Оперативное радиопрогнозирование

ВОЕННАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА КРАСНОЗНАМЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ

ИМЕНИ С.М.БУДЕННОГО

ВОПРОСЫ

расчета и проектирования антенн и радиолиний

Технические

и научно-методические материалы

Ленинград

1985

Статья была написана в годы учебы в Академии связи под руководством к.т.н. полковника Петра Васильевича Слюсарева на 25-й кафедре. Идеи этой работы были воплощены в программе "Прогнозирование прохождения радиоволн и доступности связи на заданных частотах".
 

Слюсарев П.В., Ладанов М.В.

1.8. ОПЕРАТИВНОЕ  РАДИОПРОГНОЗИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТАБЕЛЬНЫХ РАДИОСРЕДСТВ

И МИКРОКАЛЬКУЛЯТОРОВ

Необходимость задачи оперативного радиопрогнозирования обусловлена низким уровнем оправдываемости современных прогнозов ионосферно-волновой службы (ИВС) за короткие промежутки времени и ограничением возможностей централизованного радиопрогнозирования в условиях применения современных средств борьбы.

Как известно [1, 2], оправдываемость современных прогнозов ИВС оценивается в среднем за интервалы времени не менее одного месяца или 6—12ч для долгосрочных и краткосрочных прогнозов соответственно. Это приемлемо при плакировании радиосвязи, удовлетворяет потребности коммерческой радиосвязи, но непригодно в полной мере для текущего обеспечения военной радиосвязи на конкретных радиолиниях, требующих высокой надежности в любой момент времени ведения связи.

Прогнозы ИВС по существу скрывают от потребителей непостоянство во времени электронной концентрации верхних слоев атмосферы, дающего колебания критических частот (и значений МПЧ для коротких трасс) в пределах ±20%, прикрывая эти колебания оценкой «спокойное» состояние ионосферы [2]. Для военно-полевых и подвижных средств весь диапазон рабочих частот МПЧ — НПЧ нередко составляет не более 20—30%. Поэтому неустойчивость и даже перерывы связи в условиях «спокойного» по прогнозам ИВС состояния ионосферы из-за непрогнозируемых колебаний МПЧ не являются редкостью.

Прогнозы ИВС не отражают возможности резких колебаний уровней ионизации в нижней ионосфере из-за неполной ясности причин этих явлений [3]. Между тем наблюдаемые пространственно-локальные изменения электронной концентрации в пределах одного-двух порядков на высотах 60- 85 км могут вызывать неустойчивость радиосвязи крутопадающими волнами из-за дополнительного поглощения радиоволн, приводящего к возрастанию НПЧ даже без видимой связи с солнечными и геомагнитными условиями

Определенные тенденции к расширению применения средств воздействия на ионосферу (различные виды электромагнитных облучении, распыление легкоионизируемых веществ и т.п.) могут иногда существенно ограничить возможности централизованного прогнозирования. В результате задача оперативного самостоятельного радиопрогнозирования выдвигаемся на первый план проблемы обеспечения устойчивости и живучести радиосвязи в части, касающегося частотного обеспечения.

Постановка задачи оперативного радиопрогнозирования прежде всего предполагает:

-        разработку метода и алгоритма самостоятельного   (на  радиоцентрах  или  отдельных  радиостанциях)   составления прогнозов МПЧ и НПЧ  на сроки от минут до  нескольких часов с  использованием микрокалькуляторов на основе данных, получаемых собственными радиосредствами;

-        выбор организационно-технических   мероприятий,  позволяющих не только составление, но и  реализацию прогнозов для обеспечения устойчивости   и   живучести   обслуживаемых  радиолиний путем   надлежащего выбора  отдельных номиналов и  пакетов  вероятностно-оптимальных частот.

   При  выборе  метода  оперативного  радиопрогнозирования следует учитывать основные положения теории ионосферного прогнозирования.

   Ионосферное прогнозирование —  сложный процесс,   требующий значительного геофизического обеспечения.   Оно включает солнечные, геомагнитные,   ионосферные и другие данные, обобщенные за одиннадцатилетние   циклы   солнечной   активности,   а   также   соответствующие  текущие  экспериментальные  данные   за   определенный период,   предшествующий составлению прогноза.   При составлении   прогноза   широко   используются   полученные   теоретически аналитические соотношения между параметрами ионосферы, отражающие развитие ионосферных процессов во времени.   Помимо совершенства теории   оправдываемость прогноза существенно зависит от полноты геофизического обеспечения.

   При   самостоятельном   радиопрогнозировании   следует   ограничиться минимально возможным геофизическим обеспечением, обобщенным в виде скользящей декадной медианы суточного хода частоты, теоретическими взаимосвязями параметров ионосферы, отраженными в понятии пространственно-временной устойчивости, а также текущими экспериментальными данными измерений МПЧ — НПЧ на обслуживаемых радиолиниях с помощью табельных средств (включая средства ЧДС) [4].

Скользящая декадная медиана суточного хода частот строится на основе ежечасных медианных значений, вычисляемых по соот­ветствующим измерениям МПЧ и НПЧ за истекшую декаду.

Пространственно-временная устойчивость отражает свойства инерционности ионосферы как материальной среды, которые проявляются в постепенном (а не скачкообразном) изменении параметров ионосферы после стороннего энергетического воздействия. Степень проявления зависит от энергетического уровня и размеров области воздействия. Однако всегда наблюдается некоторая «устойчивость» характера изменения параметров, что позволяет экстраполировать их значения. Так, даже при сильных природных ионосферных возмущениях путем экстраполяции можно получать приемлемые оправдываемости прогнозов на интервалы времени до 1—2 ч и по горизонтали вдоль отражающего слоя до 300— 500 км в средних широтах. При искусственных ионосферных возмущениях (электромагнитные облучения и т.п.), охватывающие области вблизи эпицентров энергетического воздействия, интервалы экстраполяции могут уменьшаться.

В качестве метода самостоятельного радиопрогнозирования удобно использовать метод экстраполяции измеренных предшествующих и текущих частот с учетом характера и уровня суточного хода их медианных значений.

Оперативное радиопрогнозирование указанным методом производится при сокращенном объеме геофизического обеспечения. Оно позволяет получать необходимую оправдываемость только в текущих пределах пространственно-временной устойчивости. Выход за эти пределы сопровождается падением оправдываемости, и для ее восстановления необходимо сокращать прогнозируемый срок.

Алгоритм оперативного радиопрогнозирования по методу экстраполяции параметра (критической частоты, МПЧ и НПЧ) включает следующие операции:

-       вычисление и построение декадной медианы (через каждые сутки работы). В начале работы в качестве медианы можно брать кривую суточного хода из долгосрочного прогноза;

-       измерение истинного значения с помощью трассового, наклонного (в том числе и приема контрольно-маркерных сигналов) или вертикального зондирования, выполняемого с помощью табельных радиосредств (включая средства ЧДС);

-     расчет  прогнозируемого  значения  с  помощью  соотношения

 где  fмед _{n, n+1} — медианные значения в моменты времени t_n+1, t_n  fизм_n — измеренные значения в момент времени t_n ; fпр _n+1 — прогнозируемое значение на момент времени t_n+1;

-     расчет реализуемой оправдываемости прогноза с помощью соотношения

Вычисление медиан fмед, значений fпр_n+1   и Апр удобнее, точнее и быстрее производить на программируемых микрокалькуляторах, например МК-54, согласно программам и инструкциям, приведенным в приложении.

-     Уточнение величины очередного прогнозируемого срока  tпр_n+2 = t_n+2 – t_n+1. Если реализуемая оправдываемость выше заданной, то прогнозируемый срок fпр_n+2 можно увеличить в сравнении с tпр_n+1 . Однако выбирать  tпр ≥ 4 ч не рекомендуется, ибо могут быть пропущены изменения ионосферной обстановки. Если реализуемая оправдываемость ниже заданной, то прогнозируемый срок tпр_n+2 следует уменьшить. Предельное  уменьшение   этого срока ограничивается техническими возможностями по скорости обработки операций, предусмотренных алгоритмом.

Некоторые возможности оперативного радиопрогнозирования в сопоставлении с долгосрочным прогнозированием ИВС могут быть показаны при использовании реальных значений ионосферных параметров, приводимых в месячных обзорах Космических данных и месячных прогнозах, например за март месяц 1983 г. [5, 6].

Пусть требовалось обеспечить радиосвязь днем 12 марта 1983 г. на радиолинии ионосферных волн протяженностью 100 км, расположенной в Подмосковье (столь короткая радиолиния выбрана только для упрощения подхода к МПЧ). Полагая, что для такой короткой радиолинии МПЧ ~ f₀F2, согласно месячному прогнозу [6] по известным правилам могли быть выбраны частоты 3,4 и 7,1 МГц в качестве ночной и дневной соответственно со временем смены частот в 09.00 и 18.00 (рис. 1.18).

Однако попытка открыть связь на дневной частоте оказалась безуспешной. Связисты не знали, что 11 и 12 марта наблюдалось не предусмотренное месячным прогнозом сильное отрицательное возмущение, в результате которого выделенные рабочие частоты оказались выше МПЧ и потому непригодными для значительной части суток 12 марта. Только переход к оперативному радиопрогнозированию помог бы выбрать подходящие частоты и установить связь в кратчайшее время.

Следуя указанному алгоритму и применяя в качестве декадной медианы кривую  суточного хода МПЧ из месячного прогноза, прежде всего, необходимо производить измерение МПЧ. В рассматриваемом случае величина МПЧ = f₀F2 определяется путем самостоятельного вертикального зондирования с помощью табельных средств (ионозондом или радиостанцией со специальной приставкой) либо получением таких данных от ближайшего ионозонда. В 09.00 12 марта 1983 г величина МПЧ = f₀F2= 4,8 МГц [5] Учитывая, что из [6] fмед _09.00 = 8,55 МГц, расчетом можно установить fпр _09.00 = 5,3 МГц  При использовании этой частоты в качестве

Рис. 1.18

рабочей в течение ближайшего получаса можно было бы установить связь. Связь в начале неустойчивая из-за флуктуаций, вызванных близостью к МПЧ, с течением времени по мере повышения МПЧ быстро улучшилась. Можно было бы сразу получить более устойчивую связь, выбрав рабочую частот   5,3 МГц. Последующие измерения, показанные на рис. 1.18, подтвердили правильность принятого решения.

Расчеты  показали,  что при имевшей место относительно стабильной ионосферной обстановке на 12 марта 1983 г. Одночасовые прогнозируемые сроки вполне достаточны для получения приемлемой оправдываемости   (табл. 1.2). На дневное время прогнозируемый срок можно было даже увеличить до 2 ч.

Чтобы исключить задержку времени в открытии связи, оперативное радиопрогнозирование в зависимости от интенсивности и динамичности ионосферного возмущения необходимо начинать заблаговременно   (от нескольких часов до 8 —10 суток,  а в рассматриваемом случае интенсивного, но слабодинамичного в текущие сутки ионосферного возмущения — до 3 ч)   Начиная измерения и

Таблица 1.2

Количественные данные оперативного радиопрогнозирования

расчеты с 06.00 и проводя их через час с убывающим сроком прогнозирования, включающим время 09.00, можно было бы правильно оценить условия связи и выбор оптимальных частот (рис. 1.19). По результатам такого прогнозирования можно установить:

-     в 06.00 при прогнозе на 4 ч — непригодность выделенной частоты 7,1 МГц для открытия связи в 09.00;

-     в 07.00 и 08.00 при прогнозе на 3 и 2 ч соответственно — практически полную непригодность частоты 7,1 МГц для работы в дневное время. Прогноз в 08.00, кроме того, позволил определить пригодность для открытия связи в 09.00 частот не выше 4,9 МГц и закончить выбор отдельных номиналов и пакетов вероятностно-оптимальных частот.

Иллюстрация алгоритма оперативного радиопрогнозирования приведена на примере МПЧ (точнее, на примере f₀F2). Однако его применение возможно для любого зависящего от времени ионосферного параметра.

Осуществление самостоятельного оперативного радиопрогнозирования потребует проведения определенных организационно-технических мероприятий. В конкретных условиях работы эти мероприятия могут различаться в деталях, однако общие положения, зафиксированные в основах организации функционирования радиочастотной и частотно-диспетчерской службы (например, в [4]) или соответствующих   инструкциях   остаются   неизменными.   Общими являются также требования совершенствования технических средств в направлении все более полной автоматизации при расширяющемся  использовании вычислительной техники.

Рис. 1.19

ПРОГРАММА

ПРОГНОЗИРОВАНИЯ МПЧ МЕТОДОМ ЧИСЛЕННОЙ  ЭКСТРАПОЛЯЦИИ

ИНСТРУКЦИЯ  ПО  РАБОТЕ С  ПРОГРАММОЙ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ МПЧ МЕТОДОМ ЧИСЛЕННОЙ ЭКСТРАПОЛЯЦИИ

Примечание.   При   вводе   данных   МПЧ    для   расчета   медианы исключить ввод наиболее резкого выброса МПЧ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Жулина Е. М., Керблай С. Т., Ковалевская Е. М. и др. Основы долгосрочного радиопрогнозирования. — М.: Наука, 1969.

2. Зевакина Р. А., Кулешова В. П. и др. Методы краткосрочного прогноза магнитной активности и состояния ионосферы. — М.: ИЗМИРАН, 1975.

3. Данилов А. Д. Международная программа МАП и изучение нижней ионосферы. Сборник тезисов и докладов XIV Всесоюзной конференции по РРВ. — М., Наука, 1984.

4. Слюсарев П. В. Основы организации функционирования радиочастотной и частотно-диспетчерской службы. — Л.: ВАС, 1978.

5. Космические данные. Месячный обзор. Наука, 1983, № 3

6. Месячный прогноз МПЧ. Март 1983. Гидрометеоиздат. М.,  1983.