Помощь студентам в учебе
РАСЧЕТ ПОЛНОГО ЭЛЕКТРОННОГО СОДЕРЖАНИЯ ИОНОСФЕРЫ ПРИ МЕТЕОРНОМ РАСПРОСТРАНЕНИИ РАДИОВОЛН
|
Введение
Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТЕОРНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ
РАДИОВОЛН 5
1.1. Принципы метеорной радиосвязи 5
1.1.1. Метеорные следы 5
1.1.2. Радиоотражения 6
1.2. Радиоотражения от переуплотненного и недоуплотненного следов 8
1.2.1. Структура недоуплотненного следа 10
1.2.2. Структура переуплотненного следа 12
1.3. Невзаимность метеорного радиоканала 14
1.4. Структура ионосферы Земли 16
1.5. Основная модель ионосферы IRI 19
Глава 2. РАСЧЕТ ПОЛНОГО ЭЛЕКТРОННОГО СОДЕРЖАНИЯ ИОНОСФЕРЫ 21
2.1. Исходные данные 21
2.2. Построение карты табличных данных IRI для заданной радиолинии.... 22
2.3. Расчет траектории распространения и выборка табличных данных 24
2.4. Расчет ПЭС вдоль траектории распространения сигнала 27
2.5. Анализ исходных данных по геометрии распространения сигнала 31
Глава 3. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ 34
3.1. Оценка повышения точности расчета ПЭС 34
3.2. Анализ сегментации траектории распространения сигнала при расчете ПЭС 35
3.3. Анализ влияния геометрии распространения сигнала на точность
расчетов 41
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 57
ПРИЛОЖЕНИЕ
Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТЕОРНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ
РАДИОВОЛН 5
1.1. Принципы метеорной радиосвязи 5
1.1.1. Метеорные следы 5
1.1.2. Радиоотражения 6
1.2. Радиоотражения от переуплотненного и недоуплотненного следов 8
1.2.1. Структура недоуплотненного следа 10
1.2.2. Структура переуплотненного следа 12
1.3. Невзаимность метеорного радиоканала 14
1.4. Структура ионосферы Земли 16
1.5. Основная модель ионосферы IRI 19
Глава 2. РАСЧЕТ ПОЛНОГО ЭЛЕКТРОННОГО СОДЕРЖАНИЯ ИОНОСФЕРЫ 21
2.1. Исходные данные 21
2.2. Построение карты табличных данных IRI для заданной радиолинии.... 22
2.3. Расчет траектории распространения и выборка табличных данных 24
2.4. Расчет ПЭС вдоль траектории распространения сигнала 27
2.5. Анализ исходных данных по геометрии распространения сигнала 31
Глава 3. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ 34
3.1. Оценка повышения точности расчета ПЭС 34
3.2. Анализ сегментации траектории распространения сигнала при расчете ПЭС 35
3.3. Анализ влияния геометрии распространения сигнала на точность
расчетов 41
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 57
ПРИЛОЖЕНИЕ
Традиционными преимуществами метеорной радиосвязи является возможность работы при любых колебаниях погоды и в условиях ионосферных возмущений, большая дальность связи - до 2200 км, отсутствие необходимости использования дополнительной ретрансляционной аппаратуры. Это позволяет использовать ее в труднодоступных районах и районах с плохими погодными условиями.
На основе метеорной радиосвязи можно строить такие системы как система метеорной наносекундной синхронизации [1-4] и система генерации ключей шифрования [5,6], которая позволяет создать наиболее защищенный канал связи. Основной проблемой метеорных систем является такой параметр, как невзаимность радиоканала. Доминирующим фактором невзаимности является асимметрия эффекта Фарадея при встречном распространении сигналов. Поскольку поворот плоскости поляризации радиоволны пропорционален ПЭС ионосферы [7], то для корректной оценки невзаимности канала требуется точный расчет ПЭС. На данный момент он выполняется приближенно по достаточно простой методике. Для обеспечения эффективной работы метеорных радиосистем необходимо убедиться в достаточной точности расчета ПЭС ионосферы.
Целью данной работы является:
Повышение точности расчета полного электронного содержания ионосферы путем реализации численного интегрирования электронной концентрации вдоль траектории распространения сигнала на метеорной радиолинии.
Задачи:
1. С помощью модели IRI подготовить массивы данных о высотных профилях электронной концентрации ионосферы над радиолинией Москва- Казань.
2. Выполнить геометрические расчеты для позиционирования траектории распространения сигнала относительно высотных профилей электронной концентрации.
3. Выполнить численное интегрирование электронной концентрации вдоль траектории распространения сигнала.
4. Выполнить статистический анализ на выборке метеорных радиоотражений и оценить повышение точности расчета ПЭС при различной геометрии распространения сигнала.
5. Оценить целесообразность усложнения методики расчета ПЭС.
Работа состоит из трех глав. В первой главе изложены теоретические основы формирования метеорных следов и распространения радиоволн. Во второй главе представлена методика расчета полного электронного содержания ионосферы. В третьей главе наглядно показаны результаты расчетов и сравнения с уже существующей методикой.
На основе метеорной радиосвязи можно строить такие системы как система метеорной наносекундной синхронизации [1-4] и система генерации ключей шифрования [5,6], которая позволяет создать наиболее защищенный канал связи. Основной проблемой метеорных систем является такой параметр, как невзаимность радиоканала. Доминирующим фактором невзаимности является асимметрия эффекта Фарадея при встречном распространении сигналов. Поскольку поворот плоскости поляризации радиоволны пропорционален ПЭС ионосферы [7], то для корректной оценки невзаимности канала требуется точный расчет ПЭС. На данный момент он выполняется приближенно по достаточно простой методике. Для обеспечения эффективной работы метеорных радиосистем необходимо убедиться в достаточной точности расчета ПЭС ионосферы.
Целью данной работы является:
Повышение точности расчета полного электронного содержания ионосферы путем реализации численного интегрирования электронной концентрации вдоль траектории распространения сигнала на метеорной радиолинии.
Задачи:
1. С помощью модели IRI подготовить массивы данных о высотных профилях электронной концентрации ионосферы над радиолинией Москва- Казань.
2. Выполнить геометрические расчеты для позиционирования траектории распространения сигнала относительно высотных профилей электронной концентрации.
3. Выполнить численное интегрирование электронной концентрации вдоль траектории распространения сигнала.
4. Выполнить статистический анализ на выборке метеорных радиоотражений и оценить повышение точности расчета ПЭС при различной геометрии распространения сигнала.
5. Оценить целесообразность усложнения методики расчета ПЭС.
Работа состоит из трех глав. В первой главе изложены теоретические основы формирования метеорных следов и распространения радиоволн. Во второй главе представлена методика расчета полного электронного содержания ионосферы. В третьей главе наглядно показаны результаты расчетов и сравнения с уже существующей методикой.
В результате выполнения данной работы была разработана и программно реализована процедура расчета полного электронного содержания ионосферы (ПЭС) путем численного интегрирования электронной концентрации вдоль пути распространения радиосигнала. Также, были проанализированы результаты расчета для выборки точек отражения от метеорных следов, на основании чего выполнены численные оценки относительной невзаимности ПЭС для двух встречных (восходящих к метеорному следу) траекторий распространения, а также степени близости результатов старой и новой методик расчета ПЭС. Выявлены закономерности, отражающие влияние геометрии распространения сигнала на точность приближенных расчетов по старой методике.
В частности, получены следующие результаты:
1) С помощью модели IRI подготовлены массивы данных о 120 высотных профилях электронной концентрации ионосферы над радиолинией Москва-Казань. Профили были синтезированы для диапазона высот 65130 км, диапазона северных широт 36°-51°, диапазона восточной долготы 51,5°-61° и даты предполагаемого сеанса связи 15.06.17, 6:00;
2) Для 10000 метеоров выполнены геометрические расчеты по позиционированию траектории распространения сигнала относительно высотных профилей электронной концентрации. Определено, что для более чем 40% метеоров, вклад в ПЭС вносят только 3 высотных профиля. Максимальное количество высотных профилей вдоль восходящей траектории распространения не превысило 6;
3) Разработан комплекс программ, выполняющих численное интегрирование электронной концентрации вдоль траектории распространения сигнала. Расчеты показали, что упрощенная (старая) и строгая (новая) методики расчета ПЭС дают очень близкие результаты. Относительное отличие результатов новой и старой методик не превосходили 0,9% и в среднем составляли 0,01% для прямой траектории (ТМ), а для обратной траектории (RM) - не превосходили 1,25% при среднем уровне также порядка 0,01%. При этом для более 95% отражающих точек на тестовой радиолинии относительные отличия результатов обеих методик не превышали 0,05%. Численные оценки относительной невзаимности ПЭС для двух встречных (восходящих к следу) траекторий не превосходили 0,96%, но в среднем составляли 0,005%. Из представленных цифр следует, что строгое интегрирование вдоль траектории сигнала и учет горизонтальных неоднородностей ионосферы (на масштабах длины радиолинии) не дает значимого повышения точности расчета ПЭС;
4) Проанализировано влияние геометрии распространения сигнала на повышение точности расчета ПЭС, а также на величину ее невзаимности для встречных путей распространения. Установлено что наибольшее влияние оказывает положение отражающей точки вдоль оси радиолинии, а высота радиоотражения, наоборот, почти не влияет на эти показатели.
5) Проведенные расчеты и статистический анализ показали, что усложнение текущей методики расчета ПЭС (всего по одному высотному профилю, содержащему точку отражения от метеорного следа) нецелесообразно ввиду малости выигрыша по точности. Следовательно, нецелесообразен и учет физических явлений большего порядка малости (рефракции радиолуча, нелинейных явлений в ионосфере, сферичности поверхности Земли).
В частности, получены следующие результаты:
1) С помощью модели IRI подготовлены массивы данных о 120 высотных профилях электронной концентрации ионосферы над радиолинией Москва-Казань. Профили были синтезированы для диапазона высот 65130 км, диапазона северных широт 36°-51°, диапазона восточной долготы 51,5°-61° и даты предполагаемого сеанса связи 15.06.17, 6:00;
2) Для 10000 метеоров выполнены геометрические расчеты по позиционированию траектории распространения сигнала относительно высотных профилей электронной концентрации. Определено, что для более чем 40% метеоров, вклад в ПЭС вносят только 3 высотных профиля. Максимальное количество высотных профилей вдоль восходящей траектории распространения не превысило 6;
3) Разработан комплекс программ, выполняющих численное интегрирование электронной концентрации вдоль траектории распространения сигнала. Расчеты показали, что упрощенная (старая) и строгая (новая) методики расчета ПЭС дают очень близкие результаты. Относительное отличие результатов новой и старой методик не превосходили 0,9% и в среднем составляли 0,01% для прямой траектории (ТМ), а для обратной траектории (RM) - не превосходили 1,25% при среднем уровне также порядка 0,01%. При этом для более 95% отражающих точек на тестовой радиолинии относительные отличия результатов обеих методик не превышали 0,05%. Численные оценки относительной невзаимности ПЭС для двух встречных (восходящих к следу) траекторий не превосходили 0,96%, но в среднем составляли 0,005%. Из представленных цифр следует, что строгое интегрирование вдоль траектории сигнала и учет горизонтальных неоднородностей ионосферы (на масштабах длины радиолинии) не дает значимого повышения точности расчета ПЭС;
4) Проанализировано влияние геометрии распространения сигнала на повышение точности расчета ПЭС, а также на величину ее невзаимности для встречных путей распространения. Установлено что наибольшее влияние оказывает положение отражающей точки вдоль оси радиолинии, а высота радиоотражения, наоборот, почти не влияет на эти показатели.
5) Проведенные расчеты и статистический анализ показали, что усложнение текущей методики расчета ПЭС (всего по одному высотному профилю, содержащему точку отражения от метеорного следа) нецелесообразно ввиду малости выигрыша по точности. Следовательно, нецелесообразен и учет физических явлений большего порядка малости (рефракции радиолуча, нелинейных явлений в ионосфере, сферичности поверхности Земли).