Введение к работе
:I
.: і
Актуальность темы. В настоящее время увеличивается обьем информации, передаваемой' в радиодиапазоне с использованием искусственных спутников земли; ионосфера является при этом естественной средой распространения радиосигналов. Присущая ионосфере турбулентность приводит к появлению неоднородностей электронной концентрации', которые" вызывают быстрые флуктуации параметров радиосигнала.
Этот зФСект, получивший название "мерцания", препятствует достижению технически возможных предельных характеристик .радиосистем, использующих трансионосферные сигналы. С другой стороны, он может быть использован для получения геофизическо" информации, так как считается установленным Фактом наличие хорошего соответствия между параметрами мерцаний и характеристиками неоднородностей, ответственных за их появление (ії. Изучение мерцаний поэтому может прояснить понимание физики самих неоднородностей и, следовательно, ввязанной с ними ионосферной турбулентности. .
Важно также отметить, что в настоящее время применительно к среднеширотной ионосфере получила широкое распространение концепция ионосферной лаборатории. В рамках этой концепции Проводятся работы по изучению искусственных неоднородностей. При этом для разделения эффектов искусственных и естественных неоднородностей необходимо хорош знать характеристики Последних.
Феномен мерцаний интенсивно изучался, начиная с 1946 гол*-11-41, однако большинство измерения было проведено в западном полушарии и, в основном, в экваториальной и полярных областях.
Другим недостатком этих наблюдений, с нашей точки зрения, является тот факт, что, как правило, они производились с использованием ИСЗ одного типа - обычных с низкой круговой орбитой с далее для краткости именуемых пролетными ИСЗэ. или геостационарных.
Каждый из этих видов измерений имеет свои преимущества и недостатки. Так, в случае геостационарного ИСЗ мы можем изучать мерцания радиосигнала и порождающие их неоднородности локально, в окрестности подионосферной точки, в течении длительного времени. Наоборот, в случае пролетного ИСЗ мы получаем информацию о мерцаниях сигнала вдоль траектории ИСЗ, но при этом теряем возможность исследовать временную эволюцию явления.
В обоих случаях весьма полезным оказывается применение разнесенного приема; в случае геостационарного ИСЗ это позволяет определить направление и скорость дрейфа неоднородностей I5.6J, а при использовании пролетного ИСЗ - высоту вызывающих мерцания Неоднородностей (П.
Автором с коллегами была предпринята попытка совместить преимущества обоих видов измерений, проведя совместные наблюдения с использованием геостационарного ИСЗ ets-2 и пролетного ИСЗ Pol at- Beer-4.
Недостатком известных исследований мерцаний сигналов ИСЗ
является также и то, что для обработки экспериментальных данных не в полной мере использован весь арсенал современных средств анализа процессов, в частности Фрактальная анализ, позволяюшип выявить скрытые закономерности хаотически;; процессов, к каковым относится и ионосферная турбулентность.
Можно отметить следующие пробель: в наших знаниях о мелкомасштабной турбулентности, лороадсошей неоднородности и связанные с ними мерцания радиосигналов в области средних широт. Существует неопределенность в вопросе о іізклсне спектра мощности мерцаний и связанных с ними спектрах мелкомасштабной турбулентности. При 'этом обычно анализ проводился с использованием временных, а не пространственных спектров. Нет уверенности в том, что квазипериодические изменения амплитуд^. сигналов, известные также как ОР-мерцания, действительно порождаются неоднородностями электронной концентрации, а не имеют другую природу, в частности, не являются результатом интерференции двух близких по частоте спутниковых сигналов. Мало экспериментальных оценок высоты расположения области турбулентности и скорости дрейфа неоднородностей по результатам наблюдения сигналов ИСЗ.
Для географического региона, в котором расположен Иркутск, исследования мелкомасштабных ионосферных неоднородностей по данным трансионосферного зондирования ранее вообще не проводились.
Целью данкок работы является: создание
- в -
экспериментального комплекса для изучения мерцаний трансионосферных радиосигналов с использованием сигналов геостационарного и пролетного ИСЗ, с последующим проведением цикла измерений в различных режимах работы комплекса, а также исследование природы среднеширотнои мелкомасштабной ионосферной турбулентности с использованием спектрального, корреляционного и фрактального анализа.
Научная новизна, впервые создан автоматизированный приемный комплекс для исследования мерцаний радиосигналов и связанной с ними мелкомасштабной ионосферной турбулентности с использованием одновременно геостационарного и пролетного ИСЗ; проведены наблюдения мерцаний в географическом регионе, для которого подобные эксперименты не проводились; определены спектральные^ и пространственно-временные характеристики среднеширотнои мелкомасштабной Ионосферной турбулентности.
Прэдложен новый метод опенки среднего спектра неоднородностеи, основанный на переносе спектров мерцаний радиосигналов в область пространственных частот.
По результатам фрактального. спектрального и корреляционного анализа обнаружено существование двух режимов ионосферной турбулентности с высокой и низкой Фрактальной размерностью. Существование режима с высокой фрактальной размерностью находится в соответствии с предположением о наличии в ионосфере обширных областей с однородной турбулентностью, что предсказывается теорией генерации ионосферных неоднородностеи в
результате переноса электрических полей из турбосферы 8,01. Соответственно записи мерцаний с низкой фрактальной размерностью,видимо, свидетельствуют о существовании локальной турбулентности.
Практическая значимость диссертации определяется полезностью полученных автором количественных характеристик ионосферной турбулентности для проектирования и оценки качества Функционирования перспективных радиотехничских систем, использующих трансионосферные сигналы. Результаты... работы внедрены в научно-исследовательских работах "Баргузин"," Проект ТИР", "Арктика", "Мараверс".
Личный вклад автора заключался в активном участии в разработке и создании экспериментального комплекса дл„ исследований мерцания, в проведении цикла измерений, в разработке алгоритмов и программ, обработке экспериментальных данных, их анализе и обобщении.
На защиту выносятся:
Разработка автоматизированного приемного комплекса для исследования мерцаний радиосигналов методом разнесенного приема с использованием геостационарного и пролетного ИСЭ; результаты цикла измерений параметров мерцаний; спектральные и пространственно-временные характеристики среднеширотной мелкомасштабной ионосферной турбулентности .-
Разработка и применение новых методов анализа экспериментальных данных, , в том числе методика оценки
- в -
пространственного спектра неоднородностей, основанная т преобразовании исходных временных спектров в область пространственных частот, и Фрактальный анализ сигналов.
Обнаружение пс результатам фрактального анализа существования двух режимов ионосферной турбулентности, предположительно, локельноя с низкой размерностью и однородной с высокой.
Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, докладывались на совещаниях по проблеме "Неоднородная структура ионосферы" в Якутске с 19883, в Новороссийске г. 19913; в лаборатории распространения радиоволн Иллинойского Университета. США, с 1990), на международной конференции по распространению волн в случайной среде в Сиэтле. США, с1992э на семинарах в ИСЗф.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения rf списка литературы. Она содержит 125 страниц, в том числе 114 страниц основного текста, 37 рисунков и список литературы из 9а наименования.