сверхдальнее распространение радиоволн

СВЕРХДАЛЬНЕЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН - распространение радиоволн на расстояния, существенно превышающие протяжённость стандартных линий радиосвязи (10 тыс. км). Реализуется при благоприятном пространственном распределении электронной концентрации N_e н эфф. частоты соударений v над землёй на уровне ~ км, определяющих совместно с рабочей частотой f осн. свойства показателя преломления земной атмосферы, и формирующих такой волновой канал (см. Полноводное распространение радиоволн), к-рый обеспечивает наим. затухание в точке приёма. При этом существ, роль играют высотная стратификация среды и её горизонтальная неоднородность.

Представление о предельно достижимой дальности менялось с накоплением эксперим. фактов, развитием приёмно-передающих комплексов и теории распространения эл--магн. волн. Первые опыты Г. Маркони (G. Marconi) по трансатлантич. связи (1901) продемонстрировали неожиданно высокую напряжённость поля и привели А. Кеннелли (A. Kennelly) и О. Хевисайда (О. Heaviside) к гипотезе о существовании ионосферы, отражающей радиоволны обратно к Земле (см. Отражение радиоволн ).Освоение в 1920-е гг. КВ-диапазона (декаметрового) показало возможность установления дальних связей даже при малых излучаемых мощностях. Были обнаружены сигналы, проходящие по обратной дуге большого круга, и кругосветное эхо, отмечено повышение амплитуды сигнала в окрестности антипода излучателя. Дальнейшие исследования, в т. ч. с помощью ИСЗ, геофиз. ракет и остронаправленных антенн, показали наличие разнообразных каналов С. р. р., множественность траекторий, сложные вариации азимутальных углов прихода, связь оптим. условий распространения с освещённостью трассы. Эти исследования позволили классифицировать сигналы С. р. р. по след, типам: прямые сигналы (ПС)- длина раднотрассы D от 10 до 20 тыс. км; антиподные сигналы (АС) - D ~ 20 тыс. км; обратные сигналы (ОС) - 20 < D < 40 тыс. км; кругосветные сигналы (КС) - D - ~ 40 тыс. км; кратные кругосветные сигналы (КС_П) - D ~ 40 п тыс. км. К сигналам С. р. р. относят также задержанные сигналы, эхосигналы с многосекундными задержками (ЗС).

Прямые и обратные сигналы. При расстоянии между корреспондентами ~ 10-15 тыс. км в суточном цикле наблюдается резкий переход от кратчайшего пути (ПС) к обратной трассе (ОС). При этом предпочтительной является трасса, большая часть к-рой лежит в ночном полушарии. Реверс передающей п приёмной антенн на таких трассах способствует повышению надёжности связи.

Антиподные сигналы (АС) соответствуют макс. разносу излучателя и приёмника на Земле, когда потенциально возможны любые направления прихода радиоволн. Из-за неоднородности ионосферы вблизи антипода формируется фокальное пятно размером ~0,5- 1,5 тыс. км с неск. направлениями прихода и сложным пространственным распределением напряжённости поля. Это явление аналогично аберрациям оптических систем. Оптим. условия приёма АС реализуются на трассах, лежащих в ночном полушарии и в окрестности терминатора (линия, отделяющая дневное полушарие от ночного). АС меньше др. типов сигналов подвержены влиянию ионосферно-магн. возмущённости и поглощению в полярных зонах.

Кругосветные сигналы (КС). Оптим. трассы тяготеют к сумеречной зоне, составляя обычно с терминатором угол 10-20°. Наилучшие условия приёма КС зимой в дневное время, неск. хуже - в ночное время летом и днём в равноденствие. Амплитуда КС практически не меняется при реверсе передающей и приёмной антенн. С ростом солнечной активности приём КС улучшается. Диапазон рабочих частот f = 10-30 МГц с оптим. частотами порядка 15-22 МГц. Осн. особенностями КС являются стабильность времени распространения (138-140 мс), наличие оптпм. азимута, ортогонального направлению на подсолнечную точку (см. Магнитосфера Земли). Более точные условия приёма КС сводятся к след, эмпирич. правилам: критич. частота F-слоя ионосферы в районе излучателя и его антипода ; траектория КС близка к большому кругу, на к-ром достигается максимум минимума f_крF2 и минимум продольных градиентов электронной концентрации. При связи между ИСЗ, орбиты к-рых проходят ниже максимума F-слоя, диапазон наблюдаемых частот расширяется до 40 МГц и вероятность приёма дальних радиосигналов значительно увеличивается. Кратные кругосветные сигналы (КС_n). Оптим. условия приёма КС_n, как и КС, соответствуют сближению трасс с терминатором. КС_n принимаются в периоды высокого уровня КС. Обращает на себя внимание исключительно низкое затухание КС_n - порядка 5-20 дБ на один обход.

Задержанные сигналы (ЗС). Радиоэхо с задержками в единицы и десятки секунд (т. е. на 1-2 порядка большими, чем у КС) наблюдается гораздо реже, чем КС. В ряде случаев оптим. условия приёма ЗС также связаны с терминатором и отмечается кратность их задержек задержкам КС.

Явление С. р. р. наиб. характерно для коротких (декаметровых) волн в диапазоне f ~ 10-25 МГц. Волны более низкой частоты испытывают значит, поглощение в ионосфере, а их излучение требует радиопередающих устройств большой мощности и громоздких антенн. Для УКВ и более коротких радиоволн, как правило, рефракция в ионосфере недостаточна для формирования устойчивого волнового канала. Предельная частота вырождения (разрушения) волновода определяет верх. границу частотного диапазона С. р. р.

Для С. р. р. всех типов можно отметить ряд общих свойств. Диапазон оптим. частот расширяется в годы высокой солнечной активности. Вертикальные углы прихода радиоволн лежат в пределах 5-20° от горизонта. Для трасс длиной порядка 15-20 тыс. км азимутальный угол прихода меняется плавно со временем, значительно отклоняясь в переходные периоды от дуги большого круга.

Механизмы сверхдальнего распространения радиоволн. Осн. способом С. р. р. декаметровых радиоволн является смешанный механизм распространения, включающий в себя скачковый (последоват. отражение радиоволн от поверхности Земли и ионосферы) и волноводный способы распространения. Приближённые ф-лы для диэлектрич. проницаемости

и проводимости плазмы

где - циклическая частота, т - масса электрона, позволяют оценить частотно-угл. диапазон волн, удерживаемых в волноводе Земля - ионосфера, и их поглощение. Слабее всего затухают волны высокой частоты, распространяющиеся в приподнятом волновом канале, формирующемся ниже максимума F-слоя за счёт сферичности Земли и рефракции радиоволн в расслоённой ионосфере (рис. 1). Такими волноводно-рикошетирующими модами осуществляется сверхдальняя связь между ИСЗ. Малое погонное затухание КС и КС_n говорит о том, что реализуется волноводный механизм распространения. Оценки показывают, что ионосферный волновод возбуждается с Земли за счёт регулярных горизонтальных градиентов ионосферы, рассеяния на случайных неоднородностях и дифракц. эффектов.

Геом. оптика распространения радиоволн в трёхмерно-неоднородной ионосфере подобна динамике частицы в медленно меняющемся потенциальном поле. В первом приближении вертикальная проекция лучевой траектории r(s)даётся ур-нием

Здесь r = R + z - расстояние от центра Земли, R - радиус Земли, s - расстояние вдоль земной поверхности; - модифициров. диэлектрич. проницаемость, а- медленно меняющаяся ф-ция географич. координат, определяемая из условия сохранения адиабатич. инварианта:

(здесь- точки поворота луча). Ф-лы (1) и (2) учитывают горизонтальную неоднородность ионосферы и позволяют проследить переход от скачкового механизма к волноводному распространению и обратно (рис. 2). Ф-ция определяет; вертикальный угол прихода для скачковых траекторий; для волноводно-рикошетирующих траекторий Q > 1. Её максимум достигается на предельной рабочей частоте

вырождающегося ионосферного волновода на уровне , определяемом из ур-ния

Рис. 1. Пример рикошетирующих траекторий: f = 30МГц, Z₀ = 150 км (тонкая черта - изолинии Ne).

Рис. 2. Отрыв скачковых траекторий от Земли: f = 18 МГц, ⁼7°.

Рис. 3. Структура траектории антиподного сигнала (а) и кругосветного сигнала (б).

Используя модели профиля электронной концентрации N_e(r)и изменения его узловых параметров [экстремумов N_e(r)и её вертикальных градиентов] в зависимости от координат (т. н. экстремально-параметрич. метод), можно получить из (1) - (4) явные ф-лы для всех характеристик радиосигнала.

Усреднённые горизонтальные проекции лучей являются характеристиками двумерного ур-ния эйконала

определяющего глобальную картину траекторий распространения. Особенности поля лучей (1) - (5) (каустики и фокальные точки) указывают области макс. уровня сигнала. За счёт продольной фокусировки возникают дискретные зоны повыш. напряжённости поля вдоль трассы. Поперечная фокусировка приводит к формированию фокальных пятен сложной структуры при антиподном и кругосветном распространении (рис. 3). В окрестности каустик и точек их заострения можно ожидать аномально высокого уровня АС и КС. Лит.: Краснушкин П. Е., Метод нормальных волн в применении к проблеме дальних радиосвязей, М., 1947; Ш л и о н с к и й А. Г., Дальнее распространение радиоволн в ионосфере, М., 1979; его же, Радиоэхо с многосекунднымн задержками, «Радиотехника», 1989, № 11, с. 46; 1991, № 7, с. 42; Гуревич А. В., Ц е д и л и н а Е. Е., Сверхдальнее распространение коротких радиоволн, М., 1979; Б а р а н о в В. А., Карпенко А. Л., Попов А. В., Приближенный метод оперативного расчета характеристик наклонного и возвратно-наклонного зондирования ионосферы, в кн.: Распространение декаметровых радиоволн, М., 1982; Е ф и м у к С. М. и др., Влияние критических частот F2-области ионосферы на прием кругосветных сигналов, «Геомагнетизм и аэрономия», 1985, т. 25, № 4, с. 681; Мартинес Брунет Р., Попов А. В., Структура фокальных пятен на неоднородной сфере, «ДАН СССР», 1986, т. 289, К» 5, с. 1079; Попов А. В., Ц е д и л и н а Е. Е., Черкашин Ю. Н., Новые методы расчета коротковолновых радиотрасс, в кн.: Электромагнитные и плазменные процессы от Солнца до ядра Земли, М., 1989. А. В. Попов, Ю. Н. Черкашин, А. Г. Шлионский.

   <<      Предметный указатель      >>