Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 75258 10.12737/szf-102202409 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований HF radio path modeling by waveguide approach Моделирование КВ-радиотрасс на основе волноводного подхода https://orcid.org/0000-0002-1371-6855 Пономарчук Сергей Николаевич Ponomarchuk Sergey Nikolaevich spon@iszf.irk.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 https://orcid.org/0000-0001-5120-1150 Куркин Владимир Иванович Kurkin Vladimir Ivanovich kurkin@iszf.irk.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Ильин Николай Викторович Ilyin Nikolay Viktorovich ilyin@iszf.irk.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Пензин Максим Сергеевич Penzin Maksim Sergeevich penzin.maksim@gmail.com Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation 25 06 2024 25 06 2024 10 2 99 108 15 02 2024 06 05 2024 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/75258/view

Приведена схема моделирования характеристик КВ-радиосигналов на трассах различной протяженности на основе волноводного подхода — метода нормальных волн. Используется представление поля регистрируемого сигнала в виде ряда произведений функций Грина углового оператора, коэффициентов возбуждения и коэффициентов приема отдельных нормальных волн. Разработаны алгоритмы расчета дистанционно-частотных, частотно-угловых и амплитудных характеристик сигналов в больших пространственных областях на основе анализа и численного суммирования ряда нормальных волн. Реализован комплексный алгоритм моделирования условий распространения КВ-радиосигналов, включающий модель среды, алгоритмы расчета характеристик сигналов и оперативную диагностику радиоканала. Проведено сопоставление результатов моделирования характеристик распространения КВ-сигналов и экспериментальных данных наклонного зондирования на трассах различной протяженности и ориентации. Для анализа экспериментальных ионограмм, определения максимальных применимых частот различных мод распространения на радиотрассах используется методика автоматической обработки и интерпретации ионограмм наклонного зондирования.

We present a scheme for modeling HF radio signal characteristics along paths of different lengths, which is based on the waveguide approach — the normal mode method. We use a representation of the recorded signal field in the form of Green function products of the angular operator, excitation coefficients, and reception coefficients of individual normal modes. Algorithms have been developed for calculating distance-frequency, frequency-angular, and amplitude characteristics of signals in large spatial regions through analysis and numerical summation of normal mode series. We have implemented a complex algorithm for simulating propagation conditions of HF radio signals, which includes a medium model, algorithms for calculating signal characteristics, and operational diagnostics of radio channel. We have compared the results of the HF signal propagation characteristic modeling and the experimental oblique sounding data obtained along paths of different lengths and orientation. To analyze experimental ionograms, determine the maximum usable frequencies for propagation modes along radio paths, we employ the method of automatic processing and interpretation of oblique sounding ionograms.

 распространение радиоволн волноводный подход прогнозирование радиотрасс ионограмма диагностика радиоканала radio wave propagation waveguide approach radio path forecast ionogram radio channel diagnostics Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки (субсидия № 075-ГЗ/Ц3569/278) The work was financially supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Subsidy No. 075-GZ/Ts3569/278)

Авдеев В.Б., Демин А.В., Кравцов Ю.А. и др. Метод интерференционных интегралов (Обзор). Изв. вузов. Радиофизика. 1988. Т. 31, № 11. С. 1279–1294. Anderson S. Cognitive HF radar. J. Eng. 2019, vol. 2019, iss. 20, pp. 6772–6776. DOI: 10.1049/joe.2019.0537. Анютин А.П., Орлов Ю.И. Пространственно-временная геометрическая теория дифракции частотно-модулирован-ных радиосигналов в однородной диспергирующей среде. РЭ. 1977. Т. 22, № 10. С. 2082–2090. Anyutin A.P., Orlov Yu.I. Space-time geometrical theory of diffraction of frequency-modulated radio signals in a homogeneous dispersive medium. J. Commun. Technol. Electron. 1977, vol. 22, no. 10, pp. 2082–2090. Гуревич А.В., Цедилина Е.Е. Сверхдальнее распространение коротких радиоволн. М.: Наука, 1979. 246 с. Avdeev V.B., Demin A.V., Kravtsov Yu.A., Tinin M.V., Yarygin A.P. The interferential integral method (review) Radiophys Quantum Electron. 1988, vol. 31, pp. 907–921. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир, 1973. 502 с. Ayliffe J.K., Durbridge L.J., Gordon J.F., Gardiner-Garden R. The DST Group High-Fidelity, Multichannel Oblique Incidence Ionosonde. Radio Sci. 2019, vol. 54, no. 1, pp. 104–114. DOI: 10.1029/2018RS006681. 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. Baranov V.A., Karpenko A.L., Popov A.V. Evolution of Gaussian beams in the nonuniform Earth-ionosphere waveguide. Radio Sci. 1992, vol. 27, no. 2, pp. 307–314. DOI: 10.1029/ 91RS02639. Ипатов Е. Б., Лукин Д. С., Палкин Е. А. Численная реализация метода канонического оператора Маслова в задачах распространения коротких радиоволн в ионосфере Земли. Изв. вузов. Радиофизика. 1990. Т. 33, № 5. С. 562–573. Baranov V.A., Popov A.V. Generalization of the parabolic equation for EM waves in a dielectric layer of nonuniform thickness. Wave Motion. 1993, vol. 17, no. 4, pp. 337–347. DOI: 10.1016/0165-2125(93)90013-6. Ипатов Е.Б., Крюковский А.С., Лукин Д.С. и др. Методы моделирования распространения электроманитных волн в ионосфере с учетом распределений электронной концентрации и магнитного поля земли. РЭ. 2014. Т. 59, № 12. С. 1180–1187. DOI: 10.7868/S0033849414120079. 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, no.2, pp. 418–429. DOI: 10.1002/2016SW001593. Казанцев А.Н., Лукин Д.С., Спиридонов Ю.Г. Метод исследования распространения радиоволн в неоднородной магнитоактивной ионосфере. Космические исследования. 1967. Т. 5. Вып. 4. С. 593–600. Bremmer H. Terrestrial Radio Waves. Theory of Propagation, Amsterdam, 1949, 343 p. Кравцов Ю. А., Орлов Ю.И. Геометрическая оптика неоднородных сред. М.: Наука, 1980. 304 с. Cherkashin Yu.N. Application of parabolic equation method for calculation wavefields in inhomogeneous media Radio Engineering and Electronic Physics. 1971, vol. 16, no. 1, pp. 173–174. (In Russian). Краснушкин П.Е. Метод нормальных волн в применении к проблеме дальних радиосвязей. М.: Изд-во МГУ, 1947. 52 c. Croft T.A., Hoogasian H. Exact ray calculations in a quasi-parabolic ionosphere with no magnetic field. Radio Sci. 1968, vol. 3, no. 1, pp. 69–74. DOI: 10.1002/rds19683169. Крюковский А.С., Лукин Д.С., Палкин Е.А., Растягаев Д.В. Волновые катастрофы – фокусировки в дифракции и распространении электромагнитных волн. РЭ. 2006. Т. 51, № 10. С. 1155–1192. Davies K. Ionospheric Radio Waves. Blaisdell, London, 1969, 460 p. Куркин В.И., Орлов И.И., Попов В.Н. Методика расчета МПЧ протяженных радиотрасс. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1975. Вып. 33. С. 71–74. Dyson P.L., Bennett J.A. A model of the vertical distribution of the electron concentration in the ionosphere and its application to oblique propagation studies. J. Atmos. Terr. Phys. 1988, vol. 50, no. 3, pp. 251–262. DOI: 10.1016/0021-9169(88)90074-8. Куркин В.И., Орлов И.И., Попов В.Н. Метод нормальных волн в проблеме коротковолновой радиосвязи. М.: Наука, 1981а. 124 с. Grozov V.P., Ilyin N.V., Kotovich G.V., Ponomarchuk S.N. Software system for automatic interpretation of ionosphere sounding data. Pattern Recognition and Image Analysis. 2012, vol. 22, no. 3, pp. 458–463. Куркин В.И., Орлов И.И., Попов В.Н. Применение метода нормальных волн к исследованию протяженных радиотрасс. Изв. вузов. Радиофизика. 1981б. Т. 24, № 3. С. 293–297. Gurevich A.V., Tsedilina E.E. Long distance propagation of HF radio waves. Berlin: Springer-Verlag. 1985. Куркин В.И., Орлов И.И., Потехин А.П. О способе расчета амплитуды квазимонохроматического КВ-сигнала в методе нормальных волн. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1982. Вып. 59. С. 60–62. Haselgrove J. Oblique ray paths in the ionosphere. Proceedings of the Physical Society. Section B. 1957, vol. 70, no. 7, pp. 653–662. Куркин В.И., Ильин Н.В., Пензин М.С. и др. Моделирование КВ-радиоканала на основе волноводного подхода. Солнечно-земная физика. 2023. Т. 9, № 4. С. 91–103. DOI: 10.12737/szf-94202311. Ilyin N.V., Khakhinov V.V., Kurkin V.I., Nosov V.V., Orlov I.I., Ponomarchuk S.N. The theory of chirp-signal ionospheric sounding. Proceedings of ISAP’96, Chiba, Japan, 1996, pp. 689–692. Лукин Д.С., Спиридонов Ю.Г. Применение метода характеристик для численного решения задач распространения радиоволн в неоднородной и нелинейной среде. РЭ. 1969. Т. 14, № 9. С. 1673–1677. Ipatov E.B., Lukin D.S., Palkin E.A. Numerical realization of the Maslov canonical operator method for problems of shortwave radio propagation in the ionosphere of the earth. Radiophysics and Quantum Electronics. 1990, vol. 33, no. 5, pp. 411–420. DOI: 10.1007/BF01045406. Подлесный А.В., Брынько И.Г., Куркин В.И. и др. Многофункциональный ЛЧМ-ионозонд для мониторинга ионосферы. Гелиогеофизические исследования. 2013. Вып. 4. С. 24–31. Ipatov E.B., Kryukovskii A.S., Lukin D.S., Palkin E.A., Rastyagaev D.V. Methods of simulation of electromagnetic wave propagation in the ionosphere with allowance for the distributions of the electron concentration and the Earth’s magnetic field. J. Commun. Technol. Electron. 2014, vol. 59, no. 12, pp. 1341–1348. DOI: 10.1134/S1064226914120079. Подлесный А.В., Лебедев В.П., Ильин Н.В., Хахинов В.В. Реализация метода восстановления передаточной функции ионосферного радиоканала по результатам зондирования ионосферы непрерывным ЛЧМ-сигналом. Электромагнитные волны и электронные системы. 2014. Т. 19, № 1. P. 63–70. Ivanov D.V., Ivanov V.A., Ovchinnikov V.V., Elsukov A. Adaptive wideband equalization for frequency dispersion correction in HF band considering variations in interference characteristics and ionosphere parameters. ITM Web Conf. 2019a, vol. 30, no. 15021, pp. 1–6. DOI: 10.1051/itmconf/ 20193015021. Пономарчук С.Н., Грозов В.П., Ильин Н.В. и др. Возвратно-наклонное зондирование ионосферы непрерывным сигналом с линейной частотной модуляцией. Изв. вузов. Радиофизика. 2021. Т. 64, № 8-9. С. 665–671. DOI: 10.52452/ 00213462_2021_64_08_655. Ivanov V.A., Ivanov D.V., Ryabova N.V., Ryabova M.I., Chernov A.A., Ovchinnikov V.V. Studying the parameters of frequency dispersion for radio links of different length using software-defined radio based sounding system. Radio Sci. 2019b, vol. 54, no. 1, pp. 34–43. DOI: 10.1029/2018RS006636. Попов В.Н., Потехин А.П. О распространении декаметровых радилволн в азимутально-симметричном волноводе Земля—ионосфера. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1984. Вып. 69. С. 9–15. Ivanov V.A., Kurkin V.I., Nosov V.E., Uryadov V.P., Shumaev V.V. Chirp ionosonde and its application in the ionospheric research. Radiophysics and Quantum Electronics. 2003, vol. 46, iss. 11, pp. 821–851. Потехин А.П., Орлов И.И. Приближенная формула суммирования ряда нормальных волн. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1981. Вып. 57. С. 135–137. Kazantsev A.N., Lukin D.S., Spiridonov Yu.G. A method for studying the propagation of radio waves in an inhomogeneous magnetoactive ionosphere. Space Res. 1967, vol. 5, no. 4, pp. 593–600. (In Russian). Черкашин Ю.Н. Применение метода параболического уравнения для расчета волновых полей в неоднородных средах. РЭ. 1971. Т. 16, № 1. С. 173–174. Kelso J.M. Ray Tracing in the lonosphere. Radio Sci. 1968, vol. 3, no. 1, pp. 1–12. DOI: 10.1002/rds1968311. Anderson S. Cognitive HF radar. J. Eng. 2019. Vol. 2019, iss. 20. P. 6772–6776. DOI: 10.1049/joe.2019.0537. Krasnushkin P.E. The method of normal waves as applied to the problem of long-distance radio communications. Moscow: Publishing House of Moscow State University. 1947, 52 p. (In Russian). Ayliffe J.K., Durbridge L.J., Gordon J.F., et al. The DST Group High-Fidelity, Multichannel Oblique Incidence Iono-sonde. Radio Sci. 2019. Vol. 54, no. 1. P. 104–114. DOI: 10.1029/2018RS006681. Kravtsov Yu. A., Orlov Yu. I., Geometrical Optics of Inhomogeneous Media. Springer, Berlin. 1990. Baranov V. A., Popov A. V. Generalization of the parabolic equation for EM waves in a dielectric layer of nonuniform thickness. Wave Motion. 1993. Vol. 17, no. 4. P. 337–347. DOI: 10.1016/0165-2125(93)90013-6. Kryukovskii A.S., Lukin D.S., Palkin E.A., Rastyagaev D.V. Wave catastrophes: Types of focusing in diffraction and propagation of electromagnetic waves. J. Commun. Technol. Electron. 2006, vol. 51, no. 10, pp. 1087–1125. DOI: 10.1134/S1 064226906100019. Baranov V.A., Karpenko A.L., Popov A.V. Evolution of Gaussian beams in the nonuniform Earth-ionosphere waveguide. Radio Sci. 1992. Vol. 27, no. 2. P. 307–314. DOI: 10.1029/91RS02639. Kurkin V.I., Orlov I.I., Popov V.N. Technique for calculating the MUF of long radio paths. Research on geomagnetism, aeronomy and solar physics. Moscow: Nauka. 1975, iss. 33, pp. 71–74. (In Russian). Bilitza D., Altadill D., Truhlik V., et al. International Reference Ionosphere 2016: From ionospheric climate to real-time weather predictions. Space Weather. 2017. Vol. 15, no.2. P. 418–429. DOI: 10.1002/2016SW001593. Kurkin V.I., Orlov I.I., Popov V.N. Normal Wave Technique in HF Radio Communication Problem. Moscow, Nauka Publ., 1981a. (In Russian). Bremmer H. Terrestrial Radio Waves. Theory of Propagation, Amsterdam, 1949. 343 p. Kurkin V.I., Orlov I.I., Popov V.N. Use of the normal wave method in study of long-distance radio paths. Radiophysics and Quantum Electronics. 1981b, vol. 24, iss. 3, pp. 203–206. DOI: 10.1007/BF01035369. Croft T.A., Hoogasian H. Exact ray calculations in a quasi-parabolic ionosphere with no magnetic field. Radio Sci. 1968. Vol. 3, no 1. P. 69–74. DOI: 10.1002/rds19683169. Kurkin V.I., Orlov I.I., Potekhin A.P. On a technique for calculating the amplitude of a quasi-monochromatic HF signal in the normal-wave method. Research on geomagnetism, aeronomy and solar physics. Moscow: Nauka. 1982, iss. 59, pp. 60–62. (In Russian). Dyson P. L., Bennett J.A. A model of the vertical distribution of the electron concentration in the ionosphere and its application to oblique propagation studies. J. Atmos. Terr. Phys. 1988. Vol. 50, no.3. P. 251–262. DOI: 10.1016/0021-9169(88)90074-8. Kurkin V.I., Ilyin N.V., Penzin M.S., Ponomarchuk S.N., Khakhinov V.V. HF radio channel modeling on the base of waveguide approach. Solar-Terr. Phys. 2023, vol. 9, iss. 4, pp. 83–94. DOI: 10.12737/stp-94202311. Grozov V.P., Ilyin N.V., Kotovich G.V., Ponomarchuk S.N. Software system for automatic interpretation of ionosphere sounding data. Pattern Recognition and Image Analysis. 2012. Vol. 22, no. 3. P. 458–463. Kurkin V.I., Medvedeva I.V., Podlesnyi A.V. Effect of sudden stratosphere warming on characteristics of medium-scale traveling ionospheric disturbances in the Asian region of Russia. Adv. Space Res. 2024, vol. 73, iss. 7. P. 3613–3623. DOI: 10.1016/j.asr.2023.09.020. Haselgrove J. Oblique ray paths in the ionosphere. Proceedings of the Physical Society. Section B. 1957. Vol. 70, no. 7. P. 653–662. Lukin D.S., Spiridonov Yu.G. Application of the method of characteristics for the numerical solution of problems of radio wave propagation in an inhomogeneous and nonlinear medium. Radiotekhnika i Elektronika. 1969, vol. 14, no. 9, pp. 1673–1677. (In Russian). Ilyin N.V., Khakhinov V.V., Kurkin V.I., et al. The theory of chirp-signal ionospheric sounding. Proceedings of ISAP’96, Chiba, Japan. 1996. P. 689–692. Mullaly R. F. Ray paths in inhomogeneous anisotropic media. Australian Journal of Physics. 1962, vol. 15, no. 2, pp. 96–105. DOI: 10.1071/PH620096. Ivanov D.V., Ivanov V.A., Ovchinnikov V.V., et al. Adaptive wideband equalization for frequency dispersion correction in HF band considering variations in interference characteristics and ionosphere parameters. ITM Web Conf. 2019a. Vol. 30, article number 15021. P. 1–6. DOI: 10.1051/itmconf/20193015021. Podlesnyi A.V., Brynko I.G., Kurkin V.I., Berezovsky V.A., Kiselyov A.M., Petukhov E.V. Multifunctional chirp ionosonde for monitoring the ionosphere. Heliogeophys. Res. 2013, no. 4, pp. 24–31. (In Russian). Ivanov V.A., Ivanov D.V., Ryabova N.V., et al. Studying the Parameters of Frequency Dispersion for Radio Links of Different Length Using Software-Defined Radio Based Sounding System. Radio Sci. 2019b. Vol. 54, no. 1. P. 34–43. DOI: 10.1029/2018RS006636. Podlesnyi A.V., Lebedev V.P., Ilyin N.V., Khahinov V.V. Implementation of the method for restoring the transfer function of the ionospheric radio channel based on the results of sounding the ionosphere with a continuous chirp signal. Electromagnetic waves and electronic systems. 2014, vol. 19, no. 1, pp. 63–70. (In Russian). Kelso J. M. Ray Tracing in the lonosphere. Radio Sci. 1968. Vol. 3, no. 1. P. 1–12. DOI: 10.1002/rds1968311. Ponomarchuk S.N., Grozov V.P., Ilyin N.V., Kurkin V.I. Backscatter Ionospheric Sounding by a Continuous Chirp Signal. Radiophysics and Quantum Electronics. 2022, vol. 64, iss. 8-9, pp. 591–604. DOI: 10.1007/s11141-022-10162-7. Kurkin V.I., Medvedeva I.V., Podlesnyi A.V. Effect of sudden stratosphere warming on characteristics of medium-scale traveling ionospheric disturbances in the Asian region of Russia. Adv. Space Res. 2024. Vol. 73, iss. 7. P. 3613–3623. DOI: 10.1016/j.asr.2023.09.020. Ponomarchuk S.N., Grozov V.P. Automatic interpretation of ionograms of oblique sounding with a continuous chirp signal based on hybrid algorithms. Proc. SPIE 12780, 29th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, 127806R (17 October 2023). DOI: 10.1117/12.2688445. Mullaly R.F. Ray paths in inhomogeneous anisotropic media. Australian Journal of Physics. 1962. Vol. 15, no. 2. P. 96–105. DOI: 10.1071/PH620096. Popov V.N., Potekhin A.P. On the propagation of decameter radio waves in the azimuth-symmetric “Earth-ionosphere” waveguide. Research on geomagnetism, aeronomy and solar physics. Moscow: Nauka. 1984, iss. 69, pp. 9–15. (In Russian). Ponomarchuk S.N., Grozov V.P. Automatic interpretation of ionograms of oblique sounding with a continuous chirp signal based on hybrid algorithms. Proc. SPIE 12780, 29th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 127806R (17 October 2023). DOI: 10.1117/12.2688445. Potekhin A.P., Orlov I.I. An approximate summation formula for a series of normal waves. Research on geomagnetism, aeronomy and solar physics. Moscow: Nauka. 1981, iss. 57, pp. 135–137. (In Russian). Rao N.N. Bearing deviation in HF transionospheric propagation. I. Exact computations for some ionospheric models with no magnetic field. Radio Sci. 1968. Vol. 3, no. 12. P. 1113–1118. DOI: 10.1002/rds19683121113. Rao N.N. Bearing deviation in HF transionospheric propagation. I. Exact computations for some ionospheric models with no magnetic field. Radio Sci. 1968. vol. 3, no. 12, pp. 1113–1118. DOI: 10.1002/rds19683121113. Zernov N.N., Gherm V.E., Zaalov N.Yu., et al. The generalization of Rytov’s method to the case of inhomogeneous media and HF propagation and scattering in the ionosphere. Radio Sci. 1992. Vol. 27, no. 2. P. 235–244. DOI: 10.1029/91rs02920. Zernov N.N., Gherm V.E., Zaalov N.Yu., Nikitin A.V. The generalization of Rytov's method to the case of inhomogeneous media and HF propagation and scattering in the ionosphere. Radio Sci. 1992, vol. 27, no. 2, pp. 235–244. DOI: 10.1029/91rs02920. URL: http://ckp-rf.ru/ckp/3056/ (дата обращения 31 января 2024 г.). URL: http://ckp-rf.ru/ckp/3056/ (accessed January 31, 2024).