Исследование рефракционных свойств тропосферы с помощью радиоинтерферометра

Приведены результаты полугодового цикла измерений градиента коэффициента преломления тропосферы за период зима–лето по результатам измерений угла прихода с помощью радиоинтерферометра, принимающего радиосигнал геостационарного спутника Земли Asiasat 3S. Проведен анализ и обоснование полученных резул...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2012
Hauptverfasser:	Хоменко, С.И., Хлопов, Г.И., Халамейда, Д.Д.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2012
Schriftenreihe:	Радіофізика та електроніка
Schlagworte:	Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/105880
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Исследование рефракционных свойств тропосферы с помощью радиоинтерферометра / С.И. Хоменко, Г.И. Хлопов, Д.Д. Халамейда // Радіофізика та електроніка. — 2012. — Т. 3(17), № 2. — С. 50-53. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-105880
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1058802016-09-13T03:02:14Z Исследование рефракционных свойств тропосферы с помощью радиоинтерферометра Хоменко, С.И. Хлопов, Г.И. Халамейда, Д.Д. Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование Приведены результаты полугодового цикла измерений градиента коэффициента преломления тропосферы за период зима–лето по результатам измерений угла прихода с помощью радиоинтерферометра, принимающего радиосигнал геостационарного спутника Земли Asiasat 3S. Проведен анализ и обоснование полученных результатов. Исследованы некоторые явления в тропосфере, приводящие к наблюдавшимся в процессе измерений аномально большим значениям градиента коэффициента преломления. Наведено результати піврічного циклу вимірів градієнта коефіцієнта заломлення тропосфери за період зима–літо за результатами вимірів кута приходу за допомогою радіоінтерферометра, що приймає радіосигнал геостаціонарного штучного супутника Землі Asiasat 3s. Проведено аналіз і обґрунтування отриманих результатів. Досліджено деякі явища в тропосфері, що приводять до одержаних в процесі вимірів аномально великих значень градієнта коефіцієнта заломлення. Measurement results of refraction gradient during a half of the year with the help of a radiointerferometer measuring arrival angle of radiosignals of geostationary satellite are described. Analysis and justification of obtained results are carried out. 2012 Article Исследование рефракционных свойств тропосферы с помощью радиоинтерферометра / С.И. Хоменко, Г.И. Хлопов, Д.Д. Халамейда // Радіофізика та електроніка. — 2012. — Т. 3(17), № 2. — С. 50-53. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1028-821X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/105880 621.371(260).029.65 ru Радіофізика та електроніка Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование
spellingShingle	Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование Хоменко, С.И. Хлопов, Г.И. Халамейда, Д.Д. Исследование рефракционных свойств тропосферы с помощью радиоинтерферометра Радіофізика та електроніка
description	Приведены результаты полугодового цикла измерений градиента коэффициента преломления тропосферы за период зима–лето по результатам измерений угла прихода с помощью радиоинтерферометра, принимающего радиосигнал геостационарного спутника Земли Asiasat 3S. Проведен анализ и обоснование полученных результатов. Исследованы некоторые явления в тропосфере, приводящие к наблюдавшимся в процессе измерений аномально большим значениям градиента коэффициента преломления.
format	Article
author	Хоменко, С.И. Хлопов, Г.И. Халамейда, Д.Д.
author_facet	Хоменко, С.И. Хлопов, Г.И. Халамейда, Д.Д.
author_sort	Хоменко, С.И.
title	Исследование рефракционных свойств тропосферы с помощью радиоинтерферометра
title_short	Исследование рефракционных свойств тропосферы с помощью радиоинтерферометра
title_full	Исследование рефракционных свойств тропосферы с помощью радиоинтерферометра
title_fullStr	Исследование рефракционных свойств тропосферы с помощью радиоинтерферометра
title_full_unstemmed	Исследование рефракционных свойств тропосферы с помощью радиоинтерферометра
title_sort	исследование рефракционных свойств тропосферы с помощью радиоинтерферометра
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/105880
citation_txt	Исследование рефракционных свойств тропосферы с помощью радиоинтерферометра / С.И. Хоменко, Г.И. Хлопов, Д.Д. Халамейда // Радіофізика та електроніка. — 2012. — Т. 3(17), № 2. — С. 50-53. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Радіофізика та електроніка
work_keys_str_mv	AT homenkosi issledovanierefrakcionnyhsvojstvtroposferyspomoŝʹûradiointerferometra AT hlopovgi issledovanierefrakcionnyhsvojstvtroposferyspomoŝʹûradiointerferometra AT halamejdadd issledovanierefrakcionnyhsvojstvtroposferyspomoŝʹûradiointerferometra
first_indexed	2025-07-07T17:35:04Z
last_indexed	2025-07-07T17:35:04Z
_version_	1837010470959054848
fulltext	РРААССППРРООССТТРРААННЕЕННИИЕЕ РРААДДИИООВВООЛЛНН,, РРААДДИИООЛЛООККААЦЦИИЯЯ ИИ ДДИИССТТААННЦЦИИООННННООЕЕ ЗЗООННДДИИРРООВВААННИИЕЕ _________________________________________________________________________________________________________________ __________ ISSN 1028−821X Радиофизика и электроника. 2012. Т. 3(17). № 2 © ИРЭ НАН Украины, 2012 УДК 621.371(260).029.65 С. И. Хоменко, Г. И. Хлопов, Д. Д. Халамейда Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: khalameyda@ire.kharkov.ua ИССЛЕДОВАНИЕ РЕФРАКЦИОННЫХ СВОЙСТВ ТРОПОСФЕРЫ С ПОМОЩЬЮ РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТРА Приведены результаты полугодового цикла измерений градиента коэффициента преломления тропосферы за период зима–лето по результатам измерений угла прихода с помощью радиоинтерферометра, принимающего радиосигнал геостационарно- го спутника Земли Asiasat 3S. Проведен анализ и обоснование полученных результатов. Исследованы некоторые явления в тропо- сфере, приводящие к наблюдавшимся в процессе измерений аномально большим значениям градиента коэффициента преломления. Ил. 9. Библиогр.: 10 назв. Ключевые слова: рефракция, интерферометр, геостационарный спутник, градиент коэффициента преломления, экспо- ненциальный высотный профиль коэффициента преломления. Условия распространения радиоволн ока- зывают значительное влияние на работу радиосис- тем [1], в частности рефракционные явления в тропосфере могут снижать точность систем гло- бальной навигации. Поэтому разработка методов, позволяющих определить высотный профиль коэф- фициента преломления тропосферы с дальнейшим расчетом рефракционных параметров, является актуальной задачей. Данные о профиле могут быть также полезны для систем управления воздуш- ным движением при заходе на посадку самолета. В работе [2] предложено использовать радиоинтерферометр для измерения градиента коэффициента преломления в рамках экспонен- циальной модели тропосферы       ∆ ∆+= 0 0 exp1)( n hgnhn n , (1) где Δn0 = n0 – 1; n0 – приземный коэффициент преломления; gn – градиент коэффициента пре- ломления. Также были приведены требования к элементам антенно-фидерной системы радиоинтер- ферометра и произведена оценка влияния флук- туаций турбулентной тропосферы на точность измерения [3], а экспериментальная установка и ее характеристики описаны в работе [4]. В настоящей работе приведены результа- ты цикла измерений градиента коэффициента преломления gn, проведенных в Харькове в тече- ние периода зима–лето с помощью разработанно- го и изготовленного аппаратурного комплекса, описанного в работе [4]. На рис. 1 приведены результаты измере- ний градиента, где по оси абсцисс отложено вре- мя проведения измерений, а по оси ординат – значения градиента. При этом штрихпунктирная линия соответствует тренду среднего значения gn, аппроксимированному полиномом второй степе- ни, а затемненная область соответствует средне- квадратическому отклонению (СКО) gn с усред- нением в 30 сут. Рис. 1. Результаты измерений градиента коэффициента пре- ломления gn Как следует из рисунка, сезонный ход среднего значения и СКО градиента коэффициен- та преломления выражены слабо, что находит подтверждение в результатах исследований, опи- санных в работе [5], где подобные измерения проводились в аэропорту города Афины (Греция) с помощью разнесенных по высоте контактных датчиков. Однако, как было отмечено в работе [4], при измерениях имеют место аномальные значе- ния градиента в случаях, когда форма профиля сильно отличается от экспоненциальной. На ри- сунке эти случаи отмечены крестиками на оси абсцисс. Чтобы получить представление о харак- тере распределения измеренных данных, на рис. 2 построена гистограмма значений градиента коэф- фициента преломления за весь период исследований. Количество разбиений гистограммы оп- ределялось с помощью критерия Старджеса [6] bin = 1 + log2nизм, где bin – количество ячеек; nизм – количество измерений. Анализируя харак- тер полученной зависимости, следует отметить ее близость к нормальному закону: ( ) , 2 1 )( 2 2 2σ σπ mx exf − − = (2) 01 02 03 04 05 Месяц –2 –4 –6 –8 gn⋅10–8, 1/м × × × × × × × × × × mailto:hdd78@mail.ru С. И. Хоменко и др. / Исследование рефракционных свойств… ______________________________________________________________________________________________________________ 51 где m – среднее значение; σ – СКО случайного процесса. Рис. 2. Гистограмма измеренных значений градиента gn В рассматриваемом случае среднее значе- ние равно gn = 4,4·10–8, дисперсия – σ 2 = 5,4·10–17, а вид аппроксимирующего закона распределения показан сплошной линией на рис. 2. Проведенный цикл измерений показал, что основная часть измеренных значений (≥ 99 %) лежит в пределах представлений, которые следу- ют из экспоненциальной модели (1). Поэтому в работе исследованы условия, при которых воз- можны столь существенные вариации углов от- клонения, отмеченные на рис. 1 крестиками. Рассмотрим биэкспоненциальную модель тропосферы [7], которая позволяет более точно описывать процессы, происходящие в тропосфере (рис. 3), чем экспоненциальная модель (1), и за- писывается в виде ( )        ≥         ∆ ∆+= <         ∆ ∆+= = ,если,exp1)( если,exp1)( 1 1 1 0 0 0 b n b n hh n hg nhn hh n hg nhn hn (3) где n0, n1, gn0, gn1 – параметры модели. Расчет рефракционной ошибки при пе- ленгации удаленного источника, расположенного вне пределов тропосферы, производился путем численного решения интегрального уравнения [4] ( ) ( ) ( ) ( ) , sin1 1 sin1 222 0 22 0 ∫ −− −= = − R a a a dh dn anhhnhn dh an α α δ (4) где R – высота верхней границы тропосферы. Параметры верхней ветви профиля задава- лись в виде стандартного профиля: N1 = 300 N ед., gn1 = –0,397·10–7 1/м, градиент gn0 варьировался в пределах (–2÷1)·10–7, а значение величины при- земного коэффициента преломления определя- лось исходя из заданных параметров модели. Рис. 3. Биэкспоненциальный профиль коэффициента прелом- ления тропосферы На рис. 4 приведены результаты расче- тов, которые показывают, что данная модель не позволяет объяснить столь широкую амплитуду полученных вариаций значений рефракционных ошибок, наблюдаемых в эксперименте. Рис. 4. Зависимость рефракционной ошибки от параметра gn0 для биэкспоненциальной модели высотного профиля С другой стороны, гидрометеообразова- ния, такие как облака, могут образовывать самые разнообразные формы, и на границах гидроме- теообразований изменения коэффициента пре- ломления N часто превышает 40 N ед. [8]. Рас- смотрим два случая, когда форму облака можно аппроксимировать клином и шаром, как показано на рис. 5, где приведена геометрия трассы при прохождении электромагнитной волны (ЭМВ) через клиновидное облако. Рис. 5. Прохождение ЭМВ через клиновидное облако Для расчета угла рефракционной ошибки, который в рассматриваемом случае соответствует –2 –4 –6 gn⋅10–8, 1/м 0,2 0,1 0 200 250 300 N, ед. 2 1 0 h, км –2 –1 gn0⋅107, 1/м δ ° 0,22 0,21 δ β1 α1 αν ω С. И. Хоменко и др. / Исследование рефракционных свойств… ______________________________________________________________________________________________________________ 52 углу отклонения δпр, можно воспользоваться про- стыми геометрооптическими соотношениями [9], которые после несложных преобразований позво- ляют получить выражение ( ) .sinarcsinsinarcsin 1 2 1 1 2 1пр                         −+ +−= αω ωαδ n n n n (5) Зависимость угла рефракционной шибки δ от угла ω при вершине призмы для различных значений перепадов коэффициента преломления на границе облака ΔN показаны на рис. 6. Рис. 6. Зависимость угла отклонения δпр от угла при вершине призмы ω: 1 – ΔN = 150; 2 – ΔN = 100; 3 – ΔN = 50 Как видно, значение угла отклонения для ΔN = 150 может достигать 5', что на порядок больше, чем для применявшейся в расчетах экс- поненциальной модели и достаточно близко к экспериментально наблюдаемым результатам (размах рефракционной ошибки натурных изме- рений δ составляет 12' ). Аналогичная ситуация также наблюдает- ся для метеорологических объектов шаровидной формы, которые характерны для кучево-дождевой облачности [8]. В этом случае использование геометрооптических соотношений [9] позволяет получить зависимость угла отклонения от отно- сительного удаления траектории луча от центра сферы Δl/rсф в следующем виде: ,arcsinarcsin arcsinsinarcsin сфсф2 1 сф1 2 сф         ∆ −                 ∆ −         −        ∆ = r l r l n n r l n n δ (6) где Δl – удаления траектории луча от центра сфе- ры; rсф – радиус сферического метеообразования. Результаты расчетов отклонения луча в случае шаровидного гидрометеообразования при- ведены на рис. 7. Как видно, преломление лучей на грани- це шаровидных гидрометеообразований приводит к углам отклонения того же порядка 5'–6', как и для клиновидных метеообъектов. Таким образом, при определенных условиях явление преломле- ния на гидрометеообразованиях может маскиро- вать отклонения луча за счет рефракции и вызы- вать аномально большие вариации значений угла прихода, что наблюдалось в предварительных экспериментах [4]. Можно предположить, что подобный эффект может иметь место и при дру- гих условиях распространения радиоволн, в том числе при «высвечивании» энергии из слоистых образований [10]. Рис. 7. Зависимость угла отклонения сферой δсф от относитель- ного расстояния Δl/rсф: 1 – ΔN = 150; 2 – ΔN = 100; 3 – ΔN = 50 Поэтому чтобы исключить описанные выше явления, приводящие к искажению данных, в процессе проведения натурных измерений с помощью разработанного радиофизического комплекса производился контроль условий рас- пространения для ограниченного набора экспе- риментов. На рис. 8 приведены отобранные дан- ные, которые получены в условиях, когда форма высотного профиля коэффициента преломления контролировалась контактными измерениями с помощью рефрактометра, установленного на шаре-зонде, и была близка к экспоненциальной модели (рис. 9). Рис. 8. Измерение градиента коэффициента преломления: контактные измерения – кружки, интерферометрические из- мерения – крестики Как видно, в этом случае результаты дис- танционных измерений с помощью разработанно- 0 0,2 0,4 0,6 0,8 δ ' 0,6 0,06 0,006 1 5 9 13 Сутки –4 –5 –6 gn⋅10–8, 1/м 0 10 20 30 40 ω, ° δ ' 4,8 3,6 2,4 1,2 1 3 2 С. И. Хоменко и др. / Исследование рефракционных свойств… ______________________________________________________________________________________________________________ 53 го радиоинтерферометра близки к данным кон- тактных измерений (рис. 8). Можно предполо- жить, что наблюдавшиеся отклонения результа- тов от расчетных величин обусловлены не по- грешностью разработанной аппаратуры, а отли- чием реальных условий распространения радио- волн от использованных в модели. Рис. 9. Высотный профиль коэффициента преломления (сплош- ная кривая) и его аппроксимация экспонентой (пунктирная кривая) Параметры реальной тропосферы не всегда описываются экспоненциальной моделью, поэтому использование описанного метода может быть оправдано только в определенных условиях, которые соответствуют выбранной модели. С другой стороны, полученные результаты гово- рят о необходимости расширения условий при- менимости описанного метода измерения реф- ракционных свойств тропосферы путем исследо- вания работы радиоинтерферометра с другими моделями тропосферы, а также разработки новых моделей. Выводы. В результате проведенных ис- следований можно сделать следующие выводы: • Показано, что сезонный ход среднего значения градиента коэффициента преломления и его СКО выражен слабо, что подтверждает ре- зультаты контактных измерений, описанных в литературе. • Основная часть измерений градиента коэф- фициента преломления в приземном слое тропо- сферы, проведенных с помощью интерферомет- рического метода, адекватно описывается экспо- ненциальной моделью тропосферы. При этом среднее значение градиента за период измерений зима–лето составляет gn = 4,1·10–8, а СКО гради- ента – σg = 7,3·10–9. • Показано, что преломление лучей на гра- ницах метеообразований может маскировать яв- ление рефракции, что позволяет объяснить сущест- венно большие отклонения приходящего луча по сравнению с расчетными данными для экспонен- циальной модели тропосферы. Библиографический список 1. Калинин А. И. Распространение радиоволн и работа ра- диолиний / А. И. Калинин, Е. Л. Черенкова. – М.: Связь, 1971. – 440 с. 2. Халамейда Д. Д. Инструментальные ошибки интерферо- метрического метода исследования рефракции в тропо- сфере на трассе ГИСЗ – Земля / Д. Д. Халамейда // Радио- физика и электрон.: сб. науч. тр. / Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. – Х., 2008. – 13, № 3. – С. 503–511. 3. Халамейда Д. Д. Влияние флуктуаций коэффициента пре- ломления радиоволн в тропосфере на работу радиоинтер- ферометра / Д. Д. Халамейда / Радиофизика и электрон. – 2010. – 1(15), № 4. – С. 39–44. 4. Хоменко С. И. Измерительный интерферометрический комплекс для исследования рефракционных свойств тропосферы с помощью радиоизлучения геостационарных искусственных спутников Земли / С. И. Хоменко, Г. И. Хло- пов, Д. Д. Халамейда // Радиофизика и электрон. – 2011. – 2(16), № 3. – С. 61–66. 5. Isaakidis S. A. Ten years analysis of Tropospheric refractivity variations / S. A. Isaakidis, T. D. Xenos // Annals of geophy- sics. – 2004. – 47, N 4. – P. 1333–1337. 6. Громыко Г. Л. Общая теория статистики. Практикум / Г. Л. Громыко. – М.: ИНФРА, 1999. – 139 с. 7. Bean B. R. Radio Metrology / B. R. Bean, E. J. Dutton. – N. Y.: Dover, 1968. – 435 р. 8. Калинин А. И. Распространение радиоволн на трассах наземных и космических радиолиний / А. И. Калинин. – М.: Связь, 1979. – 293 с. 9. Борн М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф. – М.: Наука, 1973. – 721 с. 10. Кукушкин А. В. Загоризонтное распространение УКВ радио- волн над морем / А. В. Кукушкин, В. Д. Фрейлихер, И. М. Фукс // Изв. вузов. Радиофизика. – 1987. – 30, № 7. – С. 811–823. Рукопись поступила 19.03.2012 S. I. Khomenko, G. I. Khlopov, D. D. Khalameyda EXAMINATION OF TROPOSPHERIC REFRACTION USING RADIOINTERFEROMETER Measurement results of refraction gradient during a half of the year with the help of a radiointerferometer measuring arrival angle of radiosignals of geostationary satellite are described. Anal- ysis and justification of obtained results are carried out. Key words: refraction, interferometer, geostationary satellite, gradient of refraction index. С. І. Хоменко, Г. І. Хлопов, Д. Д. Халамейда ДОСЛІДЖЕННЯ РЕФРАКЦІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ТРОПОСФЕРИ ЗА ДОПОМОГОЮ РАДІОІНТЕРФЕРОМЕТРА Наведено результати піврічного циклу вимірів граді- єнта коефіцієнта заломлення тропосфери за період зима–літо за результатами вимірів кута приходу за допомогою радіоінтер- ферометра, що приймає радіосигнал геостаціонарного штуч- ного супутника Землі Asiasat 3s. Проведено аналіз і обґрунту- вання отриманих результатів. Досліджено деякі явища в тро- посфері, що приводять до одержаних в процесі вимірів анома- льно великих значень градієнта коефіцієнта заломлення. Ключові слова: рефракція, інтерферометр, гео- стаціонарний супутник, градієнт коефіцієнта заломлення, експоненціальний висотний профіль коефіцієнта заломлення. 0 400 800 1200 h, м N, ед. 300 270 240

Исследование рефракционных свойств тропосферы с помощью радиоинтерферометра

Institution

Ähnliche Einträge