Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ влияния возмущений ионосферы в слое f на показатели качества систем космической связи 16
1.1. Анализ состояния и тенденции развития систем космической радиосвязи 16
1.2. Анализ общих закономерностей влияния факторов трансионосферного распространения радиоволн на помехоустойчивость систем космической радиосвязи 33
1.3. Анализ известного научно-методического аппарата исследования трансионосферного распространения радиоволн и необходимости его совершенствования 51
1.4. Постановка общей научной проблемы и обоснование подходов к ее решению 67
1.5. Выводы 74
2. Метод построения структурно-физической модели трансионосферного канала связи на основе метода фазового экрана 77
2.1. Обоснование комплексных моделей распределения электронной концентрации в ионосфере 77
2.2. Разработка многолучевой модели трансионосферного канала связи при передаче монохроматического сигнала 86
2.3. Разработка структурно - физической модели трансионосферно- 98
го канала связи при передаче монохроматических сигналов
2.4. Разработка многолучевой модели трансионосферного канала 109
связи при передаче модулированных сигналов
2.5. Разработка структурно-физической модели трансионосферного 119 канала связи при передаче модулированных сигналов 133
2.6. Выводы
3. Особенности структурно-физической модели трансионосферного канала связи на основе метода параболического уравнения 137
3.1. Разработка многолучевой модели трансионосферного канала связи с учетом флуктуации амплитуды лучей 138
3.2. Разработка структурно-физической модели трансионосферного канала связи на основе метода параболического уравнения 147
3.3. Выводы 157
4. Метод построения структурно-физической модели пространственно-временного трансионосферного канала связи 161
4.1. Особенности построения многолучевых моделей пространст
венно-временных трансионосферных каналов связи 161
4.2. Разработка многолучевой модели пространственно-временного трансионосферного канала связи при передаче монохроматических сигналов 166
4.3. Разработка структурно-физической модели пространственно-временного трансионосферного канала связи при передаче монохроматических сигналов 188
4.4. Разработка многолучевой модели пространственно-временного трансионосферного канала связи при передаче модулированных сигналов 198
4.5. Обоснование и разработка структурно-физической модели пространственно-временного трансионосферного канала связи при передаче модулированных сигналов 213
4.6. Выводы 225
5. Теоретическое обобщение методов анализа помехоустойчивости приема в системах космической связи сигналов с замираниями и дисперсионными искажениями 231
5.1. Анализ помехоустойчивости приема сигналов в трансионо сферных каналах связи сигналов с общими замираниями 231
5.2 Анализ помехоустойчивости приема сигналов в трансионосферных каналах связи сигналов с частотно-селективными замира ниями 236
5.3 Методика оценки помехоустойчивости приема простых сигналов в трансионосферных каналах связи с частотно - селективными замираниями и межсимвольной интерференцией 251
5.4 Оценка помехоустойчивости систем космической связи при передаче сигналов с защитными интервалами в условиях частотно-селективных замираний и межсимвольной интерференции 266
5.5 Оценка помехоустойчивости систем космической связи при передаче сложных сигналов в условиях частотно-селективных зами раний и межсимвольной интерференции 275
5.6. Оценка помехоустойчивости приема сигналов в трансионосферных каналах связи с дисперсионными искажениями и замираниями 285
5.7. Теоретическое обобщение оценок помехоустойчивости систем космической связи при замираниях различных типов и дисперсионных искажениях сигналов 307
5.8. Выводы 317
6. Теоретическое обобщение методов анализа поме-хоустойчивости приема сигналов в трансионо сферных каналах связи с пространственно-селективными замираниями 321
6.1. Оценка помехоустойчивости приема сигналов в системах косми ческой связи с учетом пространственно-селективных замираний по раскрыву антенны 322
6.2 Оценка помехоустойчивости пространственно-разнесенного приема сигналов в трансионосферных каналах связи с диспер сионными искажениями и замираниями 337
6.3. Выводы 348
7. Прогнозирование помехоустойчивости систем космической связи при возмущениях ионосферы в слое f разработка рекомендаций по ее обеспечению 351
7.1. Обоснование подхода к прогнозированию помехоустойчивости систем космической связи в условиях возмущений ионосферы в слое F 351
7.2 Обоснование интервалов приращений физических параметров неоднородной ионосферы в слое F при ее возмущениях 358
7.3. Прогнозирование помехоустойчивости систем космической связи в условиях возмущений ионосферы в слое F. 374
7.4. Обоснование и оценка практических рекомендаций по обеспечению и повышению помехоустойчивости систем космической связи в условиях ионосферных возмущений в слое F. 400
7.4.1. Обоснование требований к частотным и временным параметрам передаваемых сигналов и характеристикам приемных антенн при различном состоянии ионосферы 401
7.4.2. Обоснование основных направлений повышения помехо устойчивости систем космической связи при априорно неиз вестном состоянии ионосферы 411
7.4.3. Техническая реализация адаптивных методов повышения по мехоустойчивости широкополосных систем космической связи. 419
7.5. Выводы 430
Заключение 435
Список использованных источников
- Анализ известного научно-методического аппарата исследования трансионосферного распространения радиоволн и необходимости его совершенствования
- Разработка многолучевой модели трансионосферного канала связи при передаче монохроматического сигнала
- Разработка структурно-физической модели трансионосферного канала связи на основе метода параболического уравнения
- Оценка помехоустойчивости систем космической связи при передаче сигналов с защитными интервалами в условиях частотно-селективных замираний и межсимвольной интерференции
Введение к работе
Основным показателем качества систем космической связи (СКС) является их помехоустойчивость (ПУ). При передаче дискретных сообщений она определяется функциональной зависимостью (\\i) величины вероятности ошибки
(Рош) при приеме информационного символа от отношения h =Er/N0 энергии сигнала с длительностью Ts на входе приемника {Er=PrTs, где Рг - мощность принимаемого сигнала) к спектральной мощности шума (JV0). Чтобы величина Рош в СКС не превышала допустимого значения Рош Рошюп = Ю-5 необходимо на участке радиолинии космический аппарат (КА) - земная станция (ЗС) реализовать энергетическое отношение сигнал/шум (С/Ш) h -11...13 дБ. При заданной скорости передачи (RT =\ITS) и ограниченной мощности передаваемого сигнала (Р() учет множителей ослабления радиоволны (РВ) с несу-щей частотой /0 в свободном пространстве W0 /0 и вследствие ее поглоще-ния W в тропосфере и ионосфере позволяет обеспечить требуемое значение Er = PrTs & Pt G, GrWQ Wn IRT за счет выбора коэффициентов усиления и размеров Ьа передающей и приемной антенн (Gtr Laf0 ). Для компенсации ряда непредвиденных факторов, снижающих ПУ СКС (условий распространения РВ (РРВ), положения антенн и т.д.), вводится энергетический запас радиолинии А/г2 10 дБ.
К числу непредвиденных факторов, изменяющих условия РРВ в СКС, относятся и возмущения ионосферы (ВИ). Обычно они характеризуются возрастанием ее средней электронной концентрации (ЭК) N = N . Однако даже рост N на 2 порядка (до 1014 эл/м3) по сравнению с нормальным значением (N = 10 ...10 эл/м ) вызовет увеличение множителя ионосферного поглоще-ния (Wn NI/0 ) на частоте /0 1 ГГц до 2 дБ и не помешает обеспечить в СКС Рош Рош доп = 10"5 при h2 23 дБ.
Проведенный в работе анализ показал, что наибольшее влияние на снижение ПУ СКС оказывают ВИ на высотах слоя F (150...300 км). Дело в том, что они, помимо роста N, сопровождаются образованием интенсивных «во локнистых» неоднородностей (т.е. вытянутых вдоль магнитных силовых линий Земли) вследствие выполнения на этих высотах условия замагничешюсти ионосферной плазмы и развития в ней различного рода неустойчивостей. Распространение РВ через неоднородности ЭК (характеризуемые среднеквадратиче-ским отклонением (СКО) аДЛг флуктуации ЭК AN относительно N) сопровождаются рассеянием, появлением многолучевости в трансионосферном канале связи (КС) и замираний принимаемого сигнала. Последние, как известно, значительно снижают ПУ приема вследствие изменения вида функциональной зависимости (ці) между Рош и средним энергетическим отношением С/Ш на входе приемника h =h (при неизменной схеме обработки). Так, известные результаты имитационного моделирования показывают, что при передаче в СКС ортогональных сигналов (частотной телеграфии) и их некогерентном (НК) приеме возникновение в трансионосферном КС с многолучевым РРВ общих замираний (03) рэлеевского типа позволяет при h =h = 23 дБ достичь всего Р0Ш«5-1(Г3, а появление частотно-селективных замираний (ЧСЗ) и межсимвольной интерференции (МСИ) обеспечивает лишь Р0Ш 1(Г . Если учесть пространственно-селективные замирания (ПСЗ) и потери усиления приемной антенны, то Рош возрастет еще больше. Очевидно, что проявление в трансионосферном КС одновременно с рассеянием РВ (вследствие роста GAN) и явления фазовой дисперсии (из-за увеличения N ) приведет к появлению дисперсионных искажений (ДИ) принимаемых сигналов (особенно с широкой полосой спектра F0) и дополнительному снижению ПУ СКС.
Объектом исследований являются СКС на участке КА - ЗС в условиях ВИ в слое F, сопровождаемых образованием интенсивных «волокнистых» неоднородностей и многолучевости при РРВ.
Цель исследований состоит в разработке научно обоснованных практических рекомендаций по осуществлению прогнозирования ПУ СКС в условиях ВИ в слое F и обеспечению требуемых значений / ш / шдоп = Ю-5 при /Г 23 дБ за счет выбора частотно - временных параметров передаваемых сигналов и пространственных характеристик приемных антенн.
Предметом исследований является влияние параметров неоднородной ионосферы (N,aAN) на: 1) процессы рассеяния и фазовой дисперсии в трансионосферных радиоканалах; 2) характеристики возникающих при этом замираний различных типов (03, ЧСЗ, ПСЗ), МСИ и ДИ принимаемых сигналов; 3) ПУ их НК приема в СКС.
Поскольку достижение поставленной цели практической цели на базе известного в статистической теории связи (СТС) научно-методического аппарата (НМА) невозможно, представляется необходимым найти решение крупной научной проблемы теоретического обобщения методов анализа ПУ одиночного и пространственно разнесенного приема сигналов с учетом проявления рассеивающих и дисперсионных свойств неоднородной ионосферы на основе разработки методов построения структурно-физических моделей трансионосферных КС.
Анализ подходов к решению указанной общей научной проблемы показал, что разработку структурно-физических моделей (т.е. учитывающих реальные условия РРВ) для КС с рассеянием можно осуществить путем комплексного применения методов, разработанных в СТС и в статистической радиофизике (СРФ). В интересах решения общей научной проблемы ее целесообразно декомпозировать на следующие частные научные задачи:
1) обоснования комплексных моделей распределения ЭК в ионосфере, позволяющих одновременно учесть дисперсионные и рассеивающие эффекты при РРВ в трансионосферных КС;
2) разработки метода построения структурно-физической модели трансионосферного КС;
3) метода построения структурно-физической модели пространственно-временного (ПВ) трансионосферного КС (ТКС);
4) теоретического обобщения методов анализа ПУ приема сигналов в СКС при одновременном проявлении замираний (03 или ЧСЗ), МСИ и ДИ;
5) теоретического обобщения методов анализа ПУ приема сигналов в СКС с учетом проявления пространственно-селективных замираний (ПСЗ).
Методы исследований включают НМА описания ионосферной плазмы, теории РРВ, разработанные в СРФ методы фазового экрана и параболического уравнения, разработанные в СТС и статистической радиотехнике методы построения многолучевых феноменологических моделей временных и пространственно-временных КС; анализа (оценки) ПУ НК приема сигналов в КС с за мираниями и рассеянием; методы разнесенного приема и ПВ обработки сигналов, статистической теории антенн.
Значительный вклад в развитие методов описания ионосферной плазмы внесли отечественные ученые Я.Л. Альперт, Б.Н. Гершман, В.Л. Гинзбург, Е.Л. Ерухимов, В.А. Алимов, а также Дж. Аароне, Дж.М. Гудмен, Р.К. Крейн, в развитие методов СРФ и, в частности, РРВ через случайно-неоднородные среды (ионосферу) - СМ. Рытов, В.И. Татарский, Б.А. Введенский, Н.А.Арманд, Ю.А. Кравцов, Л.М. Лобкова, М.П. Долуханов, а также А. Исимару, Д.Л. Нэпп, Е Гундзе, Р.Л. Богуш, С.Н. Liu, A.W. Wernic, К.С. Yeh. Методы построения многолучевых феноменологических моделей КС и анализа ПУ приема сигналов с замираниями разработаны отечественными учеными Д.Д. Кловским, Л.М. Финком, Н.Е. Кирилловым, Б.И. Николаевым, В.А. Сойфером, В.Г. Карташев-ским, О.Н. Масловым, П.И. Лениным, А.С. Немировским, а также Г. Ван Три-сом, Р. Кеннеди, Ф. Белло, У. Ли. Методы разнесенного приема, ПВ обработки сигналов и статистической теории антенн развиты в трудах И.С. Андронова, Н.Н. Буги, И.Я. Кремера, А.А. Коростелева, СЕ. Фальковича, Э.Н. Хомякова, Я.Д. Ширмана, Я.С Шифрина.
Научная новизна полученных результатов диссертационной работы состоит в том, что впервые:
1) обоснованы комплексные модели пространственного распределения ЭК в ионосфере, позволяющие одновременно учесть проявление как дисперсионных свойств ионосферы (определяемых N) на РРВ, так и рассеяние на неод-нородностях ЭК (определяемых статистическими характеристиками (СХ) флуктуации AN);
2) установлены аналитические взаимосвязи с несущей частотой f0 передаваемых в СКС сигналов и СКО флуктуации ЭК в неоднородностях ионосферы стддг следующих СХ системных функций (СиФ) ТКС:
а) мощности регулярной ар и флуктуационной 2ah составляющих коэффициента передачи ТКС через величину дисперсии флуктуации фазового 9 9 9 фронта волны на выходе неоднородной ионосферы аф aAN / /0 ;
б) нормированной двухчастотной корреляционной функции (КФ) ТКС КИ(АО.) через полосу его когерентности FK f0 /стф /0 /oAN;
в)нормированной пространственной КФ ТКС ЛГи(Др) через интервал пространственной корреляции Дрк 1/а f lG ,
3) получено выражение для передаточной функции (ПФ) ТКС, обусловленной проявлением дисперсионных свойств ионосферы Ka(Q) через полосу і — 1/9 ее дисперсионности Fa (f0 /N) ;
4) установлены зависимости коэффициента у =ар/2аЛ, характеризующего глубину 03 в ТКС, от величины аф, коэффициентов энергетических потерь при НК обработке сигналов с ЧСЗ (г]ч 1), МСИ (гм 0) и ДИ (гд 1) от отношений FQ/FK, l/TsFK и F0/Fa (характеризующих степени ЧСЗ, МСИ и ДИ) и коэффициентов потерь усиления антенны (га 1) и корреляции ОЗ в разнесенных антеннах (0 /? 1) от отношений 1а/Дрк и Дра/Дрк (характеризующих степени ПСЗ по раскрыву антенны (La) ив разнесенных на расстояние Дра антеннах);
5) получены выражения для определения коэффициента энергетических потерь при НК обработке сигналов вследствие МСИ rjM 0 при передаче по ТКС широкополосных (BS=TSF0»\) сигналов (ШПС) и сигналов, следующих с защитными (ЗИ) интервалами (Всл =ТСЛ/Т$ 1), уточнены условия отсутствия влияния МСИ на Рош при использовании простых сигналов (Bs=\), ШПС и сигналов с ЗИ;
6) получены обобщенные аналитические выражения для анализа (оценки) ПУ НК одиночного (я = 1) приема сигналов в ТКС с 03 или ЧСЗ и одновременным проявлением МСИ, ДИ и ПСЗ по раскрыву приемной антенны Рош =\(/(/22,у2,гч,гм,гд,га,л = 1) и ПУ НК строенного (я = 3) приема сигналов В ТКС без МСИ / ош=1/(/22,у2,Гч Лд,Ла 1 ,« = 3).
Практическая ценность полученных результатов состоит в том, что они позволяют:
1) прогнозировать ПУ СКС с заданными частотно-временными параметрами (/Q,FQ = BS/TS,TS,TCR) передаваемых сигналов и характеристиками при емных антенн (Іа,Ара,и = 1ч-3) в условиях ВИ в слое F, сопровождаемых ростом Nm и GAN ;
2) разработать научно обоснованные практические рекомендации по обеспечению требуемой ПУ СКС (Рош Р0ШД0П =10 5 при h2 23 дБ) при известных параметрах ВИ в слое F (Nm,aAN) за счет выбора при заданной (или наибольшей из возможных) несущей частоте (/0) предельно допустимых значений скорости передачи (Rr =\/Ts), и ширины спектра (F0 =BSITS) передаваемых сигналов, а также размеров приемных антенн (1а) и их пространственного разноса (Ара);
3) предложить технические рекомендации адаптивных способов повышения ПУ НК приема сигналов в СКС при априорно неизвестном состоянии ионосферы на базе применения оптических корреляторов (ОК).
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтвер-. ждается:
1) высокой сходимостью теоретически (аналитически) полученных результатов с экспериментальными данными (анализа 03 принимаемых сигналов, на частотах f0 6...7ГГц при естественных ВИ в области экваториальных и полярных широт) и известными результатами имитационного моделирования; (анализа ПУ приема сигналов с различной степенью МСИ (\/TsFK) в СКС при ВИ в слое F);
2) сведением полученных обобщенных выражений для анализа ПУ НК приема сигналов в ТКС к широко известным частным видам зависимостей Рош = \\i(h2) при заданном типе замираний;
3) ясной трактовкой физического смысла результатов и их непротиворечивостью известным данным.
Реализация результатов диссертационной работы:
1. В Институте динамики геосфер Российской академии наук (ИДГ РАН) внедрен в исследованиях и разработках ИДГ РАН (Отчеты ИДГ РАН инв.№4041 за 1994г., инв.№4045 за 1994 г., инв.№4094 за 1998 г., инв.№4087 за 1998 г.) структурно-физический метод моделирования трансионосферных каналов связи.
2. В управлении заказов и поставок МО РФ реализованы:
1) при создании системы радиопрогнозирования и проведении ОКР «Барограф», разработке технического задания на ОКР «Бушель» реализованы:
а) модель распределения ЭК в неоднородном слое F ионосферы при его естественных и искусственных возмущениях;
б) математические модели многолучевого РРВ в космических и KB каналах связи в условиях возмущений неоднородного слоя F ионосферы;
в) методики оценки влияния неоднородного слоя F на интерференционные замирания и искажения принимаемых сигналов;
2) при разработке технических заданий на создание системы «Альтернатива» и модернизацию системы «Корунд - М», а также проведении ОКР «Рундук» по созданию средств спутниковой связи:
а) обоснования и разработки практических рекомендаций по выбору сигналов и адаптивных алгоритмов их формирования для системы спутниковой связи при воздействии искусственных возмущений ионосферы;
б) обоснования и разработки адаптивных алгоритмов временной и про странственно-временной обработки сигналов систем спутниковой связи в условиях нестационарности КС с искусственными ВИ.
3. В 4 ЦНИИ МО РФ внедрены: ; 1) методики оценки влияния неоднородностей ионосферы на показатели - различения, обнаружения и точности измерения параметров запаздывания сиг- щ налов в высокоскоростных широкополосных каналах связи; ц
2) я методики прогнозирования показателей качества систем космической и •: коротковолновой связи при возмущении слоя F ионосферы;
3) пространственно-временная модель трансионосферного канала с учетом параметров передаваемых сигналов, неоднородностей ионосферы и приемных антенн;
4) методики оценки надежности KB радиосвязи с учетом частотной зависимости глубины быстрых замираний.
Работа состоит из введения, 7 глав и заключения.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы объект и цель, предмет и научные проблемы (общая и частные) исследований, проанализирована научно-методическая база, раскрыта научная новизна и практическая ценность результатов работы, их достоверность и обоснованность, приведены сведения о реализации результатов диссертационных исследований, их апробации и публикациях, показан личный вклад автора в разра ботку проблемы, сформулированы основные положения и результаты, выносимые на защиту.
В первой г/гаяепроведен анализ влияния ВИ в слое F на показатели качества СКС. Здесь последовательно проанализированы . 1) состояние и тенденции развития СКС; 2) общие закономерности влияния факторов трансионосферного РРВ на ПУ СКС; 3) известный НМА исследования трансионосферного РРВ и необходимость его совершенствования. На основании результатов данного анализа осуществлены постановки научной проблемы и частных задач исследования.
Вторая и третья главы посвящены решению 1 и 2 частных научных задач. Здесь произведены обоснование комплексных моделей распределения ЭК в неоднородной ионосфере и разработка методов построения структурно- физических моделей трансионосферного КС на основе радиофизических методов фазового экрана и параболического уравнения. і Четвертая глава посвящена решению 3-й частной научной задачи раз-,» J, работки метода построения структурно-физической модели ПВ трансионо- "if;
"$ сферного КС. Данный метод, как и при решении 2-й частной задачи, был реали- Jl if зован в 3 этапа сначала для простейшего случая передачи монохроматического.
(со = (00), а потом - модулированного (со = со0 +Q) сигнала. .. ,
Пятая глава посвящена решению 4-й частной научной задачи теоретиче- ;•! ского обобщения методов анализа ПУ приема сигналов в СКС при одновремен- М ном проявлении замираний, МСИ и ДИ. Шестая глава посвящена решению 5-й частной научной задачи теорети- , ческого обобщения методов анализа ПУ приема сигналов в ТКС с ПСЗ. Достижение требуемого научного результата (5) реализуется в 2 этапа: 1) учетом влияния ПСЗ по раскрыву приемной антенны на Рош при одиночном (п = \) приеме; 2) учетом влияния ПСЗ в разнесенных антеннах на Рош при строенном (п = 3) приеме.
Седьмая глава посвящена вопросам прогнозирования ПУ СКС при возмущениях ионосферы в слое F и разработке рекомендаций по ее обеспечению.
Анализ известного научно-методического аппарата исследования трансионосферного распространения радиоволн и необходимости его совершенствования
В настоящее время решение поставленной прикладной проблемы на основе известного научно-методического аппарата (НМА) не представляется возможным в силу следующих причин:
1. Разработанные в рамках статистической теории связи (СТС) методы анализа помехоустойчивости, определяемой функциональной зависимостью Рош =i/(/j =h ), базируются на предположении о заранее заданных математической модели КС и схемы обработки принимаемых сигналов[2, 3, 11, 22, 27, 30,32,33,35,37,43,48,66,74-76,84,87-95, 108, 111, 114, 122- 125, 134, 135, 191 - 193, 207, 223,230, 233 - 235, 240,245, 246, 261, 274,276].
Математическая модель КС обычно задается аналитической зависимостью сигнала на выходе канала (принимаемого) от сигнала на его выходе (передаваемого) и некоторых случайных величин и функций, отражающих передаточные характеристики КС с заданными распределениями вероятностей. Разработанные в настоящее время модели трансионосферных КС не адекватны реальным условиям РРВ, поскольку они учитывают изменение лишь средней ЭК N, и поэтому являются детерминированными. Вследствие этого такие модели КС позволяют отразить проявление только поглощающих, рефракционных или дисперсионных свойств ВИ. В то же время превалирующее влияние рассеивающих (многолучевых) свойств ВИ в слое F на помехоустойчивость систем космической связи обуславливают необходимость разработки статистических моделей КС, которые учитывали бы проявление не только средней ЭК, но и ее неоднородностей аДЛг =3./V. Очевидно, что такие модели КС позволят отразить проявление всей совокупности указанных свойств неоднородной ВИ.
2. Анализ известного НМА построения статистических моделей КС с рассеянием (многолучевостыо) свидетельствует об ограниченных возможностях его применения для описания процессов РРВ через ионосферные неоднородности. По принципу построения математические модели КС с многолучево 52 стью делятся на два класса: структурно-физические и феноменологические (формальные) [48, 95].
Структурно-физические модели КС с многолучевостыо базируются на изучении реальных преобразований переданного сигнала St(t) в среде распространения с учетом ее физических свойств. К моделям такого типа относится описание радиоканалов на основе уравнений Максвелла, волновых уравнений и т.д. Простейшим примером структурно-физической модели КС с многолучевостыо может служить выражение для комплексной огибающей (КО) принимаемого сигнала [48] м ЗД = 2ХЛ( - /) (1-44) /=1 где М - число элементарных лучей, попадающих в точку приема; Kt - коэффициент передачи КС по і-му лучу; tt - время запаздывания сигнала при распространении по / -му лучу.
Физическая природа множителей Kt различна. Так, для коротковолнового (KB) радиоканала множители К і определяют преобразования сигнала при его отражениях от слоев ионосферы и рассеянии на ее неоднородностях. Значения К і и /,- случайны и определяются конкретным состоянием неоднородно стей среды РРВ, протяженностью радиолинии, параметрами антенн и т.д. Поэтому построение структурно-физической модели КС требует исчерпывающего знания статистических характеристик (СХ) этих величин (K tj). Получение такой информации принципиально осуществимо только для КС с резко выраженной дискретной многолучевостью (М 5). Поэтому единственная известная структурно-физическая модель радиоканала разработана для KB с дискретной многолучевостью [23]. Однако получить СХ для Kt и /;- становится практически невозможным при диффузной многолучевости. Этот случай соответствует большому числу лучей (М 5...10) и выполнению следующего условия: максимальной время относительного запаздывания лучей ттах =(А/,)тах соизмеримо с длительностью сигнала (Г5) или меньше его (tmax TS). Последнее соотношение ( xmax /Ts =\/Ts FK 1) указывает на нарушение условия (1.25) отсутствия ЧСЗ и МСИ в КС. Отсюда следует, что метод построения структурно-физических моделей КС с диффузной многолучевостыо, порождаемой неоднородностями ионосферы (аДдг) и приводящей к возникновению ЧСЗ и МСИ принимаемых сигналов, до настоящего времени не разработан, поскольку неизвестны точная структура диффузных лучей (Kt, t[) и их статистические характеристики.
3. Для описания КС с многолучевостыо обычно используются феноменологические (формальные) математические модели [43, 48, 74, 75, 84, 85, 87 -95, 108, 114, 122-125,134, 135, 191, 207, 223, 233-235, 240, 261, 275]. Они базируются на представлении КС в виде четырехполюсника («черного ящика») со случайно изменяющимися во времени параметрами. При этом внутренняя структура «черного ящика» не рассматривается.
Характеристики феноменологических моделей КС, определяющие связь его принимаемых сигналов с передаваемыми, описываются системными функциями: импульсной b(x,t) и передаточной АГ(со,/), которые связаны между собой преобразованиями Фурье.
Разработка многолучевой модели трансионосферного канала связи при передаче монохроматического сигнала
В разделе 1 было произведено обоснование возможности решения второй частной научной задачи - разработки метода построения структурно-физической модели трансионосферного канала связи (КС) - на основе теоретического обобщения разработанных в СТС феноменологических многолучевых моделей КС и модифицированных (с учетом проявления дисперсионных свойств ионосферы) методов СРФ. Метод достижения требуемого научного результата (1.103) решения этой задачи, т.е. установления аналитических зависимостей {а 2а АО)Дд(О)} = (аф а //0, /0/аф,.Рд /0/ т), реализуется в три этапа: 1) получение аналитических выражений для СХ принимаемого сигнала на основе разработки многолучевых моделей трансионосферных КС; 2) получение аналитических выражений для СХ поля принимаемой волны при ее трансионосферном распространении на основе модификации радиофизических методов; 3) анализ тождественности результатов определения СХ сигналов и волновых полей в точке приема методами СТС и СРФ.
В частном случае передачи монохроматического сигнала, когда со = со0, Q = co-co0 = 0 и AQ=2Q=0 и значения KH(AQ = 0) = 1, Ka(Q= 0) = 1, искомая зависимость (1.103) сводится к виду {a2p,2o2b} = 4(0 ом//0).
Установление этой аналитической зависимости также реализуется в 3 этапа.
Первым из этих этапов является разработка многолучевой модели трансионосферного КС при передаче монохроматического сигнала с целью получе ния аналитических выражений для СХ принимаемого сигнала [138, 139, 141, 165-168,174,184].
Решение этой задачи целесообразно начать с рассмотрения интересующей радиолинии КА-ЗС в простейшем случае (рис. 2.4) вертикального (G0 = 0) распространения монохроматической волны с частотой со0 =2nf0 через ионосферу, описываемую моделью № 2 распределения ЭК (рис. 2.3).
В отличие от рис. 2.3. вертикальная ось (высота h) совпадает с направлением РРВ к ЗС, которая расположена на расстоянии z от верхней границы ионосферы z = 0, имеющей эквивалентную толщину z3=h3 и среднюю ЭК N = Nm. Флуктуации ЭК AN(p,z) по всей толщине ионосферы представлены в виде тонкого слоя (статистически однородного фазового экрана), расположенного на нижней границе ионосферы z - z3 и характеризуемого ANT(p).
Передаваемый с КА монохроматический сигнал с частотой со0 =2тг/0 запишем в виде [33] 5/(0=V2Re{5/exp(ya)oO} = V2Re{V exp(yO/)exp(ye)00}, (2.21) где St =S/exp(yO,) -комплексная амплитуда, а S, = jPt, /) и Ф( - амплитуда, мощность и начальная фаза передаваемого сигнала (при - оо / со).
Распространение излученной с КА волны (сигнала) происходит не по игольчатой траектории (лучу), а в пределах области пространства (р), ограни ченной первой зоной Френеля. Ввиду большой высоты размещения КА СКС (hKa 40000 км) амплитудно-фазовый фронт волны, падающий на верхнюю границу (z = 0) ионосферного слоя, будет плоским по осям р = (х,у) (см. рис. 2.4). На выходе слоя (z = z3) амплитудный фронт волны в первом приближении можно считать неискаженным по сравнению с падающим (т.е. плоским) Д p,z3,co0)« Л0(7Э) = Р(К0С(гэ), (2.22) где AQ = А(р = 0)- амплитуда поля волны в отсутствие неоднородностей ере-ды; K0C(z3) WQWn - коэффициент ослабления мощности волны (/}) излу-чаемой волны в свободном пространстве W0 до плоскости гэ и вследствие по глощения ее в ионосфере Wn (см. п.1.2). Выражение для X"oc(z3) будет уточнено в п.4.2.
Искажения амплитудного фронта выходной волны по пространству р
можно считать несущественными, поскольку Wn определяется средней интегральной ЭК в толстом ионосферном слое NT=z3Nm, а не флуктуациями A T(p) в тонком слое неоднородностей.
Фазовый фронт волны на выходе (z = z3) ионосферного слоя, в отличие от амплитудного фронта, может исказиться вследствие его существенной зависимости от относительной диэлектрической проницаемости s(p,z) И коэффи циента преломления n(p,z) = [z(p,z)] неоднородной ионосферы.
Распространение монохроматической волны (со0) чеРез ионосферный слой толщиной z3 с фазовой скоростью Сф =cln c, превышающей скорость света (с) в вакууме (т.к. п \), происходит за время tc =z lс, соответствующее фазовому пути z& [97]. Последний представляет собой воображаемое расстояние, которое радиоволна прошла бы в вакууме (со скоростью с) за то же время (U), за которое она в реальных условиях (на расстоянии z3) распространяется с фазовой скоростью (с ).
Разработка структурно-физической модели трансионосферного канала связи на основе метода параболического уравнения
Полученные выражения (3.11) и (3.23) для комплексного коэффициента передачи b и передаточной функции К((о) многолучевого ТКС с учетом флуктуации не только фаз Аф/ = о)Ат.г(р/) АЛ (р/)//0, но и амплитуд (3.6, 3.19) приходящих лучей Ai =.yJPt(t)K0C ехр[%(р/)] позволяют лишь на качественном уровне проанализировать их СХ ( \b\ ; ATH(AQ) = A coj )/С(со2) /2а ) при изменении флуктуации фазового фронта Аф(р) АМ(р)//0 выходной волны. Взаимосвязь флуктуации уровня в амплитудном фронте выходной волны с ее несущей частотой и флуктуациями ЭК х(р) = х(Р 2э соо) (Р/)/ /о в рамках СТС не устанавливается и влияние х(р) на среднюю мощность принимаемого сигнала Рг в многолучевых ТКС не оценивалось.
Для определения аналога Рг - средней интенсивности поля волны в точке приема /г при ее трансионосферном распространении - с учетом флуктуации уровня х(р) Ф О в амплитудном фронте выходной волны воспользуемся результатами радиофизического МПУ. Процесс вертикального РРВ с учетом дифракции внутри толстого неоднородного слоя ионосферы и за ним в свободном пространстве иллюстрируется на рис. 3.3.
Задачу определения СХ поля волны в точке приема (р = 0, z) радиофизическим МПУ начнем решать с простейшего случая падения плоской монохроматической (со = со0) волны на неоднородный слой [64, 79, 107, 115, 116, 237].
В соответствии с (1.18, 2.24) диэлектрическая проницаемость ионосферы имеет регулярную и флуктуационную составляющие: s(p,z) = s(z) + As(p,z) = 8(z)[l + 8,(p,z)], (3.25) где B(Z) = 1-80,87V(z)//02; AS(p,z) = -80,8A (p,z)//02 , Ae(p,z)_ 80,8AJV(p,z)//02 fc 11 P, Z J — — — ; z- . s(z) l-80,8A4z)//02 Задача решается при тех же предположениях, что использовались ранее для МФЭ (п.2.3): 1) за время РРВ через неоднородный ионосферный слой флуктуации диэлектрической проницаемости Ae(p,z) остаются неизменными A8(p,z,/) = Ae(p,z), что дает возможность пренебречь флуктуациями частоты и рассматривать решения уравнений Максвелла в виде суперпозиции монохроматических волн с частотой со; 2) длина волны намного меньше размеров неоднородностей ионосфе ры Я0«/,, что дает возможность пренебречь эффектами изменения поляризации волны.
При выполнении этих предположений (а также допущений о нулевой диэлектрической проводимости и постоянстве магнитной проницаемости) уравнения Максвелла можно свести к скалярному уравнению Гельмгольца, описывающему процесс РРВ в толстом (z = z3) ионосферном слое со случайным изменением диэлектрической проницаемости 149 W2E + k2[\ + sl(r)]E = 0, 0 z z3, (3.26) где E - компонента напряженности электрического поля; V2 =д2/дх2 +д Іду2 +d2/dz2 - оператор Лапласа; к2 = QC(Z) - среднее волновое число; к0 = 2п/Х0 = ш01с - волновое число в вакууме.
Для нормального падения плоской волны на неоднородный слой напряженность Е выражается через комплексную амплитуду 0(г) поля волны й{г) как Е = u(r) = U{r)exp(jkz) = 0(p,z)exp (jkz) . (3.27) С учетом (3.27) уравнение (3.26) сводится к уравнению для комплексной амплитуды -2jk + V2U(r) = -k\{r)u(r), 0 z z3. (3.28) dz
Решение этого уравнения относительно U(r) осуществляется МПУ. Данный метод опирается на следующие предположения (дополняющих два приведенных выше)[64, 141,209]: 3) при вычислении фазы рассеянного поля справедливо френелевское приближение, соответствующее условию X0«ls«z3; (3.29) 4) рассеяние происходит вперед, т.е. волна распространяется в пределах конуса с малым угловым раствором относительно направления распростране ния, что соответствует условию (e2)z3/ls=alzjls«\, (3.30) где jl=(s2(p,z)\ - дисперсия флуктуации диэлектрической проницаемости s,(p,z)=As(p,z)/s(z); 5) мощность излучения, рассеянного назад, пренебрежимо мала, что со ответствует условию
Оценка помехоустойчивости систем космической связи при передаче сигналов с защитными интервалами в условиях частотно-селективных замираний и межсимвольной интерференции
Проведенный в п.5.3 анализ графиков (рис. 5.6) изменения помехоустойчивости СКС при передаче простых (BS=TSF0=\) сигналов в трансионосферных КС с ограниченной полосой когерентности (FK) показал, что даже наличие слабой степени МСИ (1/7 FK 5-10 ) приводит к появлению rjM 0 и несократимой Рошн, препятствующей достижению допустимой F0UI РОШДОП = 10"5 при /z2-» x . Поэтому МСИ принимаемых сигналов оказывает превалирующее влияние на снижение помехоустойчивости СКС по сравнению с ЧСЗ (влияние которых (гч 1) можно компенсировать увеличением h )
Как показано в разделе 1, устранение МСИ в КС с многолучевостью возможно за счет передачи простых сигналов с защитными интервалами (ЗИ) длительностью Тш . В этом случае период следования сигналов увеличивается до значения Tcn=Ts + T3tt = Ts(\ + T3JTs) = TsBc„ (5.115) где Всл =\ + Tm/Ts =Tcsl/Ts - относительный период следования сигналов с ЗИ. Тогда при передаче по трансионосферным КС с ограниченной полосой когерентности простых сигналов с неизменными параметрами (F0 и Ts =\/F0) и большими ЗИ (когда Всл »1) будет выполняться условие (1.15) возникновения ЧСЗ (F0/FK 1) при выполнении условия (1.37) отсутствия МСИ 1 / сл к = 0 /FKBen = Rcn / к « Ь где Дсл =1/(7; +ГЗИ) = \/Тсл =\1Т3ВСЛ = Ят/Всл - скорость передачи сигналов с ЗИ {Ясл RT).
Согласно условиям (1.15, 1.37) степень возникающих ЧСЗ и МСИ в таких ККС определяется значениями F0/FK и F0/FKBCJl =\/TcnFK. Можно предположить, что введение ЗИ позволит устранить несократимую Рош при более высокой скорости передачи Rcsl =R I Всл по сравнению со случаем отсутствия ЗИ (когда Г3 =0, TCJ1=TS, Всл=\ и Rcn =RT). Чтобы обосновать это предположение, надо уточнить условие (1.37) отсутствия МСИ, при котором устраняется несократимая Рош. Для решения этой задачи необходимо обобщить результаты разработанной в подразделе 5.3 аналитической методики оценки зависимости Рош =\\i(h ,FK/F0) на случай произвольного выбора относительного периода следования сигналов BCJl=TcJTs \ [151,228].
Целью подраздела является оценка помехоустойчивости СКС при передаче простых сигналов с произвольными ЗИ в зависимости от степени возникающих ЧСЗ и МСИ, т.е. Poul=y(h2,F0/FK,\/TcnFK=F0BcJFK).
Напомним, что в разработанной в подразделе 5.3 аналитической методике полагалось, что при передаче по КС информационного символа 1, подлежащего регистрации на приемной стороне, и соседних с ним символов а и с (где а,с = \ илиО) комплексная огибающая (КО) соответствующей последовательности передаваемых сигналов (длительностью Ts) описывается выражением (5.46) Stalc(t) = Sta{ts) + Sn{t) + Stc(t + Ts).
Тогда при отделении соседних с Sn(t) сигналов защитными интервалами (Г3) вместо (5.46) будем иметь Staic(t) = Sta(tCJ]) + St](t) + Stc(t + TCJl), (5.116) где согласно (5.115) Гсл = Ts + Гзи.
При передаче последовательности сигналов (5.116) по КС с многолучевостью КО аддитивной смеси принимаемых (г) сигналов Sr (t) и гауссовского шума n(t) описывается выражением Xr(t) = SraJt) + m = Sra(tcn) + Sri(t) + Src(t + TcJ + m (5.117) Здесь КО принимаемого сигнала Sr (t), регистрируемого на интервале обработки [0, TJ, определяется точно также, как (5.50) 00 00 Sri(t)= lSn(t-xcp-x)b(T)dx= \Sa{t )b{i)dT, (5.118) -00 -00 Соседние принимаемые сигналы отличаются от (5.118) сдвигом во времени на + Гсл = ± (Ts + Гзи): Srac(t + Tc,)= \StatC(t + Tcn)b(T)dx. (5.119) -00
Оценим Рош в некогерентной схеме обработки (рис. 5.3), оптимальной для КС с флуктуирующей фазой или рэлеевскими замираниями, при воздействии на ее вход аддитивной смеси (5.117 - 5.119) гауссовского шума и сигналов с ЧСЗ и МСИ по методике, приведенной в подразделе 5.3, с учетомЗИ(Ясл = Гсл/7;).
Для начала следует заметить, что исходные выражения для КО аддитивной смеси на входе НК схемы обработки (5.49 - 5.51) отличаются от (5.117-5.119) только тем, что в (5.117) и (5.119) сдвиги на +TS заменены на + Гсл, а (5.118) полностью совпадает с (5.50).
Поэтому выражения (5.52 - 5.104) остаются справедливыми и для случая передачи простых сигналов с ЗИ при замене +TS на + Гсл.
В соответствии с этими выражениями и совпадением формул (5.50) и (5.118) для Sri(t) зависимость выходного отношения С/Ш Wul от входного (h ) и коэффициента энергетических потерь при НК обработке сигналов с ЗИ из-за ЧСЗ (гч) полностью совпадает с (5.95)
