Исследование эффективности применения международной модели ионосферы iri-2001 для прогнозирования характеристик вч радиосвязи 05. 13. 18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

ШЛЮПКИН Александр Сергеевич

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.

Ростовского государственного университета

с. н. с. МАЛЬЦЕВА Ольга Алексеевна

профессор ЖАК Сергей Вениаминович

кандидат физико-математических наук,

с. н. с. БРОНИН Андрей Геннадьевич

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.

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.

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.

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.
  

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.
   

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.
  

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).

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

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.
   

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 N_e/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 h_о 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).

, где: (1)

a_j и b_j  коэффициенты Фурье; G_k(, ) – 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 G_k(, ) 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 I_G12 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 (y_m для слоя F1);
  
• 
  параметры долины: высота h_vt вышележащего слоя, на которой электронная концентрация равна NmE, высота h_vb и электронная концентрация N_vb в точке минимума долины.
  

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.

Рис.2. Карта размещения использованных в работе станций.

Экспериментальные данные по трассам НЗ также были взяты из литературных источников, либо предоставлены лабораториями, проводившими измерения. Объем данных, использованных в исследовании, позволяет говорить о статистической достоверности полученных результатов.

Во втором разделе главы приводятся результаты оценки точности долгосрочного прогнозирования с использованием различных моделей. В таблице 2 дается оценка точности прогноза foF2 для различных условий, полученная ранее отечественными методами. Одним из критериев этой оценки является среднеквадратичное отклонение (СКО)  модельных значений от экспериментальных. В диссертации показано, что долгосрочный прогноз по IRI имеет более высокую точность, чем прогнозы с использованием других известных моделей.
Таблица 2. Оценка точности прогноза foF2.

широты	уровень солн.акт.	день		ночь		восход-заход
		 (%)	, МГц	 (%)	, МГц	 (%)	, МГц
высокие	макс(1979)	13-14	1,1-1,2	28,2-30,7	1,7-2,0	-	-
	мин(1987)	14,2-16,8	0,9-1,1	29,4-33,2	1,2 -1,4	-	-
средние	мин-макс	10,9-12,4	1,2	17,4-20,0	0,9-1,0	15-18	1,3-1,6
низкие	макс	27,9-39,9	4,6-6,4	60,0-76,9	4,7-5,2	28,7-9,5	5,5-5,6

Третий раздел содержит оценку долгосрочного прогноза foF2 по модели IRI-2001, полученную в результате сравнения рассчитанных значений с экспериментальными данными для упомянутых выше станций ВЗ. Основной задачей была оценка влияния на прогноз шторм-фактора (ST-модель). Из представленных в работе периодов наиболее типичные результаты получены в марте 1993 г., когда наряду со спокойными условиями наблюдались дни положительных и отрицательных возмущений. Геомагнитная обстановка в виде Dst–индекса для периода с 6 по 16 марта приведена на рисунке 3.

Рис.3. Геомагнитная обстановка с 6 по 16 марта 1993 года.

Здесь _off – среднеквадратичные отклонения (CКО) значений foF2, рассчитанных по IRI с опцией “off” (т.е. без шторм–фактора), от экспериментально наблюдаемых; _on – СКО для foF2, найденные с опцией “on” (т.е. с учетом шторм – фактора). В таблице 3 содержатся итоговые результаты исследования по экспериментальным данным за 1993 г, показывающие, что для дневных часов средние значения C 39%, а для ночного времени C 23%. Общая статистика исследования показала, что при отрицательном возмущении применение шторм-фактора позволило сократить среднеквадратичную погрешность прогнозирования foF2 в 1,52,5 раза. В ночные часы эффективность шторм-фактора несколько ниже.

Отметим, что применение шторм-фактора на положительной стадии возмущения постоянно сопровождается ухудшением соответствия между прогнозируемыми и наблюдаемыми значениями foF2. Этот факт приводит к необходимости контроля Dst-индекса при прогнозировании ионосферных параметров по IRI-2001.