Глава третья. Автоматическая ионосферная станция

Изменения в ионосфере тесным образом связаны с другими геофизическими явлениями (изменениями ультрафиолетового и корпускулярного излучений Солнца, полярными сияниями и др.), поэтому ионосферу исследуют на геофизических обсерваториях, где наряду с наблюдениями за ее состоянием также непрерывно регистрируют изменения, или, как принято называть, вариации магнитного поля Земли, интенсивности излучения Солнца и др. В полярных районах наблюдают также за полярными сияниями.

Большое значение для изучения ионосферы имеют непрерывные наблюдения за периодическими изменениями солнечной деятельности, проводимые в астрономических обсерваториях. При изучении процессов в ионосфере и связанных с ними геофизических явлений большое значение имеет согласованность программы наблюдений. Она приобретает особо важную роль в период международных геофизических кампаний, когда наблюдения ведутся широким фронтом во многих странах мира. Большое значение в этом отношении имел прошедший Международный геофизический год. В настоящее время во многих странах мира, в том числе и в СССР, ведется большая подготовка к Международному году спокойного Солнца.

Современные магнитно-ионосферные обсерватории оборудованы автоматическими ионосферными станциями для непрерывного наблюдения за состоянием ионосферы, магнитными приборами (вариометрами) для регистрации поведения земного магнитного поля, аппаратурой для наклонного или наклонно-возвратного зондирования ионосферы, приборами для измерения поглощения в ионосфере, а также комплексом аппаратуры для измерения атмосферных помех.

Рис. 9. Прямой и отраженный импульсы на экране электронно-лучевой трубки.

Автоматическая ионосферная станция — основное средство для исследования ионосферы. Она представляет собой достаточно сложное радиотехническое устройство и по принципу действия напоминает радиолокационную станцию. С ее помощью можно определить критическую частоту вертикально направленной волны, а также высоту ионизированного слоя.

Ионосферная станция состоит из передатчика и приемника, расположенных рядом. Передатчик дает короткие радиоимпульсы, которые с помощью специальных антенн направляются вертикально вверх. Достигнув ионизированного слоя, радиоволны отражаются от него и, спустя некоторое время, возвращаются к приемнику станции. Так как радиоволны распространяются со скоростью, приблизительно равной скорости света, то для прохождения пути от ионосферной станции до ионизированного слоя и обратно радиоволне потребуется время $\tau$. Промежуток времени между прямым и отраженным от ионосферы радиоимпульсами можно измерить на осциллографе. На рис. 9 схематически показано изображение, возникающее на экране осциллографа, основного и отраженного от ионосферы импульсов. Зная скорость движения светящегося пятна вдоль линии развертки, можно измерить время запаздывания принимаемого импульса.

Если считать, что скорость распространения радиоволны равна скорости света (3 · 105 км/сек), то можно определить высоту ионизированного слоя h, от которого происходит отражение радиоволн, по формуле

$$h=\frac{\tau\cdot3\cdot10^5}{2}, км$$

Необходимо оговориться, что скорость распространения радиоволн равна скорости света только в неионизированной части атмосферы (до высоты примерно 60 км). В ионосфере скорость их распространения меньше скорости света. В результате этого действительная высота точек отражения радиоволн от ионосферы будет меньше действующей высоты, определяемой по приведенной формуле.

Основные параметры ионосферной станции следующие: диапазон частот излучаемых радиоволн, длительность излучаемых импульсов и частота их повторения, мощность передатчика в импульсе и время, в течение которого изменяется настройка передатчика, пробегая весь диапазон частот ионосферной станции. Это время называется длительностью сеанса.

Современные ионосферные станции имеют следующие параметры: диапазон изменения частоты от 0,2 до 20 Мгц, длительность излучаемых импульсов примерно 100 мксек, частота повторения импульсов 50 гц, мощность передатчика в импульсе от 1 до 50 квт, длительность сеанса от 0,5 до 5 мин.

Рис. 10. Блок-схема автоматической ионосферной станции.

Принцип действия ионосферной станции поясняется блок-схемой, показанной на рис. 10.

Основным блоком служит задающий генератор. Он вырабатывает частоты, которые за время одного сеанса плавно изменяются в определенном диапазоне. Несущие частоты передатчика, также изменяющиеся в определенном диапазоне, модулируются импульсами длительностью примерно 100 мксек. Эти сигналы мощностью в импульсе около 20 квт подаются в передающую антенну, излучающую их вертикально вверх.

Отраженные от ионосферы импульсы попадают в приемную антенну и подаются в приемник с двойным преобразованием частоты. С выхода приемника сигнал поступает на индикаторы.

На станции имеются два индикатора. Один из них — по существу обычный осциллограф и служит для визуального определения высот, на которых происходит отражение радиоволн от ионосферы. Второй индикатор предназначен для получения высотно-частотных характеристик ионосферы. Этот индикатор имеет фоторегистрирующее устройство, которое фотографирует высотно-частотные характеристики на кинопленку.

Автоматическая работа станции обеспечивается блоком автоматики. По сигналам, поступающим с этого блока, происходит автоматическое включение питания отдельных блоков станции, фотографирование высотно-частотных характеристик, перемотка пленки в фоторегистрирующем устройстве и выключение станции. Управление работой блока происходит от электрических часов.

На ионосферных станциях применяют вертикальные ромбические или четырехугольные антенны. Для перекрытия диапазона частот от 0,5 до 20 Мгц применяются две антенны. Обычно на станциях имеются два комплекта таких антенн — один для передачи, другой — для приема. Приемные и передающие антенны должны быть расположены взаимно перпендикулярно. В противном случае в момент работы передатчика в приемной антенне будет наводиться большой сигнал, мешающий приему отраженного сигнала.

В результате работы ионосферной станции получается высотно-частотная характеристика ионосферы. На рис. И приведена такая характеристика, полученная на автоматической ионосферной станции под Ленинградом. На высоте примерно 120 км находится слой Е, критическая частота которого равна приблизительно 3,1 Мгц. Выше слоя Е находятся слои F1 и F2для так называемых «обыкновенных» и «необыкновенных» лучей.

Рис. 11. Высотно-частотная характеристика.

Расщепление падающей на ионосферу радиоволны на обыкновенную и необыкновенную волны происходит благодаря влиянию магнитного поля Земли. При распространении радиоволн в присутствии магнитного поля Земли движение свободных электронов в ионосфере происходит не по прямолинейной, а по криволинейной траектории. Вследствие этого появляется дополнительная составляющая вектора скорости движения электронов, благодаря чему ионосфера приобретает свойство двойного лучепреломления. Аналогичным свойством обладает кристалл турмалина, при прохождении через который луч света расщепляется на два луча. Точно так же радиоволна при прохождении через ионосферу расщепляется на две волны: обыкновенную и необыкновенную.

Исключительно большое значение имеет согласованность в программе наблюдений за ионосферой на всех ионосферных станциях мира. В настоящее время на большинстве ионосферных станций мира высотно-частотные характеристики регистрируются в одно и то же время и по единой программе. Результаты наблюдений по всем ионосферным станциям в виде пленок с фотографиями высотночастотных характеристик поступают в мировые центры сбора информации, один из которых находится в Москве.

Результаты ионосферных наблюдений в обсерваториях обрабатывают вручную под руководством научного сотрудника. Строят графики суточного хода критических частот и действующих высот ионосферных слов. По этим данным вычерчивают карты критических частот для всего земного шара. Эти данные в совокупности с наблюдениями за другими геофизическими явлениями позволяют овладеть законами этих явлений и поставить их на службу человеку.

Ручная обработка ионограмм отнимает много времени. Достаточно сказать, что на одной ионосферной станции обработкой их занимаются 3—4 квалифицированных специалиста. В последнее время изыскивают пути автоматизации этого трудоемкого процесса Одним из возможных способов обработки ионограмм может быть применение электронных счетных машин. Однако сигналы ионосферных станций не могут быть непосредственно введены в электронную машину.

При машинной обработке ионограмм должны быть предусмотрены дополнительные меры по повышению помехозащищенности ионосферной станции. Выше упоминалось, что в современных ионосферных станциях предусмотрены меры защиты от воздействия как внутренних, так и внешних помех. Тем не менее помехи пока еще значительны. При ручной обработке ионограмм опытный специалист может отличить на фотопленке полезный сигнал от помехи, а машина может посчитать помеху за сигнал и выдать неправильные результаты.

Один из путей значительного улучшения помехозащищенности ионосферной станции состоит в использовании статистических свойств сигнала и помехи. Как правило, помехи носят случайный характер. Это свойство помех используется для повышения помехозащищенности. Например, можно накапливать информацию о сигнале на специальной электронно-лучевой трубке. При этом величина полезного сигнала будет сильно возрастать, в то время как величина случайных помех останется примерно без изменений.

Машинная обработка ионосферных данных весьма перспективна; по-видимому, в ближайшее время она найдет широкое применение.

Практическая ценность результатов работы ионосферных станций заключается в получении оперативных сведений о состоянии ионосферы. Эти данные необходимы, например, для более эффективной работы коротковолновых линий связи. В моменты ионосферных возмущений и поглощений, особенно часто бывающих в полярных районах, наступает резкое ухудшение, а порою и прекращение связи. Задача службы ионосферного наблюдения заключается в своевременном обнаружении таких явлений и предупреждении работников коротковолновых станций.

Результаты наблюдений за ионосферой с помощью ионосферных станций в совокупности с наблюдениями за другими геофизическими явлениями дают возможность организовать службу прогнозов состояния ионосферы. Такие прогнозы составляются вперед на несколько дней, месяцев и даже лет.