Спутниковая радиотомография (стр. 3 из 4)

Главной характеристикой ионосферного слоя является критическая частота. Критической частотой fC, или частотой проникновения, называется самая высокая частота волны отраженной от ионосферного слоя, или самая низкая частота волны, которая проникает сквозь слой. Она является непосредственной мерой максимальной электронной концентрации NMAX слоя.

В эпоху азбуки Морзе и первых телеграфных аппаратов критическую частоту определяли на основании чисел Вольфа и специальных графиков-прогнозов. В зависимости от выбранного направления и дальности трассы, зная координаты точки отражения волны, можно было определить МПЧ – максимально применимую частоту данной радиолинии. Затем расчетные значения МПЧ корректировались по данным ионосферного зондирования.

Для получения информации о структуре ионосферных слоев и динамике ионосферной плазмы Земли используются различные варианты радиозондирования (вертикальное (ВЗ), наклонное (НЗ), возвратно-наклонное (ВНЗ), трансионосферное и различные виды сигналов (узкополосные (УПС), широкополосные (ШПС), сигналы с различными видами модуляции). Едва ли можно выделить какой-либо метод зондирования ионосферы, обладающий однозначным превосходством над остальными по всем параметрам и обеспечивающий всех заинтересованных потребителей во всех областях исследований. Различные методы исследования существуют совместно и успешно дополняют друг друга.

Наибольшую точность в определении МПЧ имеет метод трассового (наклонного) зондирования. Передатчик и приемник импульсов разнесены на расстояние одного или нескольких скачков. В заранее установленное время или с каким-то периодом передатчик посылает в эфир сигнал последовательно на нескольких частотах. На приемном конце оценивается слышимость и качество сигналов и делается вывод о подходящих частотах для данного времени суток и года. Накопленная статистика затем используется в процессе организации связи. В данном случае точность определения МПЧ будет определяться шагом перестройки частоты передатчика.

Еще одним способом практического определения КЧ и МПЧ являются методы вертикального и возвратно-наклонного зондирования. В обоих случаях прием осуществляется в точке передачи.

В ходе вертикального зондирования (ВЗ) радиоволны передатчика, находящегося в месте исследований, излучаются вверх и затем отражаются от ионосферы. Зная скорость их распространения, равную скорости света, и время от момента передачи до момента приема, можно определить высоту отражающего слоя. Разрешающая способность по задержке при импульсном зондировании определяется длительностью диагностирующего импульса и составляет, как правило, 2.5 - 5 км. По максимальному значению частоты приема определяется КЧ. Вертикальные ионозонды определяют состояние ионосферы непосредственно над пунктом расположения. Позволяя получать зависимость распределения электронной концентрации от высоты, они не очень хорошо подходят для исследований динамических процессов в ионосфере, а их применение является достаточно затратным из-за необходимости обеспечения работы радиопередающих систем.

В случае возвратно-наклонного зондирования (ВНЗ) используется эффект, впервые полученный русским ученым Николаем Ивановичем Кабановым. В 1948 году ему впервые в мире удалось зафиксировать отражение радиоволны от Земли в обратном направлении, так называемое "эхо". Это открытие получило название "эффект Кабанова" и в 1957 году было внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 1. По существу, ионосфера при ВНЗ выполняет функции огромного пассивного ретранслятора. Прогноз максимально применимых частот возможен на основе данных о высотном распределении профиля электронной концентрации и, прежде всего, данных о критической частоте и высоте слоя F2 ионосферы. Приняв обратную волну, которая образуется при отражении от земли на другом конце радиотрассы, по времени ее распространения и высоте отражающего слоя математическим способом определяется МПЧ конкретной трассы. С помощью ВНЗ можно обнаружить, например, появление в ионосфере спорадических слоев, метеорной ионизации, нерегулярных образований электронной плотности волнового и изолированного типов и другие явления. ВНЗ позволяет экcпepимeнтaльнo подбирать наилучшую частоту для радиосвязи на данной трассе в данное время.

На практике зачастую перед сеансом нет возможности проводить процедуру зондирования по соображениям дефицита времени или иным причинам. Кроме того, для проведения вертикального и возвратно-наклонного зондирования помимо наличия передатчика и приемной антенны с заданной диаграммой направленности требуются высокая точность определения времени между моментами передачи и приема радиоимпульсов, а также синхронизация работы передающих и приемных комплексов. Указанные причины привели к выделению частотно-диспетчерской службы КВ радиоцентров в отдельное структурное подразделение и появлению специальных станций зондирования.

В последние годы большую часть данных о волновых процессах в ионосфере удается получать с использованием глобальной сети GPS. Учитывая большое количество спутников данной системы, большое число двухчастотных наземных приемников (более 1000), а также доступность данных, можно сказать, что метод обеспечивает наилучшее пространственно-временное разрешение и наилучшую возможность получения статистически значимых наборов данных. Возможности применения метода GPS широко используются и хорошо освещены в публикациях доктора физико-математических наук Афраймовича Э. Л.

Мониторинг ионосферы с использованием навигационных спутников систем GPS и ГЛОНАСС обеспечивает возможность определения в реальном масштабе времени пространственного распределения параметров ионосферы и, тем самым, возможность оперативного прогнозирования МПЧ с целью эффективного планирования и проведения сеансов коротковолновой связи.

По результатам спутникового мониторинга, осуществляемого из одного наземного пункта, возможно с дискретностью не более 1 минуты в пределах пространственной области с радиусом примерно 1000 км оценивать необходимые для расчета МПЧ параметры ионосферы, а также определять высотные профили распределения электронной концентрации ионосферы в диапазоне высот 80…1000 км (с дискретностью 22 км) и ее полное электронное содержание.

Полученные результаты спутникового мониторинга ионосферы подтверждают адекватность предлагаемого подхода.

5. Первые в мире

Россия станет первой страной в мире, где намерены создать грандиозную систему мониторинга состояния верхних слоев атмосферы. В центре этой системы - Обнинск.

Было время, когда советские ученые были "впереди планеты всей" по изучению верхних слоев атмосферы - они тогда запускали метеорологические ракеты, зонды, использовали радиолокационные станции, акустические и оптические радары. И сейчас это время, похоже, возвращается - в России принята федеральная целевая программа (ФЦП) по созданию системы мониторинга верхней атмосферы.

Внушительная часть этой системы создается в обнинском НПО "Тайфун".

…Еще лет 40 назад был придуман простой, но остроумный способ слежения за скоростью и направлением ветра, а также турбулентностью - на высотах 80-105 км, то есть в мезосфере.

Ежеминутно в земную атмосферу из космоса вторгаются "пришельцы" - пылинки, мелкие камушки. Наверное, всякий видел по ночам, как "звезды" падают с неба - это и есть всякая космическая мелочь, оставляющая при сгорании яркий светящийся след. Их называют метеорами. Так вот, локаторами можно засечь трансформацию метеорного следа, отследить то, как он меняется под воздействием ветра, а затем вычислить скорость и направление воздушного потока и его турбулентность.

Тогда же в СССР были построены несколько метеорных радиолокационных станций (РЛС), одна из них до сих пор функционирует под Обнинском, недалеко от деревни Вашутино. Но они устарели, и сейчас в НПО "Тайфун" разрабатывается метеорная РЛС нового поколения. Этот прибор будет значительно превосходить своих предшественников по точности измерений.

Уже в 2011 году планируется создать опытный образец станции. А дальше начнется самое интересное - в разных точках страны установят семь современных РЛС и объединят их в единую сеть с единым центром приема информации.

Одновременная локация заоблачных высот из разных точек создаст целостную картину происходящего в мезосфере. Но и это еще далеко не все. Будет создана сеть из нескольких оптических локаторов - лидаров. Их задача - следить за состоянием более низкого атмосферного слоя - стратосферы (до 80 км).

Лидары в стране вообще-то уже есть, один из них работает в Обнинске на территории высотной метеомачты. Но они тоже устарели, а новые, которые сейчас также разрабатывают в НПО "Тайфун", отличаются повышенной точностью измерений температуры, давления, плотности, количества озона, аэрозолей и других параметров.

Всего же в стране создается более десятка различных сетей по наблюдению за верхней атмосферой. Все сетевые станции планируется сделать максимально автоматизированными, даже дистанционно управляемыми для того, чтобы воздействие человеческого фактора на измерения свести к минимуму.

Подобной разветвленной сети мониторинга верхних слоев нигде в мире нет. Столь масштабных наблюдений не планировала еще ни одна страна, Россия станет первой. И что замечательно - единый информационный центр, куда потечет поток данных со всех наблюдательных станций, расположится в Обнинске, на территории НПО "Тайфун", для него уже выделено место.

По планам, все сети должны начать работу в 2015 году, и график работ, несмотря на кризис, выдерживается. Финансирование ФЦП хотя и сокращается, тем не менее, сейчас денег на проектирование станций хватает. Но "прощупывания" атмосферы радарами мало, картина получится все-таки неполной. Поэтому уже через 4 года возобновятся запуски метеорологических ракет, которые в нашей стране не летали уже 12 лет. Это будет новая твердотопливная двухступенчатая ракета МР-30, способная подниматься на высоты более 300 км.