Application of various ionosphere models to study radio wave propagation in smooth inhomogeneous isotropic and magnetoactive plasma

Abstract

The Hamilton-Lukin bicharacteristic method was used to study the propagation characteristics of decameter-range radio waves in the Earth's ionosphere over medium-range paths. Four electron density models were constructed using the NeQuick 2 package: winter, day; winter, night; summer, day; and summer, night. Ray paths and distance-frequency characteristics (DFCs) were calculated, and it was shown that the S-shaped curves appearing in the DFCs are explained by the formation of a caustic cusp due to the self-intersection of ray flows during the projection of bicharacteristics from phase space to configuration space. DFC behavior was compared between simulations with and without the influence of the Earth's magnetic field.

• radio wave propagation
• distance-frequency characteristics
• ionograms
• bicharacteristics
• cusp
• ordinary and extraordinary waves
• isotropic approximation

Аннотация (на русском)

Применение различных моделей ионосферы для исследования распространения радиоволн в плавно-неоднородной изотропной и магнитоактивной плазме

Методом бихарактеристик Гамильтона-Лукина исследованы особенности распространения радиоволн декаметрового диапазона в ионосфере Земли на средних трассах. На основе пакета NeQuick 2 построены четыре модели электронной концентрации: зима, день; зима, ночь; лето, день; лето, ночь. Рассчитаны лучевые траектории и дистанционно-частотные характеристики (ДЧХ) и показано, что S-образные кривые, возникающие на ДЧХ, объясняются образованием каустического острия в результате самопересечения лучевых потоков при проекции бихарактеристик из фазового пространства в конфигурационное. Выполнено сравнение поведения ДЧХ при моделировании с учётом и без учёта влияния магнитного поля Земли.

For citation

References

1. Казанцев А.Н., Лукин Д.С., Спиридонов Ю.Г. Метод исследования распространения радиоволн в неоднородной магнитоактивной ионосфере // Космические исследования. - 1967. - Т. 5. Вып. 4. - С. 593-600.
2. Долуханов М.П. Распространение радиоволн - М.: Связь, 1972. 336 с.
3. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир, 1973. - 502 с.
4. Иванов В.А., Иванов Д.В., Рябова Н.В., Лыонг В.Л., Рябова М.И. Исследование влияния перемещающихся ионосферных возмущений на характеристики линий декаметровой связи // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2014. № 2 (21). С. 6-21.
5. Sofyin A., Kurkin V. Evaluation of Characteristics of Medium-Scale Travelling Ionospheric Disturbances Based on the Data of Oblique Ionospheric Sounding // 2024 IEEE 9th All-Russian Microwave Conference (RMC), Moscow, Russian Federation, 2024, pp. 527-530, https://doi.org/10.1109/RMC62880.2024.10845909.
6. Kryukovskii A.S., Kurkin V.I., Laryunin O.A., Lukin D.S., Podlesnyi A.V., Rastyagaev D.V., Chernyak Y.M. Numerical modeling of amplitude maps for the corrected IRI-2012 model with smooth ionospheric disturbances // Journal of Communications Technology and Electronics. 2016. Т. 61. № 8. С. 920-925.
7. NeQuick model // Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP) NeQuick model - T/ICT4D.
8. Бова Ю.И., Крюковский А.С., Лукин Д.С. Моделирование распространения частотно-модулированного излучения в анизотропной ионосферной плазме // Электромагнитные волны и электронные системы. 2017. Т. 22. № 5. С. 4-11.
9. Hamilton, William Rowan, Sir. On a general method of expressing the paths of light, & of the planets, by the coefficients of a characteristic function. Printed by P.D. Hardy. 1833. - 34 p.
10. Крюковский А.С., Лукин Д.С., Растягаев Д.В., Скворцова Ю.И. Численное моделирование распространения пространственно-временных частотно-модулированных радиоволн в анизотропной среде // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2015. Т. 9. № 9. С. 40-47.
11. Крюковский А.С., Михалёва Е.В., Растягаев Д.В. Моделирование лучевой каустической структуры радиоволн, образованных перемещающимися ионосферными возмущениями // Физические основы приборостроения. 2023. Т. 12. № 4 (50). С. 11-21.
12. Mikhaleva E.V., Kryukovsky A.S., Lukin D.S., Rastyagaev D.V. Mathematical modeling of the singularities of caustic structure of electromagnetic waves formed by traveling ionospheric disturbances // Photonics & Electromagnetics Research Symposium (PIERS). IEEE Xplore, 2024. P. 10618349.
13. Kryukovskii A.S., Lukin D.S., Bova Y.I. Simulation of the field in the vicinity of caustics of ordinary and extraordinary waves during ionospheric propagation // Journal of Communications Technology and Electronics. 2020. Т. 65. № 12. С. 1364-1373.
14. Kryukovsky A.S., Mikhaleva E.V., Rastyagaev D.V. Influence of traveling ionospheric disturbances on the caustic structure of radio waves during low inclination sounding of the ionosphere // Journal of Communications Technology and Electronics. 2023. Т. 68. № S3. С. 275-283.
15. Крюковский А.С., Лукин Д.С., Михалёва Е.В., Растягаев Д.В. Математическое моделирование амплитудных, угловых и временных характеристик коротких радиоволн при слабонаклонном зондировании ионосферы // Радиотехника и электроника. 2023. Т. 68. № 6. С. 553-562. https://doi.org/10.31857/S0033849423060098