1.2 Назначение и состав

Классические методы изучения ионосферы Земли сводятся к импульсному зондированию — посылки радиоимпульсов и наблюдения их отражений от различных слоев ионосферы с измерением времени запаздывания и изучением интенсивности и формы отраженных сигналов. Измеряя высоты отражения радиоимпульсов на различных частотах, определяя критические частоты различных областей (критической называется несущая частота радиоимпульса, для которой данная область ионосферы становится прозрачной), можно определять значение электронной концентрации в слоях и действующие высоты для заданных частот, выбирать оптимальные частоты для заданных радиотрасс.

Рисунок 1.4 – Схема функционирования ионозонда

На сегодняшний день ионосфера зондируется не только сигналами, направленными вертикально. Существуют наклонные зонды, которые посылают радиосигналы под углом к ионосфере (передатчик и приёмник находятся на удаленном расстоянии). Ионозонды такого типа могут отслеживать распространения по определенным потокам, на основе чего могут быть сделаны выводы. Ионозонды обратного излучения принимают отраженный сигнал от земли и пришедший в приёмник, который может быть или не быть передатчиком в тот же момент [64]. Такой тип ионозондов используется в надгоризонтных радарах.

Перед рассмотрением назначения и состава ионозондов необходимо изучить существующие на данный момент определения этих устройств.

В соответствии со словарем иностранных слов [23], ионозонд - радиотехническое устройство, размещаемое на земной поверхности или на искусственном спутнике Земли и предназначенное для исследования распространения радиоволн и распределения электронной концентрации в ионосфере. Институт прикладной геофизики определяет ионозонд как комплекс бортовых и наземных средств для обеспечения глобального мониторинга околоземного космического пространства методом радиозондирования атмосферы Земли с низкоорбитальных пилотируемых объектов [41].

Назначение ионозондов можно охарактеризовать двояко. С одной стороны, их использование возможно в научно-исследовательских целях, заявленных в международных программах исследований ионосферы. Ионозонды применяются для измерения параметров атмосферы Земли, обнаружения аномальных явлений в ионосфере с целью выявления электромагнитных предвестников землетрясений и изучения их физического механизма, а также для диагностики ионосферы, оперативного прогноза КВ-связи. С помощью ионозонда можно проводить измерения амплитудных характеристик, спектра, формы и фазы пришедшего сигнала. В запросе о возможности размещения и использования на территории Российской Федерации иностранных технических средств наблюдения и контроля Института солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН содержится информация о том, что использование ионозондов позволит продвинуться в решении важных научных проблем по направлениям:

- взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой;

- магнитосферно-ионосферное взаимодействие;

- магнитные бури и магнитосферные суббури;

- УНЧ-волны и атмосферные гравитационные волны [33].

Кроме того, использование ионозондов позволит исследовать прикладные вопросы влияния естественных и искусственных плазменных неоднородностей и космической погоды на распространение радиоволн. Виды исследований (работ), методы и порядок их выполнения: регистрация рассеянных ионосферными неоднородностями сигналов на выбранных частотах КВ диапазона, первичная обработка и фитирование с целью определения доплеровских частот и проекций скоростей движения неоднородностей, передача первичных и обработанных данных по каналам связи в центр сбора и обработки данных, передача обработанных суточных файлов в Лабораторию Прикладной Физики Университета Джона Хопкинса (США) для построения глобальной системы конвекции и восстановления пространственного распределения электрических полей и токов в ионосфере [15]. Видимо заказчики из Института солнечно-земной физики понимают, что установка оборудования такого рода может привести к утечке информации, составляющей государственную тайну, поэтому предусмотрели мероприятия по защите информации при проведении исследований. При проведении исследований предполагается селекция отражений от объектов типа самолет, ракета и т.д. с целью исключения их из передаваемой за рубеж информации. Передача информации за рубеж будет производиться с задержкой не менее суток, в случае проведения пусков ракет и других специальных мероприятий ведомств России данные за эти периоды передаваться за границу не будут при поступлении соответствующих предупреждений.

С другой стороны, ионозонд по совокупности характеристик может быть отнесен к средствам иностранной радиолокационной разведки, а также радио- и радиотехнической разведки. При этом наличие в составе ионозонда приемника и передатчика позволяет организовать его работу в двух режимах:

- в традиционном режиме приема и обработки сигналов с последующей записью их параметров;

- в режиме ретрансляции сигналов в направлении приемоанализирующей аппаратуры, установленной на территории иностранных государств.

К тому же реализованные алгоритмы обработки данных позволяют ионозондам осуществлять селекцию сигналов движущихся целей, а также определять их скорость и направление движения. Так, например, измерение скорости дрейфа ионосферной плазмы основано на измерении характеристик сигналов, отраженных от ионосферных неоднородностей. Предполагается, что неоднородности движутся как единое целое, т.е. с одинаковой скоростью и в одинаковом направлении. Регистрация доплеровских спектров позволяет:

- разделять сигналы, отраженные от различных неоднородностей;

- измерять доплеровские сдвиги частоты сигналов;

- измерять разность фаз между сигналами, принятыми на различные антенны и вычислять вертикальный   и азимутальный углы прихода, которые отождествляются с направлением на неоднородность.

Справедливо полагать, что данная аппаратура может обеспечивать обнаружение, определение местоположения и слежение за траекторией перемещения не только неоднородностей ионосферы, но и воздушно-космических целей типа самолет, баллистическая ракета и ее боевая часть и т.д., поскольку значения эффективной площади рассеивания этих целей при некоторых условиях могут быть соизмеримы со значениями эффективной площади рассеивания неоднородностей ионосферы. Так, с использованием формулы из монографии [49] можно показать, что эффективная площадь рассеивания неоднородности ионосферы с типовыми размерами 200-300 метров может составлять в КВ-диапазоне от единиц квадратных метров до единиц квадратных километров в зависимости от формы неоднородности, угла падения радиоволн, электронной концентрации и других параметров. Значения эффективной площади рассеивания воздушно-космических целей в КВ-диапазоне могут составлять от десятков квадратных сантиметров до сотен квадратных метров и, в основном, зависят от геометрических размеров и формы целей [78].

На современном этапе развития технологии построения радиоэлектронных средств ионозонды, за исключением антенных систем, представляют собой небольшие по габаритам устройства. Во-первых, это вызывает психологическую недооценку разведывательных возможностей рассматриваемой аппаратуры. Во-вторых, отставание отечественной технологии не позволяет определить реальное предназначение устройства. Большая часть ионозондов работает в автономном режиме, т.е. не требуют технических средств обслуживания в процессе работы. Тому есть несколько причин, первая – с экономической точки зрения нецелесообразно производить монтаж дополнительных систем обеспечения работоспособности ионозонда на территории иностранного государства. Вторая – введение дополнительных систем может отрицательным образом сказаться на надежности функционирования ионозонда и вызвать дополнительные простои в течение цикла функционирования.

В состав ионозонда, в общем случае, входят приемник, передатчик, антенная система, блок управления (опционально – спектро-анализатор, усилитель мощности, синтезатор сигнала). В большинстве современных ионозондов функции блока управления берет на себя ПЭВМ. Она может комплектоваться опорным генератором, модулем управления, аналогово-цифровым преобразователем, специальным программным обеспечением. Основное математическое сопровождение ионозонда состоит из двух интегрированных пакетов:

- пакет управления ионозондом, тестирования и проведения сеансов зондирования в стандартных и специальных режимах;

- интегрированная среда обработки ионограмм, ведения баз данных, генерации стандартных отчетов.

Например, ионозонд DPS-4, выпускаемый Центром атмосферных исследований Лоуэллского университета США, состоит из основного блока, монитора; 2-х передающих антенн; 4-х приемных антенн с поляризационными ключами; GPS-приемника и блока батарей резервного питания. Основной блок включает в себя два компьютера, передатчик, четыре приемника и сигнальный процессор. Основной компьютер управляет процессами приема и передачи, считывает данные из выходного буфера сигнального процессора, осуществляет преобразование данных в необходимый формат, записывает данные на жесткий диск вспомогательного компьютера. Вспомогательный компьютер осуществляет вторичную обработку данных, записывает данный на жесткий диск, на CD-диск, пересылает данные на сервер через FTP-канал [54].