Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
We present a technique of MUF real-time forecast based on time extrapolation for maximum observed frequencies smoothed over a long-term forecast along a given path. We have validated the technique of fitting current data from the long-term forecast, using the OPEMI model, transmission curve method for short paths, and method of normal waves for long paths (over 2000 km). This technique has been tested using data obtained at the chirp sounding network of ISTP SB RAS during periods of strong and weak solar activity. The quality of the forecast has been found to significantly improve in comparison to the long-term forecast, with advance intervals of real-time forecast from 15 to 30 min. The sessions, in which the real-time forecast error is less than 10 % for 15-min advance interval, comprise from 67 to 96 % of all sessions depending on season and radio path orientation.
ionosphere, oblique ionospheric sounding, real-time forecast, radio path, maximum usable frequency
ВВЕДЕНИЕ
Одной из важнейших характеристик декаметрового радиоканала является максимальная применимая частота (МПЧ) радиотрассы. С одной стороны, МПЧ служит индикатором космической погоды в исследуемом регионе, с другой, значения МПЧ важны с практической точки зрения для организации эффективной работы декаметровых радиотехнических систем радиосвязи. Значения МПЧ определяются параметрами среды (ионосферы) и механизмами распространения радиоволн от излучателя до точки приема. В практике радиосвязи выделяют три вида прогнозов МПЧ: долгосрочный (ДП), краткосрочный (КП) и оперативный (ОП) [Иванов, Рябова, 2007]. ДП МПЧ используется для предсказания долгопериодических, регулярных процессов на не-сколько месяцев вперед на основе модели распространения радиоволн и модели ионосферы как функции пространственных координат, местного времени, сезона и уровня солнечной активности [Vertogradov et al., 2007; Барабашов, Анишин, 2013; Пономарчук и др., 2016]. КП дается на период от нескольких часов до нескольких суток. Прогнозирование состояния ионосферы опирается на индексы, характеризующие поток солнечного излучения (индекс F10.7 или число Вольфа) и возмущенность магнитного поля Земли (индекс Kp или Dst). Существует несколько путей решения задачи. Один из них заключается в использовании эффективных поправок в модели ионосферы, учитывающих вариации МПЧ с изменением солнечной и магнитной активности [Благовещенский, Борисова, 1989; Крашенинников и др., 2008]. Другим является метод, основанный на корреляционной связи МНЧ с ключевыми геоэффективными параметрами межпланетной среды: солнечным ветром и межпланетным магнитным полем [Бархатов и др., 2006]. Однако при такой постановке задачи, несмотря на многолетние исследования, практически значимые методики еще не разработаны. Обусловлено это прежде всего сложностью реакции ионосферы на возмущающие факторы и несоответствия моделей реальным процессам, протекающим в околоземном пространстве в результате воздействия солнечного излучения. Под ОП обычно понимается экстраполяция по времени измеренных ионосферных параметров или значений МПЧ на период от нескольких минут до нескольких часов вперед. Такой прогноз в основном базируется на наличии инерционности временных рядов или выявленных физических закономерностях. Как правило, ОП опирается на данные наземного зондирования (ВЗ, НЗ) ионосферы или данные ГНСС [Барабашов и др. 2016; Пономарчук и др. 2013; Barabashov et al., 2006; Смирнов и др. 2013]. ОП отличается от ДП главным образом тем, что учитывает текущие данные измерений. В задачах, связанных с анализом временных рядов, под прогнозом понимают экстраполяцию функции, заданной отсчетами.
В настоящее время неотъемлемым элементом современной системы коротковолновой (КВ) связи считается ионосферно-волновая и частотная диспетчерская служба [Ионосферно…, 1998]. Одной из задач, решаемых техническими средствами службы, является оперативное прогнозирование условий радиосвязи, которое заключается в выработке рекомендаций по проведению в ближайшем будущем сеанса связи применительно к выделенному частотному ресурсу и доступным средствам передачи данных. Исходными данными для прогнозирования служат результаты проведенных ранее сеансов зондирования, например сигналами с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). Для практической радиосвязи допустимой считается относительная погрешность определения МПЧ не более 10 %.
Практически можно выделить два вида ОП МПЧ радиотрассы [Рябова, Иванов, 2002]: по временным рядам МПЧ для данной (или близкой) трассы [Куркин и др., 1997; Киселев, 2017] и по модели ионосферы, скорректированной в одной или нескольких точках по текущим данным зондирования ионосферы [Кузьмин, Чалкина, 2013; Арефьев и др., 2016]. Строго говоря, второй вид ОП является не столько прогнозом, сколько способом определения радиофизических параметров трассы в реальном времени.
В работе для оперативного прогноза МПЧ предлагается метод экстраполяции по времени сглаженной по долгосрочному прогнозу последовательности максимальных наблюдаемых частот на заданной трассе. Долгосрочный прогноз МПЧ проводился на базе метода кривых передачи [Кияновский, 1971] с использованием модели ОПЭМИ [Поляков и др., 1986; Dvinskikh, 1988] для коротких трасс и метода нормальных волн [Куркин и др., 1981, Пономарчук и др., 2016] с моделью IRI [Bilitza et al., 2017] для длинных трасс (более 2000 км). Проведено обоснование методики фитирования текущих данных по долгосрочному прогнозу. Апробация метода проводилась по экспериментальным данным, полученным на сети ЛЧМ-зондирования ИСЗФ СО РАН в периоды сильной и слабой солнечной активности.
1. Arefyev V.I., Kocherova M.K., Talalayev A.B., Tikhonov V.V. Methods of diagnostics of ionosphere characteristics for a given region, and correction of ionospheric models to improve the accuracy of predicting the propagation of decameter radio waves. Vestnik Tverskogo gosudarstvennogo universiteta [Herald of Tver State University. Ser. Applied Math. 2016, no. 1, pp. 33–51. (In Russian).
2. Barabashov B.G., Maltseva O., Pelevina O. Near real time IRI correction by TEC-GPS data. Adv. Space Res. 2006, vol. 37, pp. 978–982.
3. Barabashov B.G., Anishin M.M. Software package “Trassa” for predicting trajectory and power characteristics of 2–30 MHz radio channels. Part 1. Tehnika radiosvyazi [Radio Communication Engineering]. 2013, no. 1 (19), pp. 25–34. (In Russian).
4. Barabashov B.G., Anishin M.M., Rychagova M.S. On the real-time forecast of MUF for HF radio paths. Tekhnika radiosvyazi [Radio Communication Engineering]. 2016, no. 2 (29), pp. 16–26. (In Rus-sian).
5. Barkhatov N.A., Revunov S.E., Uryadov V.P., Vertogradov G.G., Vertogradov V.G., Valov V.A. Prediction of the maximum observed frequency of the ionospheric HF radio channel using the method of artificial neural networks. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2006, vol. 46, no. 1, pp. 84–93. (In Russian).
6. 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, iss. 2, pp. 418–429.
7. Blagoveshchensky D.V., Borisova T.D. On the correction of HF radio channel model with consideration for variations of solar and magnetic activities. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1989, vol. 29, no. 4, pp. 696–698. (In Russian).
8. Davies K. Radiovolny v ionosphere [Ionospheric Radio Waves]. Moscow, Mir, 1973, 502 p. (In Russian).
9. Gelfond A.O. Ischislenie konechnykf raznostei [Difference Calculus]. Moscow, Nauka,1967, 395 p. (In Russian).
10. Dvinskikh N.I. Expansion of ionospheric character-istics fields in empirical orthogonal functions. Adv. Space Res. 1988, vol. 8, no. 4, pp. 179–187.
11. Ionosferno-volnovaya sluzhba svyazi [Ionospheric-Wave Communication Service]. Ed. M.M. Krylov. Moscow, Voenizdat, 1989, 152 p. (In Russian).
12. Ivanov V.A., Ryabova N.V. Modern approaches to short-term forecasting of noiseproof ionospheric radio channels for decameter telecommunication systems. Vestnik Povolzhskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta [Herald of Volga State University of Technology]. Ser. Radio Engineering and Infocommunication Systems. 2007, no. 1, pp. 23–34. (In Russian).
13. Ivanov V.A., Kurkin V.I., Nosov V.E., Uryadov V.P., Shumaev V.V. Chirp ionosonde and its application in ionospheric research. Izvestiya vuzov. Radiofizika [Radiophysics and Quantum Electronics]. 2003, vol. 46, no. 11, pp. 821–851. (In Russian).
14. Kiselev A.M. Maximum usable frequency statistical model and its application in forecast. Tehnika radiosvyazi [Radio Communication Engineering]. 2017, no. 4, pp. 35–48. (In Russian).
15. Kiyanovsky M.P. Program for computer calculations using a modified method of transmission curves. Luchevoe priblizhenie I voprosy rasprostraneniya radiovoln [Radial Approximation and Radio Wave Propagation Problems]. Moscow, Nauka, 1971, pp. 287–298. (In Russian).
16. Kopka H., Meller H.G. MUF calculations with consideration for effect of Earth's magnetic field. Luchevoe priblizhenie I voprosy rasprostraneniya radiovoln [Radial Approximation and Radio Wave Propagation Problems] Moscow, Nauka, 1971, pp. 167–173. (In Russian).
17. Krasheninnikov I.V., Egorov I.B., Pavlova N.M. Ef-fectiveness of predicting radiowave propagation in the ionosphere based on the IRI-2001 ionospheric model. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2008, vol. 48, no. 4, pp. 504–510. (In Russian).
18. Kurkin V.I., Orlov I.I., Popov V.N. Metod nor-mal’nykf voln v probleme korotkovolnovoi svyazi [Normal Wave Technique in HF Radio Communication]. Moscow, Nauka, 1981, 124 p. (In Russian).
19. Kurkin V.I., Nosov V.E., Ponomarchuk S.N., Sav-kov S.S., Chistyakova L.V. Method for operative diagnostics of the radio channel. Issledovaniya po geomagnetizmu, aeronomii i fizike Solntsa [Res. on Geomagnetism, Aeronomy and Solar Phys.]. 1993, vol. 100, pp. 168–188. (In Russian).
20. Kurkin V.I., Polekh N.M., Chistyakova L.V. Operative prediction of MUF under oblique sounding. Issledovaniya po geomagnetizmu, aeronomii i fizike Solntsa [Res. on Geomagnetism, Aeronomy and So-lar Phys.]. 1997, vol. 105, pp. 168–174. (In Russian).
21. Kuzmin A.V., Chalkina N.A. Modeling of algorithm of automatic processing of results of oblique ionosphere sounding with correction of ionosphere model parameters. Geliogeofizicheskie issledovaniya [Heliogeophys. Res.]. 2013, no. 6, pp. 74–80. (In Rus-sian).
22. Lukin D.S., Spiridonov Yu.G. Application of method of characteristics for solving problems of elec-tromagnetic wave propagation through inhomogeneous anisotropic media. Luchevoe priblizhenie I voprosy rasprostraneniya radiovoln [Radial Approximation and Radio Wave Propagation Problems]. Moscow, Nauka, 1971, pp. 265–279. (In Russian).
23. Metody prognozirovaniya osnovnoi MPCh, working MPCh I traektorii lucha, razrabotannye MSE-R [Methods of predicting the basic MUF, working MUF, and beam trajectory worked out by MSE-R. Geneva, ITU,2016, 7 p. (In Russian).
24. Polyakov V. M., Sukhodol’skaya V. E., Ivel’skaya M.K., Sutyrina G.E., Dubovskaya G.V., Buzikova M.Yu. Polu-empiricheskaya model ionosfery dlya shirikogo diapazona geofizicheskikh uslovii [A semiempirical model of the ionosphere for a wide range of geophysical conditions]. Moscow, MCD-B, 1986, 136 p. (In Russian).
25. Ponomarchuk S.N., Grozov V.P., Kotovich G.V., Mikhailov S.Ya. The processing and interpretation of vertical and oblique sounding ionograms for ionosphere diagnostics on the base of chirp ionosonde. Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo aerokosmich-eskogo universiteta imeni akademika M.F. Resh-etneva [Herald of Acad. M.F. Reshetnev Siberian State Aerospace University]. 2013, no. 5(51), pp. 163–166. (In Russian).
26. Ponomarchuk S.N., Ilyin N.V., Lyakhov A.N., Penzin M.S., Romanova E.B., Tashchilin A.V. Complex algorithm for calculation of HF radio waves propagation characteristics on the basis of the ionosphere and the plasmasphere model and normal waves technique. Izvestya vuzov. Physics. [Russian Physics J.]. Thematic is. 2016, vol. 59, no. 12/2, pp. 71–74. (In Russian).
27. Ryabova. N.V., Ivanov V.A. Temporal and spatial short-term forecast of MUF. Proc. XXth National Scientific Conference “Propagation of radio waves”. 2002, pp. 115–116. (In Russian).
28. Smirnov V.M., Smirnova E.V., Tynyankin I.S., Skobelkin V.N., Mal’kovskiy A.P. Hardware-software complex for Earth’s ionosphere real-time monitoring. Geliogeofizicheskie issledovaniya [Heliogeophys. Res.]. 2013, no. 4, pp. 32–38. (In Rus-sian).
29. Vertogradov G.G., Vertogradov V.G., Uryadov V.P. Oblique chirp sounding and modeling of ionospheric HF channel at paths of different length and orientation. Int. J. of Geomagnetism and Aeronomy. 2007, vol. 7, GI2002. DOI: 10.1029/2006GI000143.
30. URL: http://ckp-rf.ru/ckp/3056 (accessed April 20, 2018).
