN = 106 f = 9.3 МГц И1
60° N
60 NfAz = 270°
45° N
30° N 15° N
/ *
_X irr № ^ 1
П
Az = 225° Az = 180°
20° W 0° 20° E 40° E 60° E 80° E
75° N / 2001/3/19 21:00
60° N
SSN = 106
f = 9.3 МГц И1
Az = 270°
'7 : \
Az = 90
45° N
30° N 15° N
S / г \ \ V
Az = 225°
. :. Щ
-
П
Az = 180°
Az = 135
Рис. 1. Точки прихода на Землю траекторий, рассчитанных из пункта И1. а — LT = 5:30; б — LT = 21:00.
ние £д
снимается с ионограммы на частоте
Лерт = fcOS9.
Далее, рассчитывая дугу большого круга в направлении а длиной D, определяют координаты источника. Однако, эта простая процедура допускает слишком много возможностей для погрешностей. Кроме неточности определения углов прихода (особенно в плоскости падения) влияют наличие горизонтальной неоднородности ионосферы, которая отклоняет радиоволны, неопределенность по количеству скачков и многолуче-вость.
Неопределенность по скачкам снимается при измерении а и ф в двух или более наземных пунктах. В этом случае координаты точки пересечения дуг большого круга отождествляются с координатами источника. Методика хорошо работает при отсутствии или малости горизонтальных градиентов электронной концентрации ионосферы, когда величина ошибки местоопределения удовлетворяет пользователя. В противном случае нужна методика, учитывающая состояние ионосферы, которая всегда неоднородна и нестационарна, в особенности при высокой солнечной активности. Для решения этой задачи широкое применение нашел метод траекторных расчетов, который, однако, требует ионосферного обеспечения в виде модели, которая должна адекватно отражать текущее состояние ионосферы вдоль трассы распространения.
2. ТРАЕКТОРНЫЕ РАСЧЕТЫ
Выбрав в качестве ионосферного обеспечения модель SPIM (Standard Plasmasphere —Ionosphere Model) [Gulyaeva et al., 2002], нижняя часть которой представляет собой Международную справочную модель IRI, оценим роль горизонтальных градиентов ионосферы в задаче местоопределе-
ния при многолучевом распространении КВ сигнала. Для простоты траектории радиоволн рассчитывались без учета поглощения и магнитного поля Земли [Троицкий, 1983]. Следует отметить, что разнообразие возможных вариантов для расчетов чрезвычайно велико, поскольку ситуация зависит от модели ионосферы, т.е. от времени суток, сезона и уровня солнечной активности, а также от координат наземных пунктов, направлений распространения и рабочей частоты.
Зададим следующие начальные условия: рабочая частота f = 9.3 МГц, координаты выхода лучей (60° N, 30° E), азимут от 90 до 270° с шагом 45°, а угол места изменяется от 5 до 70° с шагом 0.2°. На рисунке 1а показаны точки прихода на Землю траекторий радиоволн, распространяющихся через ионосферу, описываемую моделью SPIM, для LT = 05:30, 19 марта 2001 г. и с индексом солнечной активности Sunspot Number (далее по тексту SSN) равным 106, а на рис. 1б — то же самое, но для LT = 21:00. Используемые в тексте статьи значения индекса солнечной активности доступны в сети Интернет, например, по ссылке http://www.swpc.noaa.gov/ftpdir/indices.
Из приведенных рисунков видно, что на дальность ~4 тыс. км приходят лучи за 2—5 скачков (моды 2F—5F). Отметим, что в эксперименте [Бочаров и др., 1992] на трассе Иркутск—Николаев уверенно разделялись по углу падения моды от 2F до 6F.
Как следует из рисунков, в восточном и западном направлениях боковые отклонения малы, но дальность скачков больше при распространении в неосвещенную область ионосферы. В южном секторе направлений заметны боковые отклонения, обусловленные действием восходно-заход-ных градиентов электронной плотности, а величина отклонений зависит не только от состояния ионосферы (время суток, сезон, солнечная актив-
ВАРИАНТ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ
235
60
В
п
^ 50 н
о &
|40
св
« 30
о
к
Ф20
Л &
И1
22 24 26 28 30 32 34 36 Географическая долгота, град
38
Рис. 2. Проекции траекторий радиоволн на поверхность Земли при многомодовом распространении.
ность), но и от рабочей частоты, ориентации трассы и количества скачков на ее длине.
Если выбрать координаты пункта, например, 15° N 30° Е (точка П на рис. 1а), а затем рассчитывать положения точек прихода, уменьшая азимут от 180°, то через эти координаты последовательно пройдут "треки" мод 2Д и 4Е. Таким образом, определятся три пары углов а и ф в пункте И1 (для данного варианта начальных условий это: а2Р = = 178.8°; ф2^= 5.3°; а3Р= 177.7°; ф3^= 14.8°; а^= = 175.7°; ф4^ = 23.2°). Вышедшие под этими углами траектории соберутся в точке П (см. рис. 2). Это означает, что разделение мод в условиях мно-
голучевости (определение а и ф каждой моды) и расчет траекторий волн, распространяющихся через ионосферу, позволяет найти координаты источника, принимая сигнал в одном пункте. При этом снимается неоднозначность однопози-ционного местоопределения из-за неизвестного количества скачков. Если судить по густоте точек прихода, то на трассе И1-П преобладающей по амплитуде будет мода 4Е, если, правда, не учитывать поглощение.
Расчет треков из двух пунктов (СПб и Москва) с "мгновенными" значениями азимутов приводит к сложной картине пересечения мод, которая демонстрируется на рис. 3. Выбранные значения параметров составляли: дата 19.03.2001 г., ЕГ = = 05:30, SSN = 100 (рис. 3а) и SSN = 50 (рис. 36), / = 9.3 МГц, аСПб = 216.098°, аМ = 229.11°. Из рисунка 3а видно, что "треки" пересекаются в пяти точках (А, В, С, Б и Е). Изображенная на рис. 3а точка О получена в результате расчетов координат источника по формулам сферической тригонометрии с теми же значениями азимутов. Точка А (пересечение треков нижних лучей) ближе других расположена к точке О, но "передатчик" может находиться и в других точках, поскольку за счет фокусировки вблизи "мертвой зоны" амплитуда поля может быть больше, например, в точке В, чем в А. Таким образом, сигнал может быть многолучевым, и необходимо разделение мод по азимуту и оценка амплитуды каждой моды. При изменении параметров модели ионосферы координаты точек пересечения тоже будут меняться.
Так, уменьшение SSN вдвое (рис. 36) дает случай одномодо
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.