авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Исследование эффективности применения международной модели ионосферы iri-2001 для прогнозирования характеристик вч радиосвязи

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ШЛЮПКИН Александр Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕЖДУНАРОДНОЙ МОДЕЛИ ИОНОСФЕРЫ IRI-2001 ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВЧ РАДИОСВЯЗИ

05.13.18 - Математическое моделирование, численные

методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

г. Ростов-на-Дону

2006 г.

Работа выполнена на кафедре радиофизики физического факультета

Ростовского государственного университета

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

с. н. с. МАЛЬЦЕВА Ольга Алексеевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор ЖАК Сергей Вениаминович

кандидат физико-математических наук,

с. н. с. БРОНИН Андрей Геннадьевич

Ведущая организация: Институт прикладной геофизики имени

академика Федорова Е.К. (г. Москва)

Защита состоится « 1 » марта 2007 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета К.212.208.04 по физико-математическим и техническим наукам в Южном федеральном университете по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки 200/1, корпус 2, ЮГИНФО, к. 206.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке РГУ по адресу:

г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан « 30 » января 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета,

кандидат физико-математических наук, доцент Муратова Г.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Современные телекоммуникационные концепции выдвигают все более высокие требования к устойчивости, надежности, оперативности и гибкости связи. Именно для ионосферных ВЧ каналов связи, характеризующихся исключительной изменчивостью, их зависимостью от гелио- и геофизических условий, от протяженности и ориентации трасс, эти требования трудно выполнимы. Среди мер, которые должны в первую очередь обеспечить дальнейший прогресс ВЧ радиосвязи, называют совершенствование методов прогнозирования ионосферных условий и расчета характеристик распространения декаметровых волн (ДКМВ).

Задача прогнозирования решается путем использования математических моделей среды распространения ВЧ радиоволн – ионосферы. На основании таких моделей рассчитываются частотные и амплитудные характеристики радиотрасс. Достигнутые в последние годы успехи в ионосферных исследованиях и, как следствие, создание новых корректных моделей ионосферы, а также доступность применения ЭВМ со значительно возросшими вычислительными возможностями позволяют сегодня на качественно новой основе решать задачу прогнозирования характеристик ДКМ каналов.

На сегодняшний день в мире используется большое количество моделей ионосферы. Особое место среди них занимает модель IRI (International Reference of Ionosphere), которая, по мнению группы авторитетных экспертов, является наиболее разработанной и динамично развивающейся в своем классе. Последняя версия – IRI-2001 является глобальной медианной моделью ионосферы (т.е. позволяет строить долгосрочные прогнозы в любой точке земного шара). В ней предусмотрена возможность учета возмущенного состояния ионосферы, а также коррекции по данным текущей диагностики.



В то же время, созданная геофизиками, модель IRI не прошла еще достаточной проверки на трассах ВЧ связи. Так, в научной литературе мало данных о погрешностях прогнозирования на базе IRI основной характеристики радиотрасс – максимальной применимой частоты (МПЧ). Причем это можно сказать не только о возмущенной, но и о спокойной ионосфере. Практически не исследованы адаптационные возможности модели, и, как следствие, мало информации о возможности применения модели для оперативного прогноза. Представляет также интерес оценка возможности использования для коррекции модели различных средств диагностики.

Из сказанного следует, что задача исследования точностных характеристик модели IRI, долгосрочного и оперативного прогноза условий распространения декаметровых волн ВЧ трасс на ее основе является актуальной, имеющей важное научно-прикладное значение.

Цели и задачи диссертации.

  1. Исследовать эффективность применения математической модели “Международная справочная модель ионосферы IRI-2001” для долгосрочного и оперативного прогнозирования условий распространения ДКМВ.
  2. Осуществить выбор методов коррекции модели по данным текущей диагностики, позволяющих сократить погрешность прогнозирования характеристик ВЧ радиосвязи.
  3. Разработать программную реализацию предложенных методов и оценить их эффективность.

Для достижения поставленных целей потребовалось решить следующие задачи:

  • Провести сопоставительный анализ математических моделей ионосферы последних лет и определить место модели IRI-2001 среди них.
  • Разработать программную реализацию модели, позволяющую производить прогнозирование параметров ионосферы при организации ВЧ радиосвязи с использованием программного модуля IRI-2001, доступного через сеть Internet.
  • Осуществить поиск баз экспериментальных данных на радиотрассах для последующей статистически достоверной проверки прогнозов на основе IRI-2001.
  • Разработать программную реализацию методов коррекции модели IRI-2001 по данным вертикального зондирования и зондирования со спутников.
  • Получить количественные оценки точности долгосрочных прогнозов в спокойных и возмущенных условиях.
  • Оценить эффективность применения модели IRI-2001 для оперативного прогнозирования.
  • Представить обоснование возможности использования спутниковой радионавигационной системы GPS для коррекции модели IRI-2001.

Научная новизна результатов исследования.

Новыми являются следующие результаты:

  1. Количественные статистически обоснованные оценки погрешностей для односкачковых радиотрасс европейского региона для долгосрочного и оперативного прогнозов максимальной применимой частоты, выполненные на основе математической модели IRI
  2. Количественные оценки эффективности коррекции модели по данным ВЗ (foF2) и измерениям ТЕС применительно к задачам оперативного прогнозирования МПЧ.
  3. Метод корректировки модели IRI по данным ТЕС, учитывающий форму верхней части профиля ионосферы.
  4. Алгоритмы и программные реализации корректировки модели IRI по данным ВЗ и ТЕС.
  5. Алгоритм и программа получения ТЕС по результатам приема сигналов GPS.

Практическая значимость и использование результатов работы.

Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы в НИР: «Стандерс-РГУ», «Крюшон-РГУ», «МАП-Б», выполненных по гособоронзаказам.

Полученные в ходе выполнения работы результаты, алгоритмы и программные продукты могут быть использованы при:

  • прогнозировании максимальных применимых и оптимальных рабочих частот (МПЧ и ОРЧ) на линиях ВЧ связи;
  • коррекции характеристик распространения ДКМВ по данным текущей диагностики;
  • создании оперативных систем диагностики ионосферы с использованием GPS;
  • восстановлении пространственно-временного распределения концентрации электронов в ионосфере в интересах повышения качества функционирования систем космической связи;
  • расчетах ионосферных погрешностей абсолютных и относительных навигационных определений высотных (ионосферных) абонентов СРНС;
  • оценке точностных характеристик систем ВЧ пеленгаторов.

Апробация работы.

Результаты работы были представлены и обсуждены на следующих конференциях: X и ХI региональных конференциях по распространению радиоволн (С - Петербург, 2004, 2005), Х всероссийской научной конференции студентов физиков (Москва, 2004), международной конференции по проблемам геокосмоса (С - Петербург, 2004), международном симпозиуме “Solar Extreme Events of 2003”( Москва, 2004), EGU-2005 (Вена, 2005), международной научной конференции “Излучение и рассеяние электромагнитных волн” (Таганрог, 2005), XI международном симпозиуме по ионосферным явлениям IES-2005 (Александрия, США, 2005), X международной конференции Ionospheric Radio Systems and Techniques (IRST) (Лондон, 2006), I международной конференции European Conference on Antennas & Propagation (EuCAP2006) (Ницца, 2006).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, из них 3 - в российских журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав материала и заключения с общим объемом в 145 листов, включая список цитируемой литературы и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются её цели и задачи, показывается научная новизна и практическая значимость, сообщается об апробации работы, формулируются положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. Здесь анализируются существующие модели прогнозирования параметров ионосферы. Глава состоит из шести разделов. В первом разделе приводятся общие требования, предъявляемые к моделям ионосферы с позиций ВЧ радиосвязи. Они следующие:

  1. Глобальность – позволяет прогнозировать параметры ионосферы в любой точке земного шара – отсутствуют широтно-долготные ограничения.
  2. Адаптивность – возможность коррекции модели по результатам диагностики одного (или нескольких) из параметров ионосферы.
  3. Возможность учета возмущенного состояния ионосферы.
  4. Простота и высокая скорость расчетов.
  5. Доступность – наличие модели в свободном доступе, справочных материалов и технической поддержки.

Три следующих раздела посвящены краткому описанию теоретических, гибридных и эмпирических моделей соответственно. Показано, что применимость теоретических моделей для оперативного прогнозирования ВЧ каналов в условиях ограниченности ресурсов времени весьма проблематична. Примером такой модели может служить глобальная теоретическая модель ионосферы (Global Theoretical Ionospheric Model – GTIM). В качестве примера гибридных (полуэмпирических) математических моделей представлена отечественная полуэмпирическая модель ионосферы (ПЭМИ), признанная одной из лучших в мире. Однако упрощения, введенные по сравнению с теоретическими моделями, не позволяют намного снизить требования, предъявляемые к вычислительным ресурсам. Использование эмпирических математических моделей позволяет значительно упростить вычисления и тем самым повысить скорость работы прикладных программ расчета ВЧ каналов. Требования к вычислительным ресурсам при этом сводятся к минимуму. Однако эти модели носят медианный характер, т.е. их возможности ограничены долгосрочным прогнозированием. Для решения текущих задач оперативного прогноза требуется коррекция модели. Именно этот факт приводит к необходимости исследования возможности адаптации модели по результатам текущей диагностики состояния ионосферы.

Широко известны следующие эмпирические модели: IRI (International Reference of Ionosphere – международная справочная модель ионосферы); отечественная модель СМИ (Справочная Модель Ионосферы, НПО “Тайфун” г. Обнинск); европейская модель NеQuick.

Из этих моделей модель IRI на сегодняшний день является наиболее развитой, доступной и удобной для использования в практических целях, удовлетворяющей в полной мере сформулированным выше требованиям.

В пятом разделе содержится краткая характеристика последней версии модели IRI (IRI-2001). Отличительные особенности модели, определившие ее выбор для решения задач диссертации, следующие: она носит глобальный характер; для нее возможна так называемая QP-аппроксимация N(h)-профиля, упрощающая процесс расчета траекторий; предусмотрен учет возмущенных условий; имеется возможность коррекции модели; программная реализация модели есть в Internet и постоянно обновляется.

В последнем (шестом) разделе главы содержатся выводы.

Вторая глава посвящена детальному описанию модели IRI-2001. Показаны широкие возможности модели, позволяющие разработчикам использовать ее для решения различных задач.





В первом разделе приводятся общие положения модели, а также описываются входные и выходные параметры. Пакет программ распространяется NSSDC (National Space Science Data Centre) в виде FORTRAN подпрограмм и файлов коэффициентов CCIR(МККР) и URSI, файлов документации. Доступ к программам организован через FTP-сервер.

Модель IRI является многопараметрической, включающей определение нескольких классов параметров, таких как: концентрация электронов и ионов и их температура; концентрация нейтральных компонент и их температура; характеристики магнитного поля и многие другие дополнительные величины.

Входными параметрами модели при проведении расчетов являются: географические или геомагнитные координаты места (долгота и широта); дата, на которую производится расчет; время по Гринвичу; уровень солнечной активности; в режиме адаптации входными параметрами могут быть критические частоты, высоты слоев ионосферы и т.д.

Выходными параметрами являются следующие высотные профили: электронной плотности N(h) и Ne/NmF2, электронной температуры Te, ионной температуры Ti, нейтральной температуры Tn и процентного содержание ионов в диапазоне от 60 до 2000 км, а также ТЕС.

Второй раздел содержит основные положения алгоритма работы IRI. Распределение концентраций с высотой в IRI состоит из 2-х частей: модели нижней ионосферы для высот от начала ионосферы hо до высоты максимума hmF2 слоя F2; модели верхней части для области выше hmF2.

Расчет исходных основных ионосферных параметров foF2 и M3000F2 в модели IRI может быть реализован двумя вариантами, выбор которых задан соответствующей входной опцией (1-URSI, 0-CCIR).

CCIR - это вычислительная программа прогноза ITU-R, построенная с использованием метода Лежандра-Фурье, в котором среднемесячные foF2 определяются коэффициентами разложения для любых значений широты, долготы и времени:

, где: (1)

aj и bj коэффициенты Фурье; Gk(, ) – сферические функции Лежандра; , - географические координаты; n=76 для foF2; n=49 для М(3000)F2; m=6 для foF2; m=4 для М(3000)F2.

Глобальные функции Gk(, ) соответствуют каждому коэффициенту Фурье. Численные карты параметров foF2 и М(3000)F2 получаются с помощью 2-х наборов коэффициентов (URSI/CCIR) для низкой и высокой солнечной активности, для каждого месяца. Для вычисления foF2 используется индекс IG12 солнечной активности.

Для наземных трасс важна ионосфера только ниже максимума области F. Для этих высот в модели IRI определяются следующие параметры вертикального распределения ионизации:

  • максимальные (критические) частоты слоев: foF2, foF1, foE, foD;
  • высоты максимумов слоев: hmF2, hmF1, hmE, hmD;
  • полутолщины: Во (аналог ym для слоя F2), С1 (ym для слоя F1);
  • параметры долины: высота hvt вышележащего слоя, на которой электронная концентрация равна NmE, высота hvb и электронная концентрация Nvb в точке минимума долины.

Поскольку наибольшие ошибки моделей и прогнозов ионосферных параметров связаны с возмущенными условиями, в модели IRI введен учет возмущенного состояния ионосферы (ST-модель), механизм которого описан в третьем разделе. Учет возмущенных условий проводится как аддитивная поправка к спокойным значениям foF2. Модель дает корректирующий множитель CF шторм-фактор, позволяющий перейти от foF2мед. критической частоты слоя F2 эмпирической медианной модели к критической частоте на период возмущения: foF2корр. = CFfoF2мед.

В четвертом разделе рассматривается возможность вариации параметров IRI, позволяющая использовать модель в режиме адаптации по данным диагностики в реальном масштабе времени. Адаптивными параметрами могут быть индексы солнечной активности, критические частоты и высоты слоев. А наиболее перспективным средством текущей диагностики – использование ТЕС, восстановленного по результатам мониторинга ионосферы спутниками GPS.

В пятом разделе содержатся выводы второй главы. Несмотря на медианный характер, ограничивающий применение IRI для нужд радиосвязи, отмечаются широкие адаптационные возможности IRI по данным текущей диагностики одного (или нескольких) из параметров, позволяющие компенсировать указанный недостаток.

Третья глава посвящена исследованию точности применения IRI-2001 для долгосрочного прогнозирования трасс ВЧ радиосвязи. Производится расчет количественных значений погрешностей прогнозирования для различных сезонов и уровней солнечной и геомагнитной активности.

В первом разделе главы описана методика проведения исследования и дается краткое представление о разработанном программном обеспечении, позволяющем производить необходимые для анализа вычисления. Основной прием исследования – сопоставление суточных вариаций экспериментальных и модельных значений параметров foF2 и МПЧ. Экспериментальные foF2 были получены на 24 станциях ВЗ, большая часть из которых представлена на рисунке 2. Источниками получения этих данных были Internet-сайт SPIDR (Space Physics Interactive Data Resource), а также публикации в специальной литературе. Общий временной интервал подвергшихся анализу данных составил 7 лет. Точность прогнозирования МПЧ оценивалась по данным 6 европейских трасс НЗ, список которых и периоды измерений приведены в таблице 1.

– станции НЗ; – станции ВЗ; – станции ТЕС.

Рис.2. Карта размещения использованных в работе станций.

Таблица 1. Список трасс наклонного зондирования.

Трасса НЗ Протяженность трассы, км Время наблюдения Индекс Rz12
1 Chelveston - Linkoping 1216 1-31 марта 1993 67
2 Rome - Linkoping 1850 1-31 марта 1993 67
1-28 июня 1993 57
3 Inskip - Moscow 2551 1-30 апреля 2002 111
4 Cyprus - Moscow 2293
5 Inskip - Rostov 3042 11-15 апреля 2004 35
19-20 августа 2003 61
6 Inskip - Rome 1735 2-31 декабря 2003 43


Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.