Solnechno-Zemnaya FizikaSolnechno-Zemnaya FizikaСолнечно-земная физика2712-96402089210.12737/szf-43201811Результаты исследованийResults of current researchРезультаты исследованийReal-time forecast of MUF for radio paths from current data obtained from oblique sounding with continuous chirp signalОперативный прогноз МПЧ радиотрасс по текущим данным наклонного зондирования ионосферы непрерывным ЛЧМ-сигналомИльинНиколай ВикторовичIlyinNikolay Viktorovichilyin@iszf.irk.ru
Институт солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar-Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar-Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian Federation43103113https://zh-szf.ru/en/nauka/article/20892/view
В работе рассматривается методика оперативного прогнозирования МПЧ на основе экстраполяции по времени сглаженной по долгосрочному прогнозу последовательности максимальных наблюдаемых частот на заданной трассе. Проведено обоснование методики фитирования текущих данных по долгосрочному прогнозу с использованием оперативной полуэмпирической модели ионосферы (ОПЭМИ) и метода кривых передачи для коротких трасс, а также метода нормальных волн для длинных трасс (более 2000 км). Рассматриваемая методика была апробирована на данных, полученных на сети ЛЧМ-зондирования ИСЗФ СО РАН в периоды сильной и слабой солнечной активности. Выявлено существенное улучшение качества прогноза по сравнению с долгосрочным прогнозом при интервалах заблаговременности оперативного прогнозирования от 15 до 30 мин. Доля сеансов, в котором погрешность оперативного прогноза не превышает 10 % составляет при 15-минутном интервале заблаговременности от 67 до 96 % в зависимости от сезона и ориентации радиотрасс.
We present a technique of MUF real-time forecast based on time extrapolation for maximum observed frequencies smoothed over a long-term forecast along a given path. We have validated the technique of fitting current data from the long-term forecast, using the OPEMI model, transmission curve method for short paths, and method of normal waves for long paths (over 2000 km). This technique has been tested using data obtained at the chirp sounding network of ISTP SB RAS during periods of strong and weak solar activity. The quality of the forecast has been found to significantly improve in comparison to the long-term forecast, with advance intervals of real-time forecast from 15 to 30 min. The sessions, in which the real-time forecast error is less than 10 % for 15-min advance interval, comprise from 67 to 96 % of all sessions depending on season and radio path orientation.
ВВЕДЕНИЕОдной из важнейших характеристик декаметрового радиоканала является максимальная применимая частота (МПЧ) радиотрассы. С одной стороны, МПЧ служит индикатором космической погоды в исследуемом регионе, с другой, значения МПЧ важны с практической точки зрения для организации эффективной работы декаметровых радиотехнических систем радиосвязи. Значения МПЧ определяются параметрами среды (ионосферы) и механизмами распространения радиоволн от излучателя до точки приема. В практике радиосвязи выделяют три вида прогнозов МПЧ: долгосрочный (ДП), краткосрочный (КП) и оперативный (ОП) [Иванов, Рябова, 2007]. ДП МПЧ используется для предсказания долгопериодических, регулярных процессов на не-сколько месяцев вперед на основе модели распространения радиоволн и модели ионосферы как функции пространственных координат, местного времени, сезона и уровня солнечной активности [Vertogradov et al., 2007; Барабашов, Анишин, 2013; Пономарчук и др., 2016]. КП дается на период от нескольких часов до нескольких суток. Прогнозирование состояния ионосферы опирается на индексы, характеризующие поток солнечного излучения (индекс F10.7 или число Вольфа) и возмущенность магнитного поля Земли (индекс Kp или Dst). Существует несколько путей решения задачи. Один из них заключается в использовании эффективных поправок в модели ионосферы, учитывающих вариации МПЧ с изменением солнечной и магнитной активности [Благовещенский, Борисова, 1989; Крашенинников и др., 2008]. Другим является метод, основанный на корреляционной связи МНЧ с ключевыми геоэффективными параметрами межпланетной среды: солнечным ветром и межпланетным магнитным полем [Бархатов и др., 2006]. Однако при такой постановке задачи, несмотря на многолетние исследования, практически значимые методики еще не разработаны. Обусловлено это прежде всего сложностью реакции ионосферы на возмущающие факторы и несоответствия моделей реальным процессам, протекающим в околоземном пространстве в результате воздействия солнечного излучения. Под ОП обычно понимается экстраполяция по времени измеренных ионосферных параметров или значений МПЧ на период от нескольких минут до нескольких часов вперед. Такой прогноз в основном базируется на наличии инерционности временных рядов или выявленных физических закономерностях. Как правило, ОП опирается на данные наземного зондирования (ВЗ, НЗ) ионосферы или данные ГНСС [Барабашов и др. 2016; Пономарчук и др. 2013; Barabashov et al., 2006; Смирнов и др. 2013]. ОП отличается от ДП главным образом тем, что учитывает текущие данные измерений. В задачах, связанных с анализом временных рядов, под прогнозом понимают экстраполяцию функции, заданной отсчетами.В настоящее время неотъемлемым элементом современной системы коротковолновой (КВ) связи считается ионосферно-волновая и частотная диспетчерская служба [Ионосферно…, 1998]. Одной из задач, решаемых техническими средствами службы, является оперативное прогнозирование условий радиосвязи, которое заключается в выработке рекомендаций по проведению в ближайшем будущем сеанса связи применительно к выделенному частотному ресурсу и доступным средствам передачи данных. Исходными данными для прогнозирования служат результаты проведенных ранее сеансов зондирования, например сигналами с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). Для практической радиосвязи допустимой считается относительная погрешность определения МПЧ не более 10 %.Практически можно выделить два вида ОП МПЧ радиотрассы [Рябова, Иванов, 2002]: по временным рядам МПЧ для данной (или близкой) трассы [Куркин и др., 1997; Киселев, 2017] и по модели ионосферы, скорректированной в одной или нескольких точках по текущим данным зондирования ионосферы [Кузьмин, Чалкина, 2013; Арефьев и др., 2016]. Строго говоря, второй вид ОП является не столько прогнозом, сколько способом определения радиофизических параметров трассы в реальном времени.В работе для оперативного прогноза МПЧ предлагается метод экстраполяции по времени сглаженной по долгосрочному прогнозу последовательности максимальных наблюдаемых частот на заданной трассе. Долгосрочный прогноз МПЧ проводился на базе метода кривых передачи [Кияновский, 1971] с использованием модели ОПЭМИ [Поляков и др., 1986; Dvinskikh, 1988] для коротких трасс и метода нормальных волн [Куркин и др., 1981, Пономарчук и др., 2016] с моделью IRI [Bilitza et al., 2017] для длинных трасс (более 2000 км). Проведено обоснование методики фитирования текущих данных по долгосрочному прогнозу. Апробация метода проводилась по экспериментальным данным, полученным на сети ЛЧМ-зондирования ИСЗФ СО РАН в периоды сильной и слабой солнечной активности.
Арефьев В.И., Кочерова М.К., Талалаев А.Б., Тихонов В.В. Методы диагностики характеристик ионосферы для заданного региона и коррекция моделей ионосферы в интересах повышения точности прогнозирования распространения радиоволн декаметрового диапазона // Вестник Тверского государственного университета. Сер. Прикладная математика. 2016. № 1. С. 33-51.Arefyev V.I., Kocherova M.K., Talalayev A.B., Tikhonov V.V. Methods of diagnostics of ionosphere characteristics for a given region, and correction of ionospheric models to improve the accuracy of predicting the propagation of decameter radio waves. Vestnik Tverskogo gosudarstvennogo universiteta [Herald of Tver State University. Ser. Applied Math. 2016, no. 1, pp. 33-51. (In Russian).Барабашов Б.Г., Анишин М.М. Программный комплекс прогнозирования траекторных и энергетических характеристик радиоканалов диапазона 2-30 МГц «Трасса». Ч. 1 // Техника радиосвязи. 2013. Вып. 1 (19). С. 25-34.Barabashov B.G., Maltseva O., Pelevina O. Near real time IRI correction by TEC-GPS data. Adv. Space Res. 2006, vol. 37, pp. 978-982.Барабашов Б.Г., Анишин М.М.. Рычагова М.С. Об оперативном прогнозе МПЧ ВЧ-радиотрасс // Техника радиосвязи. 2016. Вып. 2 (29). С. 16-26.Barabashov B.G., Anishin M.M. Software package “Trassa” for predicting trajectory and power characteristics of 2-30 MHz radio channels. Part 1. Tehnika radiosvyazi [Radio Communication Engineering]. 2013, no. 1 (19), pp. 25-34. (In Russian).Бархатов Н.А., Ревунов С.Е., Вертоградов Г.Г. и др. Прогнозирование максимально наблюдаемой частоты ионосферного КВ-радиоканала методом искусственных нейронных сетей // Геомагнетизм и аэрономия. 2006. Т. 46, № 1. С. 88-98.Barabashov B.G., Anishin M.M., Rychagova M.S. On the real-time forecast of MUF for HF radio paths. Tekhnika radiosvyazi [Radio Communication Engineering]. 2016, no. 2 (29), pp. 16-26. (In Rus-sian).Благовещенский Д.В., Борисова Т.Д. О коррекции модели ВЧ-радиоканала с учетом солнечной и магнитной активностей // Геомагнетизм и аэрономия. 1989. Т. 29, № 4. С. 696-698.Barkhatov N.A., Revunov S.E., Uryadov V.P., Vertogradov G.G., Vertogradov V.G., Valov V.A. Prediction of the maximum observed frequency of the ionospheric HF radio channel using the method of artificial neural networks. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2006, vol. 46, no. 1, pp. 84-93. (In Russian).Гельфонд А.О. Исчисление конечных разностей. М.: Наука, 1967. 395 с.Bilitza D., Altadill D., Truhlik V., Shubin V., Galkin I., Reinisch B., Huang X. International Reference Ionosphere 2016: From ionospheric climate to real-time weather predictions. Space Weather. 2017, vol.15, iss. 2, pp. 418-429.Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир, 1973. 502 с.Blagoveshchensky D.V., Borisova T.D. On the correction of HF radio channel model with consideration for variations of solar and magnetic activities. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1989, vol. 29, no. 4, pp. 696-698. (In Russian).Иванов В.А., Рябова Н.В. Современные подходы в краткосрочном прогнозировании помехоустойчивых ионосферных радиоканалов для декаметровых телекоммуникационных систем // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Сер. Радио-технические и инфокоммуникационные си-стемы. 2007. № 1. С. 23-34.Davies K. Radiovolny v ionosphere [Ionospheric Radio Waves]. Moscow, Mir, 1973, 502 p. (In Russian).Иванов В.А., Куркин В.И., Носов В.Е. и др. ЛЧМ-ионозонд и его применение в ионосферных исследованиях // Изв. вузов. Радиофизика. 2003. Т. 46, № 11. С. 919-952.Gelfond A.O. Ischislenie konechnykf raznostei [Difference Calculus]. Moscow, Nauka,1967, 395 p. (In Russian).Ионосферно-волновая служба связи / Под ред. М.М. Крылова. М.: Воениздат, 1989. 152 с.Dvinskikh N.I. Expansion of ionospheric character-istics fields in empirical orthogonal functions. Adv. Space Res. 1988, vol. 8, no. 4, pp. 179-187.Киселев А.М. Статистическая модель поведения максимально применимой частоты и ее использование для прогнозирования // Техника радиосвязи. 2017. Вып. 4. С. 35-48.Ionosferno-volnovaya sluzhba svyazi [Ionospheric-Wave Communication Service]. Ed. M.M. Krylov. Moscow, Voenizdat, 1989, 152 p. (In Russian).Кияновский М.П. Программа расчетов на ЭВМ по модифицированному методу кривых передачи // Лучевое приближение и вопросы распространения радиоволн. М.: Наука, 1971. С. 287-298.Ivanov V.A., Ryabova N.V. Modern approaches to short-term forecasting of noiseproof ionospheric radio channels for decameter telecommunication systems. Vestnik Povolzhskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta [Herald of Volga State University of Technology]. Ser. Radio Engineering and Infocommunication Systems. 2007, no. 1, pp. 23-34. (In Russian).Копка Г.. Меллер Г.Г. Расчеты МПЧ с учетом влияния магнитного поля Земли // Лучевое приближение и вопросы распространения ра-диоволн. М.: Наука, 1971. С. 167-173.Ivanov V.A., Kurkin V.I., Nosov V.E., Uryadov V.P., Shumaev V.V. Chirp ionosonde and its application in ionospheric research. Izvestiya vuzov. Radiofizika [Radiophysics and Quantum Electronics]. 2003, vol. 46, no. 11, pp. 821-851. (In Russian).Крашенинников И.В., Егоров И.Б., Павлова Н.М. Эффективность прогнозирования про-хождения радиоволн в ионосфере на основе ионосферной модели IRI-2001 // Геомагнетизм и аэрономия. 2008. Т. 48, № 4. С. 526-533.Kiselev A.M. Maximum usable frequency statistical model and its application in forecast. Tehnika radiosvyazi [Radio Communication Engineering]. 2017, no. 4, pp. 35-48. (In Russian).Кузьмин А.В., Чалкина Н.А. Моделирование алгоритма автоматической обработки результатов наклонного зондирования ионосферы с коррекцией параметров модели ионосферы // Гелиогеофизические иссл. 2013. № 6. С. 74-80.Kiyanovsky M.P. Program for computer calculations using a modified method of transmission curves. Luchevoe priblizhenie I voprosy rasprostraneniya radiovoln [Radial Approximation and Radio Wave Propagation Problems]. Moscow, Nauka, 1971, pp. 287-298. (In Russian).Куркин В.И., Орлов И.И., Попов В.Н. Метод нормальных волн в проблеме коротковолновой радиосвязи. М.: Наука, 1981. 124 с.Kopka H., Meller H.G. MUF calculations with consideration for effect of Earth's magnetic field. Luchevoe priblizhenie I voprosy rasprostraneniya radiovoln [Radial Approximation and Radio Wave Propagation Problems] Moscow, Nauka, 1971, pp. 167-173. (In Russian).Куркин В.И., Носов В.Е., Пономарчук С.Н., Савков С.С., Чистякова Л.В. Метод оперативной диагностики радиоканала // Иссл. по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. 1993. Вып. 100. С. 168-188.Krasheninnikov I.V., Egorov I.B., Pavlova N.M. Ef-fectiveness of predicting radiowave propagation in the ionosphere based on the IRI-2001 ionospheric model. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2008, vol. 48, no. 4, pp. 504-510. (In Russian).Куркин В.И., Полех Н.М.. Чистякова Л.В. Оперативный прогноз МПЧ при наклонном зондировании // Иссл. по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. 1997. Вып. 105. С. 168-174.Kurkin V.I., Orlov I.I., Popov V.N. Metod nor-mal’nykf voln v probleme korotkovolnovoi svyazi [Normal Wave Technique in HF Radio Communication]. Moscow, Nauka, 1981, 124 p. (In Russian).Лукин Д.С., Спиридонов Ю.Г. Применение метода характеристик для решения на ЭВМ задач распространения электромагнитных волн в неоднородных анизотропных средах // Лучевое приближение и вопросы распространения радиоволн. М.: Наука, 1971. С. 265-279.Kurkin V.I., Nosov V.E., Ponomarchuk S.N., Sav-kov S.S., Chistyakova L.V. Method for operative diagnostics of the radio channel. Issledovaniya po geomagnetizmu, aeronomii i fizike Solntsa [Res. on Geomagnetism, Aeronomy and Solar Phys.]. 1993, vol. 100, pp. 168-188. (In Russian).Методы прогнозирования основной МПЧ, рабочей МПЧ и траектории луча, разработанные МСЭ-R. Женева: ITU, 2016. 7 с.Kurkin V.I., Polekh N.M., Chistyakova L.V. Operative prediction of MUF under oblique sounding. Issledovaniya po geomagnetizmu, aeronomii i fizike Solntsa [Res. on Geomagnetism, Aeronomy and So-lar Phys.]. 1997, vol. 105, pp. 168-174. (In Russian).Поляков В.М., Суходольская В.Е., Ивельская М.К. и др. Полуэмпирическая модель ионосферы для широкого диапазона геофизиче-ских условий. М.: МЦД-Б, 1986. 136 с.Kuzmin A.V., Chalkina N.A. Modeling of algorithm of automatic processing of results of oblique ionosphere sounding with correction of ionosphere model parameters. Geliogeofizicheskie issledovaniya [Heliogeophys. Res.]. 2013, no. 6, pp. 74-80. (In Rus-sian).Пономарчук С.Н., Грозов В.П., Котович Г.В., Михайлов С.Я. Обработка и интерпретация ионограмм вертикального и наклонного зон-дирования для диагностики ионосферы на базе ЛЧМ-ионозонда // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. акад. М.Ф. Решетнева. 2013. № 5(51). С. 163-166.Lukin D.S., Spiridonov Yu.G. Application of method of characteristics for solving problems of elec-tromagnetic wave propagation through inhomogeneous anisotropic media. Luchevoe priblizhenie I voprosy rasprostraneniya radiovoln [Radial Approximation and Radio Wave Propagation Problems]. Moscow, Nauka, 1971, pp. 265-279. (In Russian).Пономарчук С.Н., Ильин Н.В., Ляхов А.Н. и др. Комплексный алгоритм расчета характеристик распространения КВ-радиоволн на основе модели ионосферы и плазмосферы и метода нормальных волн // Изв. вузов. Физика. Тематический вып. 2016. Т. 59, № 12/2. С. 70-74.Metody prognozirovaniya osnovnoi MPCh, working MPCh I traektorii lucha, razrabotannye MSE-R [Methods of predicting the basic MUF, working MUF, and beam trajectory worked out by MSE-R. Geneva, ITU,2016, 7 p. (In Russian).Рябова Н.В., Иванов В.А. Временной и пространственный краткосрочный прогноз МПЧ // Труды XX Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн». 2002. С. 115-116.Polyakov V. M., Sukhodol’skaya V. E., Ivel’skaya M.K., Sutyrina G.E., Dubovskaya G.V., Buzikova M.Yu. Polu-empiricheskaya model ionosfery dlya shirikogo diapazona geofizicheskikh uslovii [A semiempirical model of the ionosphere for a wide range of geophysical conditions]. Moscow, MCD-B, 1986, 136 p. (In Russian).Смирнов В.М., Смирнова Е.В., Тынянкин С.И. и др. Аппаратно-программный комплекс для мониторинга состояния ионосферы в ре-жиме реального времени // Гелиогеофизические иссл. 2013. Вып. 4. С. 32-38.Ponomarchuk S.N., Grozov V.P., Kotovich G.V., Mikhailov S.Ya. The processing and interpretation of vertical and oblique sounding ionograms for ionosphere diagnostics on the base of chirp ionosonde. Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo aerokosmich-eskogo universiteta imeni akademika M.F. Resh-etneva [Herald of Acad. M.F. Reshetnev Siberian State Aerospace University]. 2013, no. 5(51), pp. 163-166. (In Russian).Barabashov B.G., Maltseva O., Pelevina O. Near real time IRI correction by TEC-GPS data // Adv. Space Res. 2006. V. 37. P. 978-982.Ponomarchuk S.N., Ilyin N.V., Lyakhov A.N., Penzin M.S., Romanova E.B., Tashchilin A.V. Complex algorithm for calculation of HF radio waves propagation characteristics on the basis of the ionosphere and the plasmasphere model and normal waves technique. Izvestya vuzov. Physics. [Russian Physics J.]. Thematic is. 2016, vol. 59, no. 12/2, pp. 71-74. (In Russian).Bilitza D., Altadill D., Truhlik V., et al. Interna-tional Reference Ionosphere 2016: From iono-spheric climate to real-time weather predictions // Space Weather. 2017. V. 15, N 2. P. 418-429.Ryabova. N.V., Ivanov V.A. Temporal and spatial short-term forecast of MUF. Proc. XXth National Scientific Conference “Propagation of radio waves”. 2002, pp. 115-116. (In Russian).Dvinskikh N.I. Expansion of ionospheric characteristics fields in empirical orthogonal functions // Adv. Space Res. 1988. V. 8, N 4. P. 179-187.Smirnov V.M., Smirnova E.V., Tynyankin I.S., Skobelkin V.N., Mal’kovskiy A.P. Hardware-software complex for Earth’s ionosphere real-time monitoring. Geliogeofizicheskie issledovaniya [Heliogeophys. Res.]. 2013, no. 4, pp. 32-38. (In Rus-sian).Vertogradov G.G., Vertogradov V.G., Uryadov V.P. Oblique chirp sounding and modeling of ionospheric HF channel at paths of different length and orientation // Intern. J. of Geomag-netism and Aeronomy. 2007. V. 7. GI2002. DOI: 10.1029/2006GI000143.Vertogradov G.G., Vertogradov V.G., Uryadov V.P. Oblique chirp sounding and modeling of ionospheric HF channel at paths of different length and orientation. Int. J. of Geomagnetism and Aeronomy. 2007, vol. 7, GI2002. DOI: 10.1029/2006GI000143.URL: http://ckp-rf.ru/ckp/3056 (дата обращения 20 апреля 2018 г.).URL: http://ckp-rf.ru/ckp/3056 (accessed April 20, 2018).