СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.........................................................
1 Анализ проблемы квазизснитного распространении высокочастотных радиосигналов в ионосфере Земли..................
1.1 Ионосфера, ее изменчивость, модели профиля электронной концентрации...................................................
1.2 Гибридный подход к исследованию распространения радиосигналов в ионосфере Земли................................
1.3 Особенности ионосферных радиоканалов с различной полосой частот ........................................................
1.4 Задачи квазизенитного распространения сигналов в ионосфере Земли .........................................................
1.5 Существующее противоречие. Цель и задачи диссертационного исследования..................................
2 Синтез и исследование дифференциальных дисперсионных характеристик высокочастотных радиоканалов для случая квазизенитного распространения радиоволн.........................
2.1 3D модель распределения электронной концентрации на основе МКП приближения.........................................
2.2 Методика синтеза и анализ дисперсионных характеристик для среднеширотных трасс протяженностью менее 400 км...............
2.3 Методика реконструкции ионограмм квази вертикального зондирования по ионограммам наклонного зондирования............
2.4 Оценка дисперсионных искажений в ионосфере различных СРС. Обоснование возможности оценки искажений по эквивалентному СРС.............................................
2.5 Выводы.....................................................
3 Влияние магнитоионного расщепления и дисперсии среды на искажения характеристик многомерного канала и сигналов с расширенным спектром.......................................................
..5
19
19
23
31
37
42
44
45
51
55
64
76
77
3.1 Влияние поляризационной интерференции на частотные и
импульсные характеристики парциального радиоканала................77
3.2 Стохастические характеристики парциальных радиоканалов при квазизенитном распространении. Поляризационная полоса когерентности в окрестности точки пересечения ДХ магнитоионных
мод ..............................................................83
3.3 Влияние частотной дисперсии среды на искажения профиля
мощности задержки парциальных радиоканалов........................87
3.4 Влияние частотной дисперсии ионосферной плазмы на
искажения эквивалентного сигнала с расширенным спектром...........92
3.5 Выводы........................................................97
4 Комплексные исследования поляризационных и дисперсионных характеристик многомерного ВЧ радиоканала квазнзеннтного распространения в ионосфере.....................98
4.1 Техника натурных экспериментов и объем полученных
данных. Исследование профилей мощности задержки парциальных радиоканалов....................................................98
4.2 Полиномиальные модели дисперсионных характеристик
магнитоионных мод многомерного радиоканала. Дрожание фазы при скачках частоты в парциальных радиоканалах.....................106
4.3 Исследование влияния полных солнечных затмений на
параметр дисперсии...............................................114
4.4 Методика и результаты исследования характеристик
поляризационной интерференции при квазизенитном распространении.............................................. 120
4.5 Выводы.......................................................126
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................128
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................130
3
Список сокращений
В ч - высокочастотный (диапазон)
КЗР - квазизенитное распространение
IRI - International Reference Ionosphere
МКПС - многослойная квазипараболическая сегментация
лчм - линейно - частотная модуляция
ППРЧ - программная перестройка рабочей частоты
нпч - наименьшая применимая частота
мпч - максимальная применимая частота
СРС - сигнал с расширенным спектром
квз - квазивертикалыюе зондирование (ионосферы)
нз - наклонное зондирование (ионосферы)
ДХ - дисперсионная характеристика
их - импульсная характеристика
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика
ФЧХ - фазо-частотная характеристика
ФРК - функция рассеяния канала
ктз - контрольная точка зондирования
пмз - профиль мощности задержки
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Проблема распространения в ионосфере широкополосных сигналов связана с необходимостью учета отличительных особенностей распространения их спектральных компонент и является недостаточно изученной. Развитие систем радиосвязи, радиолокации, зондирования ионосферы требует более детального изучения данной проблемы, поскольку использование широкополосных сигналов с учетом среды распространения дает для таких систем ряд существенных преимуществ.
В различное время в решение данной проблемы большой вклад внесли следующие российские и зарубежные ученые: А.П. Анютин, H.A. Арманд, В.Э. Герм, В.Л. Гинзбург, Л.М. Ерухимов, H.H. Зернов, В.А. Иванов, Д.В. Иванов,
A.C. Крюковский, В.Е. Куницын, В.И. Куркин, Д.С. Лукин, А.П. Потехин, Н.В. Рябова, Ю.Н. Черкашин, J.A. Hoffmeycr, В. Lundborg, S. Salous, L.E. Vogler.
Новый интерес для науки и практики в последнее время стала представлять проблема распространения широкополосных сигналов при больших углах падения их на ионосферу. Этот случай называют квазизенитным распространением (КЗР) или NVIS (Near Vertical Incidence Skywave). Принято считать, что КЗР обеспечивает радиосвязь в диапазоне дальностей 40-400 км. Ее практическая значимость состоит в независимости от неровностей поверхности, низкой стоимости, быстрой развертываемости системы. Поэтому такая связь применяется: службами по чрезвычайным ситуациям, службами медицины катастроф и военными. Для повышения эффективности работы этих систем требуется проведение комплексных исследований многомерного радиоканала КЗР, состоящего из упорядоченного множества парциальных каналов, имеющих равные полосы, но отличающихся средней частотой.
Такие исследования важны для развития физики распространения
радиосигналов в средах с интерференцией магнитоионных мод и с их частотной
дисперсией. Поэтому решение задачи исследования эффектов частотной
дисперсии и магнитоионного расщепления при квазизенитном распространении
5
в ионосфере сложных широкополосных сигналов является актуальной радиофизической задачей.
Цель диссертационной работы развитие модели квазизенитного распространения высокочастотных широкополосных радиосигналов в многомерном ионосферном радиоканале с учетом частотной дисперсии и магнитоионного расщепления, а также радиофизического метода
экспериментального исследования характеристик такого радиоканала при квазивертикалыюм зондировании ионосферы непрерывным ЛЧМ сигналом.
Задачами данной работы являются:
1. Разработка методики синтеза дисперсионных характеристик для случая многослойной среднеширотной ионосферы и квазизенитного распространения радиоволн, а также методики реконструкции ионограмм квазивергикального зондирования по монограммам наклонного зондирования в окрестности контролируемой точки. Исследование дисперсионных характеристик, их суточные, сезонные вариации и на этой основе создание их полиномиальных моделей.
2. Исследование влияния магнитоионного расщепления на частотные характеристики многомерного ионосферного радиоканала в случае квазизенитного распространения. Выделение закономерностей в исследуемых эффектах.
3. Исследование искажений сигналов с расширенным спектром при их квазизенитном распространении. Разработка нового подхода в исследовании дисперсионных искажений сигналов с расширенным спектром на основе введения эквивалентного сигнала.
4. Разработка методики определения зависимости профиля мощности задержки от средней частоты канала. Проведение натурных исследований влияния на дисперсионные характеристики времени суток, сезона, а также полных солнечных затмений.
Методы исследования:
Для решения поставленных теоретических задач были использованы методы математического анализа, вариационного исчисления, математической статистики. Комплексные исследования проведены с с использованием современного метода вычислительного эксперимента при задании характеристик ионосферы на основе международной модели 1111-2007. Результаты натурных экспериментов получены с использованием современного метода вертикально-наклонного зондирования ионосферы непрерывным сигналом с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) и созданного автором нового программного обеспечения. Эти эксперименты проведены на радиолиниях: Йошкар-Ола - Яльчик; Нижний Новгород - Йошкар-Ола; Йошкар-Ола - Воронеж; Инскип (Англия) - Йошкар-Ола; Иркутск - Йошкар-Ола; Кипр-Иошкар-Ола. При обработке экспериментальных данных использовались спектральные методы, статистические методы анализа данных.
Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертационной работы определяются использованием адекватного математического аппарата, статистически достаточным набором экспериментальных данных, хорошим согласием результатов натурных и вычислительных экспериментов, повторяемостью результатов, а также проверкой на соответствие независимым выводам других авторов.
Положения, выносимые на защиту
1. Теоретическое обоснование и развитие методик: синтеза
дисперсионных и дифференциальных дисперсионных характеристик магнитоионных мод квазизенитного распространения для многослойной квазипараболичсской сегментации профиля электронной концентрации; реконструкции ионограмм квазивертикального зондирования по ионограммам наклонного зондирования в окрестности контролируемой точки; определения минимальной степени полинома для аналитической аппроксимации дисперсионных характеристик магнитоионных мод парциального канала.
7
2. Обобщенное описание дисперсионных искажений широкополосных сигналов с линейно-частотной модуляцией и программной перестройкой рабочей частоты при квазизенитном распространении в ионосфере на основе введенного эквивалентного сигнала.
3. Аналитические зависимости, позволяющие определять для квазизенитного распространения: поляризационной полосы когерентности в случаях как пересекающихся, так и не пресекающихся дисперсионных характеристик магнитоионных мод; дисперсионные искажения профиля мощности задержки компонент многомерного стохастического радиоканала; величину дрожания фазы сигнала при скачках частоты из-за частотной дисперсии среды.
4. Научное обоснование новых радиофизических методик определения и исследования при квазивертикальном зондировании ионосферы непрерывным ЛЧМ сигналом: эффекта поляризационной интерференции; профиля мощности задержки парциальных ВЧ радиоканалов с различной средней частотой.
5. Созданный новый пакет прикладных программ, позволяющий реализовать разработанные радиофизические методики с целью повышения эффективности приемной части аппаратно-программного комплекса ЛЧМ ионозонда в части решения задач исследования особенностей квазизенитного распространения радиоволн.
Научная новизна работы
1. В результате развития методик: синтеза дисперсионных и
дифференциальных дисперсионных характеристик магнитоионных мод квазизенитного распространения для многослойной квазипараболической сегментации профиля электронной концентрации; реконструкции ионограмм квазивертикального зондирования по ионограммам наклонного зондирования в окрестности контролируемой точки; определения минимальной степени
8
полинома для аналитической аппроксимации дисперсионных характеристик магнитоионных мод парциального канала впервые получены:
- зависимости параметра дисперсии от высоты, полутолщины и критической частоты квазипараболического слоя ионосферы, а также от относительной частоты канала, времени суток и сезона;
интервалы частот, в которых справедлива аппроксимация дисперсионных характеристик магнитоионной моды полиномами первой, второй и третьей степени.
2. Впервые получены выражения, обобщенно описывающие дисперсионные искажения широкополосных сигналов с линейно-частотной модуляцией и программной перестройкой рабочей частоты при квазизенитном распространении в ионосфере.
3. Впервые получены аналитические зависимости, позволяющие определять для квазизенитного распространения: поляризационной полосы когерентности в случаях как пересекающихся, так и не пресекающихся дисперсионных характеристик магнитоионных мод; дисперсионные искажения профиля мощности задержки компонент многомерного стохастического радиоканала; величину дрожания фазы сигнала при скачках частоты из-за частотной дисперсии среды.
4. Впервые получены данные о дрожании фазы сигнала при квазизенитном распространении для различных полос радиоканалов (0,1; 0,2; 0,5; 1 МГц) и для различных средних частот парциальных каналов, для дневного и ночного времени суток. Установлено, что величина дрожания фазы увеличивается при переходе от дня к ночи, а также с приближением средней частоты к МПЧ и при увеличении полосы радиоканала.
5. Предложены и научно обоснованы новые радиофизические методики определения и исследования при квазивертикалыюм зондировании ионосферы непрерывным ЛЧМ сигналом: эффекта поляризационной интерференции;
9
профиля мощности задержки парциальных ВЧ радиоканалов с различной средней частотой.
6. Создан новый пакет прикладных программ, позволяющий реализовать разработанные радиофизические методики для модернизации приемной части аппаратно-программный комплекса ЛЧМ ионозонда, работающего в режиме квазивертикального радиозондирования ионосферы. Это позволило установить особенности параметров частотной дисперсии мод при квазизенитном распространении в различное время суток, при влиянии на распространение радиоволн полного солнечного затмения, в условиях поляризационной интерференции мод.
Практическая ценность и реализация результатов работы
1. Основные результаты, полученные автором, существенно расширяют возможности теоретических и экспериментальных исследований новых явлений и процессов, связанных с эффектами частотной дисперсии и магнитоионного расщепления сложных сигналов при их квазизенитном распространении в многомерном ионосферном радиоканале.
2. Полученные экспериментальные результаты имеют важное значение для изучения неоднородной структуры ионосферы и развития физики верхней атмосферы Земли.
3. Полученные результаты могут быть использованы предприятиями, занимающимися разработками перспективных систем связи и радиолокации. Результаты исследований внесут существенный вклад в развитие научных направлений, связанных с разработкой методов обеспечения помехоустойчивости информационных коммуникаций для целей передачи, хранения и защиты информации, а также вопросами организации беспроводных телекоммуникационных систем и оценки их эффективности.
4. Результаты, полученные автором, использованы при выполнении НИР в следующих организациях: Институт Солнечно-Земной физики СО РАН (г. Иркутск), ОАО Концерн ПВО «Алмаз-Антей», ОАО Концерн «Созвездие»,
10
1
Марийский государственный технический университет, а также внедрены в учебный процесс в Марийском государственном техническом университете подготовки бакалавров и магистров по направлениям: 210700 -
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи»; 210400 «Телекоммуникации».
Личный творческий вклад автора. В работах [7, 11, 16, 19, 20, 23, 24, 30, 33, 34] выполнена разработка методик синтеза дисперсионных
характеристик для случая многослойной среднеширотной ионосферы и квазизенитного распространения радиоволн, а также методики реконструкции ионограмм квазивертикального зондирования по ионограммам наклонного зондирования в окрестности контролируемой точки. Проведены исследования дисперсионных характеристик, их суточных, сезонных вариаций и на этой основе созданы их полиномиальные модели. В работах [3, 17, 21, 22, 29, 35] автором проведены исследования влияния магнитоионного расщепления на частотные характеристики многомерного ионосферного радиоканала в случае квазизенитного распространения; выделены закономерности в исследуемых эффектах. В работах [2, 12, 26, 27, 31, 32] представлены результаты исследования искажений сигналов с расширенным спектром при их квазизенитном распространении; разработан новый подход в исследовании дисперсионных искажений сигналов с расширенным спектром на основе введения эквивалентного сигнала. В работах [1, 4, 5, 8-10, 13-15, 18, 25, 28] разработаны методики определения зависимости профиля мощности задержки от средней частоты канала; проведены натурные исследования влияния на дисперсионные характеристики времени суток, сезона, а также полных солнечных затмений. Работа [6] выполнена автором самостоятельно. Автором получены все выносимые на защиту положения, сформулированы научные выводы и положения.
Апробации работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, были представлены на IX, X, XII Международных Байкальских
11
ч |
- V (
I
молодежных научных школах по фундаментальной физике (Иркутск, 2006, 2007, 2011), XXII, XXIII Всероссийских научных конференциях
«Распространение радиоволн» (Ростов-на-Дону, 2008, Йошкар-Ола, 2011), на LXIII, LXV научных сессиях НТО РЭС им. A.C. Попова (Москва, 2008, 2010); 51, 52, 53 научных конференциях МФТИ «Современные проблемы
фундаментальных и прикладных наук» (Москва-Долгопрудный, 2008, 2009, 2010), XIII, XIV, XV всероссийских научных конференциях студентов -радиофизиков (Санкт-Петербург, 2009, 2010, 2011), на XVIII Международной научной конференции «Туполевские чтения» (г. Казань, 2010), 16, 17 Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2010, 2011); Международной научной студенческой конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2010); на XVI, XVII международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь - RLNC» (Воронеж, 2010; Воронеж, 2011); Международном научно-техническом семинаре «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания» (Нижний Новгород, 2010, Одесса, 2011); на III Всероссийской научной конференции «Всероссийские радиофизические научные чтения-конференции памяти H.A. Арманда» (Муром, 2010). Автором получено 11 дипломов первой степени и 3 золотые медали всероссийских и международных конференций и выставок.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 32 работы, в том числе: 6 в журналах, рекомендованных ВАК, из них 1 работа авторская, 1 монография. Автором получено 3 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Она содержит 145 страниц основного текста, 51 иллюстрацию, 13 таблиц, список цитируемой литературы из 137 наименований.
12
- Київ+380960830922