Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ путей повышения надежности связи и энергетического потенциала коротковолновой радиолинии 12
1.1 Состояние, тенденции развития KB связи обоснование объекта исследований 12
1.2 Анализ показателей качества KB радиосвязи и предъявляемых к ним требований 21
1.3 Анализ возможных путей обеспечения условия осуществления KB радиосвязи с заданной надежностью и достоверностью 29
1.4 Анализ известного научно-методического аппарата определения
надежности связи KB радиолинии и необходимости его совершенствования 42
1.5 Постановка научной задачи и частных задач исследования 50
2. Разработка методик определения надежности связи и необходимого энергетического потенциала kb радиолинии с учетом глубины быстрых замираний 62
2.1 Методика определения надежности связи в KB радиолинии в зависимости от выбора рабочей частоты с учетом глубины быстрых замираний 62
2.1.1. Определение единичной напряженности поля сигнала в точке приема 62
2.1.2. Определение удельной напряженности поля помех в точке приема 68
2.1.3. Определение частотной зависимости глубины быстрых замираний и соответствующего коэффициента защиты 73
2.1.4. Определение зависимости надежности связи в KB радиолинии от выбора рабочей частоты 89
2.2 Методика определения необходимого энергетического потенциала KB радиолинии в зависимости от выбора рабочей частоты 100
2.2.1. Определение взаимосвязи энергетического потенциала с техническим фактором KB радиолинии 100
2.2.2 Определение минимально необходимого энергетического потенциала KB радиолинии в рабочем диапазоне частот 113
2.3 Выводы 125
3. Практические рекомендации и технические решения по обеспечению требуемой надежности kb связи при минимальном энергетическом потенциале 129
3.1 Разработка алгоритма определения ОРЧ по критерию обеспечению надежности KB связи при заданных радиосредствах 129
3.2 Рекомендации по проведению маневра рабочими частотами радиосредствами для обеспечения требуемой надежности KB связи 136
3.3 Инженерная методика обеспечения требуемой надежности связи KB радиолинии путем маневра частотами и радиосредствами с учетом частотной зависимости глубины быстрых замираний 147
3.4 Обоснование технических решений по измерению интенсивности ионосферных неоднородностей с помощью спутниковой радионавигационной системы 167
3.5 Выводы 176
Заключение 178
Список использованных источников
- Анализ возможных путей обеспечения условия осуществления KB радиосвязи с заданной надежностью и достоверностью
- Определение частотной зависимости глубины быстрых замираний и соответствующего коэффициента защиты
- Рекомендации по проведению маневра рабочими частотами радиосредствами для обеспечения требуемой надежности KB связи
- Обоснование технических решений по измерению интенсивности ионосферных неоднородностей с помощью спутниковой радионавигационной системы
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Известные достоинства коротковолновой (КВ) связи обусловили ее широкое применение для решения задач передачи сообщений с относительно невысокой скоростью на большие расстояния. В настоящее время КВ связь рассматривается как важнейший резерв радиосвязи с удаленными подвижными объектами. Основными недостатками КВ связи являются относительно низкое ее качество (вероятность связи с допустимой достоверностью) и невысокая энергетическая скрытность. Эти недостатки во многом обусловлены наличием быстрых (интерференционных) замираний принимаемых сигналов. Они вызваны рассеянием радиоволн на неоднородностях ионосферы и диффузной многолучевостью, наблюдаемой в каждом дискретном луче.
Анализ современных тенденций развития КВ связи показывает, что они фактически не затронули одного из важнейших направлений повышения ее надежности и достоверности, связанного с борьбой с быстрыми замираниями (БЗ) сигналов, обусловленными многолучевым характером распространения КВ ионосфере.
В настоящее время известны способы устранения влияния БЗ, вызываемых дискретной многолучевостью. Они базируются на применении узконаправленных следящих передающих или приемных антенн, обеспечивающих излучение либо выделение одного дискретного луча.
Однако эти способы не позволяют бороться с замираниями сигналов, вызванными диффузной многолучевостью. Последняя может возникать даже при однолучевом РРВ в односкачковых КВ радиолиниях (РЛ) из-за рассеяния одного дискретного луча на неоднородностях ионосферы. При этом обычно полагают, что вследствие диффузной многолучевости при распространении КВ принимаемый сигнал подвержен достаточно глубоким БЗ релеевского типа. Для компенсации влияния последних вводят коэффициент защиты (т. е. дополнительное увеличение отношения сигнал/помеха на входе приемника для обеспечения требуемой достоверности Рош.доп), который считается не зависящим от выбора рабочей частоты (f0) В то же время из экспериментальных данных известно, что в однолучевых КВ радиолиниях с понижением рабочей частоты (РЧ) относительно максимально применимой (МПЧ) глубина БЗ уменьшается. Следовательно, требуемый коэффициент защиты от БЗ можно снизить за счет правильного выбора РЧ. Это, в свою очередь, приведет к повышению надежности связи без дополнительных энергетических затрат и снижения достоверности.
Вопросам борьбы с диффузной многолучевостью в КВ каналах связи большое внимание уделено в школах таких ученых как Финк Л.М., Кловский Д.Д., Коржик В.И., Комарович В.Ф., Сосунов Б.В., Серков В.П., Слюсарев П.В., Хмельницкий Е.А., Калинин А.И., Черенкова Л.Е., Чернышов О.В., Долуханов М.П., Буга Н.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С., Кириллов Н.Е., Пенин П.И, Маслов О.Н.и другие. Однако вопросы исследования «тонкой» структуры диффузных лучей и закономерностей изменения глубины интерференционных замираний в зависимости от выбора рабочей частоты и состояния ионосферных неоднородностей пока остается открытым.
Объектом исследования является коротковолновая (КВ) радиолиния (РЛ) с одним дискретным лучом и диффузной многолучевостью, вызывающей быстрые замирания (БЗ) принимаемых сигналов.
Цель диссертационного исследования: разработка практических рекомендаций по обеспечению требуемой надежности связи при минимальном энергетическом потенциале КВ радиолинии в диапазоне рабочих частот на основе учета частотной зависимости коэффициента защиты от БЗ.
Предмет исследований: методики оценки надежности связи и энергетического потенциала КВ радиолиний.
Научная задача: разработка методики определения надежности связи в КВ радиолинии в зависимости от рабочей частоты и обеспечиваемого энергетического потенциала с учетом частотной зависимости глубины быстрых замираний.
Требуемым научным результатом (ТНР) решения научной задачи является получение функциональной () зависимости надежности КВ связи () от выбора рабочей частоты (), необходимого энергетического потенциала радиолинии () и допустимой достоверности () приема сигналов:
. (1)
В ходе решения общей научной задачи (декомпозированной на две частные) были получены следующие научные результаты, представляемые к защите:
1.Методика определения надежности связи в КВ радиолинии в зависимости от выбора рабочей частоты с учетом глубины быстрых замираний.
ТНР является зависимость надежности связи от коэффициента защиты от БЗ и отношения сигнал/помеха , зависящих от выбора рабочей частоты: . (2)
2. Методика определения необходимого энергетического потенциала КВ радиолинии в зависимости от выбора рабочей частоты.
ТНР является зависимость минимально необходимого энергетического потенциала радиолинии от выбора рабочей частоты и установление его взаимосвязи с надежностью КВ связи
, . (3), (4)
3 Научно обоснованные технические решения и рекомендации по повышению надежности КВ связи на основе учета зависимости коэффициента защиты от БЗ от выбора рабочей частоты.
Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что:
1. Разработана аналитическая методика определения оптимальной рабочей (ОРЧ) в КВ радиолинии с учетом не только поглощения и отражения волны в ионосфере, но и глубины БЗ принимаемых сигналов из-за диффузной многолучевости, что обеспечивает максимальную надежность КВ связи с допустимой достоверностью.
2. Впервые разработана методика определения минимально необходимого энергетического потенциала в рабочем диапазоне частот КВ радиолинии при обеспечении допустимой надежности КВ связи.
3. Научно обоснован новый способ измерения ионосферных неоднородностей на базе применения не вертикального, а трансионосферного зондирования с помощью спутниковых радионавигационных систем (СРНС).
Достоверность и обоснованность научных и практических результатов подтверждается: применением современных научных методов; непротиворечивостью представленных научных результатов известным результатам в данной области знаний; сходимостью к известным результатам при введении ограничений и допущений; результатами экспериментальных исследований, проведенных с применением методов полунатурного моделирования.
Практическая значимость полученных результатов заключается с следующем:
1) разработаны практические рекомендации для нахождения новой оптимальной рабочей частоты (например, =5 МГц), на которой достигается надежность КВ связи =0,93…0,95, существенно превосходящая надежность связи =0,84 на более высокой традиционной ОРЧ ;
2) разработаны практические рекомендации по уменьшению на новой оптимальной рабочей частоте (=5 МГц) минимально необходимого энергетического потенциала КВ радиолинии на 6 дБ по сравнению с обеспечиваемой на традиционной ОРЧ (=7,4 МГц).
3) в разработанных технических предложениях по повышению качества КВ связи на базе трансионосферного мониторинга мелкомасштабных неоднородностей с помощью СРНС.
Личный вклад соискателя в получение результатов. Все исследования, изложенные в диссертационной работе, проведены лично соискателем в процессе научной деятельности в рамках выполнения плановых ОКР. Ему принадлежит основная идея диссертационной работы, её формализация в виде частных научных задач, результаты их решения и экспериментов, публикации и апробация результатов.
Результаты работы реализованы:
-
В Научно-исследовательском внедренческом центре автоматизированных систем (НИВЦ АС), г. Москва, при обосновании способа и устройств трансионосферного зондирования в интересах КВ связи (акт о реализации НИВЦ АС от 21.09.2013 г.).
-
В Военной академии РВСН имени Петра Великого (филиал в г. Серпухов Московской области) в учебном процессе по кафедре «Автоматизированные системы управления» (в ходе дипломного проектирования и при изучении дисциплины «Информационные сети и телекоммуникации») (акт о реализации ФВА РВСН от 02.10.2013 г.).
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: 14 НТК различного уровня, в том числе 3 Международного уровня, 11 Всероссийского уровня. Опубликованы в 18 работах, из них: 16 статей в научно-технических сборниках и журналах, из которых 4 опубликованы в журнале из Перечня ВАК, 2 отчета об ОКР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка научных источников и приложения. Список научных источников содержит 126 наименований.
Анализ возможных путей обеспечения условия осуществления KB радиосвязи с заданной надежностью и достоверностью
Известно [15, 17, 25-28, 31-39, 45, 103, 104], что многолучевое распространение в KB радиолиниях (РЛ) протяженностью от 500 до 4000 км (соответствующей дальности одного скачка при ионосферном РРВ и имеющей наибольшее практическое значение) обусловлено следующими причинами: а) приходом в точку приема (при достаточно широкой ДН передающей антенны) нескольких волн (дискретных лучей), претерпевших различное число отражений от одного и того же, либо различных слоев ионосферы; б) магнитоионным расщеплением волны (луча) в ионосфере на обыкновенную (О) и необыкновенную (Н) составляющие и попаданием в точку приема О и Н компонент различных дискретных лучей; в) диффузным рассеянием единичной волны (дискретного луча) на неоднородностях ионосферы (при котором образуется пучок элементарных лучей (подлучей) с углом раствора ДВ, от 1 до 8) и приходом в точку приема множества подлучей, относящихся к различным пучкам. Многолучевость РРВ в KB РЛ (дискретная и (или) диффузная), характеризующаяся максимальным временем запаздывания лучей Дтмакс в точку приема, приводит к возникновению быстрых (интерференционных) замираний принимаемых сигналов и ограничению полосы частотной когерентности FK « 1/Дхшкс (т. е. полосы частот неискаженной передачи) радиоканала [14, 15, 18, 27 15, 17, 21, 25, 32, 45-53, 68, 98, 103-107].
Быстрые замирания принимаемых сигналов, возникающие вследствие только диффузной многолучевости, подчиняются рэлеевского типа [50]. При этом максимальное время запаздывания лучей составляет Дхмакс 50...200 мкс [98]. Указанных значений Дтмакс вполне достаточно, чтобы в KB РЛ с диффузной многолучевостью выполнялось условие возникновения рэлеевских замираний в точке приема [32, 50, 51, 102] l//o«Aw«l/F0, (1.1) где /0 - рабочая частота ДКМ волны (радиолинии), Гц; F0 -\ J Тс - эффективная полоса спектра передаваемого сигнала, Гц. Механизм образования различных видов многолучевости при распространении радиоволн KB диапазона иллюстрируется на рисунках 1.1 Рисунок 1.1- Образование Рисунок 1.2 - Образование дискретной дискретной многолучевости многолучевости из-за магнитоионного расщепления лучей Рисунок 1.3 - Образование диффузной многолучевости Полоса частотной когерентности KB радиоканала в данном случае (диффузной многолучевости) согласно [47] ограничивается значениями FK«l/ATMaKC l/(50...2OO)MKc = 5...2O кГц.законам распределения вероятностей (ЗРВ) райсовского или
При дискретной многолучевости РРВ с диффузным рассеянием каждого луча в KB РЛ могут возникать и более глубокие по сравнению с рэлеевскими интерференционные замирания - подрэлеевские, которые в худшем случае будут подчиняться ЗРВ односторонне-нормального типа [68, 103]. Величина максимального времени запаздывания дискретных лучей составляет Атмакс «1...3 мс [45, 98], что соответствует ограничению полосы когерентности KB РЛ значениями FK 1 /(і... 3) мс 0,3.. .1 кГц.
Необходимо отметить, что дискретные лучи с различным числом отражений от одного и того же (либо различных) слоев ионосферы могут приходить в точку приема с соизмеримыми амплитудами, в то время как необыкновенный луч ослабляется в ионосфере значительно сильнее обыкновенного [93-96, 103-108]. Вследствие этого интерференционные замирания в первом случае будут значительно глубже, чем во втором.
Из многообразия возможных условий распространения радиоволн KB диапазона можно выделить 6 типовых моделей распространения [103, 104], показанных на рисунке 1.4.
В моделях I и II РРВ происходит по траектории IF (т. е. с одним отражением от слоя F) одного дискретного луча. При этом в модели I преобладает зеркальное отражение волны от ионосферы, а в модели II - диффузное (рассеянное) отражение.
В моделях III и VI в точке приема присутствуют два дискретных луча, но с несоизмеримыми амплитудами U. При этом в модели III первый луч распространяется по траектории 2F (т. е. с двумя отражениями от слоя F), а второй - по траектории IF, и в точке приема их амплитуды существенно отличаются f/2F 3C/1F. В модели VI первый луч распространяется по траектории 2Е (т. е. с двумя отражениями от слоя Е), а второй - по траектории 2F, и в точке приема доминирует волна, отраженная от слоя Е ионосферы U2E 2:3/2р Рисунок 1.4 - Типовые модели распространения KB
Модели IV и V характеризуются наличием в точке приема двух дискретных лучей с соизмеримыми амплитудами (/2р Uxv и f/2F U2E соответственно).
Качественные признаки описанных моделей РРВ сохраняются для KB РЛ любой протяженности. В зависимости от длины трассы изменяются только типы траекторий, формирующих ту или иную модель. С точки зрения качества KB радиосвязи наиболее неблагоприятными являются модели IV и V с соизмеримыми по уровню двумя дискретными лучами. Существование той или иной модели зависит от рабочей частоты /0 и состояния ионосферы. Поскольку состояние последней подвержено как регулярным, так и случайным изменениям, то вероятность существования каждой из моделей можно определить только статистически.
Из данных таблицы 1.3 следует, что наиболее неблагоприятные модели IV и V с двумя дискретными лучами гораздо чаще наблюдаются в KB РЛ протяженностью, отличной от 3000 км. Процент времени существования однолучевых моделей (I, II, III, VI) составляет 85% при /? = 3000 км, 64% при R = 4000 км и 31% при # = 1500 км.
Отсюда следует, что при дальности связи KB РЛ порядка 3000 км существует возможность обеспечения более высокого качества радиосвязи, по сравнению с более или менее протяженными трассами.
Последнее подтверждается тем, что согласно [25], основой построения сетей зоновой KB pa диосвязи с вынесенным из зоны ретранслятором явилось использование естественного (подаренного природой) минимума необходимого превышения СЯТ для обеспечения требуемого качества связи на трассах протяженностью R = 2000...3000 км. Тем не менее, даже в KB РЛ с указанной дальностью связи сохраняется возможность появления (примерно в 15% времени) двухлучевых моделей РРВ IV и V.
Определение частотной зависимости глубины быстрых замираний и соответствующего коэффициента защиты
Заметим, что оценка надежности KB радиосвязи на основе (1.28) в настоящее время осуществляется из традиционно предполагаемого рэлеевского типа БЗ в РЛ. Действительно, при существующем методе выбора рабочей частоты как 0,85 -4- 0,95 от МПЧ, рассмотренном в параграфе 1.4, в однолучевой KB РЛ с диффузной многолучевостыо, являющейся объектом исследований, согласно табл. 1.2 значение параметра у2 1, что соответствует рэлеевскому типу БЗ.
Для их компенсации требуется максимальный коэффициент защиты (2БЗ 15ДБ при РОшдон=ЗТ0 3). Тогда значение ZдOП:=ZII+Zб3 также будет наибольшим («25дБ). В этом случае, создаваемый современными средствами связи, энергетический потенциал Мо, определяющий значение Z, является недостаточным, как это показано в параграфе 1.3, для повышения согласно (1.28)
НаДеЖНОСТИ СВЯЗИ без СНИЖеНИЯ Требований К ДОСТОВерНОСТИ Рошдоп Таким образом, в современных методиках [17, 64, 65] оценки надежности связи KB РЛ коэффициент защиты от БЗ считается частотно независимым, а его величина определяется исходя из предположения о наихудших условиях приема, характеризующихся быстрыми замираниями рэлеевского типа. Это объясняет, сделанный в параграфе 1.3 вывод, что современными радиосредствами обеспечить перспективные требования к надежности связи (Дсв = 0,95) без снижения ее достоверности (РОШ=3-10"3) нельзя. Однако, как видно из таблицы 1.3, значение параметра глубины быстрых замираний у2 зависит от выбора РЧ ( f0) относительно МГТЧ (fM). В свою очередь, согласно рисунку 1.12 коэффициент защиты от БЗ (Z6j) зависит от параметра глубины быстрых замираний(у2 ). Согласно рисунку 1.12 при допустимой достоверности Р0Ш.Д011=3-10"3коэффициент защиты от БЗ (Z&) возрастает на 15 дБ при снижении параметра глубины быстрых замираний до у2=0 (т.е при рэлеевском характере Б3)„ а согласно таблице 1.3 значение у =0 наблюдаются при выборе РЧ (fo) вблизи от МПЧ (f0=0,9fM).
Следовательно, коэффициент защиты от БЗ является частотно зависящей функцией Z6j(f0) и может быть уменьшен с 15 дБ в условиях рэлеевских БЗ (у =0) при выборе fo=(0,85-rO,95)fM, до значений 26з(/0)«2н-ЗдБ в случае возникновения неглубоких райсовских замираний (у =10-5-15) при выборе РЧ намного ниже МПЧ (f0«fM). Однако в настоящее время аналитическая зависимость Z63-\\i{fQ\ коэффициента защиты от быстрых замираний (Z63) от выбора рабочей частоты в KB радиолинии установлена [78] при достаточно ограниченной области применимости этой зависимости.
Современный научно-методический аппарат [77-79] позволяет рассчитать параметр глубины БЗ через дисперсию флуктуации фазового фронта ( т ) волны на выходе неоднородного слоя F ионосферы согласно выражению г=—Атт (L38) где ?9=v% А /„Л» .} (L39) зависит от выбора рабочей частоты волны, интенсивности неоднородностей ионосферы (/?), ее критической частоты (/,,), высоты нижней границы ( h0), а также дальности KB связи (R), определяемой углом падения волны на ионосферу (фо). Следует заметить, что зависимость (1.39) справедлива только для случая фиксированного угла падения волны с различной частотой на ионосферу (фо = const) и отражения ее от истинной высоты (h0T ). Следовательно, на основе выражений (1.38,1.39) невозможно провести оценку изменения величины параметра глубины БЗ от выбора РЧ относительно МПЧ в KB радиолинии заданной дальности с использованием результатов вертикального зондирования ионосферы (fKp - критической частоты, пд — действующей высоты отражения, ho - высоты нижней границы отражающего слоя, Р - интенсивности неоднородностей). Отметим, что приведенные выше статистические данные о величине 0 у2 121 получены для KB РЛ заданной дальности связи (R= const) при изменении отношения f0/fM от 0,3 до 1. Также следует обратить внимание на то, что обычно при энергетических расчетах KB РЛ пользуются действующими высотами( пд ) отражения (взятыми из ионограмм), а не истинными (h от), которые неизвестны.
Таким образом, для установления частотной зависимости глубины быстрых замираний в KB РЛ согласно (1.32) необходимо получить аналитическое выражение для определения величины а в зависимости от дальности связи R, выбора рабочей частоты f0 и физических параметров ионосферы (/?, fKp и h0), которые определяются о данным ионосферного зондирования. Т.е. требуется установить функциональную зависимость г2 = //кЬ Ил, А , к /J.
Трудности получения указанного выражения связаны со спецификой применения методов радиофизики для описания процесса РРВ в диапазоне KB. Данная специфика заключается [77] в потребности математического описания неоднородного ионосферного слоя F с изменяющимся вдоль пути Lp среднеквадратическим отклонением (оДп(п)) флуктуации коэффициента преломления An (р, h) в виде слоя со стандартным (постоянным) СКО, соответствующим высоте отражения (сгДп(п)- o"An(hOT)), и характеризующимся некоторой эквивалентной протяженностью L3 Lp. Установление функциональной зависимости zS]=v{r2}=Afo 0 Ь\, /J (і-40) позволит определить по результатам вертикального ионосферного зондирования такое значение рабочей частоты (fo), при котором возможно уменьшение требуемого коэффициента защиты от БЗ (до Z&(/0)«2-e-3flB) без снижения достоверности (Ро,доп=3-103), что приведет согласно (1.28) к повышению надежности связи KB РЛ при заданных (используемых) радиосредствах.
Рекомендации по проведению маневра рабочими частотами радиосредствами для обеспечения требуемой надежности KB связи
Таким образом, полученное условие осуществления KB радиосвязи в виде (2.110) позволяет с использованием известных графиков частотной зависимости E if) и E {f) (или построенных по методике, изложенной в параграфе 2.2) при заданных значениях коэффициентов защиты от быстрых и медленных замираний [кбз, Кт) определить на требуемой частоте энергетический потенциал KB РЛ (М0). Последний связан с техническим фактором Т соотношением (2.113) и имеет физический смысл (2.107) запаса мощности принимаемого сигнала (по сравнению с минимально необходимым сн =К Рп0), который требуется для компенсации как основных потерь при РРВ , так и возрастания мощности внешних W2W2 V "о"г J помех относительно мощности собственных шумов антенны (FA = Т /То = Ри/Рв0). Напомним, что из графиков зависимостей Е (/) и E (f) определяется НПЧ (/„), как частота, на которой неравенство (2.111) преобразуется в равенство E?{f = f,) = TE {f = f,) при заданном значении технического фактора Т = К„Кб1Кш VB/0,25P,G1D1 = const, т. е. при заданных параметрах передатчика (Р,), антенн (G,, D2) И требованиях к достоверности связи без замираний (ки) и в условиях БЗ {кбз), а также надежности связи с учетом МЗ {к ).
Учитывая, что неравенство (2.111) соответствует условию (2.110), можно сделать вывод о том, что на НПЧ (/„) неравенство (2.110) также обращается в Ill равенство и в этом случае из него определяется необходимый энергетический потенциал KB РЛ при котором будет обеспечиваться заданная надежность связи Дсв.доп- Обратим \Em(f)} внимание на то, что (как было отмечено в первом разделе) отношение г і входящее в (2.111), с понижением частоты увеличивается, с возрастанием -уменьшается, а величины К], К], кТ0 являются постоянными. Следовательно, необходимый энергетический потенциал, определяемый на частотах f0 fH, с понижением частоты также возрастает относительно Мо„, а на частотах f0 fH, с повышением частоты уменьшается относительно М0н.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что необходимый энергетический потенциал KB РЛ зависит от выбора рабочей частоты, а его величина меньше Mo,i=const, определяемого на НПЧ. В связи с этим, будем называть его минимально необходимым энергетическим потенциалом РЛ, рассматривать как функцию от рабочей частоты и в соответствии с (2.120) запишем
Данное выражение является условием осуществления KB радиосвязи через энергетический потенциал KB РЛ с учетом зависимости глубины БЗ от выбора рабочей частоты по отношению к МПЧ.
Таким образом, искомая взаимосвязь необходимого энергетического потенциала радиолинии с техническим фактором установлена в виде аналитических зависимостей (2.124) и (2.125). На этой основе получено условие осуществления KB радиосвязи (2.126) через энергетический потенциал KB РЛ (М0) с учетом зависимости глубины БЗ от выбора РЧ относительно МПЧ.
В соответствии с полученным условием осуществления KB радиосвязи в виде (2.126) выражение (2.120) для определения необходимого энергетического потенциала ДКМ РЛ, обеспечивающего заданную надежность связи ДсВ.доп примет вид м- (f)= И }JL)J к1 (Л)KL С2 127 "ш Ил)Гкт0 (2Л27) Значение же минимально необходимого (2.121) энергетического потенциала ДКМ РЛ для обеспечения Дсв.доп с учетом зависимости глубины БЗ от выбора РЧ относительно МПЧ будет определяться как М0ш где к\, соответствует ZM3= 0nO"z согласно (2.77) и определяется заданной надежностью связи Дсв.дс№
Во втором разделе было показано, что Ke,lfo) Kl- Тогда значение необходимого (обеспечивающего заданную ДСВДоп) энергетического потенциала, определяемое из выражения (2.127) будет меньшим, чем из (2.120), т. е. М 0„ М0и.
Учитывая то, что по значению М0н выбирается соответствующая аппаратура с определенными характеристиками (?,, G,, 2), то величина обеспечиваемого в заданной РЛ энергетического потенциала Мон остается постоянной. Это приводит к тому, что на НПЧ появляется излишек ЭП по сравнению с тем, какой требуется при Kl(f0), что позволяет повысить отношение Е (/„)/Е1Ц(/Н) до значения п )(/»)/ 1)(/») ПРИ котоРом обеспечивается М 0н = М0н. Учитывая то, что данное 114 отношение возрастает с уменьшением частоты, можно сделать вывод о возможности понижения НПЧ (до f„) в ДКМ РЛ без повышения ее энергетического потенциала и без снижения требований к надежности связи. Это полностью подтверждает сделанные во втором разделе выводы о возможности понижения НПЧ в ДКМ РЛ при учете изменения глубины быстрых замираний в зависимости от выбора рабочей частоты по отношению к МПЧ.
Установленная на основе взаимосвязи технического фактора с энергетическим потенциалом зависимость (2.128) минимально необходимого энергетического потенциала от частоты позволяет осуществить его расчет в диапазоне частот данной РЛ, используя значения величин (/ „), E l)(f0), K6l(f0), которые определяются по методикам, приведенным во втором разделе, при заданных требованиях к надежности связи (Кмз).
Обоснование технических решений по измерению интенсивности ионосферных неоднородностей с помощью спутниковой радионавигационной системы
Первые три параметра ионосферы (ho, fKp, ZM hM), как отмечалось в главе 1, традиционно определяются по результатам построения высотно-частотных характеристик (ВЧХ) с помощью станции вертикального ионосферного зондирования (ВИЗ).
Известен способ измерения с помощью ВИЗ и четвертого параметра: интенсивности (/?) ионосферных неоднородностей. Однако он отличается сложностью технической реализации. Общим недостатком ВИЗ является то, что измерениям доступны параметры области ионосферы, находящиеся над станцией. Причем размеры этой области могут ограничиваться радиусом в несколько сотен или даже десятков километров, соответствующим размерам крупномасштабных неоднородностей ионосферы. Однако для практического использования результатов ионосферного зондирования необходимо знать параметры области ионосферы, расположенной не над станцией ВИЗ, а в точке отражения KB от ионосферы, которая может находиться на удалении 1..2 тысяч километров.
Указанного недостатка лишены посты трансионосферного зондирования (ТИЗ), реализуемые на основе спутниковых радионавигационных систем (СРНС) [5-7, 9, 19, 74-76, 97, 108, 118, 120].
Как указывалось в главе 1, на выходе двухчастотного (ДЧ) приемника СРНС можно получить результаты измерений полного электронного содержания (ПЭС) на трассах РРВ через ионосферу от нескольких (п=1„12) навигационных космических аппаратов (НКА) до ДЧ приемника. Это позволяет производить измерения ПЭС в областях ионосферы, удаленных на 1...3 тысячи километров от ДЧ приемника навигационной аппаратуры 168 потребителя (НАП) СРНС. По результатам измерения ПЭС в любой удаленной области ионосферы пост ТИЗ восстанавливает высотный профиль изменения ЭК N(h). Последний позволяет определить искомые параметры ионосферы: высоту нижней (h0) и верхней (hM ZM) границы, максимальное среднее значение ЭК ионосферы (Nm), определяющее ее критическую частоту/ {ЛГт).[9,74]. Однако способ измерения по результатам трансионосферного зондирования интенсивности (/?) ионосферных неоднородностей до сих пор не известен.
Поэтому представляется необходимым произвести обоснование технических решений по измерению интенсивности ионосферных неоднородностей с помощью спутниковой радионавигационной системы [118, 120] Если в качестве навигационной аппаратуры потребителя СРНС использовать двухчастотный приемник, он будет измерять в различные моменты времени tt полное электронное содержание (ПЭС) ионосферы, которое измеряется в единицах [эл/м2 ] и описывается выражением [9] Лнкл NT(t„a)= \N(h,t,)dl. (3.55) о Здесь N\h,tt) - изменение по высоте (/г) ЭК ионосферы N [эл/м3] в момент времени /,; /г„КА - высота орбиты НКА; dl=y/(a) - элемент наклонного пути распространения радиоволн (РРВ) через ионосферу под углом а. На рисунке 3.8 показано перемещение относительно двухчастотного (ДЧ) приемника (ПРМ) СРНС одного их видимых НКА в моменты времени t=tv..ts. В соответствии с изменением времени t, происходит изменение угла РРВ через нормальную ионосферу а ((,) от НКА до ДЧ ПРМ, измеряющего ПЭС JVr(/,,a:).
Для пояснения характера изменения ПЭС в нормальной ионосфере NT(t„a) на выходе ДЧ ПРМ (рисунок 3.8) при перемещении НКА на рисунке 3.9 приведены ход изменения ПЭС (рис 3.9а) в различные моменты времени tx.J5 и модель высотного (h) распределения ЭК (рис 3.96) при нормальной ионосфере (неизменная на этом интервале времени tvJs). HKA(fc1 HKA(fj) HKA(f,)
Измерение полного электронного содержания двухчастотным приемником при перемещении навигационного космического аппарата
В момент времени tz, когда происходит вертикальное трансионосферное РРВ а (/3 )=90 , элемент наклонного пути будет равен элементу вертикального пути dl=dh и величина ПЭС принимает минимальное значение: При типовой модели распределения по высоте ЭК (см. рисунок 3.96) в нормальной ионосфере N(h,t})= N{h ), для которой характерно наличие в слое 170 F на высоте максимума ионизации h =h области с наибольшей ЭК N(hm) = N,„, выражение (3.56) можно записать в виде произведения [99] NT0,) = NmV3)h, = NMh, (3.57) максимального значения ЭК в ионосфере Nm = Nm(t2) на эквивалентную толщину ионосферы h3. В нормальной ионосфере значения этих параметров составляют Nm «10,,...1012 эл/м3, h3 » 500 км и ЛГг«(1...10)-1016 эл/м2 С ростом отклонения угла наклона cc(tt) относительно вертикали a (t3)-90 согласно рисунку 3.8 длина пути РРВ через ионосферу и величина ПЭС будут возрастать.
Для оценки ПЭС при наклонном РРВ следует учесть, что согласно [54] при достаточно большом угле наклона трассы относительно горизонта (« 30) величина dl связана простой зависмостью с элементом вертикального пути dh РРВ: dl-dh -cos ее а . Тогда, с учетом (3.57) выражение (3.55) можно записать в следующем виде: АНКА cos eca(tt) = Nm(t,)K cos ее a (t J. (3.58) 171 Сравнительный анализ выражений (3.56) и (3.57) показывает (см. рисунок 3.7а), что в момент времени t:—t2 угол наклона трассы РРВ соответствует вертикали a(ti)=a(ti)=90 и coseca(/3) = l. В другие моменты времени tt Ф t3 значение coseca{tt) 1 и ПЭС (3.58) будет превышать минимальное значение (3.57): NT(tl) N1 (/3).
В общем случае пренебречь флуктуациями ЭК AN по пространству (h,p = х,у) нельзя (рисунок 3.8). Поэтому ЭК в ионосфере с мелкомасштабными неоднородностями течение всего времени измерений (/ ) будет иметь регулярную (среднюю) и флуктуационную составляющие: N(p,h,t ) = (N(h,t )) + AN(p,h,t ). (3_59) В соответствии с (3.59) и (3.58) величина ПЭС в неоднородной ионосфере, измеряемая двухчастотным приемником (ДЧ ПРМ) при перемещении НКА в интервале времени t t2...tA, также будет иметь регулярную (среднюю) и флуктуационную составляющие (см. рисунок 3. 10):
