Материалы 18-й Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса»
Москва, ИКИ РАН, 16–20 ноября 2020 г.

(http://conf.rse.geosmis.ru)

XVIII.I.203

Математическое моделирование поляризационных характеристик радиоволн в ионосфере на основе данных радиотомографии

Бова Ю.И. (1), Крюковский А.С. (1,2), Кутуза Б.Г. (2), Лукин Д.С. (1), Растягаев Д.В. (1,2)
(1) Российский новый университет, Москва, РФ
(2) Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН
Настоящая работа посвящена математическому моделированию поляризационных характеристик радиосигналов в ионосфере Земли. В работах [1-6] рассматривались высокоширотная и среднеширотная модели ионосферы. В данном исследовании выбрана низкоширотная модель ионосферы, включающая в себя экваториальную аномалию. Модель построена на основе данных радиотомографии [7,8,9], и поэтому более адекватно, чем усредненные эмпирические модели, отражает реальную структуру ионосферной плазмы.
Расчёты выполнены для рабочей частоты 430 МГц (0,7 м), соответствующей P-диапазону. Актуальность исследования прохождения радиоволн через ионосферу Земли данного частотного диапазона определяется планированием космических экспериментов с целью дистанционного зондирования поверхности Земли из космоса [10]. Метровый и дециметровый диапазоны используются в задачах радиолокации и радиотомографии при восстановлении профиля электронной концентрации ионосферной плазмы [8,9].
В работе при выполнении численного моделирования учтено изменение значений углов склонения и наклонения и величины напряжённости магнитного поля от широты [11]. Также учтена высотная зависимость напряженности магнитного поля.
Методом бихарактеристик [12-17, 20] проведено математическое моделирование поляризационных параметров радиоволн Р-диапазона в ионосфере Земли в окрестности экваториальной аномалии вдоль меридианной трассы. Получена зависимость группового времени от горизонтальной координаты. Построены зависимости скорости изменения фазы (производной фазы по групповому времени). В P-диапазоне можно считать, что обыкновенная и необыкновенная волны распространяются вдоль одной и той же лучевой траектории. Тогда можно говорить об эффекте вращения плоскости поляризации, а угол фарадеевского вращения вычислить интегрированием вдоль лучевой траектории [1-3, 18, 19, 21]. Проанализированы зависимости разности показателей преломления обыкновенной и необыкновенной волны от высоты вдоль лучей. Исследовано влияние ионосферы на девиацию фазы и угол фарадеевского вращения при пролете космического аппарата с учетом изменения величины и ориентации магнитного поля Земли.

Ключевые слова: ионосфера, магнитное поле, склонение, наклонение, девиация фазы, фарадеевское вращение, бихарактеристики, групповая скорость, P-диапазон
Литература:
  1. Kutuza B.G., Bova Yu.Ig., Kryukovsky A.S., Stasevich V.Ig. Features of the Influence of the Earth‘s Ionosphere on the P-Band Propagation // The 12th European Conference on Synthetic Aperture Radar - EUSAR 2018, Aachen, Germany on June 4-7, 2018.
  2. Бова Ю.И., Крюковский А.С., Кутуза Б.Г., Лукин Д.С., Стасевич В.И. Исследование влияния ионосферы на распространение электромагнитных волн P-диапазона // Физические основы приборостроения. 2018. Т. 7. № 1 (27). С. 54-61.
  3. Крюковский А.С., Кутуза Б.Г., Бова Ю.И. Исследование влияния ионосферы земли на распространение радиоволн Р-диапазона // Вестник Российского нового университета. Серия: Сложные системы: модели, анализ и управление. 2017. № 2. С. 7-12.
  4. Бова Ю.И., Крюковский А.С., Кутуза Б.Г., Палкин Е.А. Исследование влияния ионосферы земли на фарадеевское вращение вектора поляризации радиоволн в высокочастотном диапазоне // Вестник Российского нового университета. Серия: Сложные системы: модели, анализ и управление. 2018. № 4. С. 19-27.
  5. Bova Yu. I., Kryukovsky A.S., Kutuza B.G., Lukin D.S. The Influence of the Earth’s Ionosphere on the Polarization Characteristics of a Radio Wave in the High-Frequency Range // 2019 Russian Open Conference on Radio Wave Propagation (RWP), 1-6 July 2019 / Russia, Kazan: IEEE. PP. 492 – 495.
  6. Бова Ю.И., Крюковский А.С., Кутуза Б.Г., Лукин Д.С. Математическое моделирование вращения вектора поляризации в ионосферной плазме // В сборнике: Всероссийские открытые Армандовские чтения Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн. 2019. С. 158-167.
  7. Андреева Е.С., Крюковский А.С., Куницын В.Е., Лукин Д.С., Растягаев Д.В., Кирьянова К.С. Моделирование лучевой и каустической структуры электромагнитных полей по данным радиотомографии ионосферы в окрестности экваториальной аномалии. // «Распространение радиоволн», сб. докл. ХХIII Всероссийской научной конференции. (23–26.05.2011; Йошкар-Ола) /Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2011. Т.3 C. 288-291.
  8. Andreeva, E.S., Frolov V.L., Kunitsyn V.E., Kryukovskii A.S., Lukin D.S., Nazarenko M.O., Padokhin A.M. Radiotomography and HF ray tracing of the artificially disturbed ionosphere above the Sura heating facility // Radio Sci., 2016. V. 51. № 6. PP. 638–644, doi:10.1002/2015RS005939.
  9. Franke S.J., Yeh K.C., Andreeva E.S., Kunitsyn V.E. A study of the equatorial anomaly ionosphere using tomographic images // Radio Science. 2003. V. 38. No.1. Р.1011-1020.
  10. Kutuza B.G., Kalinkevitch .A.A., Ephimov A.I., Vostrov E.A., Dzenkevitch A.B. Application of SAR Operating at P-band for Space Experiments // EUSAR’96: Proceedings. Germany, Konigswinter, 1996. P. 309-313.
  11. Natural Resources Canada // https://geomag.nrcan.gc.ca/mag_fld/magdec-en.php
  12. Казанцев А.Н., Лукин Д.С., Спиридонов Ю.Г. Метод исследования распространения радиоволн в неоднородной магнитоактивной ионосфере. // Космические исследования, 1967. Т. 5. Вып. 4. С. 593–600.
  13. Кирьянова К.С., Крюковский А.С. Особенности лучевого распространения радиоволн в ионосфере земли // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2012. Т. 6. № 11. С. 25-28.
  14. Крюковский А.С., Лукин Д.С., Кирьянова К.С. Метод расширенной бихарактеристической системы при моделировании распространения радиоволн в ионосферной плазме. // Радиотехника и электроника, М.: Наука. 2012. Т.57. № 9. С. 1028-1034.
  15. Крюковский А.С., Скворцова Ю.И. Математическое моделирование распространения радиоволн в нестационарной плазме с учетом кривизны поверхности земли и ионосферных слоев // Вестник Российского нового университета. Серия: Сложные системы: модели, анализ и управление. 2016. № 1-2. С. 34-40.
  16. Крюковский А.С., Лукин Д.С., Растягаев Д.В., Скворцова Ю.И. Математическое моделирование распространения частотно-модулированных радиоволн в ионосферной плазме // Радиотехника и электроника, 2015, Т. 60, № 10. С. 1001-1009.
  17. Бова Ю.И., Крюковский А.С., Лукин Д.С. Моделирование распространения частотно-модулированного излучения в анизотропной ионосферной плазме // Электромагнитные волны и электронные системы. 2017. Т. 22. № 5. С. 4-11.
  18. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир, 1973. 502 с.
  19. Кутуза Б.Г., Мошков А.В. Влияние фарадеевского вращения плоскости поляризации в ионосфере при измерении из космоса радиоизлучения поверхности океана. // Исследование Земли из космоса. 1988. № 5. С. 94-98.
  20. Ипатов Е.Б., Крюковский А.С., Лукин Д.С., Палкин Е.А., Растягаев Д.В. Методы моделирования распространения электромагнитных волн в ионосфере с учетом распределений электронной концентрации и магнитного поля Земли // Радиотехника и электроника. 2014. Т. 59. № 12. С. 1180-1187.
  21. Бова Ю.И., Крюковский А.С., Кутуза Б.Г., Лукин Д.С. Исследование влияния ионосферы земли на распространение радиоволн в высокочастотном диапазоне // Радиотехника и электроника. 2019. Т. 64. № 8. С. 752-758.

Презентация доклада



Ссылка для цитирования: Бова Ю.И., Крюковский А.С., Кутуза Б.Г., Лукин Д.С., Растягаев Д.В. Математическое моделирование поляризационных характеристик радиоволн в ионосфере на основе данных радиотомографии // Материалы 18-й Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Москва: ИКИ РАН, 2020. C. 386. DOI 10.21046/18DZZconf-2020a

Дистанционное зондирование ионосферы

386