Numerical simulation of measurements of an on-board low-frequency transmitter wave fields strength in the Ionosphere using a sub-satellite receiver

Abstract

Projects of active experiments in the ionosphere and the magnetosphere of the Earth and planets often include powerful low-frequency transmitters installed on board a spacecraft. Such sources are very effective, but their radiation is extremely heterogeneous in space because of an anisotropy of the ionospheric plasma due to the presence of the magnetic field of the Earth. A sub-satellite with onboard receiving equipment is often suggested as a measurement probe. Such a micro-satellite makes periodic movements near the main spacecraft, moving away or approaching it. This paper is devoted to numerical modeling of the process of measuring the low-frequency field strength of the specific active experiment using such a sub-satellite. It is proposed to use a 20 m loop as a transmitting antenna. The results of the simulation can help, in particular, in a correct choice of the onboard transmitting antenna orientation. It is shown that in case of a high latitude orbit of the satellite, a choice of orientation of the loop antenna parallel to this orbit plane can make it very difficult to measure field strength in the far zone of the transmitter. Such measurements are only possible in a relatively narrow low latitude range when the sub-satellite is inside the Storey cone of the transmitter. All calculations were performed in linear approximation using the cold magneto-active plasma model.

• ионосфера
• бортовой низкочастотный передатчик
• суб-спутник
• плазменные резонансы
• конус Стори
• ionosphere
• on-board low-frequency transmitter
• sub-satellite
• Plasma resonances
• Storey cone

Аннотация (на русском)

Численное моделирование измерения напряженности поля бортового низкочастотного передатчика в ионосфере с использованием приемника, установленного на суб-спутнике

На примере конкретного проекта активного ионосферного эксперимента проведено численное моделирование процесса измерения напряженности поля низкочастотной волны, излучаемой при помощи рамочной антенны большого диаметра, установленной на борту спутника на приполярной орбите. В качестве измерителя используется суб-спутник с приемной аппаратурой на борту. Показано, что из-за ярко выраженного резонансного характера распределения напряженности поля в пространстве её надежное измерение возможно в рамках данного эксперимента только в приэкваториальной области ионосферы.

For citation

References

1. Гуревич А.В. Нелинейные явления в ионосфере // УФН. 2007. Т. 177. № 11. С. 1145-1177. DOI: 10.3367/UFNr.0177.200711a.1145.
2. Арманд Н.А., Семенов Ю.П., Черток Б.Е. и др. Экспериментальное исследование в ионосфере Земли излучения рамочной антенны в диапазоне очень низких частот, установленной на орбитальном комплексе "Мир-Прогресс-28-Союз ТМ-2" // Радиотехника и Электр. 1988. Т. 33, № 11, С. 2225-2233.
3. Мошков А.В., Пожидаев В.Н. Численное моделирование распределения низкочастотного поля, создаваемого передающей рамочной антенной, установленной на борту космического аппарата // Радиотехника и Электр. 2019. Т. 64. № 9. С. 866-873. DOI: 10.1134/S0033849419080126.
4. Мошков А.В., Пожидаев В.Н. Распределение на поверхности земли напряженности поля низкой частоты, демодулированного в возмущенной нижней ионосфере // Радиотехника и Электр. 2018. Т. 63. № 5. С. 409-414. DOI: 10.7868/S0033849418050030.
5. Piddyachiy D., Inan U.S., Bell T.F., Lehtinen N.G., Parrot M. DEMETER observations of an intense upgoing column of ELF/VLF radiation excited by the HAARP HF heater // J. Geophysical Res. 2008. Vol. 113. October. A10308. DOI: 10.W29/2008JA013208.
6. Boswell R.W. Measurements of the far-field resonance cone for whistler mode waves in a magnetoplasma. Nature. 1975. Vol. 258. PP. 58-60.
7. Мошков А.В. Электромагнитное поле рамочной антенны, расположенной в холодной многокомпонентной магнитоактивной плазме (ионосфере). Космические Иссл. 1986. Т. 24. № 5. С.735-744.
8. Alpert Ya.L. Green, J.L. Cone structure and focusing of VLF and LF electromagnetic waves at high altitudes in the ionosphere // Journal of Geophysical Research. 1994. V. 99. No. A1. PP. 389-399. DOI: 10.1029/93JA01473
9. James H.C. Electrostatic resonance-cone waves emitted by a dipole in the ionosphere // IEEE Tr. on Antennas and Propagation. 2000. V. 48. No. 9. PP. 1340-1348. DOI: 10.1109/8.898766.
10. Зайцев Ю.И. На рубеже тысячелетий (Космическая программа СССР до 2000 года) // Новое в жизни, науке, технике. Сер. "Космонавтика, астрономия". 1989. № 2. М.: Знание. 1989. 64 с.
11. Венера-Д. Научные эксперименты. Субспутник [электронный ресурс]. Страница сайта "Проект ВЕНЕРА-Д". Федеральная космическая программа России. Владелец сайта - лаб. 801 Института космических исследований РАН. Режим доступа: http://www.venera-d.cosmos.ru/index.php?id=1694 (последнее посещение 16.05.2020).
12. Ракеты и космические аппараты конструкторского бюро "Южное" / Под общ. ред. С.Н. Конюхова. Днепропетровск, 2000 [электронный ресурс]. Владелец сайта ГКБ "Южное" им. М.К. Янгеля. Режим доступа: http://rvsn.ruzhany.info/umz_2000_00.html (последнее посещение 16.05.2020).
13. Стикс Т. Теория плазменных волн. М.: Атомиздат. 1965. 343с.
14. Budden K.G. Radio Waves in the Ionosphere. Cambridge: University Press. 1961. 542 p.
15. Акиндинов В.В., Еремин С.М., Лишин И.В. Антенны низкой частоты в магнитоактивной плазме (обзор) // Радиотехника и электроника. 1985. Т. 30. № 5. С. 833-850.
16. International Geomagnetic Reference Field. IGRF-13. Страница сайта Государственные центры информации об окружающей среде США (National Centers for Environmental Information, USA). Режим доступа: https://www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf.html (последнее посещение 05.05.2020).
17. Мошков А.В. Оценка величины напряженности поля низкочастотного ионосферного источника вблизи главного максимума распределения на поверхности земли // Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54, № 12, С. 1436-1442.
18. Фаткуллин M.H., Зеленова Т.И., Козлов В.К., Легенька А.Д., Соболева Т.Н. Эмпирические модели среднеширотной ионосферы. М.: Наука. 1981. 256 с.