Файл: Керблай, Т. С. О траекториях коротких радиоволн в ионосфере.pdf

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

форме экваториальной аномалии в слое F2. В тех случаях, когда оба максимума f 0F2 были четко выражены и сопровождались вы­ сокими градиентами электронной концентрации противополож­ ных знаков, вероятность прохождения радиоволн изучаемого диапазона была высока.

Выше обсуждалось влияние градиентов электронной концен­ трации, направленных вдоль радиолиний, на условия распростра­ нения радиоволн и характер траектории. Теперь следует рассмот­ реть эффекты поперечных градиентов.

Основным эффектом поперечного градиента на дальних радио­ линиях меридионального направления можно считать изменения азимутальных углов прихода, поскольку, как следует из гл. IV, изменения МПЧ, дальности скачка и углов А в этом случае не­ велики. Изменения азимутальных углов могут достигать значи­ тельных величин, поскольку в среднем они должны превышать изменения а, характерные для одного скачка. Схема двухскачковой радиолинии с поперечным градиентом электронной концен­ трации приведена на рис. 73 (в проекции на горизонтальную пло­ скость). Из рисунка видно, что на двухскачковой радиолинии

угол бокового отклонения а2примерно в два раза больше угла ах для односкачковой линии при той же величине градиента. Если число скачков больше двух, то боковые отклонения могут быть еще больше при условии, что поперечный градиент не меняет знак на протяжении всей длины радиолинии.

При рассмотрении особенностей радиолиний меридионального направления следует остановиться также на эффектах фокуси­ ровки поперечным градиентом электронной концентрации, рас­ смотренных в § 3 предыдущей главы. Как следует пз гл. V, попе­ речный градиент приводит к эффектам фокусировки, когда он не постоянен или меняет направление, в пределах области ионосфе­ ры, освещаемой излучаемым конусом, причем увеличение градиента и рост электронной концентрации направлены во внешнюю часть конуса излучения. Такие условия создаются в тех случаях, когда излучение направлено вдоль меридиана, пролегающего вблизи границы освещаемой и неосвещаемой областей Земли. В этом слу­ чае па частотах, близких к МПЧ, создается значительная фоку­ сировка. Если ионизация в северном и южном полушариях более или менее симметрична, что наблюдается в периоды равноден­ ствия, то область минимальных значений критической частоты слоя F2 и район быстрого ее роста в период восхода проходят вдоль границы утреннего меридиана в экваториальной зоне и приле­ гающих к ней областях северного и южного полушарий. Анало­

нальной трассе сохраняется на протяжении нескольких скачков и,

119

Рис. 74. Карта F2-О-МПЧ. Март 1968 г., 6 час. московского декретного времени

Г л а в а VII

ОВОЗМОЖНЫХ ОШИБКАХ В РАСЧЕТАХ ТРАЕКТОРИЙ II СПОСОБОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

§ 1. Факторы, от которых зависит точность методов расчета траекторий

Точность расчета траекторий радиоволн в ионосфере зависит GT ряда факторов. Условно их можно разделить на несколько групп.

Первая группа включает чисто методические приближения: использование метода геометрической оптики, с позиции кото­ рого велось все рассмотрение, и применение методов численного решения интегралов. В работах [55, 56] показано, что применение метода геометрической оптики дает вполне удовлетворительные результаты с точки зрения практического использования расчетов, а как показано в работах [55, 611, уменьшая шаг интегрирования, можно практически достичь любой заданной точности. От метода решения интегралов зависит непосредственно точность опреде­ ления пути радиоволны Z); п времени распространения t-Lв ионо­ сфере, а также точпость определения углов прихода. Ограниче­ ния, накладываемые точностью других этапов расчетов, делают нецелесообразным вычисление указанных величин с точностью, превышающей 1—3?ö (Di), 0,1 мсек (/,), десятых долей градуса (углов прихода).

Ко второй группе факторов относятся пренебрежение процес­ сами соударений частиц в ионосфере и влиянием магнитного ноля Землп.

Пренебрежение процессами соударений при расчете траекто­ рий вполне допустимо, поскольку число соударений много меньше рабочих частот коротковолнового диапазона, особенно в слое F2.

Что касается вопросов учета магнитного поля при расчетах характеристик, то в настоящее время они не могут считаться пол­ ностью исследованными. Однако на основании имеющихся работ [7, 100, 101] можно сделать заключение, что эффекты магнитного поля наиболее сильно проявляются при длине радиолинии, не превышающей 1000 км. Это касается боковых отклонений (см. под­ робнее гл. IV) и другой, важной для практики радиосвязи, ха­ рактеристики распространения — МПЧ. Превышение МПЧ не­ обыкновенной волны по сравнению с МПЧ обыкновенной — наи­ большее для малых расстояний (~ 500 км), когда при небольших абсолютных значениях МПЧ разность их равна /„/2. С увеличе­ нием расстояния разность МПЧ* — МГ1Ч0 уменьшается и даже

122