ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2025. №9

УДК: 537.876:004.942

Компьютерное моделирование

распространения коротковолновых радиосигналов

с учетом неоднородной структуры ионосферы

К.Ю. Коваленко, Р.Р. Латыпов

Казанский (Приволжский) федеральный университет, Институт физики

420111, Россия, Казань, ул. Кремлёвская, 16а

Статья поступила в редакцию 16 мая 2025 г.

Аннотация. Целью настоящего исследования является разработка вычислительной модели распространения коротковолновых радиосигналов в условиях неоднородной ионосферы с учетом сферичности Земли. В работе представлен программный комплекс, реализующий метод трассировки лучей на основе геометрической оптики. Особенностью разработанной модели является использование реалистичных профилей электронной плотности в многослойной структуре ионосферы, позволяющих учитывать эффект рефракции при прохождении радиоволн через слои различной плотности. В алгоритм расчета включены механизмы учета полного внутреннего отражения, а также преобразования координат между геодезическими и декартовыми системами. Модель поддерживает интеграцию эмпирических данных Международной эталонной ионосферы IRI2016, как напрямую, так и с применением радиальных базисных функций для ускорения расчетов. Разработка реализована на языке Python с использованием научных библиотек и средствами трехмерной визуализации. Результаты моделирования позволяют отображать траектории радиоволн различных частот и анализировать влияние параметров ионосферы на их распространение. Проведенный сравнительный анализ с существующими методами моделирования, такими как метод параболического уравнения и метод нормальных волн, показал, что предложенный подход обеспечивает высокую точность прогнозирования при значительно меньших вычислительных затратах. Полученные результаты могут быть использованы для проектирования и оптимизации систем дальней радиосвязи, а также для исследования физических процессов в ионосфере.

Ключевые слова: коротковолновые радиосигналы, ионосферное распространение, компьютерное моделирование, геометрическая оптика, трассировка лучей, многослойная ионосфера, системы радиосвязи, электронная плотность.

Автор для переписки: Коваленко Константин Юрьевич, kintonk@yandex.ru

Литература

1. Fuchs J.J., Delyon B. The Sampling Theorem and Time Delay Estimation // IFAC Proceedings Volumes. 1997. Т. 30. № 11. С. 495.

2. Ja’far J.M., Hadi K.A. A comparison between IRI-2016 and ASAPS models for predicting foF2 ionospheric parameter over Baghdad city // AIP conference proceedings. 2022. Т. 2563. С. 30002.

3. Шерстюков О.Н. Импульсное радиозондирование ионосферы: учебно-методическое пособие / О.Н. Шерстюков, Е.Ю. Зыков, А.Д. Акчурин. // Казань: Казанский федеральный университет, Институт Физики, 2021. – 5 с.

4. Lalgudi Gopalakrishnan G., Schmidt M. Ionospheric electron density modelling using B-splines and constraint optimization // Earth Planets and Space. 2022. Т. 74. № 1.

5. Levanon N. и др. Non‐coherent pulse compression – aperiodic and periodic waveforms // IET Radar Sonar & Navigation. 2015. Т. 10. № 1. С. 216.

6. Limberger M. и др. Regional representation of F2 Chapman parameters based on electron density profiles // Annales Geophysicae. 2013. Т. 31. № 12. С. 2215.

7. Лытаев М. С. Разработка и исследование методов численного решения задачи распространения электромагнитных волн в неоднородной тропосфере : дис. – Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. МА Бонч-Бруевича, 2019.

8. Psiaki M.L. Ionosphere Ray Tracing of Radio‐Frequency Signals and Solution Sensitivities to Model Parameters // Radio Science. 2019. Т. 54. № 8. С. 738.

9. Rukundo W. Ionospheric Electron Density and Electron Content Models for Space Weather Monitoring // IntechOpen eBooks. 2022.

10. Wendland H. Scattered data approximation // Cambridge university press, 2004. – Т. 17.

11. Агарышев А.И., Жанг Н.М. Применение закона Снеллиуса для расчёта траекторий радиоволн в регулярной рассеивающей ионосфере // – 2013. –Т. 4. – С. 75.

12. Афонин К.Ю., Петров В.Г. Влияние высокотемпературных эффектов на интерпретацию измерений времени задержки зондирующей волны в рефрактометрии ИТЭР // Физика плазмы. 2021. Т. 47. № 4. С. 299.

13. Бринелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы, 1988. 6 с.

14. Крюковский А.С. и др. Mathematical modeling of the influence of Earth’s ionosphere inhomogeneities on the propagation of electromagnetic waves // Радиотехника и электроника. 2024. Т. 69. № 6. С. 501.

15. Смирнов В.М., Смирнова Е.В., Тынянкин С.И. Прогнозирование коротковолновой радиосвязи по данным навигационных систем ГЛОНАСС/GPS // Радиотехника и электроника. 2019. Т. 64. № 9. С. 881.

16. Ian Poole. Radio Waves and the Ionosphere // QST – Official Journal of ARRL. November 1999. P. 62-64.

Для цитирования:

Коваленко К.Ю., Латыпов Р.Р. Компьютерное моделирование распространения коротковолновых радиосигналов с учётом неоднородной структуры ионосферы // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – № 9. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.9.3