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

Гл а в а VI

СПОСОБЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН НА ЛИНИЯХ СВЯЗИ

§1. Общие замечания

оспособах распространения радиоволн на линиях связи

Впредыдущих главах преимущественно рассматривалась тра­ ектория радиоволны в пределах одного скачка, в этой главе при­

водятся некоторые сведения о распространении радиоволн па рас­ стояния, превышающие среднюю дальность одного скачка (3500— 4000 км).

Наиболее часто встречающийся способ распростраиеыия корот­ ких радиоволн на дальние расстояния — это скачковое распро­ странение между Землей и ионосферой, но он не является един­ ственно возможным.

В последние годы большое внимание уделяется изучению раз­ личных, нестандартных способов распространения радиоволн, включающих эффекты рассеяния Землей и ионосферой, распро­ странение волноводного типа (рикошетпроваиие, при отражении от ионосферных слоев пологопадающей волны, возникновение виутриионосферного канала, концентрация энергии вдоль маг­ нитной силовой линии) и другие. Рассмотрение всех этих спосо­ бов выходит за рамки данной книги. Однако следзшт заметить, что часто более сложные способы распространения возникают в комбинации со скачковыми способами или как бы являются их крайним случаем. Так, скачковая траектория при отражении от слоя с отрицательным градиентом электронной концентрации вдоль пути распространения может перейти в рикошетирующую траекторию по мере увеличения асимметрии скачка. Возникно­ вение сильно асимметричной траектории на первом скачке может обеспечить вход волны в ионосферный канал различных типов. Поэтому рассмотренные ниже эффекты горизонтальной неодно­ родности ионосферы и их количественные оценки могут быть ис­ пользованы при определении вероятности возникновения различ­ ных нестандартных способов распространения радиоволн.

Наиболее простой способ распространения — это отражение от одного слоя (например, слоя F2) с примерно равными скачками.

ствляется. Параметры распределения электронной плотности вдоль радиолинии не остаются постоянными, что объясняется из­ менением местного времени и широты областей отражения радио-

109

волны от слоя н, даже при постоянных рабочей частоте и угле вы­ хода излучения, отражение имеет место на разных высотах слоя

при углах излучения, близких к касательным, в условиях, когда ионосферу можно считать однослойной (зима, средние широты). Кз таблицы видно, что с изменением местного времени -максималь­ ное расстояние скачка меняется на несколько сотен километров. Максимальные величины достигаются ночью и утром, мини­ мальные — днем. Наибольшие изменения расстояния скачка отме­ чаются при переходе от утренних часов к дневным и от вечерних к ночным, достигая 4 0 0 — 7 0 0 км. В табл. 10 приведены величины максимального скачка для летних условий в средних широтах се­ верного полушария. При расчете таблицы учитывалось, что летом в дневное время ионосфера должна быть аппроксимирована тремя слоями. Из сравнения табл. 9 и 10 видно, что суточный ход DJnax летом и зимой противоположен. Летом наибольшие значения ■Апах достигаются в околополудеиные часы. Для летних условий

(в зависимости от структуры ионосферы), тем не менее их изме­ нения со временем суток, сезоном и широтой также значительны.

Из всего изложенного выше ясно, что на радиолиниях большой дальности, даже если на протяжении всего пути не встречается существенных градиентов электронной концентрации (или они не учитываются), можно ожидать больших изменений расстояния скачка, особенно, если учесть возможность перехода отражений от одного слоя к другому. Эти измеиепия будут еще больше, если учитывать наличие горизонтальных градиентов, так как в этом случае происходит и изменение углов А (Д2=j=Ді), а это вызывает значительные изменения D скачка.

110

Т а б л и ц а 11

В табл. 11 приведены минимальные расстояния скачка, соот­ ветствующие различным отношениям / к критической частоте в середине скачка (т. е. расстояния, для которых рабочая ча­ стота с заданным отношением к /с является МПЧ) для различных величин градиентов критической частоты. Из таблицы видно, что изменения в расстояниях скачка, соответствующих МПЧ, вслед­ ствие градиента /с увеличиваются с ростом рабочей частоты.

Способы распространения радиоволн на радиолиниях большой протяженности весьма разнообразны (даже если ограничить рассмотрение только Скачковыми способами) и зависят от про­ тяженности линии, ее ориентации, рабочей частоты и угла излу­ чения.

В следующих параграфах и в прил. 4 приведено несколько примеров расчетов способов распространения на различных ра­ диолиниях. Отдельно анализируются расчеты для квазиширотных радиолиний, которые пролегают в одном полушарии, в ог­ раниченной полосе широт, и для радиолиний меридионального направления.

§2. Способы распространения радиоволн на линиях широтного направления

Радиолинии широтного направления характеризуются раз­ личиями местного времени на разных участках линии и связан­ ными с ними изменениями в структуре ионосферы. На этих радиолиниях восходные и заходные градиенты электронной кон­ центрации проявляются как градиенты вдоль направления ра­ диолинии, что приводит к асимметрии как минимум одного из скачков и в итоге Дх =/= Д2.

Радиолинии длиной 7000—8000 км, пролегающие в полосе ши­ рот 40—60° С, характеризуются разностью местного времени в конечных пунктах около 6 час. Это значит, что на противополож­ ных концах линии существуют утренние и дневные условия или вечерние и ночные.

В табл. 12 в качестве примера приведены возможные отражаю­ щие слои, дл^иы скачков (для первых четырех скачков) и способы

111

Т а б л и ц а 12

/ / М П Ч Л , г р а д D i, к л і D i , к .я D j, к м D 4i k .u С п о с о б

распространения на радиолинии квазиширотыоы ориентации, про­ легающей в полосе широт 30—50° С протяженностью 9700 км. Расчет выполнен для летних условий лет высокой солнечной ак­ тивности. Из таблицы видно, как сильно меняется способ распро­ странения в зависимости от рабочей частоты, угла излучения и местного времени на радиолинии. В таблице изменение угла А не приведено, так как оно невелико — не превышает 2°.

Следует отметить, что на дальних радиолиниях изменение МПЧ, углов прихода и расстояний скачка вследствие продольного градиента электронной концентраций в среднем меньше, чем на односкачковых линиях. Это объясняется тем, что МПЧ дальних радиолиний определяется как наименьшая из МПЧ отдельных скачков, и если на линии происходит смена дня и иочи, то измене­ ния в величинах МПЧ вдоль линии будут велики. Следовательно, рабочая частота, равная МПЧ для всей линии, будет составлять 0,4—0,5 от МПЧ для скачков, попадающих в более освещенную область. На рис. приведены в качестве примера распределе­ ния f 0F2, hmF2 и ymF2 для радиолинии широтного направления,

западного пункта, низкие значения — ночным условиям в районе

112

Комбинированные способы распространения радиоволн наи­ более вероятны летом в дневное время. В периоды появления интенсивных слоев Е и F1 на линиях длиной ~ 9000 км появ­ ляется возможность двухскачкового распространения радиоволн с высокой частотой.

Горизонтальная неоднородность ионосферы на этих линиях способствует увеличению максимальных применимых частот на 7—10% и изменению углов прихода до 3°.

§ 3. Способы распространения радиоволн на линиях меридионального направления

Радиолинии, направленные вдоль по меридиану или под не­ большим углом к нему, характеризуются тем, что изменения ионо­ сферы вдоль линии происходят главным образом из-за изменений широты и сезона, еслп радиолинии пересекают экватор. Восходпый и заходный градиенты электронной концентрации прояв­ ляются на этих радиолиниях как поперечные градиенты. Кроме того, иа радиолиниях, пересекающих экватор, в отдельные пе­ риоды возможны большие горизонтальные градиенты критиче­ ской частоты [(0,5—0,7)-10^ Мгцікм] и градиенты геометрических параметров, превышающие в несколько раз (до 10 раз) величину среднеширотяого градиента. Эти градиенты здесь проявляются как градиенты вдоль радиолинии, что приводит в ряде случаев к большим изменениям в углах прихода радиоволн и возникно­ вению траекторий без промежуточных отражений Землей.

Типичное распределение параметров слоя F2 вдоль радиоли­ ний, проходящих в обоих полушариях, в период зимы в северном полушарии, показано па рис. 70. Как видно, имеет место большое

f0F2,Mzq

Дтыс. км

Рис. 70. Пример распределения параметров ионосферы на меридиональной линии

115

З и м а

Лето

Передатчик

Приемник

Рпс. 71. Схема скачкопого распространения радиоволн па меридиональной трансэкваторнальной лпнпп

изменение не только критической частоты, но и геометрических параметров слоя.

С первого взгляда может показаться, что на меридиональных радиолиниях комбинированные'способы распространения встре­ чаются редко, поскольку на всей радиолинии час местного времени один и тот же. Однако если учесть, что радиолиния (при длине 10 000—15 000 км) проходит в разных полосах широт, переходит из одного полушария в другое, где сезоны года противоположны, то ясно, что ионосферные условия вдоль трассы могут сильно от­ личаться. На рпс. 71 схематически изображена траектория ра­ диоволны для ионосферных условий, представленных иа рис. 70. В зимнем полушарии слой Е характеризуется малыми частотами, слой F1 отсутствует и единственным отражающим слоем является слой F2. В экваториальной области и летнем полушарии слой Е достаточно интенсивен, он экранирует вышележащие слои и отра­ жение происходит от слоя Е. При разных рабочих частотах и уг­ лах падения и на меридиональных радиолиниях возможны самые разнообразные комбинации последовательных отражений от сло­ ев Е, F1 и F2. Вследствие больших и распространенных па боль­ шие расстояния горизонтальных градиентов электронной кон­ центрации на меридиональных радиолиниях изменения углов А и расстояний скачка здесь значительно больше, чем на линиях широтного направления.

В табл. 13 приведены в качестве примера изменения длин скач­ ков (для первых пяти скачков) и результирующих углов прихода на меридиональной радиолинии протяженностью 14 000 км. Рас­ чет произведен для января для ночных условий.

В отдельных случаях изменения углов А достигают 10—15° и более.

116

Из числа возможных способов распространения радиоволн на трансэкваториальных линиях наибольший интерес представляют так называемые траектории без промежуточных отражений от Зем­ ли. Они возникают в результате сильного горизонтального гра­ диента электронной концентрации, приводящего к асимметрии траектории. В этом случае вышедшая в пункте излучения под некоторым углом к горизонту радиоволна после отражения ионо­ сферой не попадает на Землю, а проходит на минимальном рас­ стоянии h0(рис. 72) над поверхностью Земли, снова падает на ионо­ сферу и претерпевает отражение. Для того чтобы радиоволна, со­

ториям, могут иметь частоту, превышающую МПЧ скачкового механизма. Кроме того, в зависимости от величины h0, определяе­ мой величиной эффективного наклона, поглощение на такого вида траектории может быть существенно меньшим. При h0 = = 50-ИЗО км выигрыш в напряженности поля невелик и происходит только из-за отсутствия потерь, связанных с отражением Землей. Если /г0 превышает 100 км, то выигрыш увеличивается, так как волна не входит в основную поглощающую область, а проходит над ней.

Траектории без промежуточных отражений на трансэквато­ риальных линиях наиболее вероятны в ночные и вечерние часы местного времени, поскольку именно в это время градиенты кри­ тической частоты сопровождаются наиболее существенными гра­ диентами геометрических параметров.

На рис. 72 приведен пример высотного разреза уровней равных значений плазменных частот, приводящего к возникновению траектории без промежуточных отражений Землей [7]. Разрез получен вдоль меридиана 75°3 для 19 час марта 1958 г. Более тол­ стой линией на рисунке показана траектория радиоволны с ча­ стотой 25 Мгц.

Экспериментальные данные, указывающие на возможность осуществления вышеописанных траекторий, были получены при изучении условий распространения на трансэкваториальных ра­ диолиниях более 10 лет назад [114, 115]. В работе [116] обобщены

117