История КВ радиосвязи

История КВ радиосвязи. О существовании ионизированной области в атмосфере высказывали предположения многие исследователи еще в конце прошлого столетия. Такое предположение позволяло объяснить изменения магнитного поля Земли. В 1902 г всего через несколько лет после открытия А. С. Поповым распространения радиоволн, английские ученые Кеннеди и Хевисайд высказали гипотезу о существовании в атмосфере поверхностей, отражающих радиоволны, т. е. ионизированной области.

Согласно гипотезе от этой области происходит отражение радиоволн и благодаря этому распространение их на большие расстояния.

Большую роль в подтверждение этой гипотезы сыграли радиолюбители, которые с помощью маломощных коротковолновых передатчиков устанавливали радиосвязи на очень большие расстояния 9, 10 . Исключительно важное для практики свойство ионосферы отражать радиоволны, благодаря чему можно создавать линии радиосвязи на очень большие расстояния, побудило исследователей многих стран, и в том числе Советского Союза, начать интенсивные экспериментальные и теоретические исследования структуры ионосферы, а также процессов, происходящих в ней 12, 13, 14 . В начале 20-х годов советский ученый М. В. Шулейкин установил, что в ионосфере должно быть по крайней мере два максимума электронной концентрации один на высоте порядка 100 км, а другой на высоте 200 км. Анализируя результаты измерений напряженности поля дальних радиостанции в различных пунктах земной поверхности, он пришел также к выводу о существовании в ионосфере неоднородностей, имеющих форму облаков 14,15 . В результате отражения радиоволн от таких облачных образований к антенне приемного устройства могут прийти два и более лучей, при сложении которых возможно либо усиление, либо ослабление замирание принимаемого сигнала.

Итогом работы М В. Шулейкина была разработка основ современной теории преломления радиоволн в ионосфере.

Его работы о влиянии ионосферы на распространение радиоволн нашли дальнейшее развитие в последующих исследованиях Л. А. Жекулина, В. Л. Гинзбурга и ряда других ученых. В середине 20-х годов одной из актуальных проблем была проблема распространения коротких волн. Освоение техники коротких волн и использование их для радиосвязи на большие расстояния тормозились незнанием законов их отражения от ионосферы 13,14 . Большое значение в изучении ионосферы сыграло экспериментальное изучение особенностей распространения коротких радиоволн.

В конце 20-х годов под руководством М. А. Бонч-Бруевича организовываются такие исследования.

В Нижегородской радиолаборатории г. Горький был установлен опытный коротковолновый передатчик, сигналы которого принимались в разных городах Советского Союза. Одновременно с этим приемная станция вела систематические наблюдения за прохождением коротких волн от передатчиков, установленных в разных городах Советского Союза 13,14 . В 1925 г. М. А. Бонч-Бруевич обратился к ректору Томского университета с предложением включиться в работу по изучению распространения коротких волн. Предложение было принято, и в короткое время была организована опытная линия коротковолновой связи Томск-Нижний Новгород.

В результате круглосуточной работы в течение 4 лет был получен большой экспериментальный материал, который помог установить основные законы распространения коротких радиоволн 14,15 . В 1929 г. при Томском университете была впервые в СССР осуществлена опытная коротковолновая связь между движущимися судовыми и неподвижными береговыми радиостанциями.

Началом широких экспериментальных исследований ионосферы в СССР можно считать второй Международный полярный год, проводившийся в 1932-1933 гг в годы минимума солнечной активности.

Начало этих исследований также связано с именем руководителя Нижегородской радиолаборатории М. А. Бонч-Бруевича.

В 1932 г. под его руководством были проведены первые в СССР ионосферные измерения, для проведения которых необходимо было создать новую аппаратуру.

Предложенный Бонч-Бруевичем принцип использования маломощных ламп специальной конструкции для получения больших мощностей в импульсе нашел впоследствии применение во всех ионосферных, в том числе и современных станциях.

Ионосферная Станция, построенная Бонч-Бруевичем, проводила радиозондирование ионосферы сначала в Ленинграде, а потом в Мурманске 11,13 . Основным элементом схемы ионосферного передатчика, построенного Бонч-Бруевичем, был самовозбуждающийся ламповый генератор, который отдавал свою энергию антенне. Анодное питание генератора осуществлялось от выпрямителя напряжением 20 ООО в. Оно накапливалось на конденсаторе и подавалось на аноды ламп генератора в моменты времени, когда конденсатор с помощью контакта подсоединялся к генератору.

Контакт представлял собой конец иглы, вращаемый электродвигателем со скоростью 50 об сек. Отраженные от ионосферы импульсы принимались приемным устройством 12,13 , расположенным недалеко от передатчика, и регистрировались осциллографом. В том же 1932 г. начала действовать еще одна ионосферная станция, установленная в Москве на Радиоиспытательной станции, где наблюдения проводились на фиксированных частотах.

В 30-е годы работы по изучению распространения коротких волн и влиянию на них ионосферы продолжались под руководством В. Н. Кессениха. Большое значение в проведении этих работ сыграл известный в то время коротковолновик-радиолюбитель Н. Д. Булатов. К середине 30-х годов при Томском университете сформировался коллектив опытных радиоспециалистов и исследователей. В 1936 г. здесь под руководством Н. Д. Булатова создается ионосферная станция, которая с тех пор ведет непрерывные наблюдения за состоянием ионосферы.

За 27 лет непрерывной работы станции накоплен экспериментальный материал более чем за два 11-летних цикла солнечной активности. Обработка и анализ этого материала в значительной степени помогли выявлению основных особенностей строения ионосферы и процессов, происходящих в ней 14,15 . Опыт изучения ионосферы показал, что для наблюдения за быстрыми изменениями ее состояния необходимо иметь возможность получать характеристику состояния ионосферы за несколько секунд.

Для этого Булатовым в 1936 г. был предложен панорамный метод снятия высотно-частотных характеристик, при котором они последовательно получаются на экране осциллографа как изображение на экране телевизора. Панорамный метод применяется в настоящее время на всех современных ионосферных станциях. Еще одним исследователем ионосферы и распространения коротких волн был А. Н. Щукин. Он начал свою работу еще в 1925 г. Сначала для наблюдения за распространением коротких волн он использовал простое приемное устройство.

Впоследствии им была разработана оригинальная конструкция коротковолнового измерителя, пользуясь которым он впервые количественно измерил напряженность поля коротких радиоволн. Для изучения особенностей замираний на коротких волнах им применялось фото-записывающее устройство 12,15 . Проанализировав большое число измерений напряженности поля и эксплуатационные данные по прохождению коротких волн, А. Н. Щукин в 1932 г. публикует первый метод расчета напряженности поля в диапазоне коротких волн. В результате большой работы, проведенной разными исследователями по изучению прохождения коротких радиоволн, А. Н. Казанцев построил карты ионизации слоя F2 и других слоев для всего земного шара. В 1946 г. он предложил, а в 1956 г. усовершенствовал метод расчета напряженности поля по таким картам.

Метод расчета - А. Н. Казанцева в настоящее время широко применяется для расчета коротковолновых линий радиосвязи. Экспериментальные исследования ионосферы в арктических районах и, в частности, на дрейфующих полярных станциях связаны с именем изобретателя и конструктора Ф. Я. Заборщикова, работающего в Арктическом и антарктическом институте в Ленинграде.

Начиная с 1954 г ведутся непрерывные наблюдения на ионосферной станции в обсерватории Мирный в Антарктиде 13 . Результаты экспериментальных исследований ионосферы послужили базой для теоретических исследований по ионосфере. Так, в 1930 г. независимо друг от друга советским ученым С. И. Крючковым и английским геофизиком Чепменом были сформулированы основы теории образования в ионосфере простого ионизированного слоя. Теоретическим исследованиям процессов в ионосфере посвящены также работы В. Л. Гинзбурга, С. М. Рытова, Я. Л. Альперта и др. Дальнейшим шагом в исследовании ионосферы был Международный геофизический год МГГ , проводившийся в течение 1957-1958 гг. в период максимальной солнечной активности, в котором Советский Союз принимал деятельное участие.

Характерной особенностью исследований ионосферы в период МГГ было большое число стран, участвующих в этом мероприятии, а также согласованность в программах наблюдений и их объеме.

Международный геофизический год был примером делового содружества ученых многих стран. В период МГГ получен огромный экспериментальный материал, обработка и анализ которого в ближайшие годы позволят глубже проникнуть в процессы, происходящие в ионосфере, и помогут овладеть их законами 12.13 . В период проведения МГГ во всех странах, и в том числе в СССР, были значительно расширены наблюдения за ионосферой с помощью ионосферных станций, сеть которых была значительно увеличена.

Всего во время МГГ во всех странах мира велись наблюдения за ионосферой примерно на 160 ионосферных станциях. Во время МГГ были организованы новые виды исследований ионосферы с помощью геофизических ракет и искусственных спутников Земли. Большое внимание было уделено организации измерений поглощения в ионосфере, исследований неоднородностей в ней и работам по возвратно-наклонному зондированию 14,15 . Ракетные исследования атмосферы в Советском Союзе были начаты еще в 1933 г когда впервые была запущена исследовательская ракета.

Применение разработанного советскими учеными метода отделяемого от ракеты контейнера позволило установить еще в 1951 г что данные ракетных измерений давления воздуха, выполненные в США, приблизительно в 10 раз превышают действительные значения. Подобные ошибки объяснялись тем, что измерительная аппаратура во время измерений находилась в непосредственной близости от нагретой ракеты.

Особо большой размах ракетные исследования в верхней атмосфере приняли в период Международного геофизического года. Осуществляя программу МГГ, 21 февраля 1958 г. с территории европейской части СССР была запущена одноступенчатая геофизическая ракета, достигшая рекордной по тому времени высоты 473 км. В числе других важных измерений, проводимых с помощью ракеты, впервые было экспериментально измерено распределение электронной концентрации в ионосфере до высоты 473 км. Большие перспективы экспериментального исследования ионосферы открылись после запуска искусственного спутника Земли ИСЗ , произведенного впервые в Советском Союзе 4 октября 1957 г 13 . Спутник был запущен во исполнение программы исследований МГГ. Уже первый полет спутника дал исключительные материалы по изучению ионосферы.

Во время полета первого спутника была измерена плотность атмосферы по результатам наблюдений за уменьшением периода обращения спутника вследствие торможения земной атмосферой. При последующих запусках советских и американских спутников Земли и космических кораблей, запущенных в направлении Луны, были измерены интенсивность космического излучения, давление и состав атмосферы, а также ультрафиолетовое и корпускулярное излучения Солнца, распределение электронной Концентрации ионосферы по высоте и некоторые другие. Результатом экспериментальных исследований околоземного пространства было открытие трех радиационных поясов, расположенных примерно на .высоте 1 600, 3 600 и 60 000 км. Открытие неизвестных ранее радиационных поясов Земли имеет большое значение, так как наличие в околоземном пространстве областей заряженных частиц, энергия которых измеряется сотнями тысяч и миллионами электронвольт, представляет большую опасность для космонавтов.

С запуском геофизических ракет, ИСЗ и космических ракет удалось установить, что ионосфера простирается вплоть до 20 000 км. Было обнаружено, что в ней отсутствуют резкие провалы ионизации между слоями Е, D, F1 и F2, как это представляли раньше 13,15 . В 1946 г. Н. И. Кабанов, наблюдая за ионизированными следами метеоров, вторгающихся в земную атмосферу и сгорающих в ней, установил новое явление, названное впоследствии его именем. Им было обнаружено, что отраженные от ионосферы радиоволны, падая на земную поверхность, могут ею частично рассеиваться.

Часть энергии рассеянной волны возвращается к источнику излучения и может быть обнаружена, например, на экране осциллографа.

Открытие Кабанова привело к появлению нового вида радиолокации на коротких волнах, которую называют ионосферной радиолокацией.

С ее помощью можно проводить наблюдения далеко за пределами горизонта. Например, за тысячи километров можно определять место атомного взрыва. Помимо ионосферной радиолокации, эффект Кабанова позволяет проводить возвратно-наклонное зондирование ионосферы и тем самым получать оперативные сведения о состоянии ионосферы на коротковолновой линии связи.

Это позволяет повысить эффективность работы коротковолновой линии радиосвязи и уменьшить взаимное действие радиостанций 15 . О существовании в ионосфере неоднородностей указывали еще М. В. Шулейкин в 1923 г. и М. А. Бонч-Бруевич в 1933 г. Экспериментальные исследования ионосферных неоднородностей, особенно за последние 15 лет, привели к открытию явления распространения УКВ на расстояния, превышающие дальность прямой видимости, благодаря рассеянию радиоволн на этих неоднородностях 17 . Характерная особенность таких линий радиосвязи заключается в исключительно высокой надежности их работы во время ионосферных возмущений и поглощений, когда радиосвязь на коротких волнах обычно прерывается.

Это особенно важно для полярных районов, где ионосферные возмущения и поглощения - частые явления. Идея о существовании ионосферы в виде некоторого слоя всегда была присуща ионосферным теориям. В количественной форме эта идея была впервые выражена в теории образования ионосферного слоя, созданной Чепменом в 1931 г. Хотя в дальнейшем ряд авторов уточнили условия образования истинного слоя Чепмена, сама идея все еще остается фундаментальной для ионосферных моделей. Это означает, что для соответствующих атмосферных компонент и длин волн ионизирующей радиации могут быть найдены высота и скорость максимума ионизации.

Существующие в настоящее время модели учитывают просто более широкую полосу спектра ионизирующей радиации и охватывают большее количество атмосферных компонент 13 . Существование ионосферных слоев зависит как от образования электронно-ионных пар и их последующей судьбы, что определяется свойствами ионизируемой компоненты, так и от вида и концентрации окружающей нейтральной среды.

В настоящее время вместо наименования слой более употребительным стал термин область. Основой для такого изменения послужили ракетные измерения, в результате которых оказалось, что в ионосфере нет четко ограниченных слоев, представление о которых возникло при интерпретации радиолокационных исследований.

И теоретические модели, и эксперименты показывают, что слои представляют собой просто большие градиенты электронной концентрации. Градиенты и максимумы концентрации перемещаются в ограниченной области высот под влиянием солнечной активности. Область D располагается ниже примерно 90 км. Хотя иногда встречаются упоминания о лежащей еще ниже области С, такое обозначение применяется редко. Промежуток между областью F около 180 км и 90 км обычно рассматривается как область Е. Граничные высоты, конечно, не определяются точно.

Мы будем рассматривать области ионосферы, расположенные на высотах ниже 160 км, и, следовательно, будем иметь дело в основном с областями D и Е 15 . Современные исследования показали, что действие солнечного ветра может значительно влиять на электронную плотность ионосферы экваториальных и тропических широт, особенно в период активизации вспышечной активности Солнца.