Комплексная методика профилирования геофизических характеристик на трассе распространения радиоволн диапазона очень низких частот

Введение: в работе предложена комплексная методика использования современных геофизических моделей для профилирования геофизических характеристик на радиотрассе диапазона очень низких частот, которая объединяет ряд частных методик и реализована в виде программы на языке Matlab.

Материалы и методы: исходными данными служит информация из цифровых глобальных карт электрических характеристик подстилающей поверхности, геомагнитных моделей International Geomagnetic Reference Field или World Magnetic Model, а также модели ионосферы International Reference Ionosphere. В основе методики лежит циклическое обращение к геофизическим моделям, управляемое такими параметрами, как зенитный угол солнца, проводимость подстилающей поверхности, геомагнитный азимут радиотрассы и амплитуда геомагнитного поля. При выходе полученного значения одного из управляющих параметров за пределы назначенного интервала выполняется сохранение характеристик сегмента радиотрассы в массив исходных данных.

Результаты: прогнозирование напряженности поля с помощью апробированного пакета программ показало, что замена моделей исходных данных вносит в прогноз выраженные периодические возмущения, которые проявляются в виде биения уровня напряженности поля по расстоянию. Количественно оценка эффекта выполнена с помощью периодограммы по уровню соответствующих гармоник. Проведенный анализ показал, что периодические возмущения являются следствием резкого спада электронной концентрации в стандартной модели ионосферы, поэтому в комплексную методику сегментации внедрена гибридная модель ионосферы, которая совмещает биэкспоненциальную и стандартную модели ионосферы для более плавного спада электронной концентрации на низких высотах.

Обсуждение и заключения: в результате прогнозирования с использованием комплексной методики выявлено, что внедрение гибридной модели дает наименьшие периодические возмущения в прогнозе напряженности поля. Однако, использование гибридной модели осложняется необходимостью обоснованного выбора точки, в которой происходит переход от одной экспоненциальной функции к другой, поэтому применение биэкспоненциальной модели требует проведения дополнительных исследований

1. Li G., Wang Y., Liu C. Analysis of VLF Radio Wave Propagation Characteristics and Its Influence on Underwater Platform Communication // IEEE 3rd International Conference on Communications and Information Systems (ICCIS). 2018. P. 83-87.

2. Madhavilatha T., Naidu P., Devi M. Day to Night Shift in Reflection Height of VLF Radio Waves Derived from IRI Model Electron Density Models // Studia Geophysica et Geodaetica. 2023. Vol. 67. P. 183-194. https://doi.org/10.1007/s11200-022-0959-6.

3. Reinisch B., Song P., Galkin I., Stelmash S., Roche K., Khmyrov G., Bibl K., Kozlov A., McEachen M., Paznukhov V. The VLF Transmitter, Narrowband Receiver, and Tuner Investigation on the DSX Spacecraft // Journal of Geophysical Research: Space Physics. 2023. Vol. 128. № 7. P. 1-33. https://doi.org/10.1029/2022JA030435.

4. Nina A. Analysis of VLF Signal Noise Changes in the Time Domain and Excitations/Attenuations of Short-Period Waves in the Frequency Domain as Potential Earthquake Precursors // Remote Sensing. 2024. Vol. 16. № 2:397. https://doi.org/10.3390/rs16020397.

5. Типикин А. А. Методика расчета напряженности поля ионосферной волны в диапазоне очень низких частот на основе скачкового метода // Информационно-управляющие системы. 2023. № 5. С. 12-21. https://doi.org/10.31799/1684-8853-2023-5-12-21.

6. Типикин А. А., Пахотин В. А. Методика расчета суммарного поля пространственной и земной волн диапазона очень низких частот // Системы управления, связи и безопасности. 2024. № 3. С. 1-21. https://doi.org/10.24412/2410-9916-2024-3-001-021.

7. Kuwagaki T. Sheaf Quantization from Exact WKB Analysis // Journal für die Reine und Angewandte Mathematik. 2024. https://doi.org/10.1515/crelle-2024-0041.

8. Suzuki T., Taniguchi E., Iwamura K. Exact WKB analysis for adiabatic discrete-level Hamiltonians // Physical Review A. 2024. Vol. 109. № 2. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.109.022225.

9. Gasdia F., Marshall R. A. A New Longwave Mode Propagator for the Earth-Ionosphere Waveguide // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2021. Vol. 69. № 12. P. 8675-8688. https://doi.org/10.1109/TAP.2021.3083753.

10. Xu W., Gu X., Ni B., Wang S., Yang Z., Cheng W., Hu Z.-J., He F., Li B., Chen X., Liu J.‐J., Hu H.-Q. Measurements and modeling of the responses of VLF transmitter signals to X class solar flares at the Great Wall Station in Antarctica // Space Weather. Vol. 21. № 4. https://doi.org/10.1029/2022SW003249.

11. Типикин А. А. Методика формирования глобальных цифровых карт электрических характеристик подстилающей поверхности в диапазоне очень низких частот // Информатика, телекоммуникации и управление. 2022. Т. 15. № 1. С. 7-18. https://doi.org/10.18721/JCSTCS.15101.

12. Типикин А. А., Потапов Д. С., Парафейник Д. В. Результаты исследований по формированию цифровых картографических данных электрических характеристик подстилающей поверхности в диапазоне СДВ // Морской вестник. 2023. № S1(16). С. 27-29.

13. Fron A., Galkin I., Krankowski A., Bilitza D., Hernandez-Pajares M., Reinisch B., Li Z., Kotulak K., Zakharenkova I., Cherniak Iu., Dollase D. R., Wang N., Flisek P., Garcia Rigo A. Towards Cooperative Global Mapping of the Ionosphere: Fusion Feasibility for IGS and IRI with Global Climate VTEC Maps // Remote Sensing. 2020. № 12(21). P. 3531. https://doi.org/10.3390/rs12213531.

14. Galkin I., Fron A., Reinisch B., Hernandez-Pajares M., Krankowski A., Nava B., Bilitza D., Kotulak K., Flisek P., Li Z., Wang N., Dollase D. R., Garcia Rigo A., Batista I. Global Monitoring of Ionospheric Weather by GIRO and GNSS Data Fusion // Atmosphere. 2022. № 13. P. 371. https://doi.org/10.3390/atmos13030371.

15. Pignalberi A., Bilitza D., Coïsson P., Haralambous H., Nava B., Pezzopane M., Prol F., Smirnov A., Themens D., Xiong C. Validation of the IRI-2020 Topside Ionosphere Options through In-Situ Electron Density Observations by Low-Earth-Orbit Satellites // Advances in Space Research. 2024. Vol. 21. № 4:e2022SW003249. https://doi.org/10.1016/j.asr.2024.05.056.

16. Brown W., Beggan C., Cox G., Macmillan S. The BGS Candidate Models for IGRF-13 with a Retrospective Analysis of IGRF-12 Secular Variation Forecasts // Earth, Planets and Space. 2021. Vol. 73:42. https://doi.org/10.1186/s40623-020-01301-3.

17. Chulliat A., Brown W., Alken P., Beggan C., Nair M., Cox G., Woods A., Macmillan S., Meyer B., Paniccia M. The US/UK World Magnetic Model for 2020–2025: Technical Report. – National Ocean and Atmosphere Administration, 2020. https://doi.org/10.25923/ytk1-yx35.

18. Типикин А. А. Методика использования моделей геомагнитного поля Земли при прогнозировании энергетических параметров радиотрасс диапазона очень низких частот // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Сер.: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2024. № 1(61). С. 23-34. https://doi.org/10.25686/2306-2819.2024.1.23.

19. Типикин А. А. Методика использования международной стандартной модели ионосферы при прогнозировании энергетических параметров радиолиний диапазона очень низких частот // Экономика и качество систем связи. 2024. № 3(33) С. 78-86.

20. Рекомендация МСЭ-R P.684-7. Прогнозирование напряженности поля на частотах ниже приблизительно 150 кГц. Женева: МСЭ, 2016. 43 с.

21. Huang W., Liu B. Solar Position Algorithm Based on the Kepler Equation // Applied Sciences. 2022. Vol. 12. № 11:5449. https://doi.org/10.3390/app12115449.

22. Friedrich M. Handbook of Lower Ionosphere. Graz: Verlag der Technischen Universität Graz, 2016. 168 p.

23. Типикин А. А., Пахотин В. А., Потапов Д. С. Методика автоматического профилирования электрических характеристик подстилающей поверхности на трассе распространения радиоволн диапазона очень низких частот // Труды учебных заведений связи. 2024. Т. 10. № 3. С. 66-73. https://doi.org/10.31854/1813-324X-2024-10-3-66-73.

24. SPAWAR LWPC Longwave Propagation Code v. 2.1. URL: https://github.com/space-physics/LWPC. (дата обращения: 05.10.2023).

25. Makarov V., Lambert S., Cigan P., DiLullo C., Gordon D. Robust 1-Norm Periodograms for Analysis of Noisy Non-Gaussian Time Series with Irregular Cadences: Application to VLBI Astrometry of Quasars // Publications of the Astronomical Society of the Pacific. 2024. Vol. 136:054503. https://doi.org/10.1088/1538-3873/ad4b9f.

26. Das S., Rao S., Yang J. Spectral Methods for Small Sample Time Series: A Complete Periodogram Approach // Journal of Time Series Analysis. 2021. Vol. 42. № 2. https://doi.org/10.1111/jtsa.12584.

27. Xu W., Marshall R., Kero A., Turunen E., Drob D., Sojka J., Rice D. VLF Measurements and Modeling of the D-Region Response to the 2017 Total Solar Eclipse // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2019. P. 1-10. https://doi.org/10.1109/TGRS.2019.2914920.

28. Xu W., Marshall R., Bortnik J., Bonnell J. An Electron Density Model of the D‐ and E‐Region Ionosphere for Transionospheric VLF Propagation // Journal of Geophysical Research: Space Physics. 2021. Vol. 126. № 7:e2021JA029288. https://doi.org/10.1029/2021JA029288.