Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2025, № 9 · RADIO WAVE PROPAGATION

Computer modeling of high-frequency radio wave propagation considering the inhomogeneous structure of the ionosphere

K.Y. Kovalenko1, R.R. Latypov1

1 Kazan Federal University, Institute of Physics, Kazan, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2025.9.3 UDC 537.876:004.942 EDN MQHQER

Abstract

The aim of this study is to develop a computational model for the propagation of shortwave radio signals in an inhomogeneous ionosphere, taking into account the Earth's sphericity. We present a software suite implementing a ray-tracing method based on geometrical optics. A distinctive feature of the developed model is its use of realistic electron-density profiles within a multilayer ionospheric structure, enabling the simulation of refraction effects as radio waves traverse layers of varying density. The algorithm incorporates mechanisms for handling total internal reflection and for transforming coordinates between geodetic and Cartesian systems. The model supports the integration of empirical data from the International Reference Ionosphere (IRI2016), both directly and via radial basis functions to accelerate computations. Implementation is done in Python using scientific libraries and 3D visualization tools. Simulation results allow for the visualization of radio-wave trajectories at various frequencies and for analyzing the influence of ionospheric parameters on their propagation. A comparative analysis with existing modeling approaches-such as the parabolic equation method and the normal-mode method-demonstrates that the proposed approach achieves high predictive accuracy with significantly lower computational cost. The results can be used for the design and optimization of long-distance radio-communication systems, as well as for investigating physical processes in the ionosphere.

  • shortwave radio signals
  • ionospheric propagation
  • computer modeling
  • geometrical optics
  • ray tracing
  • multilayer ionosphere
  • radio-communication systems
  • electron density
Аннотация (на русском)

Компьютерное моделирование распространения коротковолновых радиосигналов с учётом неоднородной структуры ионосферы

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.

For citation

Kovalenko K.Y., Latypov R.R. Computer modeling of high-frequency radio wave propagation considering the inhomogeneous structure of the ionosphere // Journal of Radio Electronics. – 2025. – No. 9. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.9.3

References

  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.