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

Рис. 55. Зависимость угла а от расстояния D при горизонтальной неоднород­ ности ионосферы в поперечной плоскости

Рис. 56. Зависимость угла а от расстояния D при произвольном направлении градиента

Для иллюстрации иа рис. 55 и 56 приведены графики зависи­ мости углов а от полного расстояния скачка D . Рис. 55 соответст­ вует случаю dN/dQ — 0, dN/d% =f=0, рис. 56 — случаю dNIdQ =f=О, dNIdx ф 0. Параметры ионосферы в обоих случаях следующие:

в спокойной ионосфере, невелики. Максимальные изменения для частот, не превышающих МПЧ и распространяющихся нижним лучом на расстоянии более 1000 км, составляют 3—5°. Этот вывод находится в согласии с данными экспериментов [99]. На рис. 57 из работы [99] изображены гистограммы вариаций азимута, по­ лученные усреднением суточной вариации за месяц. Гистограм­ мы приведены для ряда радиолиний.

По-видимому, отклонения порядка 20° и более, встречающиеся в практике радиосвязи, за редким исключением, не могут быть объяснены наличием регулярных горизонтальных градиентов электронной плотности. Как правило, в этих случаях связь осу­ ществляется на частотах выше МПЧ и, возможно, является ре­ зультатом рассеяния на неоднородностях электронной плотно­ сти, или земной поверхностью.

89

На рис. 58 приведен пример записи азимута сигнала (15 Мгц), посылаемого с Гавайских островов в ноябре 1955 г. и измерен­ ного в обсерватории Охира (Оігіга). Волна приходит с почти истинного азимута до тех пор, пока частота сигнала ниже, чем МПЧ по дуге большого круга (БК), азимут начинает отклонять­ ся, когда частота стаповптся равной указанной МПЧ, и продол-

Рис. 58. Зависимость вариаций азимута от соотношения рабочей частоты п МПЧ [99]

90

Я<аёт отклоняться до тех пор, пока частота становится равной МПЧ, рассчитанной с учетом рассеяния на земной поверхности (KP). При этом прием сигналов на частотах ниже МПЧ не сопро­ вождается падением напряженности поля [99].

Исключения могут составить те редкие случаи, когда связь осуществляется верхним лучом (лучом Педерсена). В это время отклонения, как следует из расчетов, могут составить 8—15° на линиях длиной более 1000 км и более 20° на более коротких ли­ ниях.

Рис. 59. Проекции траектории луча обыкновенной . волны на плоскость ху для различных значении угла ф0 [100]

Результаты расчетов, обсуждаемые в настоящей главе, по­ лучены без учета магнитного поля. Эффект магнитного поля по­ добен эффекту горизонтальной неоднородности ионосферы: при наличии магнитного поля траектория волны становится про­ странственной и в точке приема будет иметь место отклонение направления прихода луча от плоскости дуги большого круга. Однако, как видно из работ [100, 101], на радиолиниях длиной более 100 км эффект магнитного поля по абсолютной величине значительно меньше, чем эффект горизонтальной неоднородности ионосферы. Поэтому есть все основания считать полученные оцен­ ки справедливыми.

Ріа рис. 59 [100] представлены проекции траектории луча обык­ новенной волны на горизонтальную плотность ху для различных значений угла ср0 (ср0 — угол между направлением волнового вектора и радиусом, проведенным из центра Земли в точку паде­ ния) при Фн = 27° (Фн — угол между нормалью к волне и на­ правлением магнитного поля). Из рисунка видно, что при увели­

91

передатчиком и приемником (угол ср0.= 26° при высоте нижней границы слоя 200 км соответствует расстоянию скачка порядка 800—1000 км), отклонение луча от плоскости падения уменьша­ ется и стремится к нулю. В области малых значений ф0 относи­ тельное отклонение велико.

Относительный вклад магнитного пѳля и горизонтального градиента электронной плотности в отклонении угла прихода от азимута линии оценен в работе [101]. Для трассы протяженно­ стью 1330 км Рао (Rao) рассчитал отклонения углов прихода а для горизонтально-неоднородной ионосферы с учетом магнитного по­ ля для обыкновенного и необыкновенного лучей (о и х) и без уче­ та магнитного поля (/г). На стр. 91 из этой работы приведена табл. 7, количественно характеризующая вклад магнитного поля в вели­ чину боковых отклонений.

§ 6. Практические рекомендации по учету горизонтальной неоднородности ионосферы

Во второй главе показано, что в ионосфере регулярно сущест­ вуют периоды, когда имеет место значительный горизонтальный градиент электронной плотности. Это обстоятельство нельзя не учитывать в практике радиосвязи, поскольку, как видно из тео­ ретических и экспериментальных исследований, в это время воз­ можны существенные изменения характеристик радиосвязи. В ра­ ботах [66, 67, 88, 89, 102—104] экспериментально подтверждается влияние горизонтальной неоднородности ионосферы на некото­ рые характеристики радиосвязи.

Ріа рис. 60 приведены гистограммы отклонений эксперимен­ тально наблюденных 'МПЧ от стандартных для трассы длиной 1090 км [67]. По оси абсцисс даны отклонения в процентах, по оси ординат — вероятность появления в процентах. Из рисунка видно, что в утренние часы, когда имел место большой гради­ ент электронной плотности, гистограмма более растянута и на­ блюдаются отклонения МПЧ до 10%. Следует отметить, что связь на частотах выше МПЧ в это время не сопровождается падением напряженности поля.

На рис. 61 приведены суточные вариации направления радио­ сигналов ZOD, принимаемых в пунке Аукланд (Auckland) — Новая Зеландия (длина радиолинии 2000 км, азимут 10Е, рабо­ чая частота 9,3 Мгц) [104]. Рисунок наглядно показывает связь отклонений направления прихода волны с появлением горизон­ тального градиента: в утренние и вечерние часы отклонения мак­ симальны и имеют противоположный знак. Смена знака вызвана противоположным направлением градиента электронной плот­ ности утром и вечером. Отклонения в ночные часы, вероятно, являются эффектом рассеяния.

Как следует из гл. II, максимальные изменения в характери­ стиках радиосвязи возможны в утренние и вечерние часы мест-

92

Рис. 60. Распределение отклонений наблюденных МПЧ от стандартных [67]

кого времени. В это время на линиях широтного направления следует учитывать изменения углов прихода в вертикальной плоскости и возможность осуществления связи на частотах, превышающих «стандартные» МПЧ.

На линиях меридионального направления в утренние и вечер­ ние часы следует ожидать прием сигналов с направлений, не совпадающих с азимутом радиолинии. Отклонения азимуталь­ ных углов прихода в том случае, если связь ведется на частотах нижё МПЧ, не превысят в большинстве случаев 3—5°.

ctj град

Днем несколько меньшие изменения в углах прихода в верти­ кальной плоскости и величинах МПЧ возможны на линиях ме­ ридионального направления, а на линиях преимущественно ши­ ротного направления будут изменения азимутальных углов при­ хода.

Наиболее сильно эффект горизонтальной неоднородности в рас­ пространении радиоволн проявляется на линиях, близких по протяженности к максимальному расстоянию скачка. В некото­ рых случаях на таких линиях вместо односкачкового способа распространения радиоволн будет иметь место двухскачковый при положительном направлении градиента электронной плотно­ сти. В результате этого произойдет существенное изменение углов прихода и излучения. При отрицательном направлении градиента возможно осуществление траекторий без промежу­ точного отражения Землей. Траектории последнего вида наибо­ лее вероятны на линиях, пересекающих экватор.

В вечерние часы на этих линиях, согласно картам геометри­ ческих параметров [6], возможен градиент высоты максимума слоя F2, превышающий в 6—8 раз величину медианного гради­ ента в средних широтах. В результате этого происходит наклон поверхностей равных электронных концентраций, способствую­ щих осуществлению траекторий без промежуточных отражений от Земли и изменению углов прихода в вертикальной плоскости в ряде случаев до 10—20°.

Для оценки характеристик распространения радиоволн на ли­ ниях произвольного направления в периоды появления горизон-

94

Г лав а V

ФОКУСИРОВКА РАДИОВОЛН ИОНОСФЕРОЙ

§ 1. Понятие фокусировки, ее виды

Полное ослабление радиоволны в ионосфере складывается из пространственного ослабления за счет расширения лучевой труб­ ки, поглощения энергии в результате соударений, потерь при рассеянии, частичном отражении и т. п. В данной главе обсуждает­ ся только пространственное ослабление волны, связанное с фор­ мой траектории волны в ионосфере. Вопрос о пространственном ослаблении радиоволны может быть решен средствами геометри­ ческой оптики, за исключением частных случаев, когда имеет место пересечение лучей в лучевой трубке и образование каустики (геометрического места схождения лучей) или неограниченное расхождение лучей (например, луч Педерсена). В этих случаях геометрическая оптика позволяет только качественно выявить увеличение или уменьшение ослабления и для количественных оценок следует использовать более точные методы расчета

(см. работы [23, 105]).

Если имеется математический аппарат для определения траек­ тории в ионосфере отдельных лучей, вышедших из одного источ­ ника, то он может быть использован для расчета формы лучевой трубки и, следовательно, величины пространственного ослабле­ ния. Целью данной главы и является применение описанных

впредыдущих главах методов расчета траекторий и некоторых конкретных результатов расчетов для определения пространствен­ ного ослабления радиоволн цри заданном законе изменения N (h)

вионосфере. Случаи неприменимости геометрической оптики везде указаны.

При распространении радиоволн от ограниченного по размерам источника в свободном пространстве интенсивность их (плотность потока мощности) убывает обратно пропорционально квадрату расстояния S от источника

Если следовать терминологии работы [7], то пространствен­ ное ослабление поля радиоволн, отраженных ионосферой, можно представить как

1 Напряженность электрического ноля при этом убывает обратно пропорци­ онально первой степени расстояния.

96

где Ld = 20 log *S соответствует ослаблению поля в свободном пространстве, a Lf — дополнительное ослабление (или усиление) поля вследствие расхождения (или схождения) лучей в результа­ те рефракции в ионосфере.

Если имеет место дополнительное по сравнению со свободным пространством расхождение лучей, то величина Lj положитель­ на и характеризует дефокусировку, если же имеется схождение лучей, то Lj отрицательно и свидетельствует о фокусировке. Все значения L выражаются в децибелах.

Расчеты траекторий лучей в ионосфере - дают возможн сть оценить величины пространственного ослабления поля при раз­ ных моделях ионосферы, определить возможность фокусирования или дефокусироваиия.

Одной из первых работ, где приведены результаты расчета пространственного ослабления при отражении радиоволн от па­ раболического ионосферного слоя, была работа Равера [64]. Он рассчитал величины L при отражении от каждого из слоев Е и F2, выделил различные виды фокусировок и представил резуль­ таты расчета в виде графиков, удобных для их практического использования.

Внастоящее время необходимость аппроксимации ионосферы

вряде случаев более сложными моделями требует уточнения сведений о фокусировке или дефокусировке лучей.

Одним из удобных методов характеристики фокусирующих свойств ионосферы является применение понятия об эффективной длине пути S0 [7].

Допустим, что имеется изотропный излучатель и ограничен­

ное некоторым заданным конусом излучение освещает площад­ ку q2 на расстоянии S (рис. 62), при этом у, меньше, чем должно быть при нормальном расхождении лучей. В этом случае можно

иа рисунке пространственное ослабление меньше нормального и имеет место фокусировка лучей (Se < S), при Se ^> S — дефоку­ сировка. Введение Se позволяет два члена в выражении (5.1) заменить одним L = 20 log Se.

Следует упомянуть, что часто при обсуждении эффектов фоку­ сировки употребляется термин «фактор фокусировки», определяе­

/0

ранственном ослаблении; I — интенсивность, полученная с уче­ том рефракции лучей.

Фактор фокусировки может быть выражен и через эффектив­ ное расстояние, тогда f = £2/S?.

Численно величина Se определяется как Si = gjQi, где qx — сечение заданного конуса излучения на единичном расстоянии от

где Ѳ = Dl 111 (D — в км, 0 и А — в град).

Из выражения (5.2) непосредственно следуют осповпые стан­ дартные виды фокусировки2, обычно различаемые при отраже­ нии радиоволн ионосферным слоем. Три вида фокусировки соот­ ветствуют уменьшению и приближению к пулю отдельных со­ множителей формулы (5.2).

1. Фокусировка на границе зоны молчания (или фокусировка при / = МПЧ). Этот вид фокусировки возникает тогда, когда dQ/dA, уменьшаясь, в пределе стремится к нулю.

На рис. 34 легко проследить экстремум кривых D (А) для раз­ личных отношений ///с. Частота / = 2,8 /с является МПЧ для расстояния 3500 км. Кривая D (А) для этой частоты имеет экстре­ мум при А = 8°. При приближении к этой точке dD/dA уменьшает­ ся, а фокусировка возрастает. Фокусировка вблизи МПЧ прояв­ ляется в очень ограниченной области частот и расстояний. Это подтверждается и экспериментальными данными. Максимальные величины фокусировки, полученные в экспериментах, не превы­ шают 9 дб [7].

2. Фокусировка горизонтом (тангенциальная фокусировка). Этот вид фокусировки возникает при А, приближающемся к нулю,

2 Обсуждается в основном фокусировка, так как исследования показывают [64], что в отсутствие значительных горизонтальных градиентов ионизации ионосфера вызывает преимущественно этот эффект.

98