Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ проблемы квазизенитного распространения высокочастотных радиосигналов в ионосфере Земли 19
1.1 Ионосфера, ее изменчивость, модели профиля электронной концентрации 19
1.2 Гибридный подход к исследованию распространения радиосигналов в ионосфере Земли 23
1.3 Особенности ионосферных радиоканалов с различной полосой частот 31
1.4 Задачи квазизенитного распространения сигналов в ионосфере Земли 37
1.5 Существующее противоречие. Цель и задачи диссертационного исследования 42
2 Синтез и исследование дифференциальных дисперсионных характеристик высокочастотных радиоканалов для случая квазизенитного распространения радиоволн 44
2.1 3D модель распределения электронной концентрации на основе МКП приближения 45
2.2 Методика синтеза и анализ дисперсионных характеристик для среднеширотных трасс протяженностью менее 400 км 51
2.3 Методика реконструкции ионограмм квазивертикального зондирования по ионограммам наклонного зондирования 55
2.4 Оценка дисперсионных искажений в ионосфере различных СРС. Обоснование возможности оценки искажений по эквивалентному СРС 64
2.5 Выводы 76
3 Влияние магнитоионного расщепления и дисперсии среды на искажения характеристик многомерного канала и сигналов с расширенным спектром 77
3.1 Влияние поляризационной интерференции на частотные и импульсные характеристики парциального радиоканала 77
3.2 Стохастические характеристики парциальных радиоканалов при квазизенитном распространении. Поляризационная полоса когерентности в окрестности точки пересечения ДХ магнитоионных мод 83
3.3 Влияние частотной дисперсии среды на искажения профиля мощности задержки парциальных радиоканалов 87
3.4 Влияние частотной дисперсии ионосферной плазмы на искажения эквивалентного сигнала с расширенным спектром 92
3.5 Выводы 97
4 Комплексные исследования поляризационных и дисперсионных характеристик многомерного ВЧ радиоканала квазизенитного распространения в ионосфере 98
4.1 Техника натурных экспериментов и объем полученных данных. Исследование профилей мощности задержки парциальных радиоканалов 98
4.2 Полиномиальные модели дисперсионных характеристик магнитоионных мод многомерного радиоканала. Дрожание фазы при скачках частоты в парциальных радиоканалах 106
4.3 Исследование влияния полных солнечных затмений на параметр дисперсии 114
4.4 Методика и результаты исследования характеристик поляризационной интерференции при квазизенитном распространении 120
4.5 Выводы 126
Заключение 128
Список литературы 130
- Гибридный подход к исследованию распространения радиосигналов в ионосфере Земли
- Задачи квазизенитного распространения сигналов в ионосфере Земли
- Методика синтеза и анализ дисперсионных характеристик для среднеширотных трасс протяженностью менее 400 км
- Стохастические характеристики парциальных радиоканалов при квазизенитном распространении. Поляризационная полоса когерентности в окрестности точки пересечения ДХ магнитоионных мод
Введение к работе
Актуальность темы. Проблема распространения в ионосфере широкополосных сигналов связана с необходимостью учета отличительных особенностей распространения их спектральных компонент и является недостаточно изученной. Развитие систем радиосвязи, радиолокации, зондирования ионосферы требует более детального изучения данной проблемы, поскольку использование широкополосных сигналов с учетом среды распространения дает для таких систем ряд существенных преимуществ.
В различное время в решение данной проблемы большой вклад внесли следующие российские и зарубежные ученые: А.П. Анютин, Н.А. Арманд, В.Э. Герм, В.Л. Гинзбург, Л.М. Ерухимов, Н.Н. Зернов, В.А. Иванов, Д.В. Иванов, А.С. Крюковский, В.Е. Куни-цын, В.И. Куркин, Д.С. Лукин, А.П. Потехин, Н.В. Рябова, Ю.Н. Чер-кашин, J.A. Hoffmeyer, В. Lundborg, S. Salous, L.E. Vogler.
Новый интерес для науки и практики в последнее время стала представлять проблема распространения широкополосных сигналов при больших углах падения их на ионосферу. Этот случай называют квазизенитным распространением (КЗР) или NVIS (Near Vertical Incidence Skywave). Принято считать, что КЗР обеспечивает радиосвязь в диапазоне дальностей 40-400 км. Ее практическая значимость состоит в независимости от неровностей поверхности, низкой стоимости, быстрой развертываемое системы. Поэтому такая связь применяется: службами по чрезвычайным ситуациям, службами медицины катастроф и военными. Для повышения эффективности работы этих систем требуется проведение комплексных исследований многомерного радиоканала КЗР, состоящего из упорядоченного множества парциальных каналов, имеющих равные полосы, но отличающихся средней частотой.
Такие исследования важны для развития физики распространения радиосигналов в средах с интерференцией магнитоионных мод и с их частотной дисперсией. Поэтому решение задачи исследования эффектов частотной дисперсии и магнитоионного расщепления при квазизенитном распространении в ионосфере сложных широкополосных сигналов является актуальной радиофизической задачей.
Цель диссертационной работы: развитие модели квазизенитного распространения высокочастотных широкополосных радиосигналов в многомерном ионосферном радиоканале с учетом частотной дисперсии и магнитоионного расщепления, а также радиофизического метода экспериментального исследования харак-
теристик такого радиоканала при квазивертикальном зондировании ионосферы непрерывным ЛЧМ сигналом. Задачами данной работы являются:
Разработка методики синтеза дисперсионных характеристик для случая многослойной среднеширотной ионосферы и квазизенитного распространения радиоволн, а также методики реконструкции ионограмм квазивертикального зондирования по ионограм-мам наклонного зондирования в окрестности контролируемой точки. Исследование дисперсионных характеристик, их суточные, сезонные вариации и на этой основе создание их полиномиальных моделей.
Исследование влияния магнитоионного расщепления на частотные характеристики многомерного ионосферного радиоканала в случае квазизенитного распространения. Выделение закономерностей в исследуемых эффектах.
Исследование искажений сигналов с расширенным спектром при их квазизенитном распространении. Разработка нового подхода в исследовании дисперсионных искажений сигналов с расширенным спектром на основе введения эквивалентного сигнала.
Разработка методики определения зависимости профиля мощности задержки от средней частоты канала. Проведение натурных исследований влияния на дисперсионные характеристики времени суток, сезона, а также полных солнечных затмений.
Методы исследования. Для решения поставленных теоретических задач были использованы методы математического анализа, вариационного исчисления, математической статистики. Комплексные исследования проведены с использованием современного метода вычислительного эксперимента при задании характеристик ионосферы на основе международной модели IRI-2007. Результаты натурных экспериментов получены с использованием современного метода вертикально-наклонного зондирования ионосферы непрерывным сигналом с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) и созданного автором нового программного обеспечения. Эти эксперименты проведены на радиолиниях: Йошкар-Ола - Яль-чик; Нижний Новгород - Йошкар-Ола; Йошкар-Ола - Воронеж; Ин-скип (Англия) - Йошкар-Ола; Иркутск- Йошкар-Ола; Кипр- Йошкар-Ола. При обработке экспериментальных данных использовались спектральные методы, статистические методы анализа данных.
Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертационной работы определяются использованием адекват-
ного математического аппарата, статистически достаточным набором экспериментальных данных и их репрезентативностью, хорошим согласием результатов натурных и вычислительных экспериментов, повторяемостью результатов, а также проверкой на соответствие независимым выводам других авторов. Положения, выносимые на защиту:
Теоретическое обоснование и разработка методик: синтеза дисперсионных и дифференциальных дисперсионных характеристик магнитоионных мод квазизенитного распространения для многослойной квазипараболической сегментации профиля электронной концентрации; реконструкции ионограмм квазивертикального зондирования по ионограммам наклонного зондирования в окрестности контролируемой точки; определения минимальной степени полинома для аналитической аппроксимации дисперсионных характеристик магнитоионных мод парциального канала.
Обобщенное описание дисперсионных искажений широкополосных сигналов с линейно-частотной модуляцией и программной перестройкой рабочей частоты при квазизенитном распространении в ионосфере на основе введенного эквивалентного сигнала.
Аналитические зависимости, позволяющие определять для квазизенитного распространения: поляризационные полосы когерентности в случаях как пересекающихся, так и непересекающихся дисперсионных характеристик магнитоионных мод; дисперсионные искажения профиля мощности задержки компонент многомерного стохастического радиоканала; величину дрожания фазы сигнала при скачках частоты из-за частотной дисперсии среды.
Научное обоснование новых радиофизических методик определения и исследования при квазивертикальном зондировании ионосферы непрерывным ЛЧМ сигналом: эффекта поляризационной интерференции; профиля мощности задержки парциальных ВЧ радиоканалов с различной средней частотой.
Созданный новый пакет прикладных программ, позволяющий реализовать разработанные радиофизические методики с целью повышения эффективности приемной части аппаратно-программного комплекса ЛЧМ ионозонда в части решения задач исследования особенностей квазизенитного распространения радиоволн.
Научная новизна работы
1. В результате разработки методик: синтеза дисперсионных и дифференциальных дисперсионных характеристик магнитоионных мод квазизенитного распространения для многослойной квазипа-
раболической сегментации профиля электронной концентрации; реконструкции ионограмм квазивертикального зондирования по ионограммам наклонного зондирования в окрестности контролируемой точки; определения минимальной степени полинома для аналитической аппроксимации дисперсионных характеристик магнитоионных мод парциального канала - впервые получены:
- зависимости параметра дисперсии от высоты, полутолщины и
критической частоты квазипараболического слоя ионосферы, а
также от относительной частоты канала, времени суток и сезона;
- интервалы частот, в которых справедлива аппроксимация
дисперсионных характеристик магнитоионной моды полиномами
первой, второй и третьей степеней.
Впервые получены выражения, обобщенно описывающие дисперсионные искажения широкополосных сигналов с линейно-частотной модуляцией и программной перестройкой рабочей частоты при квазизенитном распространении в ионосфере.
Впервые получены аналитические зависимости, позволяющие определять для квазизенитного распространения: поляризационные полосы когерентности в случаях как пересекающихся, так и непересекающихся дисперсионных характеристик магнитоионных мод; дисперсионные искажения профиля мощности задержки компонент многомерного стохастического радиоканала; величину дрожания фазы сигнала при скачках частоты из-за частотной дисперсии среды.
Впервые получены данные о дрожании фазы сигнала при квазизенитном распространении для различных полос радиоканалов (0,1; 0,2; 0,5; 1 МГц) и для различных средних частот парциальных каналов, для дневного и ночного времени суток. Установлено, что величина дрожания фазы увеличивается при переходе от дня к ночи, а также с приближением средней частоты к МПЧ и при увеличении полосы радиоканала.
Предложены и научно обоснованы новые радиофизические методики определения и исследования при квазивертикальном зондировании ионосферы непрерывным ЛЧМ сигналом: эффекта поляризационной интерференции; профиля мощности задержки парциальных ВЧ радиоканалов с различной средней частотой.
Создан новый пакет прикладных программ, позволяющий реализовать разработанные радиофизические методики для модернизации приемной части аппаратно-программного комплекса ЛЧМ ионозонда, работающего в режиме квазивертикального радиозондирования ионосферы. Это позволило установить особен-
ности параметров частотной дисперсии мод при квазизенитном распространении в различное время суток, при влиянии на распространение радиоволн полного солнечного затмения, в условиях поляризационной интерференции мод.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Основные результаты, полученные автором, существенно расширяют возможности теоретических и экспериментальных исследований новых явлений и процессов, связанных с эффектами частотной дисперсии и магнитоионного расщепления сложных сигналов при их квазизенитном распространении в многомерном ионосферном радиоканале.
Полученные экспериментальные результаты имеют важное значение для изучения неоднородной структуры ионосферы и развития физики верхней атмосферы Земли.
Полученные результаты могут быть использованы предприятиями, занимающимися разработками перспективных систем связи и радиолокации. Результаты исследований внесут существенный вклад в развитие научных направлений, связанных с разработкой методов обеспечения помехоустойчивости информационных коммуникаций для целей передачи, хранения и защиты информации, а также с вопросами организации беспроводных телекоммуникационных систем и оценки их эффективности.
Результаты, полученные автором, использованы при выполнении НИР в следующих организациях: Институт Солнечно-Земной физики СО РАН (г. Иркутск), ОАО Концерн ПВО «Алмаз-Антей», ОАО Концерн «Созвездие», Марийский государственный технический университет, а также внедрены в учебный процесс в Марийском государственном техническом университете при подготовке бакалавров и магистров по направлениям: 210700 - «Инфокомму-никационные технологии и системы связи»; 210400 - «Телекоммуникации».
Личный творческий вклад автора. В работах [7, 11, 16, 19,20, 23, 24, 30, 33, 34] выполнена разработка методик синтеза дисперсионных характеристик для случая многослойной среднеширотной ионосферы и квазизенитного распространения радиоволн, а также методики реконструкции ионограмм квазивертикального зондирования по ионограммам наклонного зондирования в окрестности контролируемой точки. Проведены исследования дисперсионных характеристик, их суточных, сезонных вариаций и на этой основе созданы их полиномиальные модели. В работах [3, 17, 21, 22, 29, 35] автором проведены исследования влияния магнитоионного
расщепления на частотные характеристики многомерного ионосферного радиоканала в случае квазизенитного распространения; выделены закономерности в исследуемых эффектах. В работах [2, 12, 26, 27, 31, 32] представлены результаты исследования искажений сигналов с расширенным спектром при их квазизенитном распространении; разработан новый подход в исследовании дисперсионных искажений сигналов с расширенным спектром на основе введения эквивалентного сигнала. В работах [1, 4, 5, 8-10, 13-15, 18, 25, 28] разработаны методики определения зависимости профиля мощности задержки от средней частоты канала; проведены натурные исследования влияния на дисперсионные характеристики времени суток, сезона, а также полных солнечных затмений. Работа [6] выполнена автором самостоятельно. Автором получены все выносимые на защиту положения, сформулированы научные выводы и положения.
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, были представлены на IX, X, XII Международных Байкальских молодежных научных школах по фундаментальной физике (Иркутск, 2006, 2007, 2011), XXII, XXIII Всероссийских научных конференциях «Распространение радиоволн» (Ростов-на-Дону, 2008, Йошкар-Ола, 2011), на LXIII, LXV научных сессиях НТО РЭС им. А.С. Попова (Москва, 2008, 2010); 51, 52, 53 научных конференциях МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва-Долгопрудный, 2008, 2009, 2010), Всероссийском научном семинаре «Математическое моделирование волновых процессов», XIII, XIV, XV Всероссийских научных конференциях студентов - радиофизиков (Санкт-Петербург, 2009, 2010, 2011), на XVIII Международной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, 2010), 16, 17 Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2010, 2011); Международной научной студенческой конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2010); на XVI, XVII международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь - RLNC» (Воронеж, 2010; Воронеж, 2011); Международном научно-техническом семинаре «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания» (Нижний Новгород, 2010, Одесса, 2011); на III Всероссийской научной конференции «Всероссийские радиофизические научные чтения-конференции памяти Н.А. Арманда» (Муром, 2010). Автором полу-
чено 11 дипломов первой степени и 3 золотые медали всероссийских и международных конференций и выставок.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 32 работы, в том числе: 6 в журналах, рекомендованных ВАК, из них 1 работа авторская, 1 монография, 3 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Она содержит 145 страниц основного текста, 51 иллюстрацию, 13 таблиц, список цитируемой литературы из 137 наименований.
Гибридный подход к исследованию распространения радиосигналов в ионосфере Земли
Под сигналом обычно понимают изменяющуюся физическую величину, которая отображает переносимую им информацию. Передача может осуществляться с использованием проводных или беспроводных линий от источника к потребителю, образуя линию связи. К физическим процессам, обладающим свойством перемещаться в пространстве, относятся электромагнитные колебания (радиоволны), на этом свойстве основана работа беспроводных линий связи. Радиосигнал обычно представляют в виде [17]: u(t) = u0(t) cos p(t), где u0 (t) - амплитуда сигнала, (p(t) - фаза. Физическим радиосигналам можно поставить в соответствие спектры гармоник (изображение сигнала в частотной области). Основными параметрами физического сигнала являются: длительность Т, ширина спектра В и энергия Е. Энергия определяет устойчивость приема сигнала на фоне шумов, длительность - время, которое необходимо затратить на передачу сигнала, а ширина спектра - необходимую полосу частот для его передачи. Для физических сигналов можно указать длительность и ширину спектра, на которых задана основная (как правило, 95-99%) энергия. В этом случае произведение Т В = D называется базой сигнала.
Простой радиосигнал, представляющий собой импульс с высокочастотным заполнением, имеет базу D 1. Это означает, что отношения сигнал-шум на входе и выходе оптимального приемника близки друг к другу. Другое дело, когда имеем дело с сигналом, у которого база D » 1. Физическая природа увеличения отношения сигнал-шум для таких сигналов (называемых сложными) заключается в сжатии импульса в приемнике, при котором амплитуда импульса резко увеличивается, а длительность - уменьшается. В последнее время в международной научной литературе сложные сигналы получили название - сигналы с расширенным спектром (СРС или Spread Spectrum Band, или SSB). В отечественной литературе СРС (SSB) сигналы также называют широкополосными, псевдослучайными, шумоподобными, составными и многомерными. Расширение спектра в SSB сигналах достигается разными способами: прямым расширением спектра (ПРС или DS - Direct Sequence) с помощью дробления длинного радиоимпульса короткими с кодо-фазовой манипуляцией между ними, за счет программной перестройки рабочей частоты (частотных скачков) (ППРЧ или FH - Frequency Hopping), за счет дополнительной линейной частотной модуляцией (ЛЧМ или С — Chirp). На практике в ВЧ диапазоне используются все перечисленные виды SSB сигналов [18]. Так в современных ионозондах (устройствах для зондирования ионосферы) вместо простых используются SSB сигналы вида SSB-C и SSB-DS. В цифровой связи сигналы вида SSB-DS, SSB-FH и реже SSB-С [19].
База SSB сигнала может быть увеличена либо путем увеличения полосы частот, что часто используется в радиолокации (по этой причине SSB сигналы также называются широкополосными), либо - путем увеличения их длительности. Этот подход используется в ионозондах.
Ситуация с выделением информации меняется, если сигнал искажается при распространении, что приводит к уменьшению его максимального значения на выходе оптимального приемника. Причины искажений можно сформулировать из общих соображений. Дело в том, что ионосфера Земли является средой, характеристики которой существенно зависят от частоты распространяющегося в ней колебания. Это, в частности, означает, что фазовая скорость волн зависит от частоты. Поскольку сложный сигнал представляет собой сумму спектральных компонент, то из-за различия фазовых скоростей в процессе распространения меняются фазовые соотношения между спектральными компонентами и соответственно меняется их сумма. Последнее в частности означает, что при распространении SSB сигналов (или коротких импульсов) в диспергирующей среде изменяется (искажается) форма сжатого импульса - он расширяется, а максимальное значение его амплитуды уменьшается [20-22].
Распространение гармонических колебаний в ионосфере хорошо изучено (см. например [2, 23, 24]). Гипотеза о том, что сигналы с узкополосным спектром распространяются почти также как гармонические колебания, позволили решить задачу их распространения. При расширении спектра излучаемого колебания приходится учитывать различия в распространении спектральных составляющих. Это более сложная задача. Как показано в работе [25], настоящее время характеризуется развитием методов и средства исследования распространения в ионосфере СРС (SSB) сигналов ВЧ диапазона. Это позволяет реализовать на практике преимущества сложных сигналов, обусловленные возможностью их сжатия. Поэтому развитие методов исследования распространения в ионосфере (среде с частотной дисперсией) SSB сигналов является актуальной научной задачей.
В задаче распространения радиосигналов (спектра гармонических колебаний) в ионосфере часто используется физический подход [2], когда вначале исследуется прохождение в среде электромагнитного колебания, имеющего во временной области гармонический вид. Переход к сигналу в этом случае связано с учетом спектрального состава сигнала. Это вызывает значительные вычислительные трудности и не обладает необходимой для общего решения задачи наглядностью. Кроме того, возникают трудности использования полученного решения для сигналов иной формы.
Другой подход развивался в радиотехнике. Его можно назвать системным [26]. В нем среда заменяется некоторой эквивалентной системой, обладающей частотной H(f) и импульсной h(r) характеристиками. В этом случае сигнал на выходе системы определяется интегралом свертки входного сигнала с импульсной характеристикой системы. При использовании данного подхода, однако, возникает проблема перехода к эквивалентной системе, связанная с установлением связи между механизмами распространения сигнала в ионосфере от передатчика к приемнику и характеристиками канала. В решении этой проблемы получает развитие гибридный подход. В этом случае физический подход дает описание механизмов распространения электромагнитных колебаний заданной частоты от передатчика к приемнику. Решения данной задачи позволяет синтезировать соответствующую эквивалентную систему, называемую радиоканалом, и определить ее частотную и импульсную характеристики с учетом стохастического характера распространения. Таким образом, гибридный подход позволяет с общих позиций исследовать распространение в диспергирующих средах SSB сигналов. Наиболее ценным при этом является возможность решения более значимой в данной проблеме задачи - исследования системных характеристик эквивалентной системы (радиоканала).
В настоящее время развитие гибридного подхода является актуальным направлением исследования задачи распространения радиосигналов в ионосфере. Поэтому рассмотрим сущность гибридного подхода более подробно, имея в виду случай исследования распространения СРС на коротких ионосферных радиотрассах (случай квазизенитного распространения (КЗР)).
Задачи квазизенитного распространения сигналов в ионосфере Земли
В регионах со сложным рельефом местности, когда отсутствует спутниковая связь или она малоэффективна в последнее время [45-47] для связи начинают использоваться сигналы ВЧ диапазона, которые имеют свойство отражаться от ионосферы. Это наиболее актуально при организации линий связи до 400 км. При таких расстояниях излучаемые передатчиком электромагнитные ВЧ колебания, падают на ионосферу почти вертикально и, отражаясь от нее, приходят к приемнику, расположенному на расстоянии до 400 км, почти с зенита. Системы такой связи получили название систем квазизенитного распространения (КЗР) или Near Vertical Incidence Skywave NVIS [48, 49]. Особое значение такая ВЧ радиосвязь имеет в чрезвычайных ситуациях - при организации и проведении аварийно-спасательных работ, координации действий, различных организаций и служб в районах стихийных бедствий (землетрясений, наводнений, крупных снежных и селевых лавин на промышленные и жилые районы).
На рис. 1.5 приведена упрощенная схема квазизенитного распространения, иллюстрирующая основное преимущество систем ВЧ связи с использованием режима NVIS [45].
Отметим также, что такая связь обладает рядом других важных качеств. К ним относятся: простота ее организации с подвижными объектами, возможность осуществления через большие труднодоступные пространства (зоны повышенного заражения, труднопроходимые водные и горные районы, лесные завалы, при пожарах и других стихийных бедствиях), высокая мобильность, довольно простая восстанавливаемость в случае ее нарушения (в результате воздействия как случайных так и преднамеренных нарушений), низкая стоимость одного канала на километр дальности связи.
Известно, что отражение сигналов при вертикальном падении на ионосферу происходит на уровне, где выполняется резонансное условие: /в /N гДе IN =л!е Ме/лте - плазменная частота, е,те - заряд и масса электрона, Ne - концентрация электронов. Поэтому в данном случае зондирующий сигнал несет информацию о профиле электронной концентрации. На односкачковых трассах при наклонном зондировании отражение сигнала происходит в средней точке, называемой контролируемой точкой зондирования (КТЗ). Для короткой трассы (/К500км) отражение происходит на уровне, где / = /в sec p, где (р - угол входа волны в ионосферу, отсчитываемый от вертикали. Максимально применимую частоту (МПЧ) для исследуемой трассы можно оценить по формуле: MTM= Mn4= maxSec 7 Vmax, (1.17) где М- «МПЧ-фактор». Из формулы следует, что величина МПЧ зависит от двух параметров: критической частоты слоя и угла входа. Она также свидетельствует, что для обеспечения связи на расстояниях до 400 км углы входа должны принадлежать диапазону значений 0-30. В этом случае МПЧ отличается от критической частоты на 0 - 15 % и распространение электромагнитных колебаний близко к хорошо изученному вертикальному распространению, и на близких от передатчика расстояниях МПЧ будет определяться концентрацией в максимуме F слоя. Вопрос об МПЧ в многослойной ионосфере на трассах, протяженностью 400 км требует своего уточнения, т.к. критическая частота в Е слое почти на порядок меньше чем - в F слоя, однако, угол входа в него больше.
Анализ литературы показал, что, однако, недостаточно изучены задачи исследования: характеристик полосы прозрачности линий NVIS связи; изменения характеристик каналов при изменении их полосы частот и рабочей частоты. Кроме того, применение SSB сигналов может существенно ослабить негативное влияние интерференции и шума, что позволяет использовать малую мощность излучения. Поэтому актуальным является исследование искажений при квазизенитном распространении широкополосных SSB сигналов.
Теоретические исследования следует проводить с применением гибридного подхода и вычислительного эксперимента при задании ионосферы моделью IRI. Это позволит выполнить эти исследования с достаточно общих позиций и рассмотреть влияние на результаты суточных, сезонных вариаций при различной солнечной активности и солнечных затмениях.
Для проведения экспериментальных исследований характеристик многомерного радиоканала, необходимых для обоснования достоверности теоретических результатов, лучше использовать метод зондирования ионосферы SSB-C сигналом, когда его полоса частот совпадает с ВЧ диапазоном. Такой ионозонд в отечественной литературе называется панорамным ЛЧМ ионозондом. Обобщение данных об этих ионозондах и их использовании приведено в обзоре [29]. Основной характеристикой, измеряемой панорамными ионозондами, является ионограмма — зависимость времени группового запаздывания (задержки) rg (/) от средней частоты спектра элемента зондирующего сигнала (рабочей частоты) или действующего пути от этой частоты. При этом действующий путь получается умножением задержки на скорость света. Панораммные зонды осуществляют излучение и прием сигналов в полосе рабочих частот, превышающей область априорной неопределенности полосы прозрачности всевозможных линий ВЧ связи: у вертикальных 1-20МГц, у наклонных и возвратно - наклонных 3-ЗОМГц. Другой разновидностью ионозондов являются канальные ионозонды. В них измеряется S(T,F ) - функция рассеяния канала (ФРК). Оцениваются параметры рассеяния скалярного канала во временной и частотной областях и отношение сигнал-шум. Известны канальные ионозонды типа DAMSON [51], SCIPION [52, 53] и канальный зонд МарГТУ [38]. В этом случае зондирование происходит в полосе частот канала, составляющей, как правило, 3-40кГц. ВЧ каналы с полосой ЗкГц (полоса телефонного канала) получили название узкополосных, а с полосой более 3 кГц - широкополосных (по сравнению с полосой телефонного канала). Однако, данная классификация не является удачной, т.к. все используемые для зондирования сигналы с математической точки зрения являются узкополосными, поскольку их полоса значительно меньше средней частоты спектра (А/ « /).
Заметим, что при соответствующей обработке, требующей развития и интерпретации, основанной на моделировании, с помощью панорамного зонда можно исследовать характеристики многомерного канала, в том числе параметры ФРК всех парциальных скалярных каналов из полосы прозрачности линии ВЧ связи. Кроме того, он позволяет оценивать и исследовать частотную и импульсную характеристики различных скалярных каналов (т.е. векторного канала). Однако, данная методика, рассмотренная в [25], требует своего развития на случай квазивертикального распространения.
Методика синтеза и анализ дисперсионных характеристик для среднеширотных трасс протяженностью менее 400 км
Известно [69], что эффект кривизны земной поверхности не существенен, когда длина трассы не превышает 500 км, поэтому для синтеза лучевых характеристик времени группового распространения (дисперсионных характеристик) в случае КЗР можно использовать модель: плоская Земля -плоская ионосфера (рис.2.3).
Сплошными линиями на рисунке показаны реальные траектории для вертикального и квазизенитного распространения, а пунктирными линиями виртуальные траектории. Согласно теоремам эквивалентности, частота (/) КЗР связана с частотой вертикального распространения (fe) законом секанса [1]: / = /вжфо, (2.13) где jb - угол между вертикалью и направлением луча у основания слоя. Из формулы видно, что отношение М = МПЧ./ fk, называемое коэффициентом максимально применимой частоты (МПЧ) для данного расстояния от передатчика или просто М-фактором, увеличивается с увеличением протяженности трассы от М=\ (для вертикального распространения) до М=3,5+4 (для расстояний 4000 км) [1]. Были рассчитаны значения М - фактора для случая КЗР. На рис. 2.4 приведены зависимости М-фактора от протяженности трассы в диапазоне значений 100км D 400км. На рис. 2.4а профили отличаются значениями начальной высоты (/fy), на рис. 2.46 - полутолщины (ут), а на рис. 2.4 в критической частоты слоя (/к).
Из представленных зависимостей видно, что наибольшее влияние на значение М-фактора оказывает полутолщина слоя. При ее увеличении М-фактор снижается, причем, чем больше протяженность трассы, тем значительнее уменьшается М-фактор. Менее выражена зависимость М фактора от высоты слоя. Видно (см. рис.2.4в), что изменение значения критической частоты слоя практически не влияет на М-фактор. Расчеты также показывают, что для трасс протяженностью до 400 км изменениями М-фактора в первом приближении можно пренебречь и считать его порядка единицы. Синтезированная на основе (2.18) ионограмма, является дисперсионной характеристикой (ДХ) радиоканала [60, 70]. Этот метод синтеза позволяет получить ДХ радиоканала в случае двухслойной ионосферы, что характерно для ночи и трехслойной ионосферы (день) [71, 72]. На рис. 2.5 приведены примеры синтезированных ДХ с учетом магнитоионного расщепления в ионосфере. Случай а) характеризует дневную ДХ для трассы, протяженностью 70 км; б) для ночной трассы, протяженностью 70 км; в) для дневной трассы протяженностью 320 км; и г) для ночной трассы, протяженностью 320 км. Следует отметить наличие точек пересечения ДХ магнитоионных компонент. Производная от ДХ по частоте (s(f) = drg /df) является дифференциальной дисперсионной характеристикой. Ее значения соответствуют важному в задаче исследования дисперсионных искажений ВЧ сигналов и ИХ парциальных радиоканалов параметру, называемому параметром частотной дисперсии фазы [74, 75]. Дифференциальные дисперсионные характеристики многомерного радиоканала (множества примыкающих парциальных каналов) рассчитывались в диссертации методом численного дифференцирования ДХ.
Задача оценки влияния на характеристики радиоканала геофизических условий в ионосфере требует развития методики реконструкции ионограмм КВЗ (квазивертикального зондирования) по ионограммам НЗИ в окрестности КТЗ [75, 76]. Диссертантом разработана методика, схематично представленая на рис. 2.7. Методика включает в себя следующие действия: 1) получение и очистку экспериментальной ионограммы наклонного зондирования; 2) построение ДХ многомерного радиоканала по методике, описанной в параграфах 2.1 и 2.2; 3) получение модели профиля электронной концентрации Ne (h); 4) синтез ДХ КЗР в окрестности контролируемой точки [70]. f Получениеэкспериментальной монограммы Очисткаэкспериментальноймонограммы ( sРасчетмодельнойионограммы - Сравнение дисперсионных характеристик ионограммы да Расчет монограммы пази вертикальногозондирования V Виїуалихации монограммы Рис. 2.7. Методика реконструкции ионограмм квазивертикального зондирования по ионограммам наклонного зондирования
В качестве начальных значений параметров профиля электронной концентрации берутся значения, вычисленные с помощью международной справочной модели ионосферы IRI для времени и места КТЗ. С учетом этих данных рассчитывается профиль электронной концентрации и синтезируется ионограмма наклонного зондирования, которая сравнивается с полученной в натурном эксперименте. Таким образом, реализуется процедура последовательных приближений для профиля электронной концентрации.
Экспериментальная и синтезированная ионограммы Применяя описанную выше методику и используя полученный профиль электронной концентрации, можно рассчитать ионограммы квазивертикального зондирования для области КТЗ [68, 82]. Иллюстрируют это ионограммы квазивертикального зондирования, представленные на рис. 2.11а и рис. 2.116, для трасс протяженностью 70 км и 320 км соответственно.
Стохастические характеристики парциальных радиоканалов при квазизенитном распространении. Поляризационная полоса когерентности в окрестности точки пересечения ДХ магнитоионных мод
Установлено [2, 4], что при квазизенитном распространении ВЧ радиоволн на среднеширотных радиолиниях магнитоионные компоненты принимаемых волн имеют почти круговую поляризацию. Это позволяет достаточно просто при приеме разделять их по поляризации, принимая либо обыкновенную, либо необыкновенную волны. Для этого отраженные ионосферой сигналы необходимо принимать на две антенны с взаимно ортогональной линейной поляризацией, а между ними вводить сдвиг фазы равный ±— и затем их складывать. Кроме того, ИХ магнитоионных компонент можно также разделить по быстрому времени. Действительно, при Вс » Bk ИХ отдельных лучей разрешаются. В данном случае также можно рассматривать ЧХ и ИХ канала отдельно для каждой магнитоионной моды. В окрестности точек пересечения ДХ магнитоионных компонент моды на ионограмме не разрешаются по быстрому времени и интерферируют (эффект поляризационного фединга).
В стохастических каналах важное значение имеют «диффузные» моды. Это имеет место, когда наряду с «зеркальным» отражением сигнала в среде имеет место также его рассеяние на случайных неоднородностях.
Напомним, что ионограмма содержит информацию о частотной зависимости группового запаздывания, названной в литературе [25] дисперсионной характеристикой (ДХ). Дифференцируемость ДХ в точке, означает линейность этой частотной зависимости «в малом». При этом угловой коэффициент прямой равен производной от частотной зависимости в точке пересечения.
Этот результат позволяет сформулировать методику оценки поляризационной полосы когерентности на случай пересекающихся ДХ. Она будет заключаться в том, что: 1) на краях полосы пропускания определяется задержка между магнитоионными компонентами, 2) по этой задержке находится полоса когерентности для случая параллельных зависимостей, 3) затем она удваивается.
Исследования, проведенные во второй главе настоящей диссертации, показали, что для произвольной моды частотную зависимость задержки (дисперсионной характеристики - ДХ) детерминированного в полосе F є[-Вс,Вс] канала на частоте fk можно аппроксимировать многочленом Ony(F), т.е возможно полиномиальное представление детерминированной ДХ канала. В таком случае из теории интегралов Фурье следует, что дисперсионные искажения ИХ могут иметь место, когда степень многочлена для детерминированной ДХ отличается от нуля [107].
В среде без дисперсии носитель этой ИХ (область «быстрого» времени, в которой ИХ не ноль) оценивается соотношением Лг«1/25с, поэтому на нем «медленное» время можно считать неизменным и второе слагаемое в фазе формулы (3.31) отнести к ее начальному значению. Кроме того, можно положить, что амплитуда регулярной ЧХ произвольной моды приближенно равна HQ\fk,F)&H0j{fk,0). С учетом этих рассуждений формула для детерминированной ИХ
Кроме того, при изменении номера к парциального канала параметры функции в выражении для фазы будут меняться по величине. Для характеристики изменения от частоты нелинейной составляющей фазы отдельной моды распространения вводят параметр, называемый дисперсионной полосой когерентности канала, создаваемого этой модой. Это полоса частот, на границах которой набег нелинейной составляющей фазы равен 1 рад.
