2
Оглавление
Введение О
1 Свойства радиоволн, отраженных от ионосферы 12
1.1 Структура ионосферы. Многолучевость электромагнитного поля и анизотропия ионосферы. Эффект Доплера......................12
1.2 Поляризация характеристических волн, возбуждаемых в ионосфере ..........................................................15
1.3 Предельная поляризация и поляризационное согласование характеристических волн ..........................................16
1.4 Помехоустойчивость приема информации, передаваемой по
ионосферному каналу связи...................................18
1.5 Улучшение качества передачи информации по ионосферному
каналу связи................................................20
1.6 Выводы......................................................26
2 Математическая модель анизотропного ионосферного кана-
ла связи и метод селективного возбуждения характеристических волн 28
2.1 Математическая модель анизотропного ионосферного канала
связи.......................................................28
2.2 Метод селективного возбуждения характеристических волн в
ионосферном канале связи ...................................35
2.3 Поляризационная диагностика ионосферного канала связи импульсными сигналами.............................................37
2.4 Модифицированный метод поляризационной диагностики ионосферного канала связи с помощью узкополосных сигналов ... 41
2.5 Однолучевая линия коротковолновой радиосвязи ...............44
2.6 Методика проведения численного эксперимента по моделиро-
ванию работы ионосферной линии радиосвязи с селективным возбуждением характеристических волн........................50
3
2.7 Результаты численного моделирования работы ионосферной линии радиосвязи с селективным возбуждением характеристических воли......................................................52
2.8 Выводы......................................................55
3 Экспериментальное исследование селективного возбуждения
характеристических волн в ионосфере 57
3.1 Экспериментальный аппаратный комплекс для импульсного зондирования ионосферы...........................................58
3.1.1 Технические характеристики и состав установки.........58
3.1.2 Режимы работы и возможности экспериментального аппаратного комплекса..........................................62
3.1.3 Программное обеспечение эксперимента..................65
3.2 Методика экспериментальных исследований селективного возбуждения характеристических волн.................................68
3.3 Поляризационная диагностика анизотропной ионосферы .... 69
3.3.1 Поляризационная диагностика при отсутствии временного разделения импульсов двух характеристических волн и наличии апостериорной информации об их параметрах ....................................................70
3.3.2 Поляризационная диагностика ионосферы при отсутствии временного разделения импульсов двух характеристических волн и апостериорной информации об их параметрах...................................................73
3.3.3 Поляризационная диагностика ионосферы при наличии временного разделения импульсов двух характеристических волн....................................................76
3.4 Определение эффективности метода селективного возбуждения характеристических волн......................................77
3.4.1 Установка оптимального фазора Р на передающей части комплекса....................................................77
3.4.2 Селективное возбуждение характеристических волн в ионосфере при различии времени группового запаздывания принимаемых компонент, превышающем 100 мке . 78
3.4.3 Селективное возбуждение характеристических волн в ионосфере при отсутствии разделения принимаемых компонент....................................................80
3.5 Выводы......................................................81
4
4 Анализ результатов экспериментальных исследований селективного возбуждения характеристических волн в ионосфере 83
4.1 Поляризационные и статистические параметры характеристических волн, отраженных от слоя ионосферы.......................85
4.2 Мощность двух характеристических волн при облучении слоя
Г2 ионосферы линейно поляризованным полем...................91
4.3 Определение квазноптимального времени поляризационной диагностики слоя Р2 ионосферы.....................................92
4.4 Качество селективного возбуждения характеристических волн
в слое ¥2 ионосферы.........................................96
4.5 Эффективность метода селективного возбуждения характеристических волн в слое Г2 ионосферы..............................99
4.6 Выводы....................................................104
Заключение 106
Литература
107
Введение
Коротковолновые линии связи, создаваемые за счет отражения радиоволн от ионосферы, позволяют передавать информацию на расстояния до нескольких тысяч километров. Отличительной особенностью этих линий связи является то, что радиоволна, излученная передающей антенной, достигает приемного пункта после однократного или многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли. Протяженность односкачкового ионосферного канала связи (ИКС) может достигать 3000 км, двухскачкового — 6000 км [1,2].
На помехоустойчивость передачи информации по ИКС оказывают влияние несколько физических факторов: число волн (лучей), приходящих в точку приема, степень рассеяния волн на неоднородностях электронной концентрации в ионосфере (р2), отношение сигнал/шум.
Однолучевый канал связи, по сравнению с многолучевым, обладает максимальной пропускной способностью и помехоустойчивостью передачи информации. Однако ионосфера — анизотропная среда и поэтому даже на од-носкачковой трассе радиоволна из точки излучения в точку приема приходит по двум траекториям. Эти две волны имеют разные частоты вследствие разных фазовых путей в ионосфере и их интерференция снижает качество передаваемой по ИКС информации.
Повысить помехоустойчивость принимаемой информации можно:
1. Обрабатывая поляризованное двухлучевое поле в точке приема пространственно-поляризационным фильтром.
2. Применяя методы спектральной обработки.
3. Используя на радиолинии селективный метод возбуждения электромаг-
б
нитных волн в анизотропной ионосфере, при котором обеспечивается однолучевое распространение волны между пунктами передачи и приема информации [3].
Предпосылками для создания метода селективного возбуждения характеристических волн (СВХВ) в ионосфере послужили теоретические и экспериментальные работы, показавшие, что интенсивность возбуждаемых лучей зависит от поляризации излучаемого в передающем пункте поля [4,5]. Было показано, что потери энергии при возбуждении определенных лучей линейно поляризованным полем могут составлять несколько единиц дБ, в зависимости от типа трасс [4]. В работах [6,7] отмечалась возможность значительно ослабить обыкновенную или необыкновенную компоненты поля за счет применения круговой поляризации излучаемого поля на вертикальных или коротких наклонных радиотрассах.
Суть метода СВХВ заключается в излучении волны с такой поляризацией, при которой в ионосфере возбудится только одна волна. Для определения искомой поляризации предусмотрена специальная процедура — поляризационная диагностика ионосферного канала связи. Результаты первых работ, посвященных экспериментальным исследованиям возможности применения этого метода были опубликованы в 1992, 1993 г.г. [8,9].
В работе [8] сообщалось о пробных экспериментах по исследованию возможности реализации метода селективного возбуждения характеристических волн в слое Б2 ионосферы. Результаты эксперимента свидетельствовали об относительно устойчивом (на временах порядка 10 минут) возбуждении одной характеристической волны (ХВ), причем отмечалось, что при использовании метода СВХВ отношение мощностей неподавленной и подавленной волн может достигать 10. При таком уменьшении мощности одной из ХВ в отраженном от ионосферы двухлучевом сигнале можно ожидать снижения вероятности ошибки при приеме информации приблизительно на порядок.
7
В 1993 г. была опубликована работа [9], посвященная прямому экспериментальному исследованию помехоустойчивости приема дискретной информации, передаваемой по ионосферному каналу связи при использовании метода СВХВ в ионосфере. Было показано, что помехоустойчивость (качество) передачи дискретной информации по изначально двухлучевому ионосферному каналу возрастает на 10-15 дБ.
Для практических применений метода СВХВ важно решить задачу исследования пространственных размеров зон на поверхности Земли, внутри которых сохраняется существенное преобладание мощности одной из ХВ над другой. В работах [10,11] было показано, что при протяженности ионосферной радиотрассы до 3000 км площадь зоны оценивается величиной порядка 500 тыс. кв. км. При вертикальном падении зондирующей волны на ионосферу значение площади этой зоны оценивается величиной порядка 100 тыс. кв. км.
Представленные в работах [3,8-11] экспериментальные и теоретические результаты исследований свидетельствуют о том, что методы поляризационной диагностики ионосферы Земли и селективного возбуждения электромагнитных волн в анизотропном ионосферном канале связи открывают новые возможности для улучшения работы линии дальней радиосвязи на декамет-ровых волнах, отраженных от ионосферы. При проведении этих исследований были использованы методы математического моделирования физических задач, связанных с распространением радиоволн в ионосфере, а также натурные физические эксперименты.
Почти одновременно с работами, выполненными на физическом факультете в 1990-2001 г.г., проводились сходные исследования украинскими учеными [12-14]. Авторы этих работ пошли по иному пути решения задачи о повышении пропускной способности анизотропного ионосферного канала — не прибегая к его оперативной поляризационной диагностике. Были предприняты попытки расчетно-экспериментальным способом найти оптимальную но-
8
ляризацию для излучаемого передающей антенной поля, при которой одна из характеристических волн не будет возбуждена. Считалось, что значение диэлектрической проницаемости ионосферы априори известно.
В этих работах приводятся результаты экспериментов без описания аппаратных решений. Авторам удалось реализовать селективное возбуждение характеристических волн в ионосфере на радиотрассах Харьков-Москва, Харьков-С.Петербург и достичь соотношения амплитуд возбуждаемой "полезной" волны и иевозбуждаемой волны равного 16-20 дБ (отношение мощностей 20-100 раз).
В 2006 г. была опубликована работа, посвященная эффективности подавления ХВ в зависимости от геомагнитных факторов [15]. Эксперименты проводились на трассе Магадан - Петропавловск-Камчатский. Излучаемая поляризация выбиралась опытным путем. Установлено, что наилучшее качество СВХВ достигается при спокойном электромагнитном поле Земли. Предполагается, что основной причиной ухудшения качества СВХВ является рост мелкомасштабных неоднородностей ионосферной плазмы.
Выполненные работы имеют ряд существенных недостатков. В работах [3,8-11] не было получено больших статистических объемов информации об эффективности работы методов поляризационной диагностики и СВХВ. В работах [8,9] эксперимент проводился или при наличии разделения ХВ по времени группового запаздывания отраженных от ионосферы импульсных сигналов или при приеме их смеси. Для второго случая не представлялось возможным измерить соотношение мощностей волн при СВХВ, и качество работы метода определялось на основе косвенных признаков. По указанным причинам целесообразно продолжить исследования в данном направлении.
Процедура поляризационной диагностики (ГІД) на основе смеси ХВ представляет особый интерес, в силу того, что на наклонных радиотрассах разность групповых задержек ХВ очень мала и проведение ГІД импульсными сигналами не представляется возможным. Предложенный в [9] алгоритм ГІД
9
не дает полной информации о ХВ, в частности он не позволяет определить поляризацию этих волн. Знание этой информации позволит дополнительно улучшить помехозащищенность канала связи, применяя поляризационное согласование приемного устройства с поляризацией выбранной ХВ на приемном конце радиолинии; кроме того можно использовать обе ХВ как два канала передачи информации [16,17].
Таким образом, исследования проблемы оптимального использования ионосферного канала для целей дальней радиосвязи показывают, что методы поляризационной диагностики и селективного возбуждения характеристических волн в ионосфере открывают широкие перспективы в этой области. Можно назвать несколько научно-технических направлений: радиосвязь, радионавигация, загоризонтная радиолокация с помощью декаметровых волн, в которых применение метода СВХВ может быть весьма результативно.
Актуальность темы
Ионосферный канал широко используется для передачи информации на расстояния от десятков до тысяч километров, при этом используются дека-метровые радиоволны, хорошо отражающиеся от различных слоев ионосферы, расположенных на высотах 100-г 400 км. Ионосфера находится во внешнем магнитном поле Земли, она неоднородна в пространстве, анизотропна, ее электромагнитные характеристики изменяются во времени иод воздействием регулярных и случайных геофизических факторов, поэтому законы распространения электромагнитных волн в ней весьма сложны.
Для передачи цифровой информации по каналам связи используется специальное кодирование. В последние годы предложено расширение класса рабочих сигнальных структур для ионосферных каналов пространственно-временными кодовыми конструкциями, такими как MISO, SIMO, MIMO [18-21). Однако, современные сигнально-кодовые конструкции обеспечивают ожидаемую высокую эффективность лишь при определенных параметрах канала связи.
- Київ+380960830922