Информация об ионосфере Земли

Ионосфера

Ионосфера — ионизированная часть верхних слоев атмосферы Земли, расположенная на высотах примерно от 50 до 1000 км. Характеризуется значительным содержанием свободных электронов и ионов.

Факторы, наиболее влияющие на процессы в ионосфере:

• ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца,
• космические лучи, проходящие сквозь атмосферу Земли,
• геомагнитное поле Земли.

Ионизация происходит главным образом из-за активности Солнца, поэтому существует сильная зависимость свойств ионосферы от положения и времени:

• в зависимости от долготы, широты и высоты над поверхностью Земли,
• в течение суток,
• в зависимости от времени года,
• в зависимости от фазы цикла солнечной активности.

Состояние ионосферы описывается несколькими параметрами: электронным содержанием в ионосфере, ионным составом, ионной и электронной температурами, скоростью движения частиц и др.

При этом с практической точки зрения для ГНСС ключевым параметром является электронное содержание в ионосфере, поскольку именно оно непосредственно влияет на распространение радиоволн и вносит ионосферную задержку в измерения псевдодальности.

В зависимости от высоты и распределения электронного содержания ионосферу условно разделяют на слои: D (ниже 90 км), E (от 90 до 130 км), F1 (от 130 до 200 км) и F2 (выше 200 км). Максимальная концентрация электронов и ионов расположена в слое F2 на высотах от 250 до 450 км.

Рис. 1. Влияние ионосферы на радиоволны

Влияние ионосферы на распространение радиоволн и сигналов ГНСС

Ионосфера существенно воздействует на распространение радиоволн, в частности, на сигналы ГНСС. Основное влияние на распространение радиоволн оказывают

частота волны и свободные электроны в ионосфере, за счет которых ионосфера становится диспергирующей (дисперсионной) средой для радиоволн, в ней скорость распространения зависит от длины волны. По этой причине происходит задержка распространения и преломление траектории радиоволн в ионосфере, а для определенных длин волн даже отражение в ионосфере.

В таблице перечислены способы взаимодействия с ионосферой радиоволн в зависимости от длины волны:

Взаимодействие с ионосферой радиоволн

Диапазон	Длина волны	Частота	Взаимодействие с ионосферой
Сверхдлинные волны (СДВ)	100 000 — 10 000 м	3 — 30 кГц	Поглощаются ионосферой, распространяются огибающей поверхностной волной вдоль Земли,
Длинные волны (ДВ)	10 000 — 1 000 м	30 — 300 кГц
Средние волны (СВ)	1000 — 100 м	300 кГц — 3 МГц	Днем поглощаются ионосферой, ночью отражаются,
Короткие волны (КВ)	100 — 10 м	3 — 30 МГц	Отражаются ионосферой Радио,
Ультракороткие волны (УКВ). От миллиметровых до метровых диапазонов, Сигналы ГНСС – дециметровый диапазон	10 — 0,1 мм	30 МГц — 3 ТГц	Распространяются в пределах прямой видимости. Проходят сквозь ионосферу

Сигналы ГНСС относятся к диапазону ультракоротких волн, они распространяются в пределах прямой видимости. Зафиксированы редкие случаи потери сигнала ГНСС в наземных приемниках в моменты ионосферного шторма в экваториальных широтах.

Также можно упомянуть еще один исключительный пример потери сигналов ГНСС приемником, установленным на спускаемом аппарате, который входит в атмосферу Земли на высокой скорости, вокруг него за счет ударной волны образуется видимое плазменное покрывало (ионизированный газ), который блокирует радиосигналы и лишает аппарат радиосвязи в течение нескольких минут.

Такие примеры являются редким исключением, а как правило, ионосферная задержка входит в состав измерений псевдодальности ГНСС в виде поправки, которая прямопропорциона электронному содержанию вдоль всего пути сигнала и обратнопропорциональна квадрату частоты сигнала в первом приближении.

С точки зрения влияния ионосферы на точность местоопределения различают два типа навигационных приемников: одночастотные и двухчастотные (мультичастотные в общем случае). При использовании двухчастотных приемников, относящихся в основном к оборудованию геодезического класса, существует возможность исключить влияние ионосферной задержки с помощью использования так называемой безионосферной комбинации измерений псевдодальности на первой и второй частотах. Однако для одночастотных приемников, которые составляют основу массового сегмента рынка, проблема влияния ионосферы остается открытой, для них ионосферные задержки вносят ошибку в местоопределение от нескольких единиц до десятков метров. Для решения данной проблемы необходимо построение моделей полного электронного содержания в ионосфере (ПЭС, англ. TEC – Total Electron Content). Именно для этого в составе навигационных кадров ГНСС и функциональных дополнений присутствуют параметры модели ионосферы.

Модели ионосферы

Существующие модели ионосферы в контексте использования в ГНСС можно условно разделить на две группы:

1. комплексные физические модели ионосферы;
2. однослойные (и трехслойные) модели полного электронного содержания в ионосфере.

Наиболее детальными и качественными моделями ионосферы являются комплексные физические модели ионосферы первой условной группы, построенные на основе физических законов магнитной гидродинамики и кинетических уравнений.

Такие модели описывают физические процессы в ионосфере, оценивают множество показателей и их пространственное распределение. Помимо измерений ГНСС, источниками данных для физических моделей ионосферы являются данные глобальной сети ионозондов, мощных радаров некогерентного рассеяния, спутниковых зондов, точечных измерений с различных

КА.

Однако для определения ионосферных задержек навигационных сигналов должна быть известна лишь величина полного электронного содержания вдоль распространения сигнала, другие физические параметры ионосферы не нужны.

Поэтому фактически для ГНСС используются однослойные модели ионосферы второй условной группы: локальные, региональные и глобальные карты полного электронного содержания в ионосфере (англ. GIM – Global Ionosphere Maps) , а также упрощенные модели ионосферы в кадрах ГНСС и функциональных дополнений.

Верно и обратное, источником данных для построения карт полного электронного содержания в ионосфере являются измерения распределенной сети беззапросных измерительных станций (

БИС) ГНСС.

Однослойные модели ионосферы построены на предположении, что все свободные электроны ионосферы расположены в бесконечно тонком слое на некоторой высоте над поверхностью Земли. Высота слоя выбирается от 350 до 450 км.

Таким образом, ионосферная задержка в навигационном сигнале зависит только от частоты, угла места и величины вертикального полного электронного содержания (англ. VTEC – Vertical Total Electron Content) в точке прокола сигналом модельного слоя ионосферы (англ. IPP – Ionosphere Pierse Point).

ПЭС (англ. ТЕС) определяется как общее количество электронов вдоль трубки сечением один квадратный метр и выражается в специальных единицах ПЭС (TEC unit) : 1 TECu = 10¹⁶ электронов/м² ≈ 0. 16 м для навигационного сигнала L1.

Рис. 2. Однослойная модель ионосферы

Локальные и глобальные карты полного электронного содержания в ионосфере

В ИАЦ КВНО, как и в других центрах международной службы анализа IGS, на ежедневной основе строятся локальные и глобальные карты полного электронного содержания в ионосфере по открытым общедоступным измерениям глобально распределенной сети беззапросных измерительных станций ГНСС. Одновременно с параметрами ионосферных карт уточняются дифференциальные кодовые задержки (

ДКЗ) беззапросных измерительных станций и космических аппаратов.

Для уточнения параметров локальной карты ионосферы достаточно измерений одной БИС на суточном интервале, карта рассчитывается для области радиусом примерно 500…750 км вокруг используемой станции. Этот способ используется в основном для калибровки БИС и КА (вычисления ДКЗ) в качестве промежуточного шага вычислений.

Построение глобальных карт TEC ионосферы с помощью измерений ГНСС востребовано в области космической погоды и дистанционного зондирования Земли.

Основой для построения глобальных карт ионосферы служит мировая общедоступная сеть ГНСС-станций, развернутая международной службой анализа IGS, функционирующая с 1994 года.

В ИАЦ КВНО для уточнения параметров глобальных ионосферных карт TEC ежесуточно используются открытые измерения около 300 станций данной сети.

В качестве модели пространственного распределения VTEC используется разложение в виде сферических функций (13 различных наборов коэффициентов сферических гармоник на суточном интервале). Для хранения и передачи карт ионосферы используется стандарт IONEX, который представляет собой массив значений вертикальных ПЭС (VTEC) в ед. TECu, как правило, с пространственным разрешением 2.5° по широте, 5° по долготе и с разрешением по времени 1 ч или 2 ч. Итого 5 183*25 или 5 183*13 значений VTEC для 1-часовых или 2-часовых суточных файлов IONEX соответственно.

Упрощенные модели в составе навигационных кадров ГНСС

Как сказано выше, для улучшения точности местоопределения одночастотных потребителей в навигацонных кадрах ГНСС и функциональных дополнений присутствуют упрощенные ионосферные модели:

• в кадре GPS ионосферная модель Клобучара K8: 8 параметров в сутки;
• в кадре GALILEO глобальная трехмерная ионосферная модель NeQuick: 3 параметра в сутки;
• в кадре BeiDou-2 региональная ионосферная модифицированная модель Клобучара BDS_K8: 8 параметров каждые 2 часа;
• в кадре BeiDou-3 глобальная ионосферная модель BDGIM (разложение по сферическим гармоникам) : 9 параметров каждые 2 часа;
• в кадре ГЛОНАСС-К глобальная адаптивная модель ионосферы: 3 параметра в сутки.

Радиоволны — презентация онлайн

Радиоволны
авторы: Набатчикова Дарья,
Ащеулов Андрей
• Радиово́лны — электромагнитные волны с частотами до 3 ТГц, распространяющиеся в
пространстве без искусственного волновода
• В широком смысле радиоволнами являются всевозможные волновые процессы
электромагнитного поля в аппаратуре (например, в волноводных устройствах, в
интегральных схемах СВЧ и др. ), в линиях передачи и, наконец, в природных условиях,
в среде, разделяющей передающую и приёмную антенны
• Радиоволны, являясь электромагнитными
волнами, распространяются в свободном
пространстве со скоростью света.
Естественными источниками радиоволн
являются вспышки молний и
астрономические объекты. Искусственно
созданные радиоволны используются для
стационарной и подвижной радиосвязи,
радиовещания, радиолокации,
радионавигации, спутниковой связи,
организации беспроводных компьютерных
сетей и в других бесчисленных
Диапазоны радиочастот и длин радиоволн
В зависимости от значения частоты (длины волны) радиоволны
относят к тому или иному диапазону радиочастот (диапазону
длин волн). Можно также вести классификацию радиоволн по
способу распространения в свободном пространстве и вокруг
земного шара.
Радиочастоты — частоты или полосы частот в диапазоне от 3 Гц
до 3000 ГГц, которым присвоены условные наименования. Этот
диапазон соответствует частоте переменного тока
электрических сигналов для вырабатывания и обнаружения
радиоволн. Так как большая часть диапазона лежит за
границами волн, которые могут быть получены при
механическом колебании, радиочастоты обычно относятся к
электромагнитным колебаниям.
По регламенту международного союза электросвязи
радиоволны разделены на диапазоны от 0.3*10N Гц до 3*10N
Гц, где N — номер диапазона.
• Короткие радиоволны (диапазон длин волн от 10 до 100 м)
распространяются на большие расстояния только за счет многократных
отражений от ионосферы и поверхности Земли. Радиоволны в этом
диапазоне оказываются «запертыми» в тонком слое, ограниченном
поверхностью Земли и ионосферой. В результате волны, излучаемые
радиостанцией, расположенной, например, в центре Азии, достигают
радиоприемников в Южной Америке.
• Длинные радиоволны для этой цели менее пригодны из-за значительного
поглощения поверхностными слоями Земли и ионосферой. И все же
наиболее надежная радиосвязь на ограниченных расстояниях при
достаточной мощности передающей радиостанции обеспечивается на
длинных волнах.
• Ультракороткие радиоволны (λ < 10 м) проникают сквозь ионосферу и почти
не огибают поверхность Земли. Поэтому они используются для радиосвязи
между пунктами в пределах прямой видимости, а также для связи с
космическими кораблями.
Полная таблица
Классификация по способу распространения
• Прямые волны — радиоволны, распространяющиеся в свободном пространстве от одного
предмета к другому, например от одного космического аппарата к другому, в некоторых
случаях, от земной станции к космическому аппарату и между атмосферными аппаратами
или станциями. Для этих волн влиянием атмосферы, посторонних предметов и Земли
можно пренебречь.
• Земные или поверхностные — радиоволны, распространяющиеся вдоль сферической
поверхности Земли и частично огибающие её вследствие явления дифракции. Способность
волны огибать встречаемые препятствия и дифрагировать вокруг них, как известно,
определяется соотношением между длиной волны и размерами препятствий. Чем короче
длина волны, тем слабее проявляется дифракция. По этой причине волны диапазонов УВЧ и
выше очень слабо дифрагируют вокруг поверхности земного шара и дальность их
распространения в первом приближении определяется расстоянием прямой видимости
(прямые волны).
• Тропосферные — радиоволны диапазонов ОВЧ и УВЧ, распространяющиеся за счёт
рассеяния на неоднородностях тропосферы на расстояние до 1000 км.
• Ионосферные или пространственные — радиоволны длиннее 10 м, распространяющиеся
вокруг земного шара на сколь угодно большие расстояния за счёт однократного или
многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли.
• Направляемые — радиоволны, распространяющиеся в направляющих системах
(радиоволноводах).
Для космической радиосвязи используются спутники связи, сигналы которым посылаются
передатчиком с Земли. Спутник принимает сигнал и посылает его другой наземной
станции, находящейся на огромном расстоянии от первой. Принятые сигналы усиливаются
и посылаются приемникам других станций.
В последнее время сделано много попыток обнаружения других цивилизаций и передачи
им сигналов. Отправлены сообщения с больших радиотелескопов, в которых содержатся
формулировки математических теорем, физических законов, сведения о человеке и т. д.
Однако можно сказать, что наиболее мощным сигналом, переданным во Вселенную,
является колоссальный рост интенсивности радиоизлучения вследствие развития на Земле
телевидения и сотовой связи. Земля из ненаблюдаемого с других звезд объекта
превратилась в яркую радиозвезду, непрерывно излучающую мощный поток радиоволн.
Длины волн
Название волн
Диапазон частот
Название частот
Энергия фотона, эВ
Применение
100 Мм — 10 Мм
Декамегаметровые
3—30 Гц
Крайне низкие
(КНЧ)
12,4 фэВ — 124 фэВ
Связь с подводными лодками, геофизические исследования
10 Мм — 1 Мм
Мегаметровые
30—300 Гц
Сверхнизкие (СНЧ)
124 фэВ — 1,24 пэВ
Связь с подводными лодками, геофизические исследования
1000 км — 100 км
Гектокилометровые
300—3000 Гц
Инфранизкие (ИНЧ)
1,24 пэВ — 12,4 пэВ
Связь с подводными лодками
100 км — 10 км
Мириаметровые
3—30 кГц
Очень низкие (ОНЧ)
12,4 пэВ — 124 пэВ
Служба точного времени, радиосвязь с подводными лодками
10 км — 1 км
Километровые
30—300 кГц
Низкие (НЧ)
124 пэВ — 1,24 нэВ
Радиовещание, радиосвязь земной волной, навигация
1000 м — 100 м
Гектометровые
300—3000 кГц
Средние (СЧ)
1,24 нэВ — 12,4 нэВ
Радиовещание и радиосвязь земной волной и ионосферная
100 м — 10 м
Декаметровые
3—30 МГц
Высокие (ВЧ)
12,4 нэВ — 124 нэВ
Радиовещание и радиосвязь ионосферная, загоризонтная
радиолокация, рации
10 м — 1 м
Метровые волны
30—300 МГц
Очень высокие
(ОВЧ)
124 нэВ — 1,24
мкэВ
Телевидение, радиовещание, радиосвязь тропосферная и прямой
волной, рации
1000 мм — 100 мм
Дециметровые
300—3000 МГц
Ультравысокие
(УВЧ)
1,24 мкэВ — 12,4
мкэВ
Телевидение, радиосвязь тропосферная и прямой волной,
мобильные телефоны, рации, УВЧ-терапия,
100 мм — 10 мм
Сантиметровые
3—30 ГГц
Сверхвысокие (СВЧ)
12,4 мкэВ — 124
мкэВ
Радиолокация, интернет, спутниковое телевещание, спутниковая- и
радиосвязь прямой волной, беспроводные компьютерные сети.
10 мм — 1 мм
Миллиметровые
30—300 ГГц
Крайне высокие
(КВЧ)
124 мкэВ — 1,24
мэВ
Радиоастрономия, высокоскоростная радиорелейная связь,
радиолокация (метеорологическая, управление вооружением),
медицина, спутниковая радиосвязь.
1 мм — 0,1 мм
Децимиллиметров
ые
300—3000 ГГц
Гипервысокие
частоты
1,24 мэВ — 12,4
мэВ
Экспериментальная «терагерцовая камера», регистрирующая
изображение в длинноволновом ИК.

P6 G) Электромагнитный спектр – Часть 2 – Объединенная научная трилогия AQA

Вернуться к P6 Home
​ P6 G) Электромагнитный спектр – Часть 2

Электромагнитные (ЭМ) волны состоят из колеблющихся электрических и магнитных полей. Антенна, излучающая радиоволны, называется передатчиком. Передатчик производит радиоволну, когда переменный ток проходит через антенну. Источник переменного тока заставляет заряды в передатчике колебаться, что создает электрическое и магнитное поле — это наша радиоволна. Частота производимой радиоволны будет равна частоте источника переменного тока. Образовавшаяся волна будет проходить через атмосферу.
 
Некоторые из этих радиоволн достигнут второй антенны, где они будут поглощены электронами; вторая антенна известна как приемник. Энергия, поглощаемая электронами в приемнике, заставляет электроны колебаться с той же частотой, что и передатчик. Если приемник является частью полной цепи, колеблющиеся электроны будут производить переменный ток той же частоты, что и передатчик.
 
На приведенной ниже диаграмме показано, что происходит в передатчике и приемнике.

На передатчике есть осциллограф, который показывает нам волну переменного тока. Этот переменный ток заставляет электроны в передатчике колебаться, в результате чего возникает радиоволна.
 
Когда радиоволны достигают приемника, энергия поглощается электронами, что заставляет их колебаться. Если приемник является частью полной цепи, колеблющиеся электроны будут производить переменный ток. Мы можем подключить осциллограф к приемнику, и мы увидим, что переменный ток, создаваемый в приемнике, имеет ту же частоту, что и источник переменного тока в передатчике.

Радиоволны и связь
Радиоволны имеют самую большую длину волны из всех электромагнитных волн. Их длина волны колеблется от 10 см до 10 км. Различные радиоволны имеют разные свойства и, следовательно, разные области применения.
 
Длинноволновые радиоволны могут передавать информацию из Великобритании на другой конец света. Они могут это сделать, потому что длинноволновые радиоволны изгибаются/дифрагируют вокруг земной поверхности. Они также могут проникать в туннели и дифрагировать вокруг холмов. Длинноволновые радиоволны имеют длину волны от 1 км до 10 км. Длинноволновые радиоволны можно принимать, даже если приемник не находится в зоне действия передатчика; это потому, что длинноволновые радиоволны будут дифрагировать. Диаграмма, показывающая дифрагию длинноволновых радиоволн, показана ниже.

Коротковолновые радиоволны могут приниматься на больших расстояниях от передатчика. Это связано с тем, что волны отражаются от ионосферы. Ионосфера представляет собой электрически заряженный слой верхних слоев атмосферы Земли. На приведенной ниже диаграмме показано, как коротковолновые радиоволны отражаются от ионосферы.

Средневолновые радиоволны иногда могут отражаться от ионосферы в зависимости от времени суток и атмосферных условий.
 
Очень коротковолновые радиоволны посылают сигналы на очень короткие расстояния. Примерами являются Bluetooth и Wi-Fi. При использовании очень коротковолновых радиоволн вам необходимо находиться в прямой видимости передатчика.
 
Телевидение и FM-радио также имеют очень короткие волны. Чтобы принимать волны от ТВ и FM-радио, вы должны находиться в непосредственной близости от передатчика, так как коротковолновые радиоволны не будут дифрагировать вокруг холмов и не будут проходить далеко через здания.

Развитие радио | Американский опыт | Официальный сайт

‘

Спасение на море | Статья

Подумайте о радио, и что часто приходит на ум, так это кристально чистая музыка и произносимые слова, транслируемые FM-станциями по всей Америке. Но радио не всегда было таким передовым или таким популярным. Как и многие другие технологии, она развивалась постепенно и медленно получала признание. Сегодня радио продолжает развиваться, конкурируя с другими технологиями за привлечение и удержание аудитории.

Первые шаги к изобретению радио включали открытие электромагнитных волн и их потенциала. Ганс Христиан Эрстед был первым, кто объявил в 1820 году, что магнитное поле создается вокруг провода, по которому проходит ток. В 1830 году английский физик Майкл Фарадей подтвердил теорию Эрстеда и установил принцип электромагнитной индукции.

В 1864 году Джеймс Клерк Максвелл, профессор экспериментальной физики Кембриджского университета, опубликовал теоретическую статью, в которой утверждалось, что электромагнитные токи можно воспринимать на расстоянии. Максвелл также смело постулировал, что такие волны распространяются со скоростью света. В конце 1880-х годов немецкий физик Генрих Герц проверил теорию Максвелла. Ему удалось создать электромагнитные волны и подтвердить предсказание Максвелла об их скорости.

Вскоре после этого Гульельмо Маркони, итальянский изобретатель, вывел электромагнитные волны из лаборатории в мир.

Он начал с коротких передач на своем заднем дворе. В сентябре 1899 года он поразил мир, телеграфировав результаты гонок яхт на Кубок Америки с корабля в море на наземную станцию ​​в Нью-Йорке. К концу 1901 года Маркони основал собственную коммерческую компанию беспроводной связи и передал первый трансатлантический сигнал.

Какое-то время беспроводное вещание ограничивалось закодированными точками и тире. Но 24 декабря 1906 года физик канадского происхождения Реджинальд Фессенден изменил это положение, отправив первую междугороднюю передачу человеческого голоса и музыки со своей станции в Брант-Роке, штат Массачусетс. Его сигнал был получен даже в Норфолке, штат Вирджиния. Почва для коммерческого голосового и музыкального вещания была готова.

Непрерывный поток изобретений способствовал развитию радио. В 1907 году американский изобретатель Ли Де Форест представил свой запатентованный детектор сигналов Audion, который позволял значительно усиливать радиочастотные сигналы. Другой американский изобретатель, Эдвин Армстронг, разработал схему супергетеродина в 1918 году, а в 1933 году обнаружил, как можно производить FM-радиопередачи. FM обеспечивал более четкий вещательный сигнал, чем AM, но высший руководитель RCA Дэвид Сарнофф настаивал на развитии телевидения. Сарнофф скрывал FM от публики более десяти лет.

Тем не менее, общественный спрос на радио рос в геометрической прогрессии. Развлекательное вещание началось примерно в 1910 году и включало собственную программу Де Фореста, которую он транслировал из Метрополитен-опера в Нью-Йорке. Предприятие развлекательного вещания, базирующееся в Уилкинсбурге, штат Пенсильвания, стало первой коммерческой радиостанцией KDKA в 1920 году. Станция WWJ в Детройте, штат Мичиган, также одна из первых, начала коммерческое вещание в том же году. Среди первых сторонников развлекательного вещания был Сарнофф, который использовал радио для создания корпоративных империй в RCA и NBC.

Период между концом 1920-х и началом 1950-х годов считается золотым веком радио, когда комедии, драмы, варьете, игровые шоу и популярные музыкальные шоу привлекали миллионы слушателей по всей Америке. Но в 1950-х годах, с появлением телевидения, Золотой век угас. Тем не менее, радио оставалось силой поп-культуры. Такие разработки, как стереофоническое вещание, начавшееся в 1960-х годах, помогли радио сохранить свою популярность.

Среди современных разработок в области радио — цифровое аудиовещание, или DAB. В работе с конца 1980-х, он не получил одобрения FCC по состоянию на начало 1999 года. По словам сторонников, DAB обеспечивает звук качества компакт-диска без помех на любом расстоянии. Слушатели DAB также могут стать наблюдателями: такая информация, как расписание программ, информация о дорожном движении и погоде, может отображаться в цифровом виде — на стерео «мониторах» или ЖК-экранах.