Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методика расчета параметров радиоволн, распространяющихся в анизотропной ионосфере с учетом поглощения и крупномасштабных ионосферных неоднородностей 16
1.1 Методы расчета характеристик декаметровых сигналов в ионосфере... 16
1.2 Моделирование трехмерной ионосферы с учетом суточных изменений и крупно- и среднемасштабных неоднородностей 17
1.3 Методика расчета траекторий КВ-радиосигналов в ионосфере 21
1.4 Результаты численного моделирования распространения коротковолновых радиосигналов 36
1.5 Выводы 43
Глава 2 . Зоны обслуживания сети коротковолновой радиосвязи при учете поглощения и слоистости ионосферы 44
2.1 Физические предпосылки для появления зон обслуживания сети КВ-радиосвязи 44
2.2 Методика расчета зон обслуживания сети коротковолновой радиосвязи 46
2.3 Результаты расчета зон обслуживания сети коротковолновой радиосвязи 50
2.4 Изменение зон обслуживания сети с учетом суточных и сезонных вариаций электронной концентрации в ионосфере 66
2.5 Выводы 67
Глава 3. Влияние перемещающихся ионосферных неоднородностей на пропускную способность и вероятность ошибки при передаче информации . 69
3.1 Способы повышения качества передачи информации по ионосферному каналу связи 69
3.2 Повышение качества передачи информации по ИКС при селективном возбуждении электромагнитных волн в ионосфере 71
3.3 Влияние ионосферных неоднородностей на качество передачи информации по ионосферному каналу связи 77
3.4 Выводы ..93
Глава 4. Экспериментальное исследование частотной зависимости поляризации отраженных от ионосферы радиоволн 95
4.1 Необходимость проведения экспериментального исследования 95
4.2 Описание экспериментальной установки 97
4.3 Схема проведения экспериментов 103
4.4 Обработка и анализ полученных результатов 104
4.5 Зависимость результатов поляризационной диагностики от частоты.. 113
4.6 Выводы 117
Глава 5. Структура и этапы функционирования адаптивной по поляризации сети КВ-радиосвязи 120
5.1 Структура адаптивной по поляризации сети коротковолновой радиосвязи 120
5.2 Этапы настройки сети коротковолновой радиосвязи 126
5.3 Выводы 127
Заключение 128
Список сокращений 131
Литература
- Моделирование трехмерной ионосферы с учетом суточных изменений и крупно- и среднемасштабных неоднородностей
- Методика расчета зон обслуживания сети коротковолновой радиосвязи
- Повышение качества передачи информации по ИКС при селективном возбуждении электромагнитных волн в ионосфере
- Описание экспериментальной установки
Введение к работе
Верхние слои атмосферы Земли, расположенные на высоте более 50 км, ионизируются излучением Солнца, вследствие чего там появляются свободные электроны и положительные ионы. Таким образом, ионосфера занимает область земной атмосферы на высоте от 50-60 до нескольких тысяч километров от поверхности Земли. Степень ионизации газов, входящих в состав ионосферы, зависит от их плотности, энергии солнечного излучения и космических лучей, а также коэффициента поглощения этой энергии газами. В целом ионосфера квазинейтральна, т.е. число электронов и отрицательных ионов равно числу положительных ионов. Основными процессами, формирующими состояние ионосферы, являются ионизация, рекомбинация, диффузия плазмы и дрейф заряженных частиц [1, 2].
К числу основных физических свойств ионосферы относится способность отражать волны декаметрового диапазона.
ИОНОСФЕРА
нижняя граница земной ионосферы
г~
п.В
ошибки при приеме
максимальны
(EeSEJ
п.А
КВ-станция
//////////////////////////
Рисунок В.1 - Традиционный (неселективный) способ возбуждения волн в
ионосфере
Электромагнитные волны декаметрового диапазона («короткие» радиоволны), излученные из какого-либо пункта А, расположенного на поверхности Земли, отражаются от ионосферы как при вертикальном, так и при наклонном падении и возвращаются на Землю в некотором пункте В (рисунок В. 1). При наклонном зондировании дальность распространения (длина дуги АВ) даже при однократном отражении волны от ионосферы, лежит в пределах от десятков до 3000 км. Таким образом создается ионосферный канал связи, который широко используется для передачи информации.
Если волна распространяется из п. А в п. В однократно отражаясь от ионосферы, то канал называют односкачковым, если волна отражается два раза и более - то многоскачковым. Важными характеристиками любого канала связи являются качество (вероятность ошибки Рош) и скорость передачи информации (количество двоичных символов - бит в секунду с) [3].
Соответствующий анализ задачи о распространении электромагнитных волн в ионосфере был проведен в рамках классической магнитоионной теории [1]. В результате установлено, что в ионосфере по одному направлению могут распространяться две волны, характеризующиеся своими фазовыми скоростями, поглощением и поляризацией. Эти волны принято называть обыкновенной и необыкновенной магнитоионными компонентами (МИК). При этом, как при наличии, так и отсутствии поглощения обе МИК поляризованы эллиптически, причем их коэффициенты поляризации не равны. Экспериментальная проверка основных выводов теории о поляризации волн, отраженных от ионосферы, показала, что поляризация МИК действительно эллиптическая, различная и существенно зависит от конкретных физических условий [4-11], Поскольку электронная концентрация и частота соударений электронов в ионосферной плазме флуктуируют около своих средних значений, являясь случайными функциями времени, то
коэффициенты поляризации МИК, вообще говоря, также являются случайными функциями. Атмосфера Земли подвержена воздействию многих физических факторов. Вследствие неоднородности ионизации верхних слоев атмосферы излучением Солнца диэлектрическая проницаемость ионосферы является функцией координат и времени. Фаза электромагнитной волны при распространении в такой среде изменяется по закону, связанному с законом изменения диэлектрической проницаемости. В процессе распространения радиоволны в ионосфере происходит смещение ее несущей частоты на некоторую величину. Это явление называется эффектом Доплера в ионосфере. Для двух МИК показатели преломления ионосферы различны и, следовательно, фазы двух МИК, также различны. Присутствие в ионосфере движущихся крупномасштабных неоднородностей электронной концентрации обусловливает коррелированное изменение доплеровских частот двух характеристических волн, что приводит к квазипериодическим интерференционным замираниям поля в пространстве и времени [12-17].
Таким образом, излученная в точке А монохроматическая волна, после распространения по ионосферному каналу связи (ИКС) превращается в две квазимонохроматические волны и в точке приема В возникает суммарное сильно «замирающее» электромагнитное поле со сложной пространственно-временной структурой. Эти замирания являются одной из основных причин относительно низкого качества передачи информации по ИКС. Существует понятие потенциальной помехоустойчивости передачи информации по каналу связи (минимальное значение вероятности ошибки Рош, которое может быть достигнуто в данных физических условиях). Аналогичное понятие вводят и для максимально возможной- скорости передачи сообщений с. Предельные значения параметров Рош и с являются ориентирами в оценке эффективности любых методов передачи информации [18].
Ионосферный канал связи не требует никаких искусственных ретрансляторов - он самый дешевый из всех существующих. Также к
достоинствам ионосферного канала относятся его дальность (даже при одном скачке она составляет -3000 км), его устойчивость и неуничтожимость даже при ядерных взрывах. Однако современный способ возбуждения в нем радиоволн (рисунок В.1) обладает существенным недостатком - вследствие многолучевости скорость передачи информации на порядок ниже потенциально достижимой (реализуемой при однолучевом распространении), хотя физические свойства ионосферного канала позволяют увеличить скорость передачи и приблизить ее к потенциально возможной.
Следует отметить, что в настоящее время интерес к ионосферным исследованиям остается достаточно высоким, о чем свидетельствует значительное количество работ [19-27], включающих в себя несколько направлений: мониторинг состояния ионосферы [19, 20], исследования влияния ионосферы на работу навигационных систем [21-23], проблемы загоризонтной радиолокации [24], исследования по распространению УНЧ-ОНЧ радиосигналов [25-27].
Кроме появления двух МИК еще одним недостатком ИКС на трассах, протяженностью ~ 100 км является наличие приземной волны, являющейся мощной помехой для принимаемого из ионосферы сигнала. Таким образом, многолучевость ИКС является его принципиальной особенностью. Даже в случае односкачковой радиотрассы в пункт приема приходят две МИК и приземная волна, характеризующиеся различным доплеровским сдвигом частотного спектра и наличием группового запаздывания одной волны относительно другой [28]. Если длительность одного информационного сообщения меньше или сравнима со временем группового запаздывания, то при передаче дискретной информации возникает эффект межсимвольной интерференции, которому посвящено большое количество работ [29-33].
На физическом факультете Московского Государственного Университета разработан особый способ селективного возбуждения электромагнитных волн (СВЭМВ) в анизотропной ионосфере Земли
(рисунок В.2) [34-37]. Этот способ основан на различии коэффициентов поляризации двух магнитоионных компонент одной частоты, которое может быть использовано для их селекции. Однако такая селекция является непростой задачей, главным образом по причине отсутствия достоверной информации о поляризации парциальных составляющих сложного векторного поля.
ИОНОСФЕРА
нижняя граница земной ионосферы
Е,
Е„
ошибки при
приеме минимальны
500 км
зона
обслуживания
сети
//////////////////////////
Рисунок В.2 - Селективный способ возбуждения волн в ионосфере
При использовании метода селективного возбуждения в ионосфере возбуждается только одна магнитоионная компонента. Метод селективного возбуждения электромагнитных волн позволяет практически полностью устранить интерференционные замирания на приемном конце, являющиеся основной причиной низкой пропускной способности канала (энергия передатчика "закачивается" только в одну магнитоионную компоненту) [38, 39].
Метод селективного возбуждения электромагнитных волн состоит из двух последовательных этапов:
поляризационная диагностика анизотропной ионосферы;
возбуждение в ионосферном канале связи одной электромагнитной волны.
На первом этапе с помощью соответствующего комплекса аппаратуры осуществляется облучение ионосферы чередующейся последовательностью импульсов с определенными поляризациями. На приемном конце осуществляется обработка возникающих в ионосфере МИК, после чего по полученным данным и определенному алгоритму определяются два коэффициента поляризации
Излучение волны с коэффициентом поляризации обыкновенной или необыкновенной волны приводит к селективному возбуждению в ионосфере только одной МИК. Практически достичь полного подавления одной из МИК не удается, но метод селективного возбуждения электромагнитных волн позволяет повысить соотношение мощностей о-МИК и е-МИК на порядок по сравнению со стандартным способом возбуждения, приводящем к обязательному появлению МИК с близкими по уровню мощностями [40].
Метод селективного возбуждения электромагнитных волн в ионосфере открывает широкие перспективы в разработке новых и модернизации существующих разновидностей загоризонтных радиолокаторов (ЗГРЛ), использующих отраженные от ионосферы электромагнитные волны декаметрового диапазона. В лаборатории распространения радиоволн кафедры радиофизики физического факультета Московского Государственного Университета разработана структурная схема загоризонтного ионосферного радиолокатора, функционирующего по бистатической схеме и использующего в своей работе метод селективного возбуждения электромагнитных волн в ионосфере. Исследованы основные характеристики его работы - точность определения координат и вектора скорости лоцируемого воздушного объекта, разрешающая способность радиолокатора. Показано, что эти характеристики ЗГРЛ, использующего
новые принципы возбуждения электромагнитных волн в ионосфере Земли, существенно превышают аналогичные показатели существующих ионосферных загоризонтных радиолокаторов [41-44].
Метод селективного возбуждения электромагнитных волн позволяет создать однолучевой канал связи на ионосферной радиотрассе (вертикальной или наклонной) в пределах односкачкового распространения радиоволны. При этом на поверхности Земли наименьшее отношение невозбуждаемой МИК к возбуждаемой достигается в точке, в которой принимаются электромагнитные волны, излучаемые в ходе поляризационной диагностики. Этот пункт однолучевого канала связи назовем точкой оптимального приема сигнала (ОПС).
При удалении от точки ОПС на приемном конце радиолинии будет увеличиваться отношение невозбуждаемой МИК к возбуждаемой. В некоторой области вокруг точки оптимального приема мощность одной из волн будет меньше мощности другой. Таким образом, вокруг точки ОПС появится область (зона обслуживания), внутри которой отношение мощностей невозбуждаемой МИК к возбуждаемой будет меньше некоторого значения. Внутри этой области помехоустойчивость и пропускная способность канала связи будет существенно выше, чем в отсутствии селективного возбуждения электромагнитных волн. Такую область назовем зоной обслуживания сети КВ-радиосвязи (ЗОС) (рисунок В.2).
Применяя способ селективного возбуждения при вертикальном зондировании ионосферы, можно создавать локальные ячейки коротковолновой радиосвязи, составленной из многих однолучевых радиолиний, обладающих высокой пропускной способностью, протяженностью до 200-500 км и обеспечивающих устойчивую радиосвязь между базовой станцией, расположенной в точке ОПС и любым объектом, расположенным внутри ЗОС (в том числе и мобильным). Площадь одной зоны варьируется от 60 до 250 тыс. кв. километров в зависимости от типа
возбуждаемой волны и рабочей частоты. Локальные зоны могут быть использованы для создания региональных и глобальных сетей КВ-радиосвязи. Объединяя ЗОС, можно создавать сети КВ-радиосвязи с неограниченной дальностью действия и сплошной площадью обслуживания. Способ селективного возбуждения электромагнитных волн в ионосфере позволяет использовать обыкновенную и необыкновенную компоненту отраженной от ионосферы волны либо одновременно, либо последовательно - в зависимости от потребностей, что сильно расширяет возможности рассматриваемой системы КВ-радиосвязи. Также для разработки алгоритмов функционирования обсуждаемой системы КВ-радиосвязи большое значение имеют результаты экспериментальных исследований частотной зависимости поляризации радиоволн, отраженных от ионосферы.
Актуальность работы: обусловливается увеличением нагрузки на существующие сети связи, следствием чего являются:
1) Повышение требований к качеству передачи информации
(пропускной способности и вероятности ошибки).
2) Ужесточение требований к электромагнитной совместимости (ЭМС)
и экологичности радиоэлектронных средств (РЭС), что напрямую связано с
уменьшением излучаемой мощности.
Использование метода селективного возбуждения позволяет, во-первых, сократить интерференционные замирания, вследствие чего уменьшается вероятность ошибки и увеличивается пропускная способность при передаче информации. Во-вторых, селективное возбуждение позволяет концентрировать всю излучаемую мощность только в одной МИК, что при одинаковой минимальной мощности полезного сигнала на входе приемника может обеспечить снижение излучаемой мощности как минимум в два раза.
3) Построение сети радиосвязи в КВ-диапазоне имеет ряд
дополнительных преимуществ - радиус зоны обслуживания достигает
нескольких сотен километров, а вследствие распространения радиоволн путем
отражения от ионосферы достигается минимизация "затенения" абонентов неровностями рельефа, что часто наблюдается в тропосферных сетях.
Цель работы; обосновать возможность построения, разработать структурную схему и этапы настройки сети коротковолновой радиосвязи с высокой скоростью и помехоустойчивостью передачи информации при использовании селективного способа возбуждения электромагнитных волн в ионосфере.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие частные задачи:
L Разработать методику расчета параметров КВ-радиоволн, распространяющихся по ионосферной линии связи, использующей селективное возбуждение электромагнитных волн в ионосфере с учетом поглощения, магнитного поля Земли и ионосферных неоднородностей;
2. Определить линейные размеры и площади зон обслуживания сети
КВ-радиосвязи на поверхности Земли при селективном возбуждении
электромагнитных волн в ионосфере при учете слоистой структуры
ионосферы и наличии поглощения;
3. Оценить пропускную способность и вероятность ошибки при
передаче информации в двоичной форме по ионосферной линии связи внутри
одной зоны обслуживания сети коротковолновой радиосвязи с учетом
присутствующих в ионосферном канале связи неоднородностей;
Провести экспериментальное исследование частотной зависимости коэффициента поляризации радиоволн, отраженных от ионосферы, при селективном возбуждении электромагнитных волн на вертикальной радиотрассе;
Разработать структуру и этапы настройки сети КВ-радиосвязи с селективным возбуждением электромагнитных волн в ионосфере.
Научная новизна работы заключается в том, что:
Модифицирована методика расчета волновых и лучевых траекторий радиоволн в ионосфере с учетом поглощения, магнитного поля Земли и ионосферных неоднородностей.
Определены конфигурации и размеры зон обслуживания сети, возникающие в результате селективного возбуждения электромагнитных волн в ионосфере, при учете поглощения и слоистой структуры ионосферы, а также исследована частотная зависимость конфигурации и площадей зон обслуживания сети.
Проведена оценка влияния неоднородностей на пропускную способность и вероятность ошибки при передаче информации в двоичной форме в ионосферном канале связи при селективном возбуждении электромагнитных волн с учетом присутствующих в ионосфере крупномасштабных неоднородностей.
Определена частотная зависимость коэффициента поляризации радиоволн, отраженных от ионосферы, при селективном возбуждении электромагнитных волн на вертикальной радиотрассе.
Практическая ценность работы определяется тем, что:
Предлагаемая методика расчета волновых и лучевых траекторий позволяет определять параметры КВ-радиоволн, распространяющихся по ионосферной линии связи с учетом поглощения, магнитного поля Земли и ионосферных неоднородностей.
В результате учета поглощения и слоистой структуры ионосферы зоны обслуживания сети изменяют свою конфигурацию и размеры по сравнению с оценками, не учитывающими указанные условия. Зоны обслуживания могут служить основой создания сетей КВ-радиосвязи с любой заданной зоной покрытия.
Показано, что в случае селективного возбуждения электромагнитных волн в ионосфере наличие ионосферных неоднородности не приводит к существенному изменению пропускной способности и вероятности ошибки при передаче информации в двоичной форме по ионосферной линии связи.
В результате экспериментального исследования частотной зависимости коэффициента поляризации радиоволн, отраженных от ионосферы, при селективном возбуждении электромагнитных волн на вертикальной радиотрассе показано, что формулой для определения коэффициента предельной поляризации можно пользоваться до значения рабочей частоты ~ 0,7-0,8 от критической.
Предложена схема построения адаптивной по поляризации сети коротковолновой радиосвязи, представлены этапы ее настройки, произведена оценка максимального количества каналов для разрабатываемой сети.
На защиту выносится:
1) Модифицированная методика расчета параметров декаметровых
радиоволн, распространяющихся по ионосферной линии связи с учетом
поглощения, магнитного поля Земли и ионосферных неоднородностей
Результаты исследования зон обслуживания сети коротковолновой радиосвязи при учете поглощения и слоистой структуры ионосферы; а также результаты исследования пропускной способности и вероятности ошибки при передаче информации в двоичной форме по ионосферным линиям радиосвязи при наличии крупномасштабных ионосферных неоднородностей.
Принцип построения сети коротковолновой радиосвязи, использующей метод селективного возбуждения электромагнитных волн в ионосфере.
Апробация работы и публикации
Результаты работы докладывались на различных конференциях и семинарах: VIII Всероссийской школе-семинаре «Физика и применение микроволн - 2002», III Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь - перспективные технологии - 2003», IV Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь - перспективные технологии - 2005», X Всероссийской школе-семинаре «Физика и применение микроволн - 2005».
Основные результаты диссертации опубликованы в двенадцати работах [41-50,113,114].
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения с общим объемом в 141 страницу, включая список литературы из 114 наименований и 61 рисунка.
*
Моделирование трехмерной ионосферы с учетом суточных изменений и крупно- и среднемасштабных неоднородностей
Наличие интерференционных замираний многолучевого сигнала в пункте приема в ионосферном канале связи (ИКС) приводит к значительному снижению качества передачи информации. Эти замирания возникают в результате присутствия в пункте приема нескольких электромагнитных полей, распространяющихся между передатчиком и приемником по различным траекториям в ионосферном канале связи. В настоящее время для практических расчетов используются различные подходы к решению задачи об определении параметров КВ-сигналов после прохождения ионосферы. Аналитические решения [51-54] при аппроксимации одного или нескольких ионосферных слоев аналитическими функциями, позволяют значительно сэкономить время при нахождении траекторий распространения КВ-радиосигналов между передатчиком и приемником, но при этом не дают решений для траекторий при наличии неоднородностей. Метод построения Численные решения уравнений Максвелла и Лоренца [55-57] дают наиболее близкие к реальным значения поля с учетом поляризации как в ионосфере, так и на выходе из нее, однако эти методы сопряжены со значительными затратами машинного времени и для большинства прикладных задач являются пока мало пригодными. Численные решения методом геометрической оптики (ГО) в настоящее время используются наиболее часто для расчетов параметров КВ-радиосигналов после прохождения через возмущенную ионосферу [58-66].
В настоящей работе при создании математической модели распространения КВ-радиосигналов методом ГО учитывается, что в ионосфере вдоль одного направления распространяются две независимые магнитоионные компоненты (МИК), что приводит к дополнительной многолучевости в пункте приема. Таким образом, расчет характеристик КВ-радиосигналов проводится в модели динамической ионосферы с учетом поглощения, наличия в ионосфере неоднородностей и зависимости коэффициента преломления от угла между волновым вектором и магнитным полем Земли. Моделирование возмущенной ионосферы проводилось в два этапа: 1) создание сферически-слоистой модели ионосферы с учетом изменения профиля во времени при отсутствии неоднородностей. При этом магнитное поле задается в дипольном приближении [67]. 2) добавление в невозмущенную ионосферу крупно- и среднемасштабных неоднородностей.
На первом этапе по данным модели ионосферы IRI [68] определялись профили электронной. концентрации N(r) (рисунок 1.1) и эффективной частоты соударений электронов veff(r) (рисунок 1.2).
На втором этапе к профилю электронной концентрации ионосферы добавлялись: - крупномасштабная неоднородность, для которой задавались: линейные размеры (-300x40x40 км), начальные координаты центра и максимальная амплитуда возмущения (отличие электронной концентрации в центре возмущения от невозмущенного профиля); - среднемасштабные неоднородности ( 30х 10 х 10 км), для которых задавались: концентрация неоднородностей в единице объема (неоднородности располагаются в этом пространстве равномерно случайным образом), максимальная амплитуда возмущения Ртах.
Мелкомасштабные неоднородности существуют несколько секунд и имеют размеры -100 м и малую амплитуду возмущения. Вследствие этого они оказывают меньшее влияние на траектории распространения (рефракцию, поглощение и угловую расходимость) КВ-радиоволн, поэтому при моделировании ионосферы их присутствие не учитывается.
Амплитуда возмущения выбирается на основе экспериментальных данных [15, 69] и обычно лежит в пределах от -0,2 до +0,2 для среднемасштабных неоднородностей и от - 0,5 до + 0,5 для крупномасштабных неоднородностей. Для того чтобы метод ГО для расчета траекторий оставался применимым, необходимо соблюдать условие непрерывности профиля электронной концентрации на границе неоднородности (медленное изменение градиента коэффициента преломления). Крупномасштабную неоднородность (как показывают экспериментальные данные) целесообразно моделировать в виде эллипсоида. Поэтому в плоскости большого круга Земли модель такой неоднородности представляет собой эллипс (рисунок 1.3, расстояние г отсчитывается от центра Земли, построение проводится в плоскости большого круга Земли). Причем электронная концентрация в неоднородной области спадает от центра к границе по формуле:
Такое моделирование неоднородностей позволяет наблюдать эффекты фокусировки и дефокусировки радиоволн, а также изменение углового спектра принимаемого сигнала по сравнению с излучаемым (угол излучения волны не совпадает с углом ее прихода).
Среднемасштабные неоднородности строятся аналогично крупномасштабным (за исключением времени существования и меньших линейных размеров).
Изменение параметров неоднородностей во времени учитывается через их движение и уменьшение амплитуды возмущения. При этом крупномасштабная неоднородность перемещается со скоростью 10-15 км/мин и расплывается (исчезает) за время -30 мин [12, 15], а среднемасштабные неоднородности расплываются за время -1 мин, вследствие чего их перемещения не учитываются.
При наклонном падении электромагнитных волн на анизотропную ионосферу необходимо решить волновое уравнение [1]: rotrotE- (d-i—Я-0, (1.2) где ] - плотность тока проводимости Это уравнение для слоистой "холодной" магнитоактивной плазмы имеет важное частное решение типа (z) = F(r) = F(2)e" , .(1.3) отвечающее волнам с нормалью, расположенной в плоскости yz (магнитное поле Н в слоистой среде однородно или зависит только от z, но может иметь любое направление).
Методика расчета зон обслуживания сети коротковолновой радиосвязи
Метод селективного возбуждения электромагнитных волн в ионосфере позволяет создать однолучевой ионосферный канал связи, в котором устраняется основная причина снижения качества связи -интерференционный фединг двух характеристических волн, пришедших в точку приема, так как в точке приема будет присутствовать лишь одна волна. Как было сказано во введении при удалении от точки оптимального приема сигнала на приемном конце радиолинии будут наблюдаться уже две характеристические волны. При этом в некоторой области вокруг точки оптимального приема мощность одной из волн будет много меньше мощности другой волны. Можно определить границу такой области как линию, на которой отношение мощностей характеристических волн принимает некое фиксированное, заранее заданное значение. При этом в данной области помехоустойчивость приема радиосигналов будет ниже, чем в точке оптимального приема, однако выше, чем вне рассматриваемой области. Назовем такую область зоной обслуживания сети КВ-радиосвязи (рисунок 2.1) [47].
Изучение зависимостей конфигурации и площади ЗОС при вертикальном зондировании ионосферы от частоты и географического положения излучателя представляет интерес по нескольким причинам. Во-первых, эти данные позволяют определить масштабы областей около передающего пункта, в которых возможен прием информации со скоростью, превышающую некоторое минимальное значение. Во-вторых, для создания сети коротковолновой радиосвязи, необходима разработка алгоритмов, позволяющих объединить получаемые зоны в единую область на поверхности Земли. Это невозможно сделать, не зная особенности конфигурации получаемых зон.
В работе [86] для определения зон обслуживания использовалась однослойная модель ионосферы с параболическим распределением концентрации электронов по высоте и отсутствием соударений между ними. Эта модель крайне удобна для вычислений вследствие того, что позволяет аналитически решить задачу распространения луча в ионосфере. Однако, полученное решение дает лишь грубую оценку конфигурации и площади зон обслуживания, поскольку не точно отражает реальное строение ионосферы и характер распространения радиоволн в плазме. Для устранения описанных недостатков было принято решение применить представленную в главе 1 математическую модель ИКС.
При определении зон обслуживания сети КВ-радиосвязи использовались следующие предположения: - передатчик и устройство определения оптимальной поляризации излучаемой волны, необходимой для селективного возбуждения электромагнитных волн в ионосфере, находятся в одной точке пространства (вертикальная радиотрасса), многократные отражения от ионосферы отсутствуют; - мера селективного возбуждения характеристических волн Q предполагается равной отношению мощностей нормальных волн (менее мощной волны к более мощной), на которые разлагается излученная передатчиком волна на входе ионосферы; -двухканальный передатчик оснащен системой из двух ортогонально расположенных излучающих антенн, ориентированных параллельно земной поверхности; размеры антенн составляют 0,5 используемой длины волны; - передача информации осуществляется узкополосными сигналами; - определение параметров КВ-радиосигналов на входе приемника определяется на основе рассмотренной в главе 1 математической модели ИКС. На этапе определения конфигурации и размеров зон обслуживания наличие неоднородностей не учитывается.
Для нахождения зон обслуживания сети КВ-радиосвязи необходимо изменять координаты точки приема на поверхности Земли и для нового приемного пункта вычисляются два коэффициента предельной поляризации: для о- и е- МИК. Затем волна, излучаемая передающей антенной, раскладывается по базису из двух вычисленных коэффициентов поляризаций, в результате чего определяются амплитуды каждой из двух возбуждаемых характеристических волн на входе в ионосферу.
Для решения частной задачи об определении Q на входе в ионосферу необходимо определить ионосферный базис, то есть коэффициенты предельной поляризации обыкновенной и необыкновенной волн в ионосфере (1.10). Рисунок 2.2 - К построению зон обслуживания KB радиосети
Для определения Q на входе в ионосферу из ионосферного базиса выбиралась одна из характеристических волн, которую необходимо было подавить в точке оптимального приема. При установке коэффициента поляризации выбранной для селективного возбуждения характеристической волны на передающей антенне на вертикальной радиотрассе в ионосфере возбуждалась именно эта волна (полное подавление одной из нормальных волн, Q = 0). Однако, при удалении от точки оптимального приема, часть излучаемой мощности идет на возбуждение подавляемой компоненты, вследствие чего значение Q уменьшается (рисунок 2.2).
Повышение качества передачи информации по ИКС при селективном возбуждении электромагнитных волн в ионосфере
На помехоустойчивость приема информации в ионосферном канале связи кроме аддитивного шума и значения Q, также влияет степень рассеяния сигнала в ионосфере [94, 95]. Негативная роль рассеяния иллюстрируется графиками рисунка 3.2, на котором изображена зависимость вероятности ошибки Perr(Q) в функции отношения мощностей двух МИК при различной степени рассеяния сигнала (параметр /?2= А02/ АР2 , где А0 и Ар- амплитуды нерассеянной и рассеянной частей принимаемого поля). При определении вероятности ошибки и пропускной способности (рисунки 3.2, 3.3) значение ОСШ равно 10.
При сильном рассеянии соотношение мощностей двух МИК слабо сказывается на вероятности ошибки, которая остается на уровне 10 2. При большом параметре /? (малом рассеянии) с уменьшением величины Q внутри ЗОС вероятность ошибки резко убывает от значения-1 О 2 до значения 10"3 - 10"4.
Полученные результаты свидетельствуют, что интерференция двух МИК приводит к резкому снижению помехоустойчивости приема информации (вероятность ошибки при приеме однолучевого и многолучевого сигналов отличаются на несколько порядков).
Оценка пропускной способности многолучевого канала связи проводилась путем рассмотрения интегральной функции распределения вероятности того, что мгновенное значение отношения сигнал/шум (ОСШ) двухлучевого сигнала будет превосходить любое, наперед заданное значение hi [46]: где F(c) - интегральная функция распределения пропускной способности; с hi = 2 -I - ОСШ суммарного сигнала, А,2 - ОСШ первого сигнала, h\ ОСШ второго сигнала. Функция распределения (3.2) зависит от трех параметров - Д/ (полоса сигнала), Aj2, h\ и характеризует вероятность реализации значения пропускной способности канала с не меньше заданного значения со.
Проведенные исследования [37] показывают, что уменьшение отношения Q при помощи селективного существенно увеличивает пропускную способность ИКС. Так, например, при равенстве отношения сигнал-шум
(ОСШ) двух МИК Q = 1 (кривая 1 на рисунке 3.3) и рабочей полосе сигналов А/ =10 кГц в 10% случаев пропускная способность канала будет меньше значения с = 5 кбит/с, в 20% - меньше 15 кбит/с, в 30% - меньше 25 кбит/с (что свидетельствует о невозможности стабильной работы радиосвязи на такой ИКС), а при Q= 1/10 (кривая 4 на рисунке 3.3), значение с не будет опускаться ниже 23 кбит/с в 100% случаев. Уменьшение Q до 1/20 (кривая 5 на рисунке 3.3) приводит к увеличению с до значения не ниже 28 кбит/с, которое приближается к пропускной способности однолучевого канала (кривая 6 на рисунке 3.3) и оценивается в данном случае величиной с = 34,5 кбит/с.
Таким образом, в результате выполненных исследований показано, что уменьшение мощности подавляемой МИК в двухлучевом ионосферном канале связи при помощи селективного возбуждения электромагнитных волн в ионосфере на порядок увеличивает его пропускную способность и снижает вероятность ошибки при передаче информации.
Как уже упоминалось в п. 1.4 Главы 1 неоднородности, появляющиеся на радиолинии оказывают существенное влияние на параметры принимаемых сигналов, вследствие изменения амплитуды, поляризации, времени распространения выходящих из ионосферы МИК.
Настоящий раздел посвящен исследованию влияния различных параметров крупномасштабных ионосферных неоднородностей (амплитуда возмущения, размеры неоднородности, высота центра над поверхностью Земли, скорость и направление перемещения) на качество передачи информации по ИКС.
Влияние амплитуды возмущения неоднородной области на принимаемое поле в пункте приема представлено на рисунках 3.4-3.7. По оси ординат отложена напряженность поля в точке приема относительно мВ, по оси абсцисс - время в дискретах. Один дискрет - 0,1 мин (6 секунд).
На рисунках 3.8-3.10 показаны отношения амплитуд (при напряжении на зажимах излучающей антенны 1 В) обыкновенной и необыкновенной компонент в случае селективного возмущения электромагнитных волн в ионосфере. Начальное отношение амплитуд равно 4. Время суток - утро (электронная концентрация растет).
Описание экспериментальной установки
Отраженные от ионосферы сигналы, принятые и ц антеннами (7, 8), поступают на коммутатор (9), переключающий напряжения с приемных антенн на измерительный приемник (10). Кроме того, коммутатор обеспечивает возможность подачи напряжений с контрольных точек ФАТ на измерительный приемник для контроля параметров излученного поля. Переключение режимов работы коммутатора (9) производится путем подачи соответствующих управляющих импульсов, вырабатываемых блоком управления (16). Напряжение принятых сигналов, снимаемое с выхода коммутатора, поступает на вход измерительного приемника, где оно с помощью гетеродина преобразуется к промежуточной частоте. С помощью этого же гетеродина преобразуется к промежуточной частоте и опорное напряжение генератора высокой частоты (6). Эти два напряжения промежуточной частоты поступают на осциллограф (11) и БОАФ (12) для преобразования амплитуды и фазы в цифровую форму. Фазы сигналов измеряются относительно фазы опорного напряжения ГСС.
Так как огибающая измеряемого напряжения имеет прямоугольную импульсную форму, то для задания момента времени, в который нужно производить оцифровку сигнала, используются стробы, вырабатываемые БУП (16) и поступающие в БОАФ (12) и на осциллограф (11). По картине на экране осциллографа производят совмещение стробов и импульсного сигнала, тем самым задавая момент измерения амплитуды и фазы. Амплитуда и фаза, представленные в цифровой форме, передаются по оптической линии (14) в ЭВМ (13), где и запоминаются для последующей обработки.
Блок управления (16) может вырабатывать строб в два различных момента времени (на осциллографе отображаются также оба строба, поэтому мы будем говорить, что БУП формирует "строб 1" или "строб 2"). Кроме того, БУП может в одном цикле работы установки изменять длительность излучаемого импульса, что позволяет при определенном положении стробов и выборе соответствующего режима работы получать информацию о двух МИК и информацию о суммарном сигнале. Для получения информации о МИК, стробы 1 и 2 устанавливаются на середину принимаемых импульсов отдельных компонент. При излучении удлиненного импульса, длительностью 400 мкс, принимаемые сигналы перекрываются во времени появляется возможность измерить сумму двух МИК. Кроме того, установка позволяет измерять уровень шума. При этом на специально выделенном интервале времени в каждом цикле измерения приемная часть работает как обычно, но зондирующие импульсы не излучаются.
При зондировании ионосферы установка работает в режиме поочередного излучения импульсов линейно поляризованного поля, длительностью 100 мкс, излучаемых с помощью X и Y антенн и принимаемых и ц антеннами. Для этого блок управления комплексом (БУП) формирует последовательность модулирующих импульсов, изображенную на рисунке 4.2. Цикл состоит из 8 импульсов, длительностью 100 мкс каждый и повторяется каждые 80 мс (режим "цикл на 8"). Настройка стробов выполняется с помощью осциллографа и в режиме "цикл на 8" при приеме неразделенных во времени магнитоионных компонент производится следующим образом: первый строб устанавливается на середину отраженного импульса, представляющего собой смесь двух характеристически волн, а второй строб устанавливается правее, за пределами импульса. По нему проводится измерение уровня шума. При приеме разделенных компонент настройка стробов изменяется: первый строб устанавливается на первую компоненту поля, второй - на вторую. Данные об амплитудах и фазах ортогональных проекций отраженного от ионосферы электромагнитного поля записываются в базу данных.
На основе наблюдаемой высотно-частотной характеристики (ВЧХ) ионосферы определяется диапазон рабочих частот для слоя и его критическая частота. Диапазон частот радиоволн, отражающихся от слоя F на вертикали, составляет 3 - 10 МГц.
Так как зависимость интенсивности шума от частоты и времени носит случайный характер, невозможно априори определить сетку рабочих частот. Поэтому в каждом сеансе измерений выбираются те частоты, на которых шумы минимальны.
В зависимости от времени группового запаздывания между сигналами обыкновенной и необыкновенной волн в точке приема могут наблюдаться два случая. В первом, когда время запаздывания велико, наблюдается раздельный прием двух магнитоионных компонент (МИК). В этом случае можно измерять характеристики 1 и 2 МИК независимо. Во втором случае, при малом времени запаздывания, наблюдается прием смеси магнитоионных компонент, и измерить характеристики отдельных сигналов нельзя. Информацию о характеристиках отдельных компонент можно восстановить по результатам измерений смеси спектральным методом. Возможен и более надежный способ. Используемая установка позволяет производить селективное возбуждение характеристических волн. Поэтому при приеме смеси проводится поляризационная диагностика ионосферы, нахождение оптимального коэффициента поляризации для подавления одной МИК, и сеанса селективного возбуждения электромагнитных волн. В результате возбудится только одна волна (оптимальным будет подавление необыкновенной волны, так как она сильнее поглощается). Недостатком такого способа является отсутствие информации о подавляемой компоненте и большее время измерений.
Структура записи данных. При проведении эксперимента в базе данных создаются файлы, содержащие информацию о результатах измерений - амплитуду А и фазу р ортогональных проекций вектора электромагнитного поля Е , отраженного от ионосферы. Эту информацию записывают на магнитный носитель ЭВМ в виде файла, состоящего из одномерных массивов амплитуды и фазы. Элементы массива являются значением одной случайной величины, измеренной на конечном отрезке времени.
