Введение к работе
Актуальность темы. Коротковолновая радиосвязь (по международной классификации высокочастотная (ВЧ) радиосвязь) продолжает играть важную роль при передаче информации на дальние и сверхдальние расстояния как гражданскими, так и военными пользователями. Из-за отражения сигналов от ионосферы ВЧ связь обладает еще одним важным достоинством. Она позволяет осуществлять связь на короткие расстояния (до 400км) в регионах со сложным рельефом местности. Эти факторы привели к тому, что в последнее время стали создаваться сети автоматизированной ВЧ связи. Проблемы ВЧ связи связаны со средой распространения радиосигнала - ионосферой, которая испытывает во времени и пространстве вариации различных масштабов, а также приводит к флуктуирующей многолучевости и частотной дисперсии, разрушающей радиосигналы с полосой более ~100кГц. ВЧ каналу распространения свойственен достаточно высокий уровень помех, основными из которых являются сигналы от посторонних радиостанций. Кроме того, ионосфера обеспечивает прохождение от передатчика к приемнику сигналов из ограниченного диапазона частот (от НПЧ до МПЧ), зависящего от длины трассы и состояния ионосферы, в силу этого в нем можно организовать только J частотных радиоканалов ^=(МПЧ-НПЧ)/В, где B - полоса частот парциального радиоканала). Поэтому одной из важнейших проблем функционирования ВЧ систем является повышение эффективности их работы, предполагающее адаптацию информационно-технических характеристик систем к постоянно изменяющимся параметрам ионосферного распространения и выбор наилучшего парциального канала для передачи информации. Адаптация основана на применении данных предсеансового панорамного зондирования ионосферы на линии связи. Зондирование позволяет извлечь из принимаемого сигнала информацию о состоянии ионосферной радиолинии и скорректировать информационно-технические характеристики системы на актуальные значения. В различное время вклад в решение вопросов зондирования ионосферы внесли Н.А. Арманд, Н.П. Данилкин, Л.М. Ерухимов, В.А. Иванов, Д.В. Иванов, А.С Крюковский, В.Е. Куницын, В.И. Куркин, Л.А. Лобачевский, Д.С. Лукин, И.Я. Орлов, А.П. Потехин, Н.В. Рябова, В.П. Урядов, Ю.Н. Черкашин. Было показано, что для решения задач зондирования наилучшим образом подходят непрерывные сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), обладающие сверхбольшой базой. За счет поэлементного сжатия в частотной области они обеспечивают значительное снижение отношения сигнал/шум и позволяют создать малогабаритные мобильные устройства.
В настоящее время автоматизация и сетевой подход в организации современных систем ВЧ связи требуют создания автоматических, автономных систем радиозондирования. Однако в этом случае возникает научная задача обеспечении синхронной работы приемного и передающего терминалов системы зондирования. Анализ показывает, что решение задачи требует проведения теоретических и экспериментальных исследований для выделения параметров системы зондирования, которые требуется синхронизировать с учетом специфики ее работы (в том числе протяженности трассы), а также научного обоснования, разработки и исследования алгоритма автоматической синхронизации.
Фундаментальные проблемы синхронизации радиотехнических устройств исследовались в работах ученых: D.W. Allan, S. Bregni, P. S. Cannon, G. Chen, N. C. Davies, W.C Lindsey, B. W. Reinisch, G.M.R. Winkler, M. Yao, Z. Zhao, В.И. Борисов, Л.Е. Варакин, Б. Гипо, Р.К. Диксон, В.П. Дьяков, С.В. Журавлев, А.А Ляховкин, Е.Г. Момот, К. Одуан, А.В.Пестряков, О.А. Пушкарев, Д.Д. Стиффлер, А.И. Фомин, Б.И. Шахтарин, В.В. Шахгильдян. Однако научная задача автоматической синхронизации ЛЧМ ионозондов в них не рассматривалась. Таким образом, с одной стороны существует острая необходимость в получении новых знаний об устройствах автоматической синхронизации со спецификой ионозонда для расширенного использования в сетях ВЧ радиосвязи современных, отвечающих мировому уровню, отечественных систем панорамного зондирования; с другой стороны такому использованию препятствует недостаточный уровень изученности научной задачи автоматической синхронизации с учетом специфики работы ЛЧМ ионозонда.
Цель диссертационной работы: разработка, научное обоснование и исследование алгоритмов автоматической синхронизации терминалов ЛЧМ ио- нозонда с учетом особенностей среды распространения, специфики его работы и сжатия ЛЧМ сигнала в частотной области, их программная реализация.
Задачами данной работы являются:
-
Обоснование актуальности и практической значимости систем зондирования ВЧ радиоканалов для повышения эффективности дальней радиосвязи через ионосферу земли на основе применения сверхширокополосных сигналов с ЛЧМ и их поэлементного сжатия в частотной области. Анализ необходимости обеспечения автоматической синхронизации разнесенных терминалов ио- нозонда из-за медленных вариаций параметров канала с учетом его многомерности.
-
Выделение и анализ обобщенных характеристик множества зондируемых парциальных ВЧ радиоканалов на основе радиотехнического подхода в задаче ионосферного распространения ВЧ радиосигналов, позволяющего ввести и использовать понятие многомерного канала. Обоснование и исследование алгоритма автоматического вхождения в синхронизм с учетом задержки и ее рассеяния импульсной характеристики многомерного ВЧ канала.
-
Обоснование и исследования алгоритма автоматического поддержания синхронизма на основе создания и применения новых методик определения рассеяния по задержке, полосы прозрачности многомерного ВЧ радиоканала, по результатам его наклонного ЛЧМ зондирования.
-
Создание программно-аппаратной реализация устройства, на основе нового алгоритма автоматической синхронизации терминалов зондирования многомерного ВЧ радиоканала и его апробация в натурных экспериментах на трассах мегаметровой протяженности.
Методы исследований. Для решения поставленных задач и получения основных научно-практических результатов использованы методы математического анализа, вычислительной математики, вариационного исчисления и теории распространения радиоволн в ионосфере. Кроме того, в рамках работы были использованы методы численного моделирования с использованием лицензированных пакетов прикладных программ, разработанных с использованием Mathcad и Си++. Для научного обоснования алгоритмов в задаче ионосферного распространения радиосигналов был применен современный подход замены физической среды распространения эквивалентным четырехполюсником с одним выходом и числом входов по числу принимаемых лучей. Для ее описания были использованы стохастические импульсная (ИХ) и частотная (ЧХ) характеристики, а для всего множества каналов - статистически устойчивые характеристики: интегральный профиль задержки (ИПЗ) и частотный профиль полной энергии ИХ. Результаты натурных экспериментов получены с использованием современного метода наклонного зондирования на радиолиниях: Йошкар-Ола - Яльчик; Иркутск - Йошкар-Ола; Кипр - Йошкар-Ола. При обработке результатов вычислительных и натурных экспериментов были использованы методы теории вероятности и математической статистики.
Объект исследования: радиотехническая система автоматической синхронизации терминалов ЛЧМ ионозонда, предназначенного для диагностики изменяющегося многомерного ВЧ радиоканала и использующая сжатие зондирующего сигнала в частотной области.
Предмет исследования: новые научные знания об основных параметрах многомерного ВЧ радиоканала, о влиянии на них медленных вариаций параметров и его размерности, об обобщенном алгоритме автоматической синхронизации панорамного ионозонда с непрерывным ЛЧМ сигналом с учетом влияния условий его распространения в канале и протяженности трассы.
Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертационной работы определяются использованием адекватного математического аппарата, статистически достаточным набором экспериментальных данных и их репрезентативностью. Кроме того, она обеспечивается соответствием результатов, полученных путем имитационного моделирования с результатами экспериментальных исследований, выполненных в рамках данной работы, а также проверкой на соответствие независимым выводам других авторов; повторяемостью результатов на больших объемах экспериментальных данных.
Положения, выносимые на защиту:
-
-
Алгоритмы: расчета интегрального профиля задержки (ИПЗ) и полосы пропускания многомерного ионосферного ВЧ радиоканала; анализа многомерного ВЧ радиоканала с помощью ИПЗ; определения координат контрольных точек зондирования (КТЗ) трассы по координатам передающего и приемного терминалов ионозонда; расчета профилей общей энергии ИХ парциальных каналов.
-
Алгоритмы вхождения в синхронизм и подержания синхронизма терминалов устройства панорамного ЛЧМ зондирования многомерного стохастического ВЧ радиоканала.
-
Созданные новые пакеты прикладных программ, позволяющие реализовать разработанные алгоритмы с целью повышения эффективности работы аппаратно-программного комплекса ЛЧМ ионозонда в части решения задач исследования особенностей наклонного распространения радиоволн.
-
Результаты вычислительных и натурных экспериментов по исследованию областей априорной неопределенности параметров синхронизации систем наклонного зондирования многомерного стохастического ВЧ радиоканала для трасс различной протяженности и географической ориентации с целью разработки рекомендаций по их использованию.
Научная новизна работы
-
-
-
Разработаны алгоритмы вычислительного и натурного экспериментов по исследованию статистически устойчивых характеристик ионосферного распространения ВЧ радиосигналов с различными средними частотами спектра. Получены формулы для расчета:
координат контрольных точек зондирования (КТЗ) трассы по координатам передающего и приемного терминалов ионозонда для определения основных характеристик многомерного ВЧ радиоканала;
частотного профиля общей энергии ИХ для многомерного канала, полосы пропускания многомерного канала и его параметров;
интегрального профиля задержки (ИПЗ) многомерного канала и его параметров.
-
Сформулированы требования к точности и временной стабильности частот тактовых генераторов терминалов ионозонда, влияющих на величину скорости изменения частоты их ЛЧМ синтезаторов, построенных по методу прямого цифрового синтеза.
-
Предложены адаптивные алгоритмы автоматического вхождения в синхронизм и поддержания синхронизма терминалов ЛЧМ ионозонда, основанные на разработанных методиках и предназначенные для работы в сети зондирования многомерных стохастических ВЧ радиоканалов. Создан пакет прикладных программ, реализующий разработанные радиотехнические алгоритмы автоматического вхождения и поддержания синхронизма при сетевой работе ЛЧМ ионозонда.
4. Получены новые результаты вычислительных и натурных экспериментов по исследованию параметров синхронизации при наклонном распространении в различное время суток и соответствующих всем сезонам на трассах с различной географической ориентацией и протяженностью, что позволило:
-
сопоставить теоретические и экспериментальные зависимости математического ожидания с доверительными интервалами средней задержки и интервала задержки за год средней солнечной активности от времени суток;
-
получить трехмерные распределения профиля общей энергии импульсной характеристики от частоты и долгосрочного интегрального профиля задержки;
-
получить значения основных параметров синхронизации для среднеширотных радиолиний различной протяженности и географической ориентации;
-
разработать рекомендации по созданию запасов при задании параметров многомерного канала для надежного обнаружения и измерения зондирующих сигналов во всех парциальных каналах из полосы частот от НПЧ до МПЧ.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Основные практические результаты диссертационной работы связаны с повышением эффективности работы радиотехнических систем ВЧ радиосвязи путем сокращения от 10 до 80% времени работы подсистемы радиозондирования многомерных высокочастотных радиоканалов.
Разработанные методики и алгоритмы являются базой для создания автоматизированных систем синхронизации в адаптивных системах ВЧ радиосвязи и в ионосферных исследованиях.
На основе анализа трехмерных распределений профилей общей энергии импульсной характеристики и долгосрочных интегральных профилей задержки разработаны рекомендации по использованию полученных параметров для автоматической синхронизации систем зондирования ВЧ диапазона.
Результаты, полученные автором, использованы при выполнении НИР в следующих организациях: ОАО Концерн «Созвездие», ОАО Концерн ПВО «Алмаз-Антей», Управление Федеральной службы по надзору в сфере связи и массовых коммуникаций по Республике Марий Эл, Поволжский государственный технологический университет, а также внедрены в учебный процесс в Поволжском государственном технологическом университете при подготовке бакалавров и магистров по направлениям: 210700 - «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»; 210400 - «Телекоммуникации».
Личный творческий вклад автора. В работах [1, 4, 9, 13, 18] автором проведено научное обоснование и разработка новых радиотехнических алгоритмов расчета статистически устойчивых характеристик многомерного ионосферного ВЧ радиоканала. В работах [2, 5, 8, 10, 12, 17] проведено теоретическое обоснование, исследование и разработка алгоритмов вхождения в синхронизм и поддержания синхронизации терминалов устройства наклонного зондирования многомерного стохастического ВЧ радиоканала. В работах [5, 6, 7, 16] представлены созданные новые пакеты прикладных программ. В работах [3, 11, 14, 15, 19] представлены результаты вычислительных и натурных экспериментов по исследованию параметров синхронизации систем наклонного зондирования многомерного стохастического ВЧ радиоканала. Автором получены все выносимые на защиту положения, сформулированы научные выводы.
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, были представлены на Всероссийском научно-техническом семинаре «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания» (Нижний Новгород, 2010), Международном научно- техническом семинаре «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания» (Одесса, 2011); Международном научно- техническом семинаре «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в телекоммуникациях (Йошкар-Ола, 2012); LXV научной сессия, посвященной Дню радио (Москва, 2010); III Всероссийской научной конференции «Всероссийские радиофизические научные чтения-конференция памяти Н.А.Арманда» (Муром, 2010, 2012); XVI, XVII международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2010, 2011, 2012); 51, 52 научных конференциях МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (2008, 2009 Москва-Долгопрудный); международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» (2011, Казань); 16, 17 Международных научно-технических конференциях «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»(2010, 2011, Москва); международной Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике (2011, Иркутск), международных молодежных научных конференциях по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» (2009-2012, Йошкар-Ола).
Автором получено 4 диплома первой степени и 3 золотые медали всероссийских и международных конференций и выставок.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 21 работа, в том числе: 6 в журналах, рекомендованных ВАК, 2 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Она содержит 159 страницу основного текста, 51 иллюстрацию, 13 таблиц, список цитируемой литературы из 137 наименований.
Похожие диссертации на Разработка и исследование алгоритмов автоматической синхронизации комплексов панорамного радиозондирования ионосферы непрерывным ЛЧМ сигналом
-
-
-
