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

а во втором — углу Д^ Пример асимметричной траектории приве­ ден па рис. 48.

Расхождения в углах прихода и излучения зависят от степени горизонтальной неоднородности ионосферы, рабочей частоты, рас­ стояния скачка. С увеличением расстояния скачка н рабочей часто­ ты для одной и той же модели слоя расхождения в углах растут. В тех случаях, когда расстояния скачка сравнимы с максимальным,

г

Рис. 48. Пример аспмметрпи траектории

углы прихода и излучения могут отличаться вдвое и более. Объяс­ няется это тем, что максимальные расстояния скачка перекрывают­ ся при углах излучения, близких к касательному, поэтому незна­ чительное изменение угла прихода по абсолютной величине ведет к существенному относительному изменению. В табл. 3 приведены

величины б = I Д — Дх| для/г = hm — ут, позволяющие сделать

выводы о количественном расхождении в углах прихода. Данные характеризуют максимальные расхождения в углах, по­

скольку они относятся к МПЧ.

В горизонтально-неоднородной ионосфере радиоволна с часто­ той /, как указано выше, перекрывает расстояние D под углом излучения, отличающимся от угла, соответствующего сферическислоистому случаю. При положительном градиенте электронной плот­ ности углы излучения уменьшаются, при отрицательном — увели­ чиваются. Наибольшее изменение углов излучения имеет место на частотах, равных МПЧ, и на расстояниях, близких к макси­ мальным. Величины углов излучения радиоволн с частотой, рав­ ной МПЧ, при наличии положительного градиента электронной плотности приведены в табл. 4. Горизонтальная неоднородность

На основании табл. 3 и 4 можно составить представление о степени влияния горизонтальной неоднородности на асимметрию траектории.

1 Через Д/о обозначено изменение / с на расстоянии 100 км.

79

Т а б л и ц а 3

Т а б л и ц а 4

I

80

Другой наглядной характеристикой асимметрии траектории является величина смещения точки отражения от середины радио­ линии. Точка отражения независимо от направления градиента смещается в область, где на одной и той же высоте значение элек­ тронной плотности больше, чем в середине перекрываемого расстоя­ ния. Величина смещения зависит от степени горизонтальной не­ однородности ионосферы, рабочей частоты и расстояния скачка. При одной и той же величине градиента электронной плотности траектория более асимметрична для радиоволн высоких частот. Объясняется это увеличением глубины проникновения и длины

В-іО^км

Рис. 49. Смещение точки отражения в горизонтально-неоднородной ионосфере

пути в слое. Для одной и той же частоты асимметрия траектории растет с ростом расстояния. Этот вывод на первый взгляд кажется ошибочным, поскольку чем больше расстояние, перекрываемое

на траекторию непосредственно в слое является наименьшим. Однако из-за сферичности Земли при предельных углах падения на слой незначительные изменения в углах выхода ведут к су­ щественным изменениям длины пути в неиоиизированном про­ странстве от нижней границы слоя до пункта приема и, следователь­ но, к увеличению асимметрии траектории.

Для иллюстрации на рис. 49 для серии рабочих частот приведе­ ны кривые, характеризующие величину смещения точки отраже­ ния от середины скачка в зависимости от расстояния. По оси абсцисс отложена величина смещения АDi в км, по оси ординат — расстояние скачка D. Цифры у кривых соответствуют рабочим ча­ стотам (в Мгц).

В сферически-слоистой ионосфере траектория волны" симмет­ рична относительно точки, отражения. ^Поэтомурасстояние Du соответствующее проекции пути волны от передатчика до точки отражения, и П2, соответствующее проекции пути волны от точки

81

Рис. 50. Зависимость высоты точки отражения от расстояния при различ­ ной степени горизонтальной неоднородности ионосферы

Рис. 51. Зависимость Di от D при различной горизонтальной неоднородности ионосферы

отражения до точки приема, равны DI2 (где D — полное рас­ стояние скачка). В горизонтально-неоднородной ионосфере из-за смещения точки отражения и расхождения в углах прихода и излу­ чения расстояние В г отличается от расстояния £),. В зависимости от направления градиента электронной плотности D ± будет боль­ ше или меньше D 2: если в направлении распространения имеется

ние расстояния Dx происходит только из-за роста длины пути от передатчика до нижней границы слоя (угол А уменьшается), ибо расстояние D,-,ь соответствующее пути от нижней границы слоя до точки отражения, становится меньше, чем в горизонтально-одно­ родной ионосфере (горизонтально-однородная ионосфера опреде­ ляется параметрами середины скачка). Расстояние D і<г от точки отражения до точки выхода луча из слоя в этом случае несколько увеличивается, тем не менее полное расстояние D t уменьшается.

82

При распространении радиоволны в направлении, противополож­ ном росту электронной плотности, точка отражения будет ближе к передатчику и <lD2. В этом случае расстояние D itl от точки входа до точки отражения увеличивается, а от точки отражения до точки выхода уменьшается. Общее расстояние D £, соответствую­ щее проекции пути волны в ионизированном слое, в горизонтально­ неоднородной ионосфере меньше, чем в горизонтально-однородной. Объясняется это тем, что смещение точки отражения при наличии градиента происходит не только в горизонтальном, но и в верти­ кальном направлениях. Глубина проникновения в горизонтальнонеоднородный слой радиоволн одинаковой частоты меньше, чем в горизонтально-однородный, определяемый параметрами середи­ ны скачка, поскольку электронная плотность, достаточная для

Т а б л и ц а 5

мпч/Л,

83

выполнения условия отражения, достигается на меньших высотах. Это видно из рис. 50, где приведены графики, характеризующие изменение высоты точки отражения для серии рабочих частот (в Мгц) в зависимости от расстояния D. Графики даны для гори­ зонтально-неоднородной ионосферы, определяемой в начальной

=6710 км. Цифры у кривых соответствуют рабочим частотам. Для этих же случаев на рис. 51 даны графики расстояния скач­

ка в ионосфере в зависимости от полного расстояния D . Сопоставле­ ние этих рисунков дает количественное представление о возможных расхождениях в расстояниях скачка в ионосфере, возникающих вследствие горизонтальной неоднородности. При фиксирован­ ном значении угла ф0 расстояние, перекрываемое волной опре­ деленной частоты, уменьшается, если направление градиента совпадает с направлением распространения, и увеличивается при противоположном направлении градиента. Величины полного рас­ стояния скачка, возможные при наличии положительного градиен­ та, даны в табл. 5 для h0 = 200 км. Для сравнения приведены рас­ стояния скачка для сферически-слоистой ионосферы. Расстояния даны для различных отношений МПЧ//0. Значения критической частоты определены в серединах указанных расстояний. Данные таблицы характеризуют максимальные расхождения в расстояниях скачка.

§4. Изменения максимальных применимых частот

Впрактических методах расчета характеристик радиосвязи, принятых в настоящее время, МПЧ определяется по параметрам ионосферы в средней точке расстояния скачка [29]. В пределах

различны. Поэтому при любом (постоянном) направлении гради­ ента электронная плотность на высоте R на одной из половин скач­ ка будет больше, чем электронная плотность на этой же высоте в середине скачка, на другой меньше. В результате создаются ус­ ловия для отражения радиоволн с частотами выше «стандарт­ ных» МПЧ [98]. Максимальная применимая частота в горизон­ тально-неоднородной ионосфере зависит от величины горизонталь­ ного градиента электронной плотности, параметров ионосферы и расстояния скачка.

С ростом горизонтального градиента МПЧ растет. Как было показано в § 1 гл. II, градиент электронной плотности выражается через градиенты критической частоты, высоты максимума и полу­ толщины. Влияние этих градиентов на МПЧ различно. В боль­ шинстве случаев наибольший вклад дает градиент критической

84

частоты. Объясняется это тем, что роль градиентов / 0, hm и ут тесно связана с глубиной проникновения радиоволны в слой [79]. В нижней части слоя определяющими в величине градиента пока­ зателя преломления являются градиенты геометрических пара­ метров. Вблизи максимума слоя значительно больше вклад гра­ диента критической частоты. Об этом свидетельствуют кривые рис. 52, на котором представлены вклады отдельных членов, вклю­ чающих различные градиенты, в величину дп/дѲ. Значения гра­ диентов равны максимальным градиентам, имеющим место в сред­ неширотной спокойной ионосфере в периоды восхода. Из рисунка следует, что для лучей, отражающихся на небольших высотах, градиент показателя преломления будет определяться градиента­ ми hm и ут, тогда как для лучей, проникающих до высот, близких к hm, определяющим будет градиент критической частоты.

Глубина проникновения в слой радиоволн с частотами, равными МПЧ, в зависимости от геометрии слоя и расстояния скачка может

частоты становится преобладающим. Отсюда следует, что в боль­ шинстве случаев основное влияние на МПЧ должен оказывать градиент критической частоты. Исключение составляет случай, когда имеют место градиенты геометрических параметров, приво­ дящие к существенному наклону всей толщи слоя. Согласно кар­

dRm/dQ, dfc/dQ на величину дп/дВ [g/j

Цифры у кривых — вначения /0 в Мец

85

11

'У VI ” 140 к . \Ь

У т — 120 к. U

например, при увеличении геометрической полутолщины слоя происходит рост ДМПЧ.

В табл. 6 приведены данные, характеризующие изменение вели­ чины МПЧ с изменением градиента критической частоты слоя F2 для различных моделей слоя (градиенты высоты максимума и полу­ толщины в этих случаях равны — 1,5 и —0,75 км соответствеиио).

В таблице ДМПЧ % характеризует оценку возможного увели­ чения МПЧ вследствие горизонтальной неоднородности ионосферы:

ДМПЧ%

(МПЧ — МПЧо)-100

МПЧо

86

Равенство градиента нулю соответствует случаю сферически-

правку к величине МПЧ, рассчитанной на основе среднемесяч­ ных ионосферных данных в предположении сферичности ионо­ сферы. ДМПЧ%, соответствующая градиенту Д/0 = 0,75 Мгц, дает количественное представление о возможном увеличении МПЧ в те моменты времени, когда величина градиента превышает его медианное значение.

§5. Боковые отклонения траектории

Втрехмернонеоднородной ионосфере пучок лучей, являю­ щийся в точке излучения гомоцентрическим, не сохраняет в точ­ ке приема своей первоначальной формы. Вблизи точки приема будет наблюдаться пространственный спектр лучей, что в ряде случаев, как показано в гл. V, приведет к дополнительной фоку­ сировке или дефокусировке энергии волны.

Для примера на рис. 53 для нескольких углов излучения а приведены величины отклонений точек прихода лучей от плос­ кости дуги большого круга, проходящей через точку приема и излучения, в зависимости от расстояния скачка для рабочей частоты 20 Мгц. Каждая кривая рисунка представляет собой се­ мейство точек прихода лучей, излученных под одним и тем же уг­ лом а, но под разными углами Д. Величины углов а написаны над соответствующими кривыми. По оси абсцисс нанесены отклоне­

ния в километрах (7?зХ), по оси ординат — расстояние скачка в километрах (D). Ось ординат соответствует дуге большого круга. Параметры ионосферы и их градиенты, взятые для расчета, сле­

тронной плотности. Отклонение точки отражения происходит также в сторону роста электронной плотности.

Величина бокового отклонения любой точки траектории за­ висит от степени горизонтальной неоднородности ионосферы, рабочей частоты, длины пути от начальной точки до текущей.

На рис. 54 для серии рабочих частот приведены боковые от­ клонения точек отражения (7?зХ) в зависимости от расстояния Di, которое соответствует горизонтальной проекции длины пути в слое от точки вхождения луча в слой до точки отражения. На кривых указаны рабочие частоты (в Мгц), которым они соот­ ветствуют. Параметры ионосферы те же, что и для рис. 53.

Рис. 54 дает наглядное представление о количественных вели­ чинах отклонений текущей точки траектории лучей, приходящих

87

Оі 'Щ км

Рис. 53. Отклонение точек прихода лучей от линии, соединяющей точки излу­ чения и приема

Рис. 54. Смещение точки отражения относительно плоскости дуги большого круга

на дугу большого круга. Отклонение точек отражения характе­ ризует максимальное отклонение траектории луча, приходящего в точку приема. Из рисунка видно, что величины отклонений точек отражения от дуги большого круга малы по сравнению с рас­ стоянием D і. Поэтому при наличии градиента в направлении, отличном от азимута' линии, основное изменение параметров электронной плотности будет вызываться составляющей гради­ ента в направлении азимута. Этим объясняется слабое влияние градиента в поперечной плоскости на величины МПЧ, расстоя­ ния скачка и углы прихода в вертикальной плоскости.

Поскольку траектория луча выходит из плоскости дуги боль­ шого круга, в точке приема направление луча не будет совпа­ дать с азимутом линии, а составит с ним некоторый угол а. Вели­ чина этого угла, так же как и бокового отклонения траектории, зависит от степени горизоитальной неоднородности ионосферы, рабочей частоты, расстояния скачка. Естественно, для одной и той яш рабочей частоты углы а растут с уменьшением расстояния и достигают максимальных значений на расстояниях, для кото­ рых данная частота становится равной МПЧ. Объясняется это тем, что радиоволна по мере приближения к МПЧ проходит больший путь в слое и, следовательно, эффект горизонтальной неоднородности проявится сильнее, так как ои является инте­ гральным. Для одного и того же расстояния углы а больше для радиоволн более высоких частот. Это связано также с увеличе­ нием длины пути в слое.

88