Содержание к диссертации
Введение
1. Системный анализ проблемы обеспечения энергетической скрытности и помехоустойчивости ССС . 14
1.1 Анализ энергетической скрытности и помехоустойчивости ССС 1 4
1.2 Анализ проблемы обеспечения энергетической скрытности ССС иобоснование цели исследований 32
1.3 Методика системного анализа проблемы выбора параметровтехнических средств ССС при использовании пониженных частот исдвоенного приема 46
1.4 Анализ недостатков известного научно-методического аппарата ипостановка научных задач исследования 53
2. Уточненная модель неоднородной ионосферы для повышения достоверности расчета характеристик быстрых замираний в трансионосферном радиоканале . 59
2.1 Обоснование выбора математической модели неоднороднойионосферы для описания трансионосферного радиоканала 59
2.1.1 Модель ионосферы с учетом изменения по высоте электроннойконцентрации и эффективной частоты соударений электронов 64
2.1.2 Математическая модель ионосферы с учетом эффективнойчастоты соударений электронов и неоднородностей электроннойконцентрации 70
2.1.3 Математическая модель трансионосферного канала связи с учетомпоглощения и многолучевого распространения волны 82
2.2 Сравнительный анализ достоверности расчета глубины замираний втрансионосферных каналах 94
2.3 Оценка интервала пространственной корреляции замираний втрансионосферном канале связи 109
2.4 Выводы 114
3. Обоснование и разработка методики синтезапараметров технических средств ссс, использующихпониженные частоты и сдвоенный прием 118
3.1 Методика расчета мощности шума на входе приемника ССС спониженной несущей частотой 118
3.2 Методики аналитической оценки энергетической скрытности СССпри использовании пониженных частот и сдвоенного приема сигналов 130
3.3 Методика синтеза параметров технических средств низкочастотныхССС по требованиям к помехоустойчивости и энергетической скрытности 142
3.4 Выводы 148
4. Практические рекомендации по выбору технических средств ссс, использующих пониженную частоту и сдвоенный прием сигналов
4.1 Инженерная методика расчета технических параметров радиолинии ССС с пониженной частотой и сдвоенным приемом сигналов
4.2 Технические решения для ССС с пониженной несущей частотой и сдвоенным приемом сигналов
4.3 Выводы
Заключение 186
Список использованных источников 191
- Анализ проблемы обеспечения энергетической скрытности ССС иобоснование цели исследований
- Модель ионосферы с учетом изменения по высоте электроннойконцентрации и эффективной частоты соударений электронов
- Методика синтеза параметров технических средств низкочастотныхССС по требованиям к помехоустойчивости и энергетической скрытности
- Инженерная методика расчета технических параметров радиолинии ССС с пониженной частотой и сдвоенным приемом сигналов
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Эффективность любых систем связи, в том числе систем спутниковой связи (ССС), определяется их живучестью, надежностью и помехозащищенностью. В свою очередь помехозащищенность определяется двумя составляющими: помехоустойчивостью (ПУ) и скрытностью. Анализ условия обеспечения ПУ ССС показывает, что в традиционно используемом диапазоне несущих частот f0 = 1... 10 ГГц оно легко выполняется при высокой скорости передачи RТ ~ 1 Мбит/с
и низкой мощности передатчика (ПРД) Pt «10Вт . Это обусловлено хорошими условиями распространения радиоволн (РРВ) и низкой шумовой температурой внешних помех. Однако хорошие условия РРВ в ССС обуславливают их низкую энергетическую скрытность.
С другой стороны, известен способ повышения энергетической скрытности ССС при близком размещении приемника (ПРМ) радиоперехвата (РПХ) от ПРМ ССС за счет применения пониженной несущей частоты /0= 60...80 МГц (что обуславливает рассеяние радиоволн на неоднородностях ионосферы, многолучевость РРВ и замирания принимаемых сигналов) и разнесенного приема сигналов на 4 и более (п > 4) антенн.
Анализ недостатков этого способа повышения энергетической скрытности ССС позволяет сделать два вывода: 1) увеличение числа приемных антенн более двух {п>2) приводит к снижению эффективности разнесенного приема сигналов, поэтому в ССС с пониженными частотами целесообразно использовать сдвоенный (и = 2) прием сигналов; 2) понижение несущей частоты ССС сопровождается повышением энергетической скрытности и снижением ПУ (вследствие роста глубины быстрых замираний и уровня помех при понижении несущей частоты в ССС). Анализ условия обеспечения ПУ ССС при понижении несущей частоты до /0 «30...40 МГц и сдвоенном приеме
(п = 2) сигналов указывает на необходимость увеличения мощности бортового ПРД до значений Pt » 0,5...50 кВт, что практически нереализуемо.
Отсюда следует противоречие в практике (практическая проблема): при использовании в ССС пониженной несущей частоты (/0 * 30... 100МГц) и пространственно-разнесенного приема сигналов на п = 2 антенны условие обеспечения ПУ ССС может не выполнятся при реализуемых технических характеристиках радиосредств (мощности передатчика Р, <102...103 Вт, размерах передающих и приемных антенн Lpj г <10 м;
скорости передачи і?Т =105...10б бит/с и энергетическом (системном) запасе Г = 1...10 дБ )
Объектом исследований являются ССС на участке ИСЗ-Земля при близком размещении ПРМ РПХ от ПРМ ССС, использующие пониженные несущие частоты (/о * 30... 100 МГц) и сдвоенный прием сигналов (п = 2).
Цель диссертации заключается в разработке практических рекомендаций по выбору параметров технических средств, обеспечивающих требуемую помехоустойчивость и энергетическую скрытность ССС при использовании пониженной частоты (/о * 30... 100 МГц) и сдвоенного (п = 2) приема сигналов.
Поставленная выше практическая проблема относится к классу слабоструктурированных проблем. Поэтому для достижения поставленной цели необходимо разработать методику системного анализа проблемы выбора параметров технических средств
ССС по требованиям к энергетической скрытности и ПУ (характеризуемых допустимыми значениями коэффициента энергетической скрытности ^ЭС доп и вероятности ошибочного приема ^ош доп) при использовании пониженных частот и сдвоенного приема. В результате разработки этой методики обоснована задача принятия решения (выбора целевой функции), которая состоит в том, чтобы установить зависимость {Г = PtLAtLAr; АрА; РТ = 1/Г ,Г,/0}= ^(^ош доп, ;кЭС доп) технических характеристик радиосредств ( мощности бортового ПРД Pt, размеров передающей LAt и приемной LAr антенн, их пространственного разноса АрА), скорости передачи RT, системного запаса Г и несущей частоты /0 низкочастотных ССС от заданных требований к их помехоустойчивости и энергетической скрытности (Р , г )
ош доп" ' эс доп/
Предметом исследований является научно-методический аппарат оценки влияния технических и частотно-зависимых параметров ССС на энергетическую скрытность и помехоустойчивость одиночного и сдвоенного приема сигналов.
Научная задача заключается в разработке методики параметрического синтеза (выбора технических характеристик радиосредств, скорости передачи, системного запаса, несущей частоты) низкочастотных ССС по заданным требованиям к их энергетической скрытности и помехоустойчивости.
Для решения поставленной общей научной задачи была проведена ее декомпозиция на 4 частные научные задачи разработки:
-
уточненной математической модели неоднородной ионосферы для повышения достоверности расчета характеристик быстрых замираний в трансионосферном радиоканале;
-
методики расчета мощности шума на входе приемника ССС с пониженной несущей частотой;
-
методики аналитической оценки энергетической скрытности ССС при использовании пониженных частот и сдвоенного приема сигналов;
-
методики синтеза параметров технических средств ССС, использующих пониженные частоты и сдвоенный прием, по заданным требованиям к ПУ и энергетической скрытности.
Методы исследования включают НМА системного анализа, математического описания ионосферной плазмы, распространения радиоволн через случайно-неоднородные среды, статистической радиофизики, математического моделирования многолучевых каналов связи; методов обработки сигналов и оценки помехоустойчивости при одиночном и разнесенном приеме; энергетического расчета радиолиний.
Значительный вклад в развитие этих методов внесли В. В. Кузнецов, Я. Л. Альперт, М. А. Колосов, М. П. Долуханов, А. И. Калинин, С. М. Рытов, Л. М. Финк, Д. Д. Кловский, В. И. Коржик, О.А. Зенкевич, Б.В. Сосунов.
Научная новизна результатов диссертации состоит в следующем:
1. Впервые разработана методика системного анализа проблемы выбора параметров технических средств ССС по требованиям к энергетической скрытности и помехоустойчивости при использовании пониженных частот {fo ~ 30... 100МГц) и сдвоенного приема (на 2 антенны) сигналов.
-
Обоснована уточненная математическая модель неоднородной ионосферы, отличающаяся от известных учетом статистических характеристик флуктуаций полного электронного содержания (ПЭС), которая позволяет уточнить математическую модель трансионосферного радиоканала и повысить достоверность расчета характеристик быстрых замираний принимаемых сигналов.
-
Разработана методика расчета мощности шума (помех) на входе приемника ССС, использующей диапазон не традиционных (/0 =1... 10 ГГц), а пониженных несущих частот (/0 * 30... 100 МГц).
-
Разработана методика оценки энергетической скрытности ССС, которая, в отличие от известных, позволяет получить аналитическую зависимость этой оценки от выбора пониженной несущей частот и пространственного разноса антенн.
-
Разработана методика синтеза параметров технических средств ССС, использующих пониженные частоты и сдвоенный прием сигналов, по заданным требованиям к помехоустойчивости и энергетической скрытности.
Практическая ценность полученных результатов состоит в следующем:
-
разработаны инженерная методика и алгоритм расчета технических параметров радиолинии ССС с пониженной несущей частотой и сдвоенным приемом сигналов при обеспечении неизменной корреляции замираний в разнесенных антеннах;
-
обоснован вывод о возможности достижения требуемой помехоустойчивости и энергетической скрытности ССС с пониженными частотами и сдвоенным приемом сигналов при использовании типовых технических средств диапазона метровых волн за счет адаптивного выбора пониженной частоты и параметров приемных антенн;
-
в соответствии с разработанным алгоритмом расчета предложена структурная схема построения ССС с применением адаптивных блоков выбора пониженной несущей частоты и параметров приемных антенн по результатам измерения параметров неоднородной ионосферы с помощью спутниковых радионавигационных систем (СРНС);
-
обоснован способ и разработано устройство измерения статистических характеристик ПЭС ионосферы и определения интервала пространственной корреляции замираний в трансионосферном радиоканале с помощью СРНС.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждаются: использованием широко известных исходных данных о параметрах неоднородной среднеширотной ионосферы; использованием апробированного научно-методического аппарата статистической радиофизики и статистической теории связи; соответствием полученных теоретических результатов расчета глубины замираний в трансионосферных каналах известным экспериментальным данным измерения индекса мерцаний в ССС на частотах /0 = 150 МГц и 400 МГц.
Основные положения и результаты, выдвигаемые для защиты:
1. Методика системного анализа проблемы выбора параметров технических
средств ССС по требованиям к помехоустойчивости и энергетической скрытности при
использовании пониженных частот и сдвоенного приема.
-
Уточненная математическая модель неоднородной ионосферы для повышения достоверности расчета характеристик замираний в трансионосферном радиоканале.
-
Методика расчета мощности шума на входе приемника ССС с пониженной несущей частотой.
-
Методика аналитической оценки энергетической скрытности ССС при использовании пониженных частот и сдвоенного приема сигналов.
-
Методика синтеза параметров технических средств ССС, использующих пониженные частоты и сдвоенный прием, по заданным требованиям к энергетической скрытности и помехоустойчивости.
-
Результаты разработки технических решений ССС с применением блоков выбора пониженной несущей частоты и параметров приемных антенн по результатам измерения статистических характеристик полного электронного содержания ионосферы с помощью СРНС.
Реализация результатов диссертационной работы: 1) в ООО «Инновационный научно-технический центр», г. Москва (акт о внедрении от 27.09.2013 г.) 2) в МОУ «Институт инженерной физики», г. Серпухов Московской области (акт о внедрении от 16.11.2013 г.); 3) в учебном процессе СКФУ.
Апробация результатов диссертации осуществлялась в ходе докладов ее материалов на следующих научно-технических конференциях (НТК): 3-й Международной НТК в СевКавГТУ в 2008 г. (г. Ставрополь), 16-й Международной НТК в ОАО «Концерн «Созвездие» и Воронежском ГУ в 2010 г. (г. Воронеж), 30-й Всероссийской НТК в СВИ РВ в 2011г. (г. Серпухов), 11-й Российской НТК в КНИИТМУ в 2012 г. (г. Калуга), 1-й Всероссийской молодежной НТК в БелГУ в 2012 г. (г. Белгород); 66-й и 67-й Всероссийских конференциях, посвященных Дню радио в 2011 и 2012 гг. (г. Москва).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 17 печатных трудах, из них 6 статей опубликованы в журналах из перечня ВАК: Теория и техника радиосвязи, 2011, № 2 и № 4; Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета, 2009, № 1; 2010, № 4; 2011, № 1 (две статьи).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и 4 приложений, содержит 202 страницы основного текста (всего в диссертации 255 стр.), 44 рисунка, 5 таблиц, список использованных источников из 132 наименований.
Анализ проблемы обеспечения энергетической скрытности ССС иобоснование цели исследований
Указанная практическая проблема обеспечения энергетической скрытности ССС при близком размещении приемника радиоперехвата относится к типу слабоструктурированных проблем и поэтому должна решаться методами системного анализа [12, 57, 102]. Однако универсальной методики системного анализа сложных объектов до сих пор не существует.
В связи с этим возникает потребность в разработке методики системного анализа проблемы обеспечения энергетической скрытности ССС при близком размещении приемника радиоперехвата [36, 43].
Первым этапом методики является постановка цели исследований, которая заключается в разработке практических рекомендаций по повышению энергетической скрытности ССС при близком размещении ПРМ РПХ. На втором этапе выбирается критерий обеспечения энергетической скрытности ССС в виде условия превышения коэффициента энергетической скрытности над единицей (1.27): где йдопр и up - допустимое и фактическое отношение сигнал/шум (С/Ш) на входе ПРМ РПХ.
Третий этап методики состоит в генерировании альтернатив выполнения условия (1.27) обеспечения энергетической скрытности ССС. Согласно (1.43) при близком размещении ПРМ РПХ от ПРМ ССС (на расстоянии і?р 10 км) условие (1.27) при отсутствии энергетического
Оно указывает на три возможных альтернативных пути (А А2, А3) повышения энергетической скрытности ССС при близком размещении ПРМ РПХ: которые до настоящего времени не использовались. Однако указанные пути повышения энергетической скрытности ССС за счет повышения коэффициента усиления приемной антенны (Gr Grp) и эквивалентной шумовой температуры ПРМ (ТЭ ТЭр) затратны, а за счет повышения эффективности схемы обработки сигналов (hд оп hд оп р) неизвестны.
Четвертый этап методики заключается в оценке альтернатив и выборе решения. Его центральным моментом является обоснование и оценка нового способа повышения энергетической скрытности ССС, соответствующего третьей альтернативе (А3). Согласно (1.49) для повышения эффективности схемы обработки сигналов в ССС предлагается изменить вид функциональной зависимости ( P ош=i (h 2 ) ) между вероятностью ошибочного приема сигналов и отношением С/Ш на входе ПРМ ССС по сравнению с ПРМ РПХ (Рошр =4/j(hp)). Реализуется этот способ в два этапа за счет:
1) изменения типа модели канала связи на более сложный (например, с многолучевым распространением радиоволн (РРВ) и быстрыми замираниями (БЗ) принимаемых сигналов);
2) применения в ПРМ ССС пространственно-разнесенного приема сигналов на несколько (и) антенн (использование которых в РПМ РПХ невозможно из-за жестких ограничений на их массогабаритные показатели).
Способ обеспечения энергетической скрытности ССС за счет передачи сигналов на пониженной несущей частоте (/0 =30. ..100 МГц), обуславливающей появление многолучевого РРВ и БЗ принимаемых сигналов, и разнесенного приема на п=4 антенны представлен на рисунке 1.2.
Теоретическим обоснованием разработанного способа служат следующие известные [118] закономерности:
1). При понижении несущей частоты /0 с 1 ГГц до 30…100 МГц процесс РРВ сопровождается поглощением в ионосфере и многолучевостью, вызывающей БЗ принимаемых сигналов. Поэтому множитель ослабления волны на трассе определяется произведением множителей поглощения и быстрых замираний (БЗ) волны в ионосфере:
Эти множители зависят от несущей частоты и параметров ионосферы: П (/о) = (NvЭ/f02X WБ 2 З(f0) = у/(Ьщ Щ/foX (1.51) где N и УЭ - электронная концентрация (ЭК) и эффективная частота соударений электронов (ЭЧСЭ) в ионосфере, а Щ. = N-N - флуктуации ЭК в неоднородностях ионосферы относительно их среднего значения N. Неоднородности ионосферы определяют величину относительных фазовых сдвигов лучей Acpt АЛГ /f0, приходящих в точку приема. Рисунок 1.2 - Способ обеспечения энергетической скрытности ССС за счет использования пониженной частоты и разнесенного приема на п=4 антенны 2). По мере понижения несущей частоты f 0 , увеличения A -ATV/0 и глубины БЗ принимаемых сигналов, характеризуемых параметром Райса (оо г2 0): r2 1/Afp f 0AN,, (1.52) происходит изменение вида зависимостей Рош = y/(h2) и h2доп =ц/ 1(Pош доп) при использовании некогерентного одиночного (п = 1) и разнесенного (п = 4) приема сигналов (рис. 1.3): 40 Рисунок 1.3 - Зависимости Рош = y/{h2) для одиночного (п = 1) и разнесенного (п = 4) приема сигналов без замираний и рэлеевскими БЗ Влияние относительных фазовых сдвигов лучей А р Щ//а на изменение параметра Райса (1.52) и вида зависимостей Pош=y/(h2) и hдоп = "1(Pош доп) состоит в следующем [51, 54, 60, 61, 95, 113]: а) при отсутствии многолучевости (A(pj ANj/f0 = 0) и быстрых замираний (у2= ю\ одиночном приеме (л = 1 ) и характерной для ССС допустимой вероятности ошибки Pош доп =Ю"5 будем иметь ош =0,5ехр(-0,5/г2) ; к2доп =21п(2 доп) = 21,6«13 дБ; (1.53) б) при значительных фазовых сдвигах лучей A(pi ANijfo »2тг, возникновении БЗ рэлеевского типа (у2 = 0) и одиночном приеме (/7 = 1): ош = (h2 + 2у ; /гд2оп 1 = і доп - 2 105 = 50 дБ; (1.54) в) при Асрг » 2л, рэлеевских БЗ (у2 = 0) и счетверенном приеме (п = 4): Рош C2n_J(h2)n ; /7допИ « (С2йй_ ош доп)1/й 40 16 дБ. (1.55) В соответствии с рисунками 1.2, 1.3 и выражениями (1.54, 1.55) разработанный способ повышения энергетической скрытности ССС при близком размещении ПРМ РПХ от ПРМ ССС (когда Щ = h2) за счет за счет понижения несущей частоты до значений /0 =30... 100 МГц, обуславливающих возникновение рэлеевских БЗ (когда hд оп р =50 дБ), и применения разнесенного приема на несколько (п = 4) антенн (когда /доп/7=/г2=16 дБ) позволяет достичь величины = доп р = доп =Ж = 2500 (34 дБ) . (1.56) h2 h2 40 р допи Сравнительная оценка трех альтернатив выполнения условия (1.46) обеспечения энергетической скрытности ССС при близком размещении ПРМ РПХ указывает на целесообразность выбора решения в пользу разработанного способа (рисунок 1.2). Это обусловлено тем, что при реализации 1-го альтернативного пути (совершенствования приемной антенны) для достижения ГЭС =Ог/в =34 дБ (2500) потребуется увеличить диаметр приемной антенны ССС в 50 раз по сравнению с антенной ПРМ РПХ (что приведет к увеличению ее стоимости в 1,25 105 раз), а при реализации 2-й альтернативы для достижения уЭС = ТЭр/ТЭ «3 дБ потребуется применить охлаждение ПРМ ССС жидким гелием. На пятом этапе методики обоснована целевая функция и задача принятия решений. В соответствии с рисунками 1.2 и 1.3 коэффициент энергетической скрытности ССС зависит от выбора допустимой вероятности ошибки (Pош доп), пониженной несущей частоты (/0), числа разнесенных антенн (п) и коэффициента корреляции (R (ApАf)) в них замираний (зависящих от выбора частоты и интервала пространственного разноса антенн АрА). Поэтому согласно выражениям (1.27, 1.46, 1.56) целевую функцию можно записать в виде у =h2 /h2=h2 /h2 =h2 Jh2 =w{P , f, n, R(f,ApЛ]. (1.57) / ЭС допр / p допр / доп допІ / допш Т \ ош доп 0 БЗ 0 І А /) Тогда научную задачу можно сформулировать как задачу разработки метода прогнозирования энергетической скрытности ССС при использовании пониженных частот и пространственно-разнесенного приема сигналов на несколько антенн. Таким образом, разработана 5-этапная методика системного анализа, которая позволила перевести практическую проблему повышения энергетической скрытности ССС при близком размещении приемника радиоперехвата в научную задачу ее прогнозирования при использовании пониженных несущих частот и пространственно-разнесенного приема сигналов.
Модель ионосферы с учетом изменения по высоте электроннойконцентрации и эффективной частоты соударений электронов
Известно [56, 62, 115], при трансионосферном РРВ на несущих частотах ниже 100 МГц (fo 100 МГц) могут возникать существенные потери передачи из-за поглощения волны {LП \lf ). Однако известные выражения для расчета этих потерь имеют либо низкую точность {1П(дБ) 2,5Ю15/02), либо высокую вычислительную сложность вследствие зависимости от интегрального произведения распределенной по высоте (И) электронной концентрации (ЭК) N(h) и эффективной частоты соударения электронов (ЭЧСЭ) vэ(h) в ионосфере (и зенитного угла а =90-;3Т , где /Т -угол места). Попытка упростить выражение (2.6) осуществлена в [100]. Однако полученное в итоге аналитическое выражение для iП остается достаточно сложным, поскольку содержит три слагаемых, характеризующих вклады в поглощение волны трех слоев ионосферы: D,E,F . В связи с этим представляется целесообразным осуществить дальнейшее упрощение расчетной формулы для оценки потерь передачи на поглощение волны в ионосфере [34, 38]. Согласно [100] анализ высотных зависимостей N{h) и vэ{h) показывает, что в пределах нижней и верхней границ высот ионосферного слоя D (от /гов«60км до AD«90км) и слоя Е (от /гог«95км до йвЯ «120 км) значения ЭК в первом приближении можно считать постоянными N(h) ND «3-Ю8 эл/м3 , N(h)»NE «юпэл/м3, а значения ЭЧСЭ vэ(h) с ростом высоты убывает по линейному (или экспоненциальному) закону. На высотах слоя F (от h0F «150 км до квг «400 км) значения ЭЧСЭ в первом приближении можно считать постоянными vэ(h)&vэF «2-1031/с, а ЩИ) с ростом высоты до значения h = hm 300км, соответствующего максимальной ЭК N(hm) = Nm «2-1012эл/м3 , увеличивается по экспоненте, а при н h спадает по линейному закону. Исходя из этих допущений искомый интеграл (2.6) можно представить в виде трех слагаемых, соответствующих высотам слоев D,EиF , как В соответствии с выражением (2.7) распределения по высоте параметров N(h) и vэ(А) ионосферы (показанные на рис. 1 штрихпунктирными линиями) в ее слоях можно представить в виде моделей, показанных сплошными линиями. Аналитическое описание ЩИ) и vэ(h) в различных слоях позволило записать выражение (2.7) в виде: где значения эквивалентной толщины сло ев D,EиF равны hэD «8км, /гэЕ «9,2км и ьэF «225 км, а значения ЭЧСЭ на нижних границах слоев D и составляют v0D«5-10V1 и vv«3-10V1. Анализ слагаемых выражения (2.8) и модели рис. 2.3 показывает, что основной вклад в результирующее значение интегрального произведения ЭК и ЭЧСЭ (1,42-1021 эл/м2с) вносит слой F (У,ЛК 1,02-1021 эл/м2с). В свою очередь, основной вклад в последнее значение вносит интегральная ЭК слоя F ( =ЖА«5,1-1017эл/л12с). Модель распределения в ионосфере интегрального произведения ЭК на ЭЧСЭ в виде произведения (2.15) NJF-vms) интегральной ЭК в слое F на увеличенное (в JvэF«i,39 раз) значение ЭЧСЭ в этом слое приведена на рисунке 2.4. Таким образом, разработанную выше модель ионосферы (рисунок 2.3) в виде суммы трех слагаемых (2.8) целесообразно представить в более простом виде (одним слагаемым) как произведение (2.15): Это позволяет записать выражение (2.6) для оценки потерь передачи из-за поглощения волны в ионосфере в самом простом виде: Хп(дв) = 1,17-10 6 (N v cosecfr)//02 «1,17-10 6 (NTv3cosQCj3T)/fo2. (2.17) Последнее выражение в (2.17) обусловлено тем, что согласно (2.11) интегральная ЭК во всей толще ионосферы примерно равна интегральной ЭК в слое F, т.е. JV « NT. Кроме того, увеличенное значение ЭЧСЭ в слое F (v3F(S)) учитывает вклад ЭЧСЭ в нижних (более тонких по сравнению со слоем F ) слоях ионосферы Поэтому по физическому смыслу оно соответствует (см рис. 2.3) среднему значению ЭЧСЭ по всей толщине ионосферы, те vЭFs) УЭ .
В соответствии с (2.17) множитель поглощения волны в ионосфере определяется как
Для разработки модели трансионосферного канала связи и оценки ПУ ССС с учетом поглощения волны на пониженных частотах (/0 юоМГц) упрощенную модель ионосферы (рисунок 2.4) целесообразно представить в виде совокупности (рисунок 2.5) однородного по высоте кэF толстого слоя с ЭК, равной NТ, описываемого интегральной ЭК слоя F ионосферы TF =NТhэF NT. и расположенного на его нижней границе бесконечно тонкого слоя, где происходят лишь столкновения электронов с нейтральными молекулами с эффективной частотой, равной vэF(s) vЭ [34, 38].
Методика синтеза параметров технических средств низкочастотныхССС по требованиям к помехоустойчивости и энергетической скрытности
В соответствии с приведенными выше результатами разработки методики системного анализа и решения трех первых частных научных задач представляется возможным решить 4-ю частную научную задачу разработки методики синтеза параметров технических средств ССС, использующих пониженные частоты и сдвоенный прием сигналов, по требованиям к помехоустойчивости и энергетической скрытности. Данная методика состоит из следующих 5-ти этапов.
1). На основе графика на рисунке 3.8 и выражения (3.29) строится зависимость /(f) = h2 Л - h2 Л - Г коэффициента энергетической скрытности ССС от выбора пониженной несущей частоты при использовании сдвоенного приема с учетом выбранного энергетического запаса радиолинии (например, Г=5дБ), как показано на рисунке 3.10.
По условию обеспечения ЭСк СССОэс гэс доп) при допустимых значениях коэффициентов ЭСк (например, Гэс доп = 15 дБ) и корреляции БЗ в антеннах (R= 0,7) определяется диапазон частот \/0 /Одоп) графическим путем, как показано на рисунке 3.11.
Этот же результат можно получить и аналитическим путем на основе полученной формулы (3.30), которую с учетом зависимости от частоты параметра Райса у2(/0) и поддержания постоянного коэффициента корреляции БЗ в антеннах (R=R = 0,7) можно записать в следующем виде
Поскольку частотно зависимый параметр Райса y\f0) согласно (3.24) полностью определяется дисперсией флуктуаций фазового фронта волны с несущей частотой f0 на выходе ионосферы сг2(/0), то условие (3.33) принимает вид
Это неравенство можно записать в виде превышения СКО флуктуаций фазового фронта волны на выходе неоднородной ионосферы а над некоторым допустимым значением а , которое определяется коэффициентом С :
Отметим, что согласно полученным выражениям (3.33б) и (3.34) допустимая величина СКО флуктуаций фазового фронта волны на выходе неоднородной ионосферы (а ) будет тем больше, чем выше требования к ПУ ССС (меньше Рош доп), ЭСк (больше уэс доп), некоррелированности замираний в антеннах (меньше і?доп) и энергетическому запасу радиолинии (больше Г).
С учетом полученной зависимости (3.26) СКО флуктуаций фазового фронта волны на выходе неоднородной ионосферы а от выбора несущей
Здесь допустимое значение несущей частоты /Одоп определяется параметрами ионосферы /Зи , NT и а также допустимой величиной СКО флуктуаций фазового фронта волны на выходе неоднородной ионосферы (сгрдоп), зависящей от выбора энергетического запаса радиолинии (Г) и требований к допустимым значениям коэффициента корреляции замираний сигналов в антеннах (R ), вероятности ошибочного приема сигналов (р ) и энергетической скрытности (у ) ССС согласно
2). Уточняется условие (1.67, 1.69 - 1.71) обеспечения ПУ ССС с учетом частотно-зависимых и технических параметров при использовании пониженных частот и сдвоенного (п=2) приема сигналов с помощью фазированной антенной решетки (ФАР), состоящей из нескольких (NAr) антенн типа «волновой канал» длиной LAr: где технический и частотно - зависимый параметры определяются согласно выражениям передающей антенны и ее фидера, s- коэффициент, определяемый постоянной Больцмана к=-1,38 10 23Вт/ (Гц-К) как к = (к2/к2А)кБ=[(4ж/с)2/(7/с)2 ]кБ=(4ж/7)2 кБ 3,22 = 4,44 -10 23Вт/ (Гц-К). 3). Определяется частотно-зависимый параметр согласно выражению (3.40): где потери на поглощение волны в ионосфере, эффективная шумовая температура приемной системы ССС и допустимое отношение С/Ш при использовании сдвоенного приема сигналов (при R = R ДОП = соnst) определяются согласно ранее полученных выражений (2.27),(3.15) и (3.23-3.27): несущей частотой разработана в 2 этапа. Сначала обоснована общая методика расчета мощности шумов на входе ПРМ в любых системах связи, а затем произведен анализ шумовых температур ССС, использующих пониженные частоты.
2. На основании полученных результатов сделаны следующие выводы:
1) мощность шумов на входе приемника ССС, использующего пониженные частоты, определяется космическими помехами согласно (3.16);
2) искомая аналитическая зависимость (1.79) P0(f0) ТЭ(/0) эффективной шумовой температуры приемной системы ССС, использующей пониженные 149 частоты, от выбора несущей частоты описывается выражением (3.15) ТЭ(/0) 2Л02(с//0)2А. 3. Искомые зависимости (1.80, 1.81 ) допустимого отношения С/Ш на входе ПРМ ССС при использовании одиночного h2 = Х\Р ,y (fn)\ и сдвоенного доп1 L ош доп / БЗ 0 У Л /гдоп 2=хї/[ ош доп БЗ(/о) = 2 БЗ(/о,АР)]приема сигналов от выбора пониженной частоты получены в виде совокупности следующих аналитических выражений: 1) для оценки допустимого отношения С/Ш на входе ПРМ ССС в зависимости от параметра Райса и допустимой вероятности ошибки h2 = WP ,зО в виде доп1 V ош доп / БЗ У (3.20); 2) для оценки допустимого отношения С/Ш на входе ПРМ ССС при сдвоенном приеме сигналов в зависимости от параметра Райса, коэффициента корреляции замираний в разнесенных антеннах и допустимой вероятности ошибки h2 = Ш(Р , і/ , R) в виде (3.23); доп 2 V ош доп?/ БЗ БЗ 3)для взаимосвязи (2.76) г2= (сгр) параметра Райса с СКО флуктуаций фазового фронта волны на выходе неоднородной ионосферы сг ; 4)для зависимости (2.87) СКО фазового фронта волны на выходе неоднородной ионосферы о; (NT/3jf0) Lj2Azu от выбора несущей частоты (/0) и параметров неоднородной ионосферы (NT, /?и, L0, AZM); 5) для зависимости (3.25, 3.27) коэффициента корреляции замираний сигналов на выходах разнесенных антенн РБЗ(/0,Ар)=Ч,(АрА,ад (/0))от выбора несущей частоты (/0), разноса антенн (Ар = Ар А) и параметров неоднородной ионосферы ( NT,J3и,L0,Azu).
Инженерная методика расчета технических параметров радиолинии ССС с пониженной частотой и сдвоенным приемом сигналов
Методика предназначена для расчета технических параметров радиолиний ССС, использующих пониженную несущую частоту и сдвоенный прием сигналов, по заданным требованиям к помехоустойчивости (Р ) и энергетической
Объектом методики являются ССС, использующие в радиолинии ИСЗ Земля пониженную несущую частоту и прием сигналов на 2 разнесенные антенны.
Целью методики является установление количественной зависимости технических параметров радиолиний ССС (мощности бортового передатчика (Pt) и характеристик передающей антенны (L rj rj ), скорости передачи (RТ), длины (L ) приемной антенны типа «волновой канал», числа этих антенн (N ) в фазированной антенной решетке), использующих пониженную несущую частоту и сдвоенный прием сигналов, от заданных требований к помехоустойчивости (Р ) СС, ее энергетической скрытности ( ЭС доп ) и энергетическому запасу спутниковой радиолинии (Г).
Установление зависимости технических параметров ССС ( P L rj rj , RТ ,LAr, N ), использующих пониженную несущую частоту и сдвоенный прием сигналов, от заданных требований к помехоустойчивости (Р ), энергетической скрытности и энергетическому запасу радиолинии (Г) осуществляется на основе оригинальной методики синтеза параметров технических средств низкочастотных ССС по требованиям к помехоустойчивости и энергетической скрытности. Ее суть состоит в последовательном определении допустимо пониженной несущей частоты (/0доп ) по требованиям к энергетической скрытности ССС, величины частотно-зависимого параметра на этой частоте П(/0 доп)дб по требованиям к помехоустойчивости ССС, который позволяет рассчитать обобщенный технический параметр Гдб = Гдб + П(/0доп ), определяющий выбор частных технических
Известно, что эффективность ССС зависит от ее помехоустойчивости (ПУ), которая определяется с помощью функциональной зависимости (Ч ) вероятности ошибочного приема сигналов (Р ) от отношения С/Ш на входе приемника (h2) или с помощью обратной функциональной зависимости ( 1): Условие обеспечения ПУ ССС можно записать в виде неравенства или равенства : Здесь допустимое отношение С/Ш д2оп) определяется по функциональной зависимости pош = x(h2) при величине вероятности ошибки, равной допустимому значению (Рош = Рош доЛ Для традиционно используемого в ССС диапазона несущих частот /0 =1.10 ГГц требования к помехоустойчивости определяются неравенством Рош Рош доп =10-5 при величине /гд2оп = ю...13 дБ . Входящий в равенство (4.4) коэффициент Г = h2/h2оп \ представляет энергетический (системный) запас ССС на не учитываемые факторы (например, неидеальность синхронизации, интерференционные искажения, влияние трудно учитываемых особенностей РРВ и т.д.). В настоящее время на традиционных для ССС частотах /0 = 1...10 ГГц системный запас может выбираться в широком диапазоне значений (Г=1...10 дБ) и его обоснование выбора Г представляет собой сложную задачу. Условие обеспечения ПУ ССС (4.4) можно записать в детальном виде как Э где Pt - мощность излучения передатчика ; Gtи Gr - коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, L0 и LП - потери передачи при РРВ в свободном пространстве на расстояние z и дополнительные потери из-за поглощения волны в среде распространения; кБ =1,38-10 Вт/(ГцК)«-229 дБ(Вт/Гц -К) - постоянная Больцмана; Т - эффективная шумовая температура приемной системы (т.е. антенны и приемника); =1Т - скорость передачи (техническая). В традиционном для ССС диапазоне несущих частот /0 = 1...10 ГГц реализуются очень высокие коэффициенты усиления антенн , очень малые потери на поглощение волны в ионосфере П(/„)«ОДдБ и низкая шумовая температура приемной системы Т Э (/0)«\00К. Благодаря этому даже при значительных потерях передачи при РРВ в свободном пространстве L0 = (ATTZJJC)2 180 дБ на наибольшем расстоянии до ИСЗ (Н = z =4-107 м) и больших скоростях передачи,?? =УТ «Ю5...106бит/с условие (4.5) обеспечения ПУ ССС выполняется при мощности излучения бортового передатчика всего Pt 10Вт . Отсюда следует общеизвестный вывод, что основным достоинством ССС является обеспечение высокой помехоустойчивости, которое обусловлено тем, что в традиционно используемом диапазоне несущих частот /0 =1… 10 ГГц реализуются очень высокие коэффициенты усиления антенн, низкие шумовые температуры внешних помех и отличные условия РРВ. Однако по тем же причинам основным недостатком ССС является низкая энергетическая скрытность (ЭСк). Условие обеспечения ЭСк ССС при решении задачи радиоперехвата (РПХ) можно записать в двух видах: фактическое отношение С/Ш на входе приемника радиоперехвата (ПРМ ПРХ); h2 - допустимое отношение С/Ш на входе ПРМ РПХ, при котором обеспечивается такая же вероятность ошибки, как в ПРМ ССС (т.е. Р =10 5); коэффициент энергетической скрытности. При близком размещении ПРМ РПХ от ПРМ ССС ( на расстоянииЯр 10 км) и одинаковых их характеристиках фактические и допустимые отношения С/Ш на входе приемников будут равны: h\ =h2 =к2доГ;к2доп р=к2доп. Поэтому условие (4.6) обеспечения ЭСк ССС при близком размещении ПРМ РПХ выполняться не будет: Этот вывод является тривиальным, поскольку при использовании для перехвата точно такого же приемника, какой используется в ССС, и при их размещении недалеко друг от друга обеспечить энергетическую скрытность ССС принципиально невозможно.
Известен [117, 118] один способ обеспечения энергетической скрытности ССС при близком размещении ПРМ РПХ от ПРС ССС за счет использования пониженных частот ( до /0 60...80МГц) и пространственно-разнесенного (ПР) приема сигналов на несколько (п = 4) антенн.
Понижение несущей частоты до /0 «60...80МГц обуславливает проявление в спутниковой радиолинии рассеяния радиоволн на неоднородностях ионосферы, многолучевость и интерференционные (быстрые) замирания принимаемых сигналов. Использование в ССС пространственно-разнесенного приема на п = 4 антенны позволяет практически полностью компенсировать влияние замираний на снижение помехоустойчивости приема сигналов (т.е. увеличение отношения С/Ш при одиночном приеме сигналов до йд2оп 1 «50 дБ по сравнению с применением счетверенного приема, когда к2доп 4 «16 дБ).
Следует учесть, что в приемнике радиоперехвата, предназначенном для работы вблизи от ПРМ ССС, по соображениям минимизации массогабаритных показателей возможно применение лишь одной антенны. Поэтому допустимое отношение С/Ш на входе ПРМ ССС соответствует случаю применения 4-х пространственно разнесенных антенн (/г2оп = /г2оп 4) , а допустимое отношение С/Ш на входе ПРМ РПХ соответствует случаю применения одной антенны ( /г2оп = /г2оп 1).
