RU2529355C2

RU2529355C2 - Method of determining spatial distribution of ionospheric inhomogeneities

Info

Publication number: RU2529355C2
Application number: RU2013100642/07A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Георгиевич Вертоградов; Валерий Павлович Урядов; Елена Геннадьевна Вертоградова
Priority date: 2013-01-09
Filing date: 2013-01-09
Publication date: 2014-09-27
Also published as: RU2013100642A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to radiophysical methods of investigating the ionosphere and is intended for determining spatial distribution of ionospheric inhomogeneities by a radar method using a linear FM ionosonde-radio direction-finder. The method includes probing the ionosphere with a broadband chirp signal; receiving the emitted chirp signal synchronously with transmission thereof; measuring the distance-frequency characteristics (DFC) and angular frequency characteristics (AFC) of all received signals (forward and scattered by ionospheric inhomogeneities); based on an ionospheric model and the measured DFC and AFC, calculating characteristics of the forward signal propagating on an arc of a large circle between the transmitter and the receiver; correcting the ionospheric model until the measured and calculated characteristics of the forward signal match; for the calculated ionospheric model and measurement data of the DFC and AFC of the scattered signal, calculating characteristics of the scattered signal until the measured and calculated data match and determining spatial distribution of ionospheric inhomogeneities based thereon.

EFFECT: high accuracy of determining spatial distribution of small-scale inhomogeneities of electron concentration, provided by increasing the probing frequency to a value higher than the critical frequency of the ionospheric F-layer, for detecting signals scattered by the ionospheric inhomogeneities with high frequency-time resolution, and positioning the inhomogeneities.

4 dwg

Description

Изобретение относится к радиофизическим методам исследования ионосферной плазмы и предназначено для определения пространственного распределения ионосферных неоднородностей радарным методом с помощью ЛЧМ ионозонда - радиопеленгатора. Исследование ионосферных неоднородностей имеет важное значение как для понимания физических процессов в верхней атмосфере, так и для решения практических задач радиосвязи, радионавигации, радиопеленгации и радиолокации, поскольку неоднородности приводят к замираниям и вариациям углов прихода радиосигнала, что снижает эффективность работы радиоэлектронных систем различного назначения. Для изучения ионосферных неоднородностей и определения их параметров применяются различные экспериментальные методы и техника измерений. Наибольшее развитие получил метод вертикального зондирования ионосферы (Singleton D.G. The morphology of spread F occurrence over half a sunspot cycle. J. Geophys. Res. 1968, v.73, pp.295-308; патент РФ №2403592 на изобретение «Способ определения величины интенсивности неоднородностей ионосферы по данным вертикального зондирования»). Кроме этого, для исследования неоднородностей применяются такие методы, как метод мерцаний с использованием радиосигналов спутника (Crane R.K. Ionospheric scintillation. Proc. IEEE. 1977, v.65, p.180), прямые зондовые измерения с борта ракет и спутников (Dyson P.L., McClure J.P., Hanson W.B. In situ measurements of the spectral characteristics of ionospheric irregularities. J. Geophys. Res. 1974, v.79, p.1497; Pfaff R.F., Kelley M.C., Fejer B.G. et al. Electric field and plasma density measurements in the auroral electrojet. J. Geophys. Res. 1984, v.89, pp.236-244; Kelley M.C., Arce T.L., Salowey J. et al. Density depletions at the 10-m scale induced by the Arecibo heater J. Geophys. Res. 1995. v. 100, no. A9, p.17367-17376), трансионосферное зондирование с помощью радиосигналов навигационных спутников ГЛОНАСС (патент РФ №2421753 на изобретение «Способ определения параметров ионосферы и устройство для его осуществления»), используются также радары некогерентного и когерентного рассеяния радиоволн (Hagfors Т. The EISCAT facility. High-latitude space plasma physics. New York; London: Plenum Press, 1983, p.1-9; патент РФ №2251713 «Способ определения электронной концентрации в заданной области ионосферы и устройство для его осуществления»; Ruohoniemi J.M., Villain J.P. et al. Coherent HF radar backscatter from small-scale irregularities in the dusk sector of the subauroral ionosphere. J. Geophys. Res. 1988, v.93, pp.12871-12882). Каждый их этих методов имеет свои достоинства и недостатки. Так измерения с борта ракет и спутников хотя и имеют высокое пространственное разрешение, но носят эпизодический характер. Низкая разрешающая способность станций вертикального зондирования не позволяет осуществлять детальную локализацию рассеивающих неоднородностей. Этим же недостатком отличается и метод мерцаний радиосигналов спутника. Радар некогерентного рассеяния обладает высоким пространственным разрешением, но является весьма дорогостоящим инструментом. Радары когерентного рассеяния, объединенные в сеть радаров SuperDARN (Greenwald R.A., Baker К.В., Dudeney J.R. et al. Darn/Superdarn: A global view of the dynamics of high-latitude convection // Space Sci. Rev. 1995, v.71, p.761), предназначены для исследования только высокоширотных неоднородностей и имеют ограничения на позиционирование ионосферных неоднородностей. Дело в том, что в условиях сильных геомагнитных возмущений авроральная область с неоднородностями смещается в южном направлении (на более низкие широты), и неоднородности оказываются вне зоны видимости радаров по условиям ракурсного рассеяния радиоволн. Кроме того, радары сети SuperDARN работают только на ряде фиксированных частот в ограниченном диапазоне частот 8-20 МГц, что существенно снижает возможности таких радаров для мониторинга ионосферных неоднородностей.The invention relates to radiophysical methods for studying the ionospheric plasma and is intended to determine the spatial distribution of ionospheric inhomogeneities by the radar method using the LFM of an ionosonde radio direction finder. The study of ionospheric inhomogeneities is important both for understanding the physical processes in the upper atmosphere and for solving practical problems of radio communication, radio navigation, radio direction finding and radar, since inhomogeneities lead to fading and variations in the angles of arrival of the radio signal, which reduces the efficiency of various electronic systems. Various experimental methods and measurement techniques are used to study ionospheric inhomogeneities and determine their parameters. The method of vertical sounding of the ionosphere (Singleton DG The morphology of spread F occurrence over half a sunspot cycle. J. Geophys. Res. 1968, v.73, pp. 295-308; RF patent No. 2403592 for the invention "Method for determining the value intensities of ionospheric inhomogeneities according to vertical sounding ”). In addition, to study heterogeneities, methods such as the flicker method using satellite radio signals (Crane RK Ionospheric scintillation. Proc. IEEE. 1977, v.65, p.180), direct probe measurements from missiles and satellites (Dyson PL, McClure JP, Hanson WB In situ measurements of the spectral characteristics of ionospheric irregularities. J. Geophys. Res. 1974, v. 79, p. 1497; Pfaff RF, Kelley MC, Fejer BG et al. Electric field and plasma density measurements in the auroral electrojet. J. Geophys. Res. 1984, v. 89, pp. 236-244; Kelley MC, Arce TL, Salowey J. et al. Density depletions at the 10-m scale induced by the Arecibo heater J. Geophys Res. 1995. v. 100, no. A9, p. 17367-17376), transionospheric sounding using radio signals n vigatsionnyh GLONASS (Russia №2421753 patent "Method for determining the parameters of the ionosphere and device for its implementation") as used radars the coherent and incoherent scattering of radio waves (Hagfors T. The EISCAT facility. High-latitude space plasma physics. New York; London: Plenum Press, 1983, p. 1-9; RF patent No. 2251713 "A method for determining the electron concentration in a given region of the ionosphere and a device for its implementation"; Ruohoniemi J.M., Villain J.P. et al. Coherent HF radar backscatter from small-scale irregularities in the dusk sector of the subauroral ionosphere. J. Geophys. Res. 1988, v. 93, pp.12871-12882). Each of these methods has its advantages and disadvantages. So measurements from the missiles and satellites, although they have high spatial resolution, are episodic in nature. The low resolution of vertical sensing stations does not allow for detailed localization of scattering inhomogeneities. The flaw of the satellite radio signals also differs by the same drawback. The incoherent scattering radar has a high spatial resolution, but is a very expensive tool. Coherent scattering radars integrated into the SuperDARN radar network (Greenwald RA, Baker K.V., Dudeney JR et al. Darn / Superdarn: A global view of the dynamics of high-latitude convection // Space Sci. Rev. 1995, v. 71, p.761), are intended to study only high-latitude inhomogeneities and have limitations on the positioning of ionospheric inhomogeneities. The fact is that, under conditions of strong geomagnetic disturbances, the auroral region with inhomogeneities shifts southward (to lower latitudes), and the inhomogeneities are outside the radar visibility range under conditions of angular scattering of radio waves. In addition, SuperDARN radars operate only at a number of fixed frequencies in a limited frequency range of 8-20 MHz, which significantly reduces the capabilities of such radars for monitoring ionospheric inhomogeneities.

В качестве прототипа взят способ определения высотного распределения величины интенсивности неоднородностей ионосферы по данным вертикального зондирования (патент РФ №2403592 «Способ определения величины интенсивности неоднородностей ионосферы по данным вертикального зондирования»), заключающийся в том, что обрабатывают данные вертикального зондирования ионосферы и на каждой из частот зондирования определяют действующие высоты отражения, сортируют полученные данные по частоте - каждой из частот зондирования ставятся в соответствие те действующие высоты отражения, от которых отражалась волна, сортируют полученные данные по высоте - каждой из высот отражения ставятся в соответствие все те частоты, на которых происходило отражение от данной высоты, определяют среднее значение критической частоты отражения, соответствующей каждой из высот отражения, сравнивают средние значения частот отражения на соседних высотах отражения поочередно, начиная с первой, при этом, когда разница между двумя средними значениями частот отражения на соседних высотах будет меньше, чем половина шага перестройки, определяют среднее значение критической частоты, определяют действующую высоту отражения, соответствующую среднему значению критической частоты, вычисляют значение среднеквадратического отклонения критической частоты, определяют значение величины интенсивности неоднородностей ионосферы.As a prototype, a method for determining the altitude distribution of the magnitude of the intensity of ionospheric inhomogeneities according to vertical sounding data (RF patent No. 2403592 “Method for determining the magnitude of the intensity of ionospheric heterogeneity according to vertical sounding data”), which consists in processing vertical sounding data of the ionosphere and at each frequency soundings determine the effective reflection heights, sort the received data by frequency - each of the sounding frequencies is assigned those effective reflection heights from which the wave was reflected sort the obtained data by height — each of the reflection heights is mapped to all the frequencies at which reflection from a given height is determined, the average value of the critical reflection frequency corresponding to each of the reflection heights is determined, and the average the values of the reflection frequencies at neighboring reflection heights alternately, starting from the first, while when the difference between the two average values of the reflection frequencies at neighboring heights is less than the floor wine tuning step, determine the mean value of the critical frequency, determine a valid reflection of a height corresponding to the average value of the critical frequency, the standard deviation value calculated critical frequency determined intensity value of ionospheric inhomogeneities.

Таким образом, весь интервал действующих высот отражения разбивается на ячейки с шагом Δh_д=2 км, далее в пределах каждого текущего интервала рассчитывается среднее значение частоты отражения и среднеквадратическое отклонение частоты отражения, и затем определяют величину интенсивности неоднородностей ионосферы как частное от деления удвоенного значения среднеквадратического отклонения частоты отражения на среднее значение частоты отражения.Thus, the entire interval of the effective reflection heights is divided into cells with a step Δh _d = 2 km, then, within each current interval, the average value of the reflection frequency and the standard deviation of the reflection frequency are calculated, and then the magnitude of the intensity of the ionospheric inhomogeneities is determined as the quotient of dividing twice the mean square deviations of the reflection frequency by the average value of the reflection frequency.

Существенным недостатком данного способа определения высотного распределения величины интенсивности неоднородностей ионосферы, является низкая высотная разрешающая способность, которая может приводить к искажению измеряемой характеристики. Дело в том, что при наличии протяженного по высоте слоя с неоднородностями радиоволны на пути распространения до точки отражения могут испытывать рассеяние "вперед" на неоднородностях, расположенных ниже высоты отражения и имеет место эффект накопления влияния неоднородностей на регистрируемый сигнал вертикального зондирования. При этом, чем ближе исследуемый интервал действующих высот к высоте максимума ионосферного слоя, тем больше эффект влияния нижележащих неоднородностей на измеряемые характеристики отраженного сигнала. Поэтому, чтобы получить достоверные сведения об интенсивности ионосферных неоднородностей, необходимо определить их пространственную локализацию. Таким образом, предложенный способ оценки интенсивности неоднородностей не будет соответствовать реальному высотному распределению ионосферных неоднородностей.A significant drawback of this method for determining the altitude distribution of the intensity of the ionospheric inhomogeneities is the low altitude resolution, which can lead to distortion of the measured characteristic. The fact is that in the presence of a layer extended along the height of the inhomogeneities, the radio waves along the propagation path to the reflection point can experience forward scattering by inhomogeneities located below the reflection height and there is an effect of accumulation of the influence of inhomogeneities on the recorded vertical sounding signal. Moreover, the closer the investigated range of effective heights is to the height of the maximum of the ionospheric layer, the greater is the effect of the underlying inhomogeneities on the measured characteristics of the reflected signal. Therefore, in order to obtain reliable information about the intensity of ionospheric inhomogeneities, it is necessary to determine their spatial localization. Thus, the proposed method for assessing the intensity of inhomogeneities will not correspond to the actual altitudinal distribution of ionospheric inhomogeneities.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности определения пространственного распределения мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации.The problem to which the invention is directed, is to increase the accuracy of determining the spatial distribution of small-scale inhomogeneities of electron concentration.

Решение указанной технической задачи обеспечивается с помощью технического результата, заключающегося в возможности обеспечения повышения частоты зондирования до величины, превышающей критическую частоту ионосферного F-слоя, что позволяет с высоким частотно-временным разрешением детектировать сигналы, рассеянные ионосферными неоднородностями, и уверенно сепарировать их от сигналов зеркального канала. В то время как при вертикальном зондировании на частотах ниже критической частоты ионосферы возникает проблема разделения вклада зеркального сигнала и сигнала, рассеянного "вперед" на эшелонированных по высоте ионосферных неоднородностях.The solution of the indicated technical problem is provided by the technical result, which consists in the possibility of increasing the sounding frequency to a value exceeding the critical frequency of the ionospheric F-layer, which allows high-frequency-time resolution detection of signals scattered by ionospheric inhomogeneities and confidently separate them from the mirror signals channel. At the same time, with vertical sounding at frequencies below the critical frequency of the ionosphere, the problem arises of separating the contribution of the mirror signal and the signal scattered “forward” on the ionospheric inhomogeneities separated in height.

Для достижения указанного результата в способе определения пространственного распределения ионосферных неоднородностей электронной концентрации, включающем зондирование ионосферы широкополосным линейно-частотно-модулированным сигналом (ЛЧМ-сигналом) передатчика, прием излученного широкополосного ЛЧМ-сигнала осуществляют приемником синхронно с передачей ЛЧМ-сигнала, далее измеряют дистанционно-частотные (ДЧХ) и угловые частотные (УЧХ) характеристики всех зарегистрированных (принятых) сигналов, затем на основе ионосферной модели и измеренных ДЧХ и УЧХ проводят расчеты характеристик прямого сигнала, распространяющегося по дуге большого круга между передатчиком и приемником, корректируют ионосферную модель до совпадения измеренных и расчетных характеристик, после чего для скорректированной ионосферной модели и данных измерений ДЧХ и УЧХ рассеянного сигнала проводят расчеты характеристик рассеянного сигнала до совпадения измеренных и расчетных данных, и по ним для всего массива измеренных данных по параметрам принятого рассеянного сигнала (частота - задержка - азимут - угол места) определяют пространственное распределение ионосферных неоднородностей, ответственных за рассеяние: высоту h и географические координаты (широту φ и долготу λ) подионосферной области рассеяния.To achieve the specified result in the method for determining the spatial distribution of ionospheric inhomogeneities of electron concentration, which includes sensing the ionosphere with a broadband linear frequency-modulated signal (LFM signal) of the transmitter, the reception of the emitted broadband LFM signal is carried out by the receiver synchronously with the transmission of the LFM signal, then measure remotely frequency (DFC) and angular frequency (UFC) characteristics of all recorded (received) signals, then based on the ionospheric model the measured DF and UFC calculate the characteristics of the direct signal propagating along an arc of a large circle between the transmitter and the receiver, adjust the ionospheric model to match the measured and calculated characteristics, and then for the adjusted ionospheric model and measurement data of the DF and UFC of the scattered signal, calculate the characteristics of the scattered signal up to coincidence of the measured and calculated data, and for them for the entire array of measured data according to the parameters of the received scattered signal (frequency - delay - azimuth - elevation angle) determine the spatial distribution of ionospheric inhomogeneities responsible for scattering: height h and geographical coordinates (latitude φ and longitude λ) of the subionospheric scattering region.

В качестве приемника широкополосного ЛЧМ-сигнала используют ЛЧМ ионозонд-радиопеленгатор, работающий в режиме наклонного широкополосного зондирования для измерения ключевых характеристик радиосигналов, рассеянных ионосферными неоднородностями: дистанционно-частотных (ДЧХ), амплитудно-частотных (АЧХ) и угловых частотных (УЧХ) характеристик, моделирования распространения радиоволн и позиционирования неоднородностей на основе согласования измеренных и расчетных характеристик радиосигналов.As a receiver of a broadband LFM signal, an LFM ionosonde-radio direction finder operating in the mode of inclined broadband sounding is used to measure the key characteristics of radio signals scattered by ionospheric inhomogeneities: distance-frequency (DF), amplitude-frequency (AFC) and angular frequency (AFC) characteristics, modeling of radio wave propagation and positioning of inhomogeneities based on the coordination of measured and calculated characteristics of radio signals.

В основу способа положен радарный метод с использованием наклонного широкополосного ЛЧМ зондирования с бистатической конфигурацией размещения передатчика и приемника относительно исследуемой области ионосферы. Передатчик и приемник располагаются на расстоянии ~500-2000 км к югу от этой области и на расстоянии ~500-1500 км друг от друга. Такое расположение зондирующих средств обусловлено особенностями рассеяния радиоволн на мелкомасштабных магнитно-ориентированных ионосферных неоднородностях [Яковлев О.И., Якубов В.П., Урядов В.П., Павельев А.Г. Распространение радиоволн. Учебник для вузов. М.: ЛЕНАНД. 2009, 496 с.].The method is based on the radar method using oblique broadband LFM sounding with a bistatic configuration of the transmitter and receiver relative to the studied region of the ionosphere. The transmitter and receiver are located at a distance of ~ 500-2000 km south of this area and at a distance of ~ 500-1500 km from each other. This arrangement of the probing means is due to the peculiarities of radio wave scattering on small-scale magnetically oriented ionospheric inhomogeneities [Yakovlev OI, Yakubov VP, Uryadov VP, Paveliev AG Propagation of radio waves. Textbook for high schools. M .: LENAND. 2009, 496 p.].

Использование в приемном пункте ЛЧМ ионозонда-радиопеленгатора позволяет разделять по задержкам (наклонной дальности) и углам прихода все моды распространения и проводить измерения дистанционно-частотных (ДЧХ), амплитудно-частотных (АЧХ) и угловых частотных (УЧХ) характеристик как прямых, так и рассеянных сигналов.The use of an ionosonde radio direction finder at the LFM receiving point allows one to separate all propagation modes by delay (oblique range) and arrival angles and measure distance-frequency (DF), amplitude-frequency (AFC) and angular frequency (AFC) characteristics of both direct and scattered signals.

Процедура определения пространственного распределения ионосферных неоднородностей, ответственных за рассеянные сигналы, состоит в следующем:The procedure for determining the spatial distribution of ionospheric inhomogeneities responsible for scattered signals is as follows:

1. По программе, привязанной к шкале времени ЛЧМ передатчика и параметрам излучаемого ЛЧМ-сигнала (начальной частоте, конечной частоте, скорости перестройки частоты, началу излучения, периоду зондирования,) производят запуск ионосферного зонда-радиопеленгатора.1. According to the program, tied to the time scale of the LFM transmitter and the parameters of the emitted LFM signal (initial frequency, final frequency, speed of frequency tuning, start of radiation, sounding period), the ionosphere probe-direction finder is launched.

2. Осуществляют прием сигнала ЛЧМ передатчика и измеряют ДЧХ и УЧХ на трассе зондирования.2. Carry out the LFM signal of the transmitter and measure the frequency response and frequency response on the sounding path.

3. Для каждого сеанса измерений ДЧХ и УЧХ корректируют модельный профиль электронной концентрации таким образом, чтобы получалось наилучшее согласование расчетной ионограммы прямого сигнала, распространяющегося по дуге большого круга между передатчиком и приемником, с экспериментальными данными (дистанционно-частотной характеристикой (ДЧХ) и зависимостью угла места и азимута приходящего в точку наблюдения сигнала от частоты (УЧХ)) прямого сигнала.3. For each measurement session, the DF and UFC adjust the model profile of the electron concentration so that the best fit of the calculated ionogram of the direct signal propagating along the large circle arc between the transmitter and receiver is obtained with the experimental data (distance-frequency characteristic (DF) and the dependence of the angle the location and azimuth of the signal coming to the observation point from the frequency (UFC)) of the direct signal.

4. Для полученной таким образом адаптированной модели ионосферы выполняют моделирование рассеянных сигналов. Первичными данными для этого являются результаты измерений задержки и углов прихода (азимута и угла места) рассеянных сигналов. При этом из пункта приема с измеренными значениями азимута и угла места рассчитывают лучевые траектории в направлении области с ионосферными неоднородностями, ответственными за рассеяние. Для каждой лучевой траектории, проходящей через область ионосферы с неоднородностями, рассчитывают луч, приходящий в пункт расположения передатчика. Затем определяют суммарную задержку на трассе передатчик - область рассеяния - приемник. Как только эта задержка становится равной экспериментально измеренной, эту область рассеяния считают позиционированной. Такую процедуру выполняют для всего массива измеренных данных по параметрам принятого рассеянного сигнала (частота - задержка - азимут - угол места).4. For the adapted ionosphere model thus obtained, scattered signal modeling is performed. The primary data for this are the results of measurements of the delay and angles of arrival (azimuth and elevation angle) of the scattered signals. At the same time, from the receiving point with the measured azimuth and elevation values, the ray paths are calculated in the direction of the region with ionospheric inhomogeneities responsible for scattering. For each ray path passing through the region of the ionosphere with inhomogeneities, a ray is calculated that arrives at the transmitter location. Then determine the total delay on the path of the transmitter - scattering region - receiver. As soon as this delay becomes equal to the experimentally measured one, this scattering region is considered positioned. This procedure is performed for the entire array of measured data according to the parameters of the received scattered signal (frequency - delay - azimuth - elevation).

5. Далее, на основе согласования измеренных и расчетных характеристик рассеянных сигналов определяют пространственное месторасположение ионосферных неоднородностей, т.е. находят высоту h и географические координаты (φ, λ) подионосферной области рассеяния.5. Further, based on the coordination of the measured and calculated characteristics of the scattered signals, the spatial location of the ionospheric inhomogeneities is determined, i.e. find the height h and geographic coordinates (φ, λ) of the subionospheric scattering region.

Заявленный способ может быть реализован с помощью устройства, блок-схема которого показана на фиг.1. Устройство состоит из двух отдельных блоков 1 и 2. Передающее устройство 1 и приемное устройство 2 обведены штрих пунктирными линиями на фиг.1.The claimed method can be implemented using a device whose block diagram is shown in figure 1. The device consists of two separate blocks 1 and 2. The transmitting device 1 and the receiving device 2 are outlined by dashed lines in figure 1.

В состав передающего устройства 1 входят: антенна GPS 3, подключенная к входу приемника GPS 4, блок временной синхронизации 5, антенна передатчика ЛЧМ сигналов 6, подключенная к выходу передатчика ЛЧМ сигналов 7, ЛЧМ генератор передатчика 8, компьютер 9 для управления работой передающего устройства 1. При этом выход приемника GPS 4 подключен к входу блока временной синхронизации 5, вход передатчика ЛЧМ сигналов 7 подключен к выходу ЛЧМ генератора 8, вход которого соединен с выходом компьютера 9, вход компьютера 9 подключен к выходу блока временной синхронизации 5.The composition of the transmitting device 1 includes: a GPS antenna 3 connected to the input of the GPS receiver 4, a time synchronization unit 5, an antenna of the LFM transmitter 6, connected to the output of the LFM transmitter 7, the LFM transmitter 8, computer 9 to control the operation of the transmitting device 1 In this case, the output of the GPS receiver 4 is connected to the input of the time synchronization unit 5, the input of the LFM transmitter 7 is connected to the output of the LFM generator 8, the input of which is connected to the output of computer 9, the input of computer 9 is connected to the output of the time sync block onizatsii 5.

Приемное устройство 2, представляющее собой ЛЧМ ионозонд-радиопеленгатор, включает антенну GPS 10, подключенную к GPS приемнику 11, блок временной синхронизации 12, первый вход которого подключен к выходу GPS приемника 11, TV-элементную антенную решетку 13, разветвитель 14, к входу которого подключен один из элементов антенной решетки 13 (опорная антенна), антенный коммутатор 15, к первому входу которого подключен первый выход разветвителя 14, к другим N-\ входам коммутатора 15 подключены N-1 - элементы антенной решетки 13, ЛЧМ генератор приемника 16, первый вход которого подключен к первому выходу блока временной синхронизации 12, первое радиоприемное устройство (РПУ1) 17, первый вход которого подключен ко второму выходу разветвителя 14, второй вход РПУ1 17 подключен к первому выходу ЛЧМ генератора приемника 16, второе радиоприемное устройство (РПУ2) 18, первый вход которого подключен к выходу антенного коммутатора 15, второй вход РПУ2 18 подключен ко второму выходу ЛЧМ генератора приемника 16, двухканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 19, первый вход которого подключен к выходу РПУ1 17, второй вход АЦП 19 подключен к выходу РПУ2 18, третий вход АЦП 19 подключен ко второму выходу блока временной синхронизации 12, выход двухканального АЦП 19 подключен к входу многопоточного вычислителя 20 (обведен на фиг.1 пунктирной линией). При этом на входе многопоточного вычислителя 20 установлен блок 21, где осуществляется оценка спектральной плотности мощности (СПМ) сигнала и шума, обнаружение лучей, определение их числа n, амплитуды каждого луча α_j, задержки каждого луча τ_j, коэффициента мутности ионосферы β², измерение двухмерных угловых координат каждого j-го луча путем Фурье-синтеза диаграммы направленности антенны. Первый вход блока 21 соединен с выходом двухканального АЦП 19. На выходе многопоточного вычислителя 20 установлен пользовательский интерфейс 22, первый выход которого, совпадающий с первым выходом многопоточного вычислителя 20, подключен ко второму входу ЛЧМ генератора 16, второй выход пользовательского интерфейса 22, совпадающий со вторым выходом многопоточного вычислителя 20, подключен к N+1 входу антенного коммутатора 15, третий выход пользовательского интерфейса 22, совпадающий с третьим выходом многопоточного вычислителя 20, подключен ко второму входу блока временной синхронизации 12, четвертый выход пользовательского интерфейса 22 соединен со вторым входом блока формирования измеренных характеристик прямого и рассеянного сигналов 21, выход которого подключен к входу программного блока 23 моделирования и определения пространственного распределения мелкомасштабных ионосферных неоднородностей, отображения выходной информации.The receiving device 2, which is a LFM ionosonde radio direction finder, includes a GPS antenna 10 connected to the GPS receiver 11, a time synchronization unit 12, the first input of which is connected to the output of the GPS receiver 11, a TV element antenna array 13, a splitter 14, to the input of which one of the elements of the antenna array 13 (reference antenna) is connected, the antenna switch 15, to the first input of which the first output of the splitter 14 is connected, to the other N- \ inputs of the switch 15 are connected N-1 - elements of the antenna array 13, the chirp generator of the receiver 16, the first in which is connected to the first output of the time synchronization unit 12, the first radio receiver (RPU1) 17, the first input of which is connected to the second output of the splitter 14, the second input of RPU1 17 is connected to the first output of the chirp generator of the receiver 16, the second radio receiver (RPU2) 18, the first the input of which is connected to the output of the antenna switch 15, the second input of RPU2 18 is connected to the second output of the chirp generator of the receiver 16, two-channel analog-to-digital converter (ADC) 19, the first input of which is connected to the output of RPU1 17, the second input The ADC 19 is connected to the output of the RPU2 18, the third input of the ADC 19 is connected to the second output of the time synchronization unit 12, the output of the two-channel ADC 19 is connected to the input of the multi-threaded computer 20 (circled in dashed line in Fig. 1). At the same time, at the input of the multi-threaded calculator 20, a block 21 is installed where the power spectral density (PSD) of the signal and noise is estimated, the rays are detected, their number n is determined, the amplitude of each beam α _j , the delay of each beam τ _j , the ionospheric turbidity coefficient β ² measurement of two-dimensional angular coordinates of each j-th beam by Fourier synthesis of the antenna radiation pattern. The first input of block 21 is connected to the output of the two-channel ADC 19. The user interface 22 is installed at the output of the multi-threaded computer 20, the first output of which coincides with the first output of the multi-threaded computer 20 is connected to the second input of the LFM generator 16, the second output of the user interface 22, which coincides with the second the output of the multi-threaded computer 20 is connected to the N + 1 input of the antenna switch 15, the third output of the user interface 22, which coincides with the third output of the multi-threaded computer 20, is connected to the second to the second input of the time synchronization unit 12, the fourth output of the user interface 22 is connected to the second input of the unit for forming the measured characteristics of the direct and scattered signals 21, the output of which is connected to the input of the program unit 23 for modeling and determining the spatial distribution of small-scale ionospheric inhomogeneities, and displaying output information.

Работа устройства состоит из следующих основных этапов.The operation of the device consists of the following main steps.

1. По программе, привязанной к шкале времени ЛЧМ передатчика и параметрам излучаемого ЛЧМ-сигнала (начальной частоте, конечной частоте, скорости перестройки частоты, началу излучения, периоду зондирования), с пользовательского интерфейса 22 производят запуск ионосферного зонда-радиопеленгатора, включая запуск блока временной синхронизации 12, а соответственно, подключенного к блоку временной синхронизации 12 АЦП 19, антенного коммутатора 15, ЛЧМ генератора 16 и блока формирования измеренных характеристик прямого и рассеянного сигналов 21.1. According to the program, tied to the time scale of the LFM transmitter and the parameters of the emitted LFM signal (initial frequency, final frequency, frequency tuning speed, start of radiation, sounding period), the ionosphere probe-direction finder is launched from the user interface 22, including the start of the time block synchronization 12, and respectively, connected to the time synchronization block 12 of the ADC 19, the antenna switch 15, the chirp generator 16 and the unit for generating the measured characteristics of the direct and scattered signals 21.

2. Осуществляют прием сигнала ЛЧМ передатчика с помощью антенной решетки 13 приемника 2. С выхода опорной антенны (одного из элементов антенной решетки 13) через разветвитель 14 сигнал поступает на первый вход РПУ1 17 (опорный канал). К опорной антенне РПУ1 17 подключен постоянно, что обеспечивает получение непрерывной выборки сигнала по опорному каналу. На второй вход РПУ1 17 поступает сигнал с первого выхода ЛЧМ генератора 16. Разностный сигнал, сформированный при перемножении сигнала, поступающего на РПУ1 17 от разветвителя 14, с сигналом, поступающим на РПУ 1 17 от ЛЧМ генератора 16, поступает с выхода 2-ой промежуточной частоты (ПЧ) РПУ1 17 на первый вход АЦП 19.2. Carry out the signal of the chirp transmitter using the antenna array 13 of the receiver 2. From the output of the reference antenna (one of the elements of the antenna array 13) through the splitter 14, the signal is fed to the first input of RPU1 17 (reference channel). The RPU1 17 reference antenna is permanently connected, which ensures continuous sampling of the signal along the reference channel. The second input of RPU1 17 receives a signal from the first output of the LFM of the generator 16. The difference signal generated by multiplying the signal supplied to RPU1 17 from the splitter 14, with the signal supplied to the RPU 1 17 from the LFM of generator 16, comes from the output of the second intermediate frequency (IF) RPU1 17 to the first input of the ADC 19.

3. С помощью антенного коммутатора 15 к РПУ2 18 поочередно подключают все антенные элементы, и сигнал ЛЧМ передатчика, принятый антенной решеткой 13, поступает на первый вход РПУ2 18 (предметный канал), на второй вход РПУ2 18 поступает сигнал со второго выхода ЛЧМ генератора 16. Разностный сигнал, сформированный при перемножении сигнала, поступающего на РПУ2 18 от антенной решетки 13, с сигналом ЛЧМ генератора 16, поступает с выхода 2-ой ПЧ РПУ2 18 на второй вход АЦП 19.3. Using the antenna switch 15, all antenna elements are connected to RPU2 18 in turn, and the LFM signal of the transmitter received by the antenna array 13 is supplied to the first input of RPU2 18 (object channel), the signal from the second output of the LFM of generator 16 is fed to the second input of RPU2 18 The difference signal generated by multiplying the signal supplied to the RPU2 18 from the antenna array 13 with the LFM signal of the generator 16 is supplied from the output of the second IF RPU2 18 to the second input of the ADC 19.

4. Когда в результате переключения антенного коммутатора 15 оба радиоприемные устройства РПУ1 17 и РПУ2 18 оказываются подключенными к опорной антенне (одному из элементов антенной решетки 13), по выборке сигнала с опорной антенны определяют комплексный коэффициент разноканальности (разность фаз и отношение амплитуд), описывающий отношение комплексных коэффициентов передачи опорного (образованного разветвителем 14 и РПУ1 17) и предметного каналов (образованного антенным коммутатором 15 и РПУ2 18). В дальнейшем этот коэффициент используют для коррекции комплексных относительных амплитуд сигналов, полученных по выборкам с других антенных элементов. В результате обеспечивается измерение относительных (по отношению к опорной антенне) комплексных амплитуд сигналов со всех антенных элементов, инвариантных относительно комплексных коэффициентов передачи каналов двух РПУ.4. When, as a result of switching the antenna switch 15, both radio receivers RPU1 17 and RPU2 18 are connected to the reference antenna (one of the elements of the antenna array 13), the complex coefficient of different channels (phase difference and amplitude ratio) is determined from the signal sample from the reference antenna, which describes the ratio of the complex transmission coefficients of the reference (formed by the splitter 14 and RPU1 17) and the subject channels (formed by the antenna switch 15 and RPU2 18). In the future, this coefficient is used to correct the complex relative amplitudes of the signals obtained from samples from other antenna elements. The result is the measurement of relative (with respect to the reference antenna) complex amplitudes of the signals from all antenna elements that are invariant with respect to the complex transmission coefficients of the channels of the two RPUs.

5. Затем антенный коммутатор переключает предметный РПУ2 18 на новый антенный элемент и т.д. Коммутация осуществляется до тех пор, пока не закончится прием сигнала от ЛЧМ передатчика. В каждый момент времени двухканальный РПУ, состоящий из РПУ1 17 и РПУ2 18, подключен к опорной антенне (одному из элементов антенной решетки 13) и другому элементу из N-элементной антенной решетки 13. При этом с каждой пары антенных элементов делается выборка сигнала длиной М для оцифровки в АЦП 19 с частотой f_d и шагом дискретизации $Δ t = \frac{1}{f_{d}}$

. Величина M выбирается так, чтобы, обеспечивалось временное разрешение парциальных лучей распространения по групповой задержке. Так, при скорости перестройки частоты 100 кГц/с и полосе анализа ЛЧМ сигнала 20 кГц временная выборка составляет 200 мс. При этом для временного разрешения парциальных лучей по групповой задержке ~50 мкс величина M полагается равной 4096. Средняя частота принимаемого сигнала равна

f_{n l} = f_{\min} + μ_{0} Δ t (M N l + M \frac{2 n + 1}{2})

, где h=1, 2, …N - номер опрашиваемого антенного элемента, l=1, 2, …, L - номер дискретной частоты, на которой будут оцениваться углы прихода,

L = \frac{f_{\max} - f_{\min}}{μ_{0} Δ t M N}

λ - количество дискретных частот, µ₀ - скорость перестройки частоты, f_min и f_max - минимальная и максимальная частоты из диапазона зондирования. Углы прихода при этом оцениваются на равномерной частотной сетке, а значения частот определяются соотношением

f_{1} = f_{\min} + μ_{0} Δ t M N \frac{2 l + 1}{2}

. После полного обхода всех N элементов антенной решетки 13 на промежуточной частоте приемников РПУ1 17 и РПУ2 18 при средней дискретной несущей частоте f_l для каждой пары каналов АЦП 19 получают когерентные выборки цифрового разностного сигнала для опорного канала {x_lm} и предметного канала {x_nm}, где n=1, 2…, N, m=1, 2, …, M.5. Then the antenna switch switches the subject RPU2 18 to a new antenna element, etc. Switching is carried out until the signal from the chirp transmitter is finished. At each moment of time, a two-channel RPU consisting of RPU1 17 and RPU2 18 is connected to a reference antenna (one of the elements of the antenna array 13) and another element from the N-element antenna array 13. In this case, a signal of length M is made from each pair of antenna elements for digitization in the ADC 19 with a frequency f _d and a sampling step

Δ t = \frac{one}{f_{d}}

. The value of M is chosen so that the temporal resolution of the partial propagation rays along the group delay is ensured. So, at a frequency tuning rate of 100 kHz / s and an analysis frequency band of the LFM signal of 20 kHz, the time sample is 200 ms. Moreover, for the temporal resolution of partial rays by a group delay of ~ 50 μs, the value of M is assumed to be 4096. The average frequency of the received signal is

f_{n l} = f_{\min} + μ_{0} Δ t (M N l + M \frac{2 n + one}{2})

, where h = 1, 2, ... N is the number of the antenna element being surveyed, l = 1, 2, ..., L is the number of the discrete frequency at which the angles of arrival will be estimated,

L = \frac{f_{\max} - f_{\min}}{μ}

λ is the number of discrete frequencies, µ ₀ is the speed of the frequency tuning, f _min and f _max are the minimum and maximum frequencies from the sounding range. In this case, the arrival angles are estimated on a uniform frequency grid, and the frequency values are determined by the relation

f_{one} = f_{\min} + μ_{0} Δ t M N \frac{2 l + one}{2}

. After a complete bypass of all N elements of the antenna array 13 at the intermediate frequency of the receivers RPU1 17 and RPU2 18 at an average discrete carrier frequency f _l for each pair of ADC channels 19, coherent samples of the digital difference signal for the reference channel {x _lm } and the subject channel {x _nm }, where n = 1, 2 ..., N, m = 1, 2, ..., M.

6. Обработку оцифрованного разностного сигнала осуществляют с помощью многопоточного вычислителя 20. Для этого с выхода АЦП 19 оцифрованный разностный сигнал с двух РПУ поступает на вход блока 21, входящего в состав многопоточного вычислительного устройства 20, где осуществляется оценка спектральной плотности мощности (СПМ) сигнала и шума многооконным методом (МТМ-методом), происходит обнаружение лучей, определение их числа n, комплексных амплитуд α_j, задержек τ_j, коэффициента мутности β². По каждой паре выборок разностного сигнала для опорного канала {x_lk} и предметного канала {x_nk} вычисляются спектры сигналов {s_lk}=FFT(x_lm) и {s_nk}=FFT (x_nm), где k=1, …M/2, FFT - оператор дискретного преобразования Фурье, выполняемый на основе алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ). По каждой выборке сигнала длиной M с n-го антенного элемента с помощью алгоритма БПФ вычисляется комплексный спектр сигнала и вычисляется спектральная плотность мощности сигнала МТМ-методом. Комплексный спектр сигнала используют для вычисления относительного коэффициента передачи К в полосе РПУ при подключении РПУ1 17 и РПУ2 18 к опорной антенне (одному из элементов антенной решетки 13). Спектральная плотность мощности шума определяется гистограммным способом (Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградова Е.Г. Аппаратно-программный комплекс для определения оптимальных рабочих частот связной радиолинии по данным наклонного зондирования ионосферы. 1. Методы и алгоритмы обработки данных. // Труды XIII международной научно-технической конференции "Радиолокация Навигация Связь". 17-19 апреля 2007. г. Воронеж: САКВОЕЕ, т.2, с.1203-1214). На основе статистического критерия (F-статистики) в МТМ-методе осуществляется выделение дискретных лучей распространения (определение их количества J), задержек лучей τ_j(f), комплексных амплитуд a_j(f), определение мощности рассеянной компоненты и, как следствие, определение коэффициента мутности β². Здесь же для каждого выделенного j -го луча находится амплитудно-фазовое распределение (АФР) поля по апертуре антенной решетки

, где j=1, 2…J - номер луча, n=1, 2, …, N - номер антенного элемента, l=1, 2, …, L - номер дискретной частоты, на которой будут оцениваться углы прихода. АФР каждого луча используется далее для Фурье-синтеза диаграммы направленности и оценки двухмерных угловых координат луча α_j - азимута прихода в плоскости Земли и Δ_j - угла места в вертикальной плоскости.6. The processing of the digitized difference signal is carried out using a multi-threaded computer 20. For this, from the output of the ADC 19, the digitized difference signal from two RPUs is input to the block 21, which is part of the multi-threaded computing device 20, where the spectral power density (PSD) of the signal is estimated and noise using the multi-window method (MTM method), rays are detected, their number n is determined, complex amplitudes α _j , delays τ _j , turbidity coefficient β ² . For each pair of samples of the difference signal for the reference channel {x _lk } and subject channel {x _nk }, the signal spectra {s _lk } = FFT (x _lm ) and {s _nk } = FFT (x _nm ), where k = 1, ... M / 2, FFT - discrete Fourier transform operator based on the Fast Fourier Transform (FFT) algorithm. For each sample of a signal of length M from the nth antenna element, using the FFT algorithm, a complex signal spectrum is calculated and the spectral power density of the signal is calculated by the MTM method. The complex signal spectrum is used to calculate the relative transmission coefficient K in the RPU band when connecting RPU1 17 and RPU2 18 to the reference antenna (one of the elements of the antenna array 13). The spectral density of noise power is determined by a histogram method (Vertogradov G.G., Uryadov V.P., Vertogradova E.G. Hardware-software complex for determining the optimal operating frequencies of a connected radio line according to oblique sounding of the ionosphere. 1. Methods and algorithms for data processing. // Proceedings of the XIII international scientific and technical conference "Radar Navigation Communications. April 17-19, 2007. Voronezh: SAVVOEE, t.2, p.1203-1214). Based on the statistical criterion (F-statistics), the MTM method extracts discrete propagation rays (determining their number J), ray delays τ _j (f), complex amplitudes a _j (f), determining the power of the scattered component and, as a result, determination of turbidity coefficient β ² . Here, for each selected jth ray, there is the amplitude-phase distribution (AFR) of the field along the aperture of the antenna array

, where j = 1, 2 ... J is the number of the beam, n = 1, 2, ..., N is the number of the antenna element, l = 1, 2, ..., L is the number of the discrete frequency at which the angles of arrival will be estimated. The AFR of each beam is then used for the Fourier synthesis of the radiation pattern and the estimation of the two-dimensional angular coordinates of the beam α _j - the azimuth of arrival in the Earth's plane and Δ _j - elevation angle in the vertical plane.

В этом же блоке осуществляется очистка ионограмм, выделение частотных ветвей и формирование зависимостей a _j(f), τ_j(f), отношение сигнал/шум (с/ш)_j(f), $β_{j}^{2} (f)$

, определение наименьших наблюдаемых частот (ННЧ), максимальных наблюдаемых частот (МНЧ), интервалов многолучевости, интервала временного рассеяния Δτ, среднеквадратичного отклонения отношения (с/ш) σ_с/ш, вероятности ошибки, надежности связи.In the same block, ionograms are cleaned, frequency branches are selected and dependences a _j (f), τ _j (f) are formed, the signal-to-noise ratio (s / w) _j (f),

β_{j}^{2} (f)

, determination of the lowest observed frequencies (LF), maximum observed frequencies (LF), multipath intervals, time scattering interval Δτ, standard deviation of the ratio (s / w) σ _{s / w} , error probability, reliability of communication.

Здесь же осуществляется измерение двухмерных угловых координат каждого j-го луча путем Фурье-синтеза диаграммы направленности антенны антенной решетки и окончательная очистка ионограмм на основе критерия достоверности оценки углов прихода.Here, the two-dimensional angular coordinates of each j-th beam are measured by Fourier synthesis of the antenna pattern of the antenna array and the final cleaning of ionograms based on the reliability criterion for estimating arrival angles.

Здесь осуществляется формирование дистанционно-частотных, амплитудно-частотных и двухмерных угловых-частотных характеристик, а также МНЧ, ННЧ, уровня спектральной плотности шума, коэффициента мутности, вероятности ошибки, надежности связи.Here, the formation of distance-frequency, amplitude-frequency and two-dimensional angular-frequency characteristics is carried out, as well as MF, LF, the level of noise spectral density, turbidity coefficient, error probability, and communication reliability.

7. С выхода блока 21 результаты измерений поступают на вход программного блока 23 моделирования характеристик ионосферного распространения радиоволн, где с учетом коррекции ионосферной модели осуществляется моделирование прямых и рассеянных сигналов, и на основе согласования измеренных и расчетных характеристик рассеянных сигналов находится пространственное распределение ионосферных неоднородностей, ответственных за рассеянные сигналы. При этом результаты работы устройства, реализующего заявленный способ, выводятся на печать в виде таблицы с 3-мерными координатами месторасположения ионосферных неоднородностей, ответственных за рассеяние: высота h и географические координаты подионосферной области рассеяния (широта φ и долгота λ).7. From the output of block 21, the measurement results are input to the program block 23 for modeling the characteristics of the ionospheric propagation of radio waves, where, taking into account the correction of the ionospheric model, direct and scattered signals are modeled, and based on the coordination of the measured and calculated characteristics of the scattered signals, the spatial distribution of ionospheric inhomogeneities responsible for scattered signals. In this case, the results of the operation of the device that implements the claimed method are printed in the form of a table with 3-dimensional coordinates of the location of the ionospheric inhomogeneities responsible for scattering: height h and geographical coordinates of the subionospheric scattering region (latitude φ and longitude λ).

Реализуемость данного способа подтверждена в серии экспериментов, проведенных авторами заявки на трассе наклонного ЛЧМ зондирования Кипр-Ростов-на-Дону.The feasibility of this method is confirmed in a series of experiments conducted by the authors of the application on the slope chirp track of Cyprus-Rostov-on-Don.

В качестве передатчика ЛЧМ сигналов использовался широкополосный ЛЧМ передатчик, расположенный на Кипре, который работал в диапазоне частот 8-30 МГц, скорость перестройки частоты составляет 100 кГц/с.As a transmitter of the LFM signals, a broadband LFM transmitter was used, located in Cyprus, which operated in the frequency range of 8-30 MHz, the frequency tuning speed was 100 kHz / s.

В качестве приемного устройства ЛЧМ сигналов использовался ЛЧМ ионо-зонд-радиопеленгатор, расположенный в окрестности г. Ростов-на-Дону, созданный на основе двух когерентных радиоприемников Р-399А и антенной решетки в виде 16 вертикальных вибраторов высотой 9 м, размещенных на площадке размерами 100×100 м².An LFM ion-probe-radio direction finder located in the vicinity of Rostov-on-Don, created on the basis of two coherent P-399A radios and an antenna array in the form of 16 vertical vibrators 9 m high, placed on a site measuring 100 × 100 m ² .

На фиг.2 показан пример работы устройства, реализующего заявляемый способ, на трассе Кипр-Ростов-на-Дону, когда в течение длительного времени с 17:30 UT 04 января 2012 г. до 02:00 UT 05 января 2012 г. регистрировались рассеянные сигналы. На фиг.2 приведены ДЧХ (а), АЧХ (б) и УЧХ (в - угол места Δ (град.), г - азимут α (град.)) всех зарегистрированных сигналов на трассе ЛЧМ зондирования Кипр-Ростов-на-Дону. 01:04 UT, 05.01.2012 г.Figure 2 shows an example of the operation of the device that implements the inventive method on the route Cyprus-Rostov-on-Don, when for a long time from 17:30 UT January 4, 2012 to 02:00 UT January 5, 2012 scattered signals. Figure 2 shows the frequency response (a), frequency response (b) and frequency response (c - elevation angle Δ (deg.), G - azimuth α (deg.)) Of all recorded signals on the LFM sounding route Cyprus-Rostov-on-Don . 01:04 UT, January 5, 2012

Прямой и рассеянные сигналы отмечены на фиг.2 маркерами ПС и РС1-PC3 соответственно. Для проверки заявляемого способа проводился анализ результатов измерений диффузного рассеянного сигнала PC3, который наблюдался на частотах, превышающих максимально наблюдаемую частоту (МНЧ) прямого сигнала, равную 13,5 МГц. Согласно результатам измерений характеристик рассеянного сигнала РСЗ, в среднем, он имел следующие параметры: диапазон задержек ~ 7-11 мс, диапазон частот ~ 14-19 МГц, интервал вертикальных углов прихода ~20-45°, интервал азимутальных углов прихода ~330-50°, амплитуда сигнала PC3 была на 50-60 дБ меньше амплитуды прямого сигнала. Как видно из фиг.2, наряду с сигналом РС1, на ионограммах регистрировались сигналы типа возвратно-наклонного зондирования (ВНЗ), отмеченные маркерами PC1 и PC2, для которых характерен рост задержки с ростом частоты (Чернов Ю.А. Возвратно-наклонное зондирование ионосферы. М.: Связь. 1971, 204 с.).The forward and scattered signals are marked in FIG. 2 by the markers PS and PC1-PC3, respectively. To verify the proposed method, the analysis of the measurement results of the diffuse scattered signal PC3, which was observed at frequencies exceeding the maximum observed frequency (MNP) of the direct signal equal to 13.5 MHz. According to the results of measurements of the characteristics of the scattered RSZ signal, on average, it had the following parameters: delay range ~ 7-11 ms, frequency range ~ 14-19 MHz, interval of vertical angles of arrival ~ 20-45 °, interval of azimuthal angles of arrival ~ 330-50 °, the amplitude of the PC3 signal was 50-60 dB less than the amplitude of the direct signal. As can be seen from figure 2, along with the PC1 signal, the signals of the type of reciprocating-sensing (VSC), marked by markers PC1 and PC2, which are characterized by an increase in the delay with increasing frequency, were recorded on the ionograms (Chernov Yu.A. Reciprocating-sensing of the ionosphere M.: Communication. 1971, 204 p.).

Для позиционирования областей, ответственных за появление рассеянных сигналов, было проведено моделирование характеристик прямого и рассеянных сигналов. В расчетах использовалась Международная справочная модель ионосферы IRJ (Bilitza D., International Reference Ionosphere 2000, Radio Sci. 2001, v.36, pp.261-275). На основе сопоставления расчетных и экспериментальных характеристик рассеянных сигналов по результатам измерений задержки (дальности), вертикальных и азимутальных углов прихода рассеянных сигналов РС1-РС3 проведено позиционирование областей с неоднородностями, ответственными за рассеянные сигналы. Результаты нанесены на физическую карту и показаны на фиг.3, где изображено месторасположение областей, ответственных за рассеянные сигналы PC1 -РС3, для сеанса зондирования 01:04 UT, 05.01.2012 г.To position the areas responsible for the appearance of scattered signals, we simulated the characteristics of the direct and scattered signals. The calculations used the International Reference Model of the Ionosphere IRJ (Bilitza D., International Reference Ionosphere 2000, Radio Sci. 2001, v. 36, pp. 261-275). Based on a comparison of the calculated and experimental characteristics of the scattered signals according to the results of measurements of the delay (range), vertical and azimuthal angles of arrival of the scattered signals PC1-PC3, the regions with inhomogeneities responsible for the scattered signals were positioned. The results are plotted on a physical map and shown in FIG. 3, which shows the location of the regions responsible for the scattered PC1-PC3 signals for the probing session 01:04 UT, January 5, 2012.

На основе результатов измерений и моделирования задержки (дальности), азимутальных и вертикальных углов прихода рассеянного сигнала РСЗ установлено, что этот сигнал обусловлен рассеянием радиоволн от неоднородностей электронной концентрации, расположенных в протяженной области среднеширотной ионосферы в интервале широт ~50-55°N и долгот ~35-48°E на высотах ~250-450 км. Детальные данные по определению пространственного месторасположения ионосферных неоднородностей по результатам работы устройства для анализируемого сеанса измерений характеристик рассеянных сигналов РС3 представлены в таблице 1 на фиг.4, где:Based on the results of measurements and simulation of the delay (range), azimuthal and vertical angles of arrival of the scattered RSZ signal, it is established that this signal is due to scattering of radio waves from inhomogeneities of electron concentration located in the extended region of the mid-latitude ionosphere in the range of latitudes ~ 50-55 ° N and longitudes ~ 35-48 ° E at altitudes of ~ 250-450 km. Detailed data on determining the spatial location of ionospheric inhomogeneities according to the results of the operation of the device for the analyzed session of measuring the characteristics of scattered PC3 signals are presented in table 1 in figure 4, where:

f - частота зондирования в МГц, t - задержка сигнала в мс, азимут - азимутальный угол прихода сигнала, отсчитываемый по часовой стрелке от северного направления для приемного пункта в градусах, угол места - угол прихода сигнала в вертикальной плоскости, отсчитываемый от горизонтали в градусах, h - высота расположения рассеивающих ионосферных неоднородностей в км, φ - широта проекции на поверхность Земли области с ионосферными неоднородностями в градусах, λ - долгота проекции на поверхность Земли области с ионосферными неоднородностями в градусах.f is the sounding frequency in MHz, t is the signal delay in ms, azimuth is the azimuthal angle of arrival of the signal, counted clockwise from the north for the receiving point in degrees, elevation angle is the angle of arrival of the signal in the vertical plane, measured from the horizontal in degrees, h is the height of the dispersion of ionospheric inhomogeneities in km, φ is the latitude of the projection onto the Earth’s surface of the region with ionospheric inhomogeneities in degrees, λ is the longitude of the projection onto the Earth’s surface of the region with ionospheric inhomogeneities in degrees sah.

Представленные данные подтверждают реализуемость предложенного способа определения местоположения ионосферных неоднородностей.The presented data confirm the feasibility of the proposed method for determining the location of ionospheric inhomogeneities.

Что касается аномальных сигналов РС1 и РС2, то по результатам измерений и моделирования установлено, что механизм распространения сигнала РС1 связан с рассеянием радиоволн от Иранского нагорья, а сигнала РС2 - рассеянием от Среднерусской и Приволжской возвышенностей.As for the anomalous signals PC1 and PC2, it was found from measurements and modeling that the propagation mechanism of the PC1 signal is associated with scattering of radio waves from the Iranian highlands, and the PC2 signal is associated with scattering from the Central Russian and Volga hills.

Claims

A method for determining the spatial distribution of ionospheric inhomogeneities, including probing the ionosphere with a transmitter signal, receiving a probing signal using a receiver, characterized in that the probing signal is a broadband linear frequency-modulated signal (LFM signal), receiving the emitted broadband LFM signal in synchronization with transmission, measure the distance-frequency (DCH) and angular frequency (UHF) characteristics of all received signals, then based on the ionospheric model and and measured DF and UFC, calculate the characteristics of the direct signal propagating along the large circle arc between the transmitter and the receiver, adjust the ionospheric model to match the measured and calculated characteristics of the direct signal, and then for the adjusted ionospheric model and measurement data of the DFC and UFC of the scattered signal signal until the measured and calculated data coincide and for them for the entire array of measured data according to the parameters of the received scattered signal (frequencies a - delay - azimuth - elevation angle) determine the spatial distribution of ionospheric inhomogeneities responsible for scattering: height h and geographical coordinates (latitude φ and longitude λ) of the subionospheric scattering region.