3. Рефракция на приземных трассах

 

Распространение ММВ в приближении геометрической оптики может быть описано траекторией луча, а во многих практических случаях набором траекторных параметров - углами выхода и прихода луча, полной рефракции, геометрическим и видимым расстояниями.

Существующие методы расчета таких параметров не пригодны для всех вертикальных структур поля преломления и не позволяют найти траекторию луча по заданным истинным координатам пунктов связи, а также не определяют видимые координаты источника, наблюдаемого под малыми отрицательными углами места. С целью учета рефракции для модели сферически-слоистой атмосферы в ИРЭ РАН был разработан такой алгоритм, который позволил находить траектории, связывающие источник и приемник излучения при любых заданных как их координатах, так и вертикальных профилях коэффициента преломления. Этот алгоритм, состоящий из компактных выражений, приспособлен для численных расчетов на ЭВМ. Он пригоден также и для случаев многолучевого распространения, когда конечные пункты могут быть связаны несколькими траекториями.

Алгоритм основан на описании траектории в слоистой среде с постоянными grad n в слоях, что приводит к искривлению траектории только внутри слоя, при этом преломления на границах слоев нет. Все возможные траектории находятся при сканировании по углу места. Предложенный алгоритм позволяет также определять истинные координаты источника по видимым. Погрешность метода при расчете угловых величин в атмосфере оценивается в 1 угл. сек.

Этот подход  был применен для оценки влияния метеоусловий на траекторные параметры волн миллиметрового и оптического диапазонов, распространяющихся вблизи горизонта в приземном слое атмосферы, где поле коэффициента преломления n подвержено сильным вариациям.

На основе данных метеонаблюдений ИЭМ на 15-ти уровнях мачты высотой ~  301 м, полученных в годовом цикле 2-х суточных сеансов с интервалами в 6 часов внутри сеанса и 12 между ними, были рассчитаны текущие вертикальные профили n в миллиметровом и оптическом диапазонах. Для расчета n в ММ диапазоне была применена созданная в ИРЭ РАН инженерная методика расчета вращательной части диэлектрической проницаемости водяного пара, учитывающая спектральные зависимости преломления и не приводящая к потере точности по сравнению с полным квантово-механическим расчетом .

Численное моделирование распространения в приземном слое выполнено для трассы с высотами передатчика и приемника 10 и 70 м соответственно, и дальностью 15 км. Обнаружена существенная связь характера отклонений видимого угла прихода от направления на источник с метеообстановкой. Для такой трассы определены средние и среднеквадратичные величины ошибки определения координат источника, амплитуда и фаза ее суточной компоненты и их зависимости от синоптической обстановки. Получено, например, что максимальное изменение видимого угла в ММ диапазоне может составить около 20 угл. мин. в антициклональной ситуации теплого дня. В оптическом диапазоне это изменение на порядок меньше и фаза его отстает от ММВ на 6 - 7 часов.

По этим же метеоданным за годовой период был проведен расчет статистических характеристик отклонений углов прихода и выхода от истинного направления R1 и R2 у приемника и передатчика соответственно и электрической длины пути между ними -   .

Были вычислены коэффициенты корреляции между  различными траекторными параметрами в каждом диапазоне волн и между соответствующими траекторными параметрами радио и оптических волн. В январе в большинстве случаев значения R1 и R2 в радиодиапазоне меньше, чем в оптике. В июле существенное влияние влажности приводит наоборот к большему диапазону изменения R1 и R2 на ММ волнах.

Средние за сутки значения    в радиодиапазоне всегда больше, чем в оптическом. Средняя  ошибка радиодальности для рассмотренной трассы изменяется от 4,6 м зимой до 4,84 м летом при девиации 5 и 17 см соответственно. Годовой ход   в оптическом и ММ диапазонах противоположен по фазе.

Из результатов расчета следует, что в целом корреляция  между R1, R2 и   в каждом диапазоне волн и между диапазонами отсутствует.

Вышеприведенные результаты относятся к случаю фиксированных высот приемника и передатчика. Поскольку по расчетам было замечено, что траектория между ними не существует при определенных метеоусловиях, то анализировалась возможность отсутствия связи при изменении высоты передатчика от 2 до 301 м. По месяцам года  были определены те минимальные высоты H2, при расположении источника выше которых, уже не наблюдались случаи отсутствия связи. Эти высоты имеют сезонный ход и меняются от ~ 20 м в январе  до ~ 60 м в июле. Отсутствие связи происходит из-за наличия слоев воздуха со сверхрефракционными свойствами между конечными пунктами трассы. Расчеты показывают, что на приземной трассе возможно не только отсутствие связи, но и возникновение многолучевости, обусловленной только особенностями преломления в атмосфере.

Прогноз условий распространения на трассе возможен при контроле высотного хода метеопараметров. Ошибки при их измерении могут заметно влиять на точность такого прогноза.

При расчетах вертикальной рефракции атмосфера предполагалась горизонтально однородной. Обоснованность этого предположения подтверждалась тем, что, во-первых, в экспериментах по наблюдению Солнца в МГТУ на  =3,3 мм при компенсации астрономической рефракции в реальном масштабе времени по методике были получены максимально возможные величины горизонтальной рефракции вблизи горизонта, меньшие 10 угл. сек, и естественно, что на приземной трассе эта величина будет существенно меньшей. Во-вторых, при измерении на приземной трассе максимально возможная горизонтальная рефракция всегда была меньше ошибки измерений, то есть меньше 1 угл.сек.