Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности распространения коротких радиоволн и перспективные направления развития систем КВ-радиосвязи 19
1.1. Основные параметры ионосферы и методы их прогнозирования 19
1.2. Характеристики ионосферного распространения коротких радиоволн и методы их прогнозирования 23
1.2.1. Отражение и преломление KB в ионосфере 24
1.2.2. Частотные характеристики наклонно отраженных радиоволн 25
1.2.3. Поглощение KB в ионосфере 28
1.2.4. Углы излучения и приема при распространении KB модом 1F2...29
1.2.5. Способы распространения КЕЗ и многолучёвость сигнала 30
1.3. Основные характеристики КВ-радиосвязи и особенности её применения 34
1.3.1. Рабочие частоты 34
1.3.2. Скорости передачи информации 36
1.3.3. Случайные изменения амплитуд КВ-сигнала 38
1.3.4. Виды модуляции информационных сигналов в KB диапазоне 39
1.3.5. Характеристики радиопомех в KB диапазоне 41
1.4. Принципы построения систем КВ-радиосвязи с ретранслятором, вынесенным за зону расположения абонентов 44
1.5. Анализ возможностей повышения эффективности систем КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором 46
1.6. Выводы к разделу 1 47
2. Алгоритмы оптимизации рабочих частот в системе КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором 49
2.1. Структура системы КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором и требования к аппаратуре наклонного зондирования ионосферы 49
2.2. Обоснование набора измеряемых параметров НЗ 51
2.3. Программное обеспечение для расчётов и прогнозирования параметров ионосферы и характеристик распространения KB 54
2.3.1. Расчёт и прогнозирование основных параметров ионосферы Mn41F2, MH42F2, углов излучения и приёма для мода 1F2 54
2.3.2. Расчёт и прогнозирование MH41F2, ННЧП;2в 57
2.3.3. Расчёт и прогнозирование напряжённости поля KB 65
2.4. Алгоритмы управления оптимальными рабочими частотами для зоновой системы КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором 66
2.4.1. Определение исходных данных 66
2.4.2. Алгоритмы определения рабочих частот радиосвязей между абонентами и ВРП 67
2.4.3. Алгоритмы определения рабочих частот радиосвязей между ВРП и абонентам зоны 70
2.5. Выводы к разделу 2 71
3. Методики оптимизации систем КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором 73
3.1. Применение разнесённого приёма для обработки сигналов на вынесенном ретрансляторе 73
3.2. Оценка энергетической эффективности разнесённого приёма 75
3.3. Оценка энергетической эффективности помехоустойчивого кодирования информации 78
3.4. Оценка выигрыша в мощности передатчика при использовании помехоустойчивого кодирования и разнесённого приема 82
3.5. Оптимизация диаграммы направленности антенны ВРП 84
3.5.1. Методика прогнозирования характеристик направленности приёмо-передающей антенны ВРП 84
3.5.2. Сравнение измеренных и прогнозируемых распределений углов места KB 89
3.6. Оптимизация удалений ВРП от центра зоны расположения абонентов...92
3.7. Техническая реализация антенны ВРП 98
3.7.1. Синтез приёмо-передающей антенны для радиолинии 98
3.7.2. Техническая реализация приёмо-передающей антенны ВРП для заданной зоны расположения абонентов систем КВ-радиосвязи 100
3.7.3. Долгосрочное прогнозирование оптимальных рабочих частот для системы КВ-радиосвязи с ВРП 102
3.8. Выводы к разделу 3 104
4. Характеристики оптимизированной системы КВ-радиосвязи для передачи дискретной информации через вынесенный ретранслятор 105
4.1. Методика оптимизации мощности абонентской радиостанции 106
4.2. Анализ результатов расчётов вероятностей ошибочного приёма для различных вариантов реализации систем КВ-радиосвязи 110
4.3. Оценка мощностей радиопередатчиков в оптимизированной системе КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором 113
4.3.1. Мощности радиостанций абонентов 1 13
4.3.2. Выигрыш в мощности радиопередатчиков по сравнению с системой радиосвязи без ретранслятора 115
4.3.3. Оценка мощности радиопередатчика ВРП 1 16
4.3.4. Управление системой в процессе эксплуатации 118
4.4. Выводы к разделу 4 119
Заключение 121
Список использованных источников 123
- Частотные характеристики наклонно отраженных радиоволн
- Обоснование набора измеряемых параметров НЗ
- Оценка энергетической эффективности помехоустойчивого кодирования информации
- Анализ результатов расчётов вероятностей ошибочного приёма для различных вариантов реализации систем КВ-радиосвязи
Введение к работе
Актуальность темы. Основной задачей радиотехники является передача ' информации посредством и:шучения и приёма радиоволн, что важно для нормальной жизнедеятельности каждого человека и общества в целом. С этой целью используют различные диапазоны частот, но сохраняется интерес к коротким радиоволнам (KB) дайной А=3-30м для радиосвязи на расстояния до нескольких тысяч километров. Системы КВ-радиосвязи более устойчивы к внешним воздействиям и могут применяться на различных подвижных объектах (самолётах, кораблях и др.), расположенных в труднодоступных районах. Известные недостатки систем КВ-радиосвязи - низкая надёжность и пропускная способность радиоканалов, сравнительно большой вес, габариты и энергопотребление аппаратуры.
Для повышения эффективности систем КВ-радиосвязи можно использовать ретранслятор, вынесенный за зону расположения абонентов системы КВ-радиосвязи. Эта идея впервые высказана Е.Ф. Камневым и разработана О.В. Головиным. Очевидные преимущества систем КВ-радиосвязи с вынесенным ретрансляционным пунктом (ВРП) - применение направленных приёмо-пере-дающих антенн ВРП, а также более высоких рабочих частот, для которых меньше поглощение KB в ионосфере и меньше уровни атмосферных и станционных помех. В результате можно повысить отношения сигнал/помеха, повысить надёжность системы, решить вопросы взаимодействия абонентов систем.
Другая возможность повышения эффективности КВ-радиосвязи заключается в применении метода наклонного зондирования (НЗ) ионосферы. Важный вклад в развитие этого метода внесли К. Дэвис, Р. Фенвик, В.Б. Смирнов, В.А. Иванов, А.П. Потехин, В.И. Куркин и др. Поэтому актуальны разработки в области применения метода НЗ в системах КВ-радиосвязи с ВРП, что позволит выбирать оптимальные рабочие частоты (ОРЧ), обеспечивающие повышение вероятности приёма одиолучёвых сигналов и повышение скорости передачи информации на радиолиниях абоненты-ВРП. Новые возможности решения этих задач даёт определение эффективных индексов активности Солнца и учёт рассеяния радиоволн в ионосфере по данным НЗ (А.И. Агарышев).
При использовании ОРЧ наиболее вероятно распространение KB между ВРП и абонентом способом (модом) 1F2, т.е. одним отражением от слоя F2 ионосферы. Поэтому актуальна задача оптимизации приемо-передающих антенн ВРП для наилучшего приема радиоволн, распространяющихся этим способом, и подавления многолучёвостя сигнала, обусловленной другими модами. Для решения этой задачи важно использовать экспериментальные данные об угловых характеристиках KB, полученные А.И. Агарышевым и В.Е. Унучковым. При этом актуальной становится задача оптимизации удаления ВРП от центра зоны обслуживания абонентов по критерию максимума напряженности поля KB для мода 1F2, в отличие от критерия минимальной вероятности ошибок приёма многолучевого сигнала, что даёт удаление ВРП на «2500-3000 км.
Повышение эффективности КВ-радиосвязи обеспечивает также применение разнесённого приема и помехоустойчивого кодирования информации. По-
этому актуальны разработки вопросов оптимизации применения этих методов для зоновых систем КВ-радиосвязи с ВРП.
Таким образом, комплексная оптимизация систем КВ-радиосвязи на основе обеспечения приёма одномодовых сигналов и применения современных методов обработки сигнала является актуальной научно-технической задачей, решение которой позволит существенно повысить эффективность этих систем, в том числе уменьшить мощности радиостанций абонентов, что особенно важно для радиосвязи между подвижными объектами.
Система КВ-радиосвязи с ВРП является сложной системой, которая находится под воздействием внешних факторов случайного характера, из которых наиболее существенны изменения ионосферы Земли и радиопомехи. Поэтому актуальны разработки вопросов управления системой.
Цель диссертации заключается в обосновании возможностей повышения эффективности систем КВ-радиосвязи с ретранслятором, вынесенным за зону расположения абонентов, на основе разнесенного приема на ретрансляторе и оптимизации рабочих частот по данным наклонного зондирования ионосферы, оптимизации приёмо-передающих антенн и местоположения ретранслятора.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Разработана методика оптимального управления рабочими частотами в
системе КВ-радиосвязи с ВРП, основанная на определении частотных диапазо
нов распространения KB с минимальной многолучёвостью по данным НЗ.
-
Разработана и экспериментально проверена методика оптимизации приемо-передающих антенн ВРП, основанная на прогнозах углов излучения и приема в вертикальной плоскости для различных условий распространения КВ.
-
Разработана методика оптимизации местоположений ВРП для зон обслуживания абонентов различных размеров и конфигураций по критерию максимума напряженности поля KB, распространяющихся способом 1F2.
-
Получены аналитические выражения для расчета вероятностей ошибочного приёма, на основе которых даны рекомендации по применению помехоустойчивых кодов и разнесённого приёма.
-
Разработана методика оптимизации мощностей радиопередатчиков ВРП и радиостанций абонентов для заданных вероятностей ошибочного приема.
По результатам выполненных исследований можно сформулировать следующие основные положения, выносимые на защиту:
-
Повышение надёжности и пропускной способности систем КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором возможно на основе разработанных методик, обеспечивающих приём одномодового сигнала благодаря оптимизации рабочих частот, приёмо-передающих антенн, местоположения ретранслятора и применению пространственно-разнесённого приёма на ретрансляторе.
-
Максимальную напряжённость поля радиоволн, распространяющихся модом 1F2, даёт удаление ретранслятора от центра зоны расположения абонентов системы радиосвязи примерно на 1500 км для зоны размером 500 км и примерно на 2000 км для зоны размером 1000 км, в отличие от рекомендуемого ранее удаления 2800 км, соответствующего минимуму межмодовых задержек.
3. Возможность применения радиостанций абонентов мощностью меньше, чем 10 Вт, в системах радиосвязи с вынесенным ретранслятором обеспечивает разнесённый приём на ретрансляторе и оптимизация: 1) рабочих частот по данным НЗ ионосферы; 2) диаграмм направленности антенн ретранслятора; 3) удаления ретранслятора от зоны расположения абонентов.
Таким образом, предметом исследований являются системы КВ-радиосвязи с ретранслятором, вынесенным за зону расположения абонентов.
Методы исследований заключались в применении математических методов для получения выражений, позволяющих оценить эффективность применения разнесённого приема и помехоустойчивого кодирования для радиоканалов с рэлеевскими замираниями амплитуд радиоволн, а также в применении компьютерного моделирования и анализа экспериментальных данных.
Достоверность и обоснованность основных результатов и выводов работы определяется детальным анализом работы систем КВ-радиосвязи с использованием известных методов прогнозирования характеристик KB, сравнением результатов расчетов с экспериментальными данными, большим объемом выполненных расчётов и их корректной статистической обработкой, анализом работы исследуемой системы для наихудших условий прохождения КВ.
Научпая новизна работы состоит в том, что впервые:
-
Поставлена и решена задача оптимизации зоновой системы КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором по критерию максимума напряженности поля при распространении радиоволн способом 1F2.
-
Выявлена зависимость оптимального расположения ретранслятора от размеров и конфигурации зоны обслуживания абонентов системы.
-
Получены формулы, позволяющие рассчитать вероятности ошибочного приема символов дискретной информаціш при совместном использовании помехоустойчивого кодирования и разнесённого приёма на ретрансляторе.
-
Показаны новые возможности существенного повышения эффективности систем КВ-радиосвязи на основе оптимизации систем с ретрансляторами, вынесенными за зоны обслуживания абонентов, что обусловлено уменьшением веса, габаритов, энергопотребления и стоимости радиостанций абонентов, а также повышением надёжности и скорости передачи информации.
Результаты работы внедрены в ИВВАИУ при выполнении НИР "Радиосвязь", в ООО ОА "Форпост" (проектирование устройств разнесённого приема с целью повышения надёжности приема данных), в учебном процессе Иркутского государственного технического университета (лекции, курсовой проект и лабораторные работы по дисциплине "Системы радиосвязи").
Практическая значимость работы в том, что обоснованные в диссертации рекомендации можно использовать при проектировании и эксплуатации систем КВ-радиосвязи различного назначения (авиационных, корабельных и др.), а именно: при формулировке требований к аппаратуре систем, разработке алгоритмов функционирования аппаратуры, определении взаимного расположения радиосредств, выборе конкретных средств, а также в оценках эффективности перспективных систем радиосвязи КВ-диапазона различного назначения.
Апробация работы. Основные результаты и выводы, обоснованные в диссертации, докладывались и обсуждались на IV, VI, VII и IX Всероссийских с международным участием научно-технических конференциях "Современные проблемы радиоэлектроники" (г. Красноярск, 2002,2004,2005,2007 гг.), на ежегодной Всероссийской научно-практической конференции "Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири" (г. Иркутск, ИрГТУ, 2003, 2004 гг.), на научно-практической конференции "Технико-экономические проблемы развития регионов" (г. Иркутск, ИрГТУ, 2005 г.), на I-VIII межвузовских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные проблемы радиоэлектроники и связи" (г. Иркутск, ИрГТУ, 2002-2009 гг.), на XII, XIV, XV Всероссийских научно-технических конференциях "Проблемы повышения боевой готовности, боевого применения, технической эксплуатации и обеспечения безопасности полётов летательных аппаратов" (г. Иркутск, ИВВАИУ, 2002, 2005, 2008 гг.), на П-ой студенческой научно-практической конференции "Актуальные проблемы и перспективы развития гражданской авиации России" (г. Иркутск, ИФ МГТУ ГА, 2009 г.), а также на научных семинарах в ИрГТУ, ИрГУПС и ИВВАИУ.
Личный вклад автора. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1-18] (доклады, статьи, учебное пособие, монография), являются оригинальными и получены либо автором, либо при его непосредственном участии. Постановка задач, разработка методики оптимизации рабочих частот и мощностей радиопередатчиков, анализ экспериментальных данных, обобщение результатов диссертации выполнены совместно с научным руководителем.
Автором самостоятельно разработаны методики оптимизации приёмопередающих антенн, удалений до ретранслятора, получены формулы для расчета вероятностей ошибок, разработаны алгоритмы и программы для ЭВМ, выполнены расчеты и графическое представление данных.
Объем и структура работы. Диссертанта состоит из введения, 4-х разделов, заключения и приложения общим объемом в 141 страницу, включая список используемых источников из 130-ти наименований, 8 таблиц и 39 рисунков.
Частотные характеристики наклонно отраженных радиоволн
Ионосфера Земли - это сложная среда, существующая благодаря воздействию излучения Солнца на атмосферу, более жесткого по сравнению с видимым светом. Вблизи поверхности Земли атмосфера состоит из электрически нейтральных газов, плотность которых убывает с высотой по известной барометрической формуле [1.7,1.14,1.16]. Согласно известным экспериментальным данным [1.3,1.45] ионизация этих газов начинается от высот 60 км, до которых проникают компоненты излучения Солнца, соответствующие жесткому ультрафиолету. При воздействии этих компонент из нейтральных молекул «выбиваются» электроны и появляются положительно заряженные ионы. Плотность ионов и свободных электронов растёт с высотой, так как растет плотность потока ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца, которое меньше поглощает атмосфера Земли, плотность которой падает с высотой. В результате всех рассмотренных процессов образуется максимум плотности электронов.
Такой упрощенный анализ, соответствующий простому слою или слою Чепмена [1.16], позволяет в первом приближении понять процессы образования основного слоя ионосферы или слоя F2. Более детальный анализ, учитывающий сложный газовый состав ионосферы, различные химические реакции образования ионов, высотную зависимость температуры атмосферы, рекомбинацию электронов с ионами, диффузию заряженных частиц и ряд других процессов [1.7,1.10,1.32,1.43], позволяют объяснить появление других слоев с меньшей плотностью электронов, которые названы слоями Е и FI [1.3,1.16].
При использовании спектров излучения Солнца и учёта физических процессов взаимодействия этого излучения с атмосферой разработаны теоретические модели, позволяющие задавать высотные зависимости параметров ионосферы для различных условий, например, модели [1.7,1.23]. Однако реализация таких моделей требует больших объемов вычислений и не обеспечивает необходимую точность прогнозов состояния ионосферы, что обусловлено неизбежными ошибками при задании большого числа исходных данных. Поэтому теоретические модели ионосферы не нашли широкого применения в прогнозировании характеристик распространения декаметровых (коротких) радиоволн, что необходимо при проектировании КВ-радиолиний и систем КВ-радиосвязи.
Наиболее полная информация об ионосфере в настоящее время получена с применением различных радиофизических методов вертикального и наклонного зондирования среды [1.3,1.9,1.16,1.19-1.22,1.39,2.39,2.76,3.1], основанных на излучении радиоволн и измерении характеристик отраженных от ионосферы сигналов, либо сигналов, проходящих через ионосферу [1.4,1.45,2.70].
Систематические измерения параметров ионосферы были выполнены методом импульсного вертикального зондирования радиоволнами с рабочей частотой, меняющейся за время -100 с в диапазоне -1-15 МГц [1.3,1.9,1.20, 1.44, 2.40, 2.71], в том числе ионозондами, расположенными на ИСЗ [2.69]. Эти измерения выполнялись в течение -50-ти лет на -100 станциях вертикального зондирования (ВЗ) ионосферы, расположенных в различных пунктах.
Монограммы ВЗ, т.е. частотные зависимости групповых задержек между излученным и принятым импульсами, регистрировались на мировой сети станций ВЗ через каждые 15 минут, что позволило получить достаточный массив экспериментальных данных для основных параметров ионосферы и построить так называемые эмпирические или статистические модели ионосферы [1.17, 1.42, 2.77]. Именно такие модели наиболее широко используются при проектировании линий и систем КВ-радиосвязи при разработке методик оптимизации зоновых систем КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором.
Наиболее важный параметр ионосферы - это критическая частота foF2 следа обыкновенной компоненты отраженной слоем F2 радиоволны на ионо-грамме ВЗ, т.е. частота, выше которой отражение такой радиоволны невозможно. Наличие обыкновенной и необыкновенной компонент при отражении радиоволн от ионосферы обусловлено влиянием магнитного поля Земли [1.3, 1.16], которое наиболее существенно при ВЗ ионосферы.
При наклонном распространении KB на радиолиниях длиннее -500 км влияние магнитного поля Земли для большинства практически важных задач можно не учитывать [1.16,2.63], т.е. учитывать результаты измерений методом ВЗ только для обыкновенной компоненты радиоволны. Поэтому прикладные модели ионосферы основаны на измерениях критических частот для таких компонент, отраженных слоями Е, Fl, F2 ионосферы (foE, foFl, foF2).
К основным параметрам ионосферы относят также коэффициент M(3000)F2 (далее для краткости М), определяемый соотношением [1.17,1.42]: МП 4(3000) =foF2 х M(3000)F2, (1.1) где МПЧ(ЗООО) - максимальная применимая частота для наклонного отражения радиоволны от слоя F2 ионосферы на дальность 3000 км, определяемая при наложении стандартной кривой передачи на ионограмму ВЗ [1.16]. Использование параметров foE, foFl, foF2, M(3000)F2 позволяет для заданной модели зависимости плотности электронов N от высоты h (/V(/ -профиля) определить еще один важный параметр ионосферы - высоту hmF2, соответствующую высоте главного максимума плотности электронов [2.80, 2.81].
В работе [2.18] обосновано выражение для высоты Нм эквивалентного треугольника, построенного согласно теоремам эквивалентности [1.16] для наклонного отражения от ионосферы радиоволны с рабочей частотой /=гМПЧ: Нм = I486 (М2 - i) 0J - / 76, км (1.2)
Известные статистические модели ионосферы [1.17,1.42,2.77] основаны на усредненных суточных зависимостях основных параметров ионосферы для различных месяцев, уровней активности Солнца W и станций ВЗ ионосферы. Эти зависимости аппроксимируются аналитическими функциями, а затем выполняется интерполяция усредненных результатов измерений параметров ионосферы в зависимости от географических координат.
Прогнозы сглаженных усредненных относительных чисел солнечных пятен W на основе 11-ти летнего цикла активности Солнца [1.3,1.16] позволяют рассчитать основные параметры ионосферы при задании географических координат, времени суток и дня года. Статистические модели [1.17,1.42, 2.77] отличаются между собой видом аппроксимирующих функций, а также количеством и значениями коэффициентов интерполяции. Нами выбрана модель [2.77], рекомендованная к применению Международным консультативным комитетом по радио (МККР). Эта модель обеспечивает приемлемую точность прогнозирования основных параметров ионосферы при сравнительно небольшом числе коэффициентов интерполяции, которые принято называть «коэффициенты Осло-88». Ниже в разделах 2-4 использована реализация этой модели в программе SIXTH [2.27], где имеется загрузочный модуль на языке Pascal. Эта программа позволяет при задании даты и уровня активности Солнца W рассчитывать значения foE, foF2, Нм для различных часов суток с заданным шагом вдоль радиолинии, которая задана широтой и долготой передатчика и приемника.
Обоснование набора измеряемых параметров НЗ
Поглощение радиоволн в ионосфере обусловлено столкновениями свободных электронов, которые совершают колебания в поле волны, с нейтральными молекулами газов [1.3,1.14,1.16,1.23]. В результате этих столкновений энергия радиоволны переходит в тепловую энергию атмосферы. Плотность нейтральной атмосферы падает с ростом высоты и на высотах слоя F2 наблюдается практически полная ионизация. Поэгому основной вклад в поглощение KB вносят области D и Е ионосферы на высотах 70-120 км 11.3,1.14,1.16].
Удобный для применения метод прогнозирования поглощения KB предложен А.Н. Казанцевым [1.26,1.28,1.31]. Согласно этому методу коэффициенты поглощения KB в слоях D, Е, FI, F2 являются функциями критической частоты слоя Е (foE), которая измеряется при ВЗ и прогнозируется статистическими моделями [2.11,2.32]. Эти функции приведены в инструкции [1.28] и могут быть уточнены с учётом результатов численного моделирования 2.17. Важно отметить, что коэффициенты поглощения пропорциональны отношениям (foE/f) , т.е. с уменьшением рабочих частот поглощение KB существенно увеличивается. Поэтому для решения практических задач КВ-радиосвязи важно прогнозировать также наинизшую наблюдаемую частоту (ННЧ).
Прогнозы поглощения KB в ионосфере являются также составной частью прогнозов наиболее важной характеристики распространения KB - напряженности поля полезного сигнала [2.79]. На основе этих прогнозов решаются вопросы выбора мощности передатчика, коэффициента усиления антенны, чувствительности радиоприемника, определяются отношения сигнал/помеха, надёж ность радиосвязи и вероятности ошибочного приема, определяются также значения ННЧ, соответствующие заданному критерию качества радиосвязи.
Для решения этих задач в разделах 2-4 диссертации используется также рекомендованный МККР метод MIN1FTZ [2.77], основанный на обобщении экспериментальных данных. Использование программной реализация этого метода [2.27] позволило выполнить большой объём расчетов с целью оптимизации зоновых систем КВ-радиосвязи с ВРП.
Углы излучения и приема при распространении KB модом IF2
Прогнозы средних значений углов излучения и приёма KB в вертикальной плоскости (углов места /?), а также распределений этих углов необходимы для оптимизации диаграмм направленности (ДН) приёмо-передающих антенн [2.46] и решения других вопросов разработки систем КВ-радиосвязи, что показывает, раздел 3 диссертации для системы зоновой КВ-радиосвязи с ВРП.
Предающие антенны должны быть спроектированы таким образом, чтобы их диаграммы направленности обеспечивали наибольшую интенсивность волн (лучей), достигающих места приема с наименьшим затуханием, а диаграммы направленности приемных антенн должны по возможности обеспечить наиболее интенсивный прием таких лучей. С этой целью широко используют приближенные методы, например, в виде известных графиков зависимостей углов места от дальности радиолинии [1.2], построенных с использованием теорем эквивалентности [1.16] для действующих высот отражения от ионосферы в диапазоне 250-350 км и дальностей радиолиний D 1500 км. По этим усредненным для различных ситуаций графикам определяют ориентацию главного лепестка ДН приемо-передающих антенн в вертикальной плоскости. Например, для D=1500 км значения/? для мода 1F2 могут меняться в диапазоне 12- 20.
Однако высоты отражения декаметровых радиоволн от ионосферы сложным образом зависят от географических координат, времени суток, сезона, уровня активности Солнца и других случайных факторов. Кроме того, согласно результатам измерений и расчётов, приведённым в работах (2.3,2.5,2.8-2.10, 2.14,2.31,2.32,2.52], изменения параметров ионосферы вдоль радиолинии суще ственно влияют на углы приёма и излучения KB в вертикальной плоскости, когда при наличии таких изменений эти углы могут отличаться. Для учёта перечисленных выше факторов были разработаны более полные и точные методы прогнозирования углов приёма и излучения KB, такие как метод характеристик [1.33, 2.65], использованный для интерпретации результатов выполненных нами измерений [2.32]. Для выполнения массовых расчётов характеристик KB, что необходимо при проектировании и эксплуатации систем КВ-радиосвязи, нами разработаны оперативные (быстродействующие) методы и алгоритмы [2.10] и [2.18], реализованные в программе SIXTH [2.27], что позволило использовать эти методы для оптимизации ДН приёмо-передающих антенн ВРП.
Способы распространения KB и многолучёвость сигнала Радиоволны КВ-диапазона могут приходить к приёмнику после нескольких отражений от регулярных слоев ионосферы Е, FJ, F2, параметры которых можно прогнозировать. Если углы падения радиоволны на эти слои ниже критических углов (подраздел 1.2.1), то волна отражается этими слоями, а лежащие выше слои экранируются. Если эти углы выше критических, то волна преломляется через нижний слой, но может отражаться более высоким слоем (рисунок 1.1). Поэтому виды траекторий KB между передатчиком и приемником зависят от дальности радиолинии, от отношений рабочих частот к критическим частотам слоев и ряда других рассмотренных ниже факторов.
Кроме регулярных слоев ионосферы на высотах = 95-1 10 км может развиваться нерегулярный (спорадический) слой Es, который характеризуется вероятностями появления для данных условий [2.25], а также измеряемыми на станциях ВЗ ионосферы параметрами - критической частотой f„Es и частотой экранирования вышележащих слоев fhEs [2.7,2.8]. В отличие от регулярных слоев ионосферы слой Es в диапазоне частот fhEs - f()Es является полупрозрачным, т.е. часть энергии радиоволны проходит через него, а часть отражается в направлении к Земле. Свойство полупрозрачности слоя Es для наклонного распространения радиоволн иллюстрирует рисунок 1.1 [1.12].
Оценка энергетической эффективности помехоустойчивого кодирования информации
Эта задача в разделе 3 представленной диссертационной работы решалась с помощью программы MINIFTZ1, реализующей известный метод MINIFTZ [2.75]. Использованная программа позволяет рассчитывать значения напряжен-ностей поля радиоволн в пункте приема Е в дБ относительно 1 мкВ/м на десяти заданных рабочих частотах, а также значение напряженности поля DBU для частоты FOT, обеспечивающей близкую к максимальной напряжённость поля для надёжности КВ-радиосвязи 90%, когда вероятность нарушения радиосвязи из-за превышения рабочей частоты над значениями MJT41F2, меняющимися по случайному закону из-за случайных вариаций foF2, не превышает 10%.
Отметим, что значение FOT близко к определению ОРЧ по формуле 1.4 из пункта 1.3.1 и близко к значениям ННЧП::2в, прогнозируемым по разработанным в данном разделе диссертации алгоритмам. Тем самым прогнозируемое программой MINIFTZ 1 значение FOT отличается от результатов прогнозов по этим алгоритмам диапазонов ОРЧ, обеспечивающих подавление многолучёво-сти сигнала. Однако значения напряжённостей поля KB в этом диапазоне меняются достаточно медленно по сравнению с более высокими и более низкими рабочими частотами и близки к значения DBU, прогнозируемым программой MINIFTZ1, что показали результаты модельных расчётов по этой программе.
Для прогнозирования средних значений напряжённостей поля по программе MINIFTZ 1 задаются географические координаты передатчика и приёмника, мировое время UT, месяц, уровень активности Солнца W, мощность передатчика и коэффициент усиления передающей антенны. Задаётся также минимальный угол приёма, что позволяет учесть существенное уменьшение коэффициента усиления типовых антенн KB диапазона для углов места 2, а также экранировку горизонта местными предметами. Для расчетов средних значений Е в строке процент времени необходимо задать 50. При задании "S" в строке путь рассчитывается напряженность поля при распространении радиоволн по наиболее короткому пути между передатчиком и приемником, а при задании "L" - по длинному пути через обратную сторону Земли.
В результате первичной обработки экспериментальных данных НЗ ионосферы, методика гюлучения которых рассмотрена выше в подразделе 2.2, имеем сглаженные зависимости MH41F2(t), MFI41F2(t), HH41F2B(t), MH42F2(t) от времени t. Использование этих данных позволяет реализовать однолучёвый приём сигналов на радиолинии передатчик НЗ-ВРП по результатам измерений диапазонов частот MH42F2-HH41F2B В моменты регистрации ионограмм НЗ. Однако для определения рабочих частот абонентов зоновой системы КВ-радиосвязи с ВРГ1 необходимы прогнозы этих диапазонов вперёд по времени, а также по пространству зоны расположения абонентов. Основы таких прогнозов разработаны в этом подразделе диссертации и наших работах [2.1,2.34,2.74].
Основная особенность разработанных прогнозов заключается в определении параметров, которые по сравнению с исходными данными меняются более медленно по времени, в меньшей степени зависят от географических координат, не зависят от радиолинии и способа распространения. Такими параметрами являются эффективный индекс активности Солнца \э и эффективный параметр рассеяния KB э (см. выше подраздел 1.1 и пункт 1.2.2). Для определения этих параметров предлагается следующая последовательность операций:
1) определение \э посредством итераций значениями индексов активности Солнца W, как входными параметрами программы SIXTH (см. выше пункт 2.3.1), до тех пор, пока модуль разности рассчитанной MH41F2 и последнего значения временного ряда MFI41 F2(t) не станет меньше 0.1 МГц;
2) определение отношений k=MH41F2(t)/Mn41 F2(t) для последних значений временных рядов;
3) расчёт значений МПЧ для радиолинии передатчик НЗ - ВРП по программе «Ионосфера-1», где исходные данные (./„, hlin уш) для середины радиолинии задаются с помощью программы SIXTH и значения рабочих частот/мс няются до тех пор, пока модуль разности дальности этой радиолинии Dp и дальности «мёртвой зоны» не станет меньше 2 км, тоща f= МП4(DP);
4) изменение параметра рассеяния S, как входного параметра программы «Ионосфера-1» и расчёт MH4(DP) для известного порога надёжного приёма ІЦ по методике, изложенной выше в пункте 2.3.2, до тех пор, пока модуль разности экспериментального к и расчётного отношений MH4(DP ,5э)/МПЧ(/)/ ) не станет меньше 0,01.
Таким образом, значения параметров \Уэ, Ss определяются посредством итераций, программная реализация которых не представляет затруднений, так как зависимости МПЧ(Жэ), МНЧ(5э) являются монотонно возрастающими.
В итоге имеем зависимости \з(ї) и Sd(t) от времени t, которые дополнительно сглаживаются, что даёт прогноз этих параметров вперед по времени до следующей ионограммы ИЗ. Прогнозируются также поправочные коэффициенты K2(t) и KJ(t), равные отношениям сглаженных измеренных значений MH42F2(t) и HH41F2e(t) к соответствующим значениям, рассчитанным по значениям Wa(t) и Ssfl) с помощью программ SIXTH и «Ионосфера-1».
Значения Ws(t), Sd(t), K2(t), Kl(t) обновляются после каждого сеанса НЗ, а затем используются в оперативных прогнозах диапазонов MH42F2-HH41F2B для заданных моментов времени и заданных радиолиний ВРП - абоненты. На основе этих прогнозов назначаются оптимальные рабочие частоты (ОРЧ) для передачи информации между абонентами зоны. Алгоритмы определения этих частот предлагаются в следующем пункте.
Анализ результатов расчётов вероятностей ошибочного приёма для различных вариантов реализации систем КВ-радиосвязи
Измеренные диапазоны вариаций углов места KB в зависимости от местного времени (LT, часы) в середине трассы Хабаровск-Иркутск для модов: 1F2 (сплошные кривые), 1F2B (штрихи), 2F2 (штрих-пунктир), 3F2 (точки), высокая активность Солнца, рабочая частота /=16,8 МГц [2.8].
Результаты измерений, приведенные на рис. 3.10, 3.11 получены по методикам [2.8] для -9000 сеансов измерений. Нижняя кривая для каждого мода даёт значения углов места, превышаемые в 90% сеансов измерений, средняя - в 50% и верхняя - в 10%. Регулярный рост углов места мода 1F2 с ростом LT объясняется влиянием регулярными (прогнозируемыми) изменениями «наклонов» в отражающем KB слое F2 ионосферы [2.8].
С использованием медианных значений углов места для мода 1F2, приведенных на рис. 3.10, 3.11 для разных месяцев, часов суток и уровней активности Солнца, в нашей работе [2.24] построена гистограмма, приведённая на рис. 3.126. На рис. 3.12а и рис. 3.12в приведены также распределения углов места мода 1F2 из этой работы рассчитанные для условий проведения эксперимента [2.8] с применением программ SIXTH (а) и M1NIFTZ1 (в), рассмотренных выше в пунктах 2.3.1 и 2.3.3 соответственно. Характеристики измеренных и прогнозируемых распределений углов места мода 1F2 дает также таблица 3.2.
Анализ данных рис. 3.12 и таблицы 3.2 показывает хорошее соответствие измеренных и рассчитанных распределений углов места мода 1F2. Расчетные средние углы на 1 выше измеренных, так как расчеты выполнены для рабочих частот, близких к МПЧ, когда высоты отражения KB от ионосферы выше, чем при f-ОРЧ, для которых выполнены измерения [2.8J. Отметим, что метод программы SIXTH, в отличие от программы MINIFTZ1, учитывает прогнозируемые горизонтальные градиенты («наклоны») параметров слоя F2 ионосферы, что и приводит к увеличению СКО.
Таким образом, обоснованную выше в п.3.5.1 методику можно применять для определения характеристик направленности приёмо-псредающей антенны зоновой системы КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором.
В подразделе 3.7 пункте эта методика применяется для синтеза антенны ВРП, удовлетворяющей характеристикам излучения, которые в следующем подразделе прогнозируются для зон различного размера и различных удалений ВРП от центров зон.
Оптимизация удалений ВРП от центра зоны расположения абонентов Результаты, полученные выше в разделе 2, показывают возможность реализации приёма одномодовых сигналов в зоновой системе КВ-радиосвязи с вынесенным ретранслятором. Поэтому, в отличие от известного 11.1 1,1.12] подхода к определению удалений ВРП от центра зоны расположения абонентов, основанного на приёме многомодовых сигналов, нами решена задача оптимизации этого удаления по критерию максимума средней напряжённости поля KB (Е) при распространении модом 1F2, что показывают публикации 12.24,2.73].
Особенность полученного ниже решения заключается также в учёте ДН антенны ВРП, оптимизированной в соответствии с методикой пункта 3.5.1. Согласно результатам этого пункта КНД антенны ВРП растет при увеличении удаления ВРП от центра зоны (Dp), так как уменьшаются ширины главного лепестка ДН по азимуту zlcp и углу места Лв (см. формулу 3.23). Рост КНД приводит к увеличению напряжённости поля Е на территории зоны. С другой стороны, напряжённости поля KB уменьшаются при увеличении длины радиолиний, хотя значения ОРЧ при этом возрастают, что уменьшает поглощение KB в ионосфере (см. выше пункт 1.2.3). Таким образом, выполненный качественный анализ показывает возможность максимума зависимости E(DP). Для количественного решения задачи была разработана методика оптимизации местоположения ВРП для заданной зоны расположения абонентов, использующая критерий максимума напряжённости поля прираспространении модом 1F2. Разработанная методика обобщает методику, изложенную выше в пункте 3.5.1 для заданного местоположения ВРП, и включает пункты 1-7 этой методики, пояснения к которым даны выше. Для лучшего понимания решённой задачи повторим и продолжим
Выбор координат ВРП и параметров ДН его приёмо-передающей антенны, соответствующих максимуму напряжённости поля из операции 10, в том числе и определение Dp - оптимального удаления ВРП от центра зоны.
Поясним изложенную выше методику, начиная с операции 8, где выбор мощности радиопередатчика ретранслятора Р 1кВт не принципиален, но это значение удобно для расчётов, в том числе и по программе MINIFTZ1.
Выбор программы для расчётов в операции 9 также не является принципиальным, однако ввиду большого объёма расчётов программа должна обладать высоким быстродействием, иметь блок прогнозирования параметров ионосферы и удобный интерфейс для ввода и вывода исходных данных.
