ОГЛАВЛЕНИЕ
Список обозначений и сокращений 6
Введение 8
Глава 1. Классические методы определения параметров поляриза- 22 ции и углов прихода электромагнитной волны КВ диапазона при распространении в ионосфере Раздел 1.1. Методы измерения полного вектора поля радиоволны КВ 22 диапазона
1.1.1. Полный вектор поля радиоволны 22
1.1.2. Методы измерения углов прихода радиоволны 26
A. Амплитудные методы 26
Б. Фазовые методы 28
B. Амплитудно-фазовые методы 30
1.1.3. Методы измерения поляризации радиоволны 31
A. Метод поляризационной диаграммы 31
Б. Компенсационный метод 32
B. Метод разложения волны на две ортогональные компоненты 33
Г. Метод нескольких антенн фиксированной поляризации 34
1.1.4. Метод измерения параметров полного вектора поля радиоволны в одном приемном пункте без разноса по пространству 37
Раздел 1.2. Влияние ионосферы и магнитного поля Земли на параметры радиосигнала КВ диапазона 39
1.2.1. Пространственно-временные изменения ионосферы 39
А. Регулярные изменения в ионосфере 39
Б. Нерегулярные изменения в ионосфере 40
1.2.2. Особенности распространения радиоволн КВ диапазона и искажения ионосферных радиосигналов 42
А. Магнитоионное расщепление и поляризационные замирания 43
2
Б. Рефракция ионосферных радиоволн в ионосферных слоях и на крупномасштабных неоднородностях и вариации углов прихода
В. Рассеяние ионосферных радиоволн на мелкомасштабных неоднородностях и замирания радиосигналов Г. Многомодовость ионосферного радиосигнала и эффекты многомодовой интерференции Д. Помехи ионосферного канала
Раздел 1.3. Методы обработки ионосферного радиосигнала в радиотехнических системах
1.3.1. Пространственная фильтрация мод с помощью фазированных антенных решеток
1.3.2. Временное разделение мод
1.3.3. Доплеровская фильтрация и спектральнополяризационный метод
1.3.4. Поляризационная фильтрация мод ионосферного сигнала Выводы по главе 1
Глава 2. Моделирование измерения параметров поляризации и углов прихода электромагнитной волны на основе анализа трех взаимно ортогональных компонент полного вектора поля
Раздел 2.1. Алгоритм моделирования и обработки данных
2.1.1. Синтез и анализ поляризационного эллипса в двумерном линейном прямоугольном базисе
2.1.2. Определение амплитуд и фаз трех ортогональных компонент вектора поля по известным параметрам поляризации и углам прихода ЭМ В
2.1.3. Синтез параметров поляризации и углов прихода по трем взаимно ортогональным компонентам вектора поля
2.1.4. Алгоритм вычислений параметров поляризации и углов прихода ЭМВ
Раздел 2.2. Влияние интерференции мод радиосигнала и шумов на
46
49
51
52
56
56
57
61
65
67
69
69
69
72
78
81
з
точность восстановления параметров поляризации и углов прихода ЭМ В (численное моделирование) 84
2.2.1. Результаты анализа влияния интерференции на точность восстановления параметров полного вектора поля 84
2.2.2. Результаты анализа влияния шумов на точность восстановления параметров полного вектора поля 88
Выводы по главе 2 93
Глава 3. Экспериментальная проверка метода измерения параметров поляризации и углов прихода ЭМ В КВ диапазона в одном приемном пункте без разноса антенн по пространству 94
Раздел 3.1. Аппаратурно-программный комплекс измерения параметров поляризации и углов прихода электромагнитной волны КВ диапазона 94
3.1.1. Принцип действия АПК 94
3.1.2. Функциональная схема комплекса 96
3.1.3. Программное обеспечение комплекса 98
А. Алгоритм функционирования комплекса в режиме "Регистрация" 98
Б. Алгоритм функционирования комплекса в режиме "Обработка" 99
Раздел 3.2. Экспериментальная проверка реализуемосги измерений параметров ПВП радиоволн КВ диапазона в одном приемном пункте без разноса антенн по пространству 105
3.2.1. Описание условий эксперимента 105
3.2.2. Результаты измерений параметров ПВП на короткой радиотрассе 106
А. Результаты измерений углов прихода фронта ЭМВ 106
Б. Результаты измерений параметров поляризации ЭМВ 109
3.2.3. Оценка достоверности измерений параметров ПВП ионосферного радиосигнала 110
Выводы по главе 3 116
4
Глава 4. Повышение эффективности линий связи КВ диапазона при
использовании трех взаимно ортогональных антенн 118
Раздел 4.1. Адаптация линий связи КВ диапазона на основе анализа комплексного спектра трех проекций несущей радиосигнала 118
4.1.1. Способы снижения замираний в системах КВ связи 119
А. Разнесенный прием в системах КВ связи 119
Б. Методы линейного комбинирования разнесенных сигналов 121
4.1.2. Поляризационно-разнесенный прием 123
А. Сравнительный анализ замираний 123
Б. Поляризационная обработка радиосигналов 126
4.1.3. Алгоритм адаптации линии связи на основе анализа комплексного спектра грех проекций несущей радиосигнала 128
Раздел 4.2. Оценка эффективности адаптации линий связи к поляризационным замираниям 136
4.2.1. Исследование триортогоналыюй антенной системы 136
А. Диаграмма направленности триортогоналыюй антенной системы 137
Б. Поляризационная характеристика триортогональной антенной системы 143
4.2.2. Оценка снижения поляризационных замираний при когерентной обработке сигналов трех ортогональных антенн (численное моделирование) 144
А. Алгоритм адаптации линии связи 145
Б. Оценка эффективности использования триортогональной АС для снижении поляризационных замираний 150
Выводы по главе 4 151
Заключение 152
Список литературы 155
5
список
обозначений и сокращений
АВС аппаратно-вычислительная система
АГВ акустико-гравитационные волны
АК антенный коммутатор
АПК аппаратурно-программный комплекс
АРУ автоматическая регулировка усиления
АС антенная система
АУ антенный усилитель
АФС антенно-фидерная система
АЦП аналого-цифровой преобразователь
БПФ быстрое преобразоване Фурье
ВИВ внезапные ионосферные возмущения
ВРЕГ выходной регистр
Д детектор
ДКВ дека метровые волны
ДН диаграмма направленности
Дф доплеровская фильтрация
КВ короткие волны
лчм линейная частотная модуляция
мпч максимально применимые частоты
пвп полный вектор поля
пив перемещающиеся ионосферные возмущения
пх поляризационная характеристика
ПЭВМ персональная электронная вычислительная машина
РПУ радиоприемное устройство
РТС радиотехническая система
РСН равносигнальное направление
СКО среднее квадратическое отклонение
ст синхронизатор-таймер
ствч система точного времени и частоты
ТТЛ транзисторно-транзисторная логика
УАК модуль управления антенным коммутатором
УПТ усилитель постоянного тока
ФАР фазированная антенная решетка
ФСП формирователь сигналов прерываний
6
ЦАП цифро-аналоговый преобразователь
ЭДС электродвижущая сила
ЭМВ электромагнитная волна
Г частота
Я длина волны
со угловая частота
у/ азимутальный угол
в „ зенитный угол
р угол поворота большой полуоси эллипса
г отношение полуосей эллипса
а болшая полуось эллипса
Е вектор поля радиоволны
концентрация свободных электронов Ва 1 внешнее магнитное поле
V частота соударений между электронами и другими частицами
р размер области ионосферы существенный для формирова-
ния отраженного сигнала
(р фаза сигнала
Ех и Еу комплексные амплитуда компонент вектора поля в плоскости хОу
Фх Фу фазы компонент вектора поля в плоскости хОу
Ех Еу амплитуды компонент вектора поля в плоскости хОу
ЕиЕг, Еъ проекции ПВП на три взаимно ортогональных направления (соответственно 01 02 03)
е электродвижущая сила
Кл коэффициент пропорциональности учитывающий характе-
ристику антенн в горизонтальной и вертикальной плоскостях Ил действующая высота антенн
р модуль фазора
Ф аргумент фазора
А амплитуда ПИВ
О дальность
суммарный сигнал
выигрыш в снижении поляризационных замираний при когарент-ном суммировании сигналов
7
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Исследования, проведенные в настоящей работе, посвящены разработке радиотехнических методов измерения характеристик электромагнитного поля, которые могут быть использованы при измерении параметров, составляющих описание полного вектора поля ионосферной радиоволны коротковолнового (КВ) диапазона (углы прихода электромагнитной волны (ЭМВ), направление вращения эллипса поляризации и его параметры).
Измерения полного вектора поля (ПВП) важны при решении задач физики ионосферы, распространения радиоволн и ряда прикладных вопросов, связанных с повышением эффективности использования энергетического потенциала радиотехнических систем связи, пеленгации и загоризонтной радиолокации. При этом надо учесть, что в КВ диапазоне из-за влияния нестационарной и неоднородной ионосферы определение параметров ПВП вызывает значительные трудности, обусловленные особенностями ионосферного распространения радиоволн.
Известны амплитудные, фазовые и амплитудно-фазовые способы измерения углов прихода ЭМВ. Основным недостатком этих способов является то, что для достижения достаточной точности измерения требуется обеспечение значительной пространственной апертуры антенной системы (АС). Данное требование ограничивает возможность использования этих методов при решении важных задач, связанных с необходимостью определения углов прихода ЭМВ с подвижных платформ (самолеты, корабли, искусственные спутники земли и т. п.).
При определении параметров эллипса поляризации в КВ диапазоне традиционно используется метод разложения на две ортогональные компоненты и метод поляризационной диаграммы. Наиболее существенным недостатком этих методов является то, что плоскость измерения, в общем случае, не совпадает с плоскостью волнового фронта приходящей ЭМВ. Это приводит к значительным ошибкам измерения поляризации.
Существенно уменьшить размеры апертуры антенной системы, необходимой для определения углов прихода ЭМВ и исключить ошибки измерения поляризационных параметров, связанные с произвольной ориентацией волнового фронта относительно плоскости раскрыва
8
антенны измерительной системы позволяет метод, предложенный в 1951 году Морганом и Эвансом [1]. Суть его заключается в том, что параметры ПВП могут быть определены при измерении комплексных амплитуд трех взаимно ортогональных проекций вектора поля в одном пункте приема. Однако, на практике метод измерений параметров ПВП по трем взаимно ортогональным проекциям реализован только в сверхдлинноволновом диапазоне при спутниковом зондировании магнитосферы [2].
Применение рассмотренных выше методов измерения параметров ПВП в КВ диапазоне возможно лишь для одномодового радиосигнала. Однако, для КВ диапазона характерно именно многомодовое распространение, приводящее вследствие интерференции различных мод в месте приема, к существенным ошибкам измерений.
Известны способы разделения интерферирующих мод, связанные с их пространственными, частотными, временными или поляризационными отличиями. Недостатком пространственного способа селекции мод является требование большой апертуры антенной системы. Для временного разделения мод необходимо использование мощных импульсных сигналов малой длительности, что приводит к значительному повышению уровня помех КВ диапазоне, который достаточно перегружен, Поэтому при измерениях параметров ПВП предпочтительнее использовать доплеровское и поляризационное разделение мод. Они положены в основу разработанных способов и устройств измерения параметров ПВП, предложенных в авторских свидетельствах [3, 4, 5]. Однако, эти способы не были детально исследованы на стадии моделирования, не разработаны в аппаратурном и программном аспекте и не прошли экспериментальную проверку эффективности в КВ диапазоне на трассах различной протяженности.
До настоящего времени в литературе отсутствуют какие-либо сведения как о результатах моделирования влияния ионосферных эффектов распространения радиоволн (многомодовость, рассеяние, рефракция, шумы) на точность измерений параметров ПВП на основе использования трех ортогональных антенн, так и об экспериментальной оценке эффективности этих измерений в КВ диапазоне. Поэтому актуальным является:
- оценка точности измерений параметров ПВП на основе анализа трех взаимно ортогональных проекций вектора поля ЭМВ,
9
- экспериментальная проверка реализуемости измерений в КВ диапазоне параметров ПВП ЭМВ в одном приемном пункте без разноса антенн по пространству.
Важной прикладной задачей радиофизики является повышение эффективности систем КВ связи за счет адаптации их основных параметров к постоянно меняющимся условиям распространения радиоволн в ионосфере. Наибольший вклад в ухудшение качества передачи информации на частотах, превышающих величину 0,7 от максимально применимой частоты, вносят поляризационные замирания [6].
Наиболее распространенными методами адаптации линий связи к флуктуациям поляризационных параметров радиоволны являются методы поляризационного приема, основанные на использовании двух взаимно перпендикулярных антенн [7]. Очевидно, что при несовпадении волнового фронта радиосигнала с плоскостью раскрыва приемной антенны эффективность такого приема снижается. Использование трех ортогональной антенной системы позволяет учесть углы прихода ЭМВ и параметры эллипса поляризации в плоскости волнового фронта и, как следствие, повысить энергетический потенциал линий связи.
Поэтому актуальной задачей является также оценка эффективности использования трех взаимно ортогональных антенн при адаптации линий связи КВ диапазона к поляризационным замираниям.
Целью диссертационной работы является исследование в КВ диапазоне реализуемости измерений параметров поляризации и углов прихода ионосферной ЭМВ на основе анализа трех взаимно ортогональных проекций вектора поля, измеренных в одном приемном пункте без разноса антенн по пространству, а также оценка эффективности использования трех взаимно ортогональных антенн для снижения влияния поляризационных замираний на качество радиосвязи.
Достижение данной цели предполагает решение следующих задач:
1. Разработка методики, алгоритмов и программ для определения параметров поляризации и углов прихода КВ радиосигнала на основе анализа трех взаимно ортогональных проекций полного вектора поля с использованием доплеровского разделения мод.
2. Численное моделирование влияния ионосферных эффектов на точность восстановления параметров ПВП радиоволны и оценка снижения поляризационных замираний при адаптации линий связи.
10
3. Создание аппаратурно-программного комплекса (АПК) измерения параметров поляризации и углов прихода электромагнитной волны КВ диапазона.
4. Экспериментальная оценка эффективности предложенных методов измерения параметров полного вектора поля.
Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие основные положения, выносимые на защиту:
1. Методы, алгоритмы и программы измерения параметров ПВП многомодового радиосигнала без разнесения антенн по пространству, которые могут быть использованы при создании аппаратурнопрограммных радиотехнических комплексов широкого назначения.
2. Результаты моделирования измерения параметров ПВП с использованием трех ортогональной АС, которые показали зависимость точности их определения от уровня шумов и направления прихода радиосигнала, а также существование диапазонов углов где точность измерений максимальна.
3. АПК, реализующий методику измерения параметров ПВП и позволяющий эффективно определять эти параметры при интерференции мод, разнесенных по частоте на ширину спектральной линии.
4. Результаты экспериментальной проверки метода измерений параметров поляризации и углов прихода ЭМВ на короткой трассе, подтверждающие реализуемость использования трех ортогональных антенн для определения параметров ПВП плоской ионосферной радиоволны.
5. Результаты оценки эффективности применения когерентной обработки сигналов трех взаимно ортогональных антенн, показывающие выигрыш в снижении поляризационных замираний как при сравнении с приемом на одну антенну, так и в сравнение с приемом на две скрещенные антенны.
Достоверность и обоснованность основных результатов и выводов работы определяются адекватностью используемой модели, близостью результатов моделирования и эксперимента, а также хорошей согласованностью с данными, полученными ранее с использованием классических способов измерения параметров поляризации и углов прихода фронта ЭМВ.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые по результатам численного моделирования и экспериментальной проверки сделан
и
вывод о реализуемости в КВ диапазоне измерений параметров ПВП ионосферной волны на основе анализа трех взаимно ортогональных проекций вектора поля, измеренных в одном приемном пункте без разноса антенн по пространству, а также оценена эффективность использования трех взаимно ортогональных антенн для снижения влияния поляризационных замираний на качество радиосвязи и, в частности:
1. Разработаны и реализованы в АПК алгоритмы измерений параметров ПВП ионосферной волны КВ диапазона на основе анализа трех взаимно ортогональных проекций вектора поля с использованием спектрально-поляризационного метода.
2. На основе численного моделирования показано, что:
- при воздействии шумов ионосферного канала (отношение сигнал/шум не хуже 1.0) существуют диапазоны углов, где погрешности измерений ПВП одномодового сигнала минимальны и не превышают 0.5° при определении углов прихода ЭМВ, 0.08 при восстановлении отношения осей эллипса поляризации и 8° при нахождении угла поворота полуоси эллипса;
- использование спектрально-поляризационного метода позволяет эффективно осуществлять измерения параметров многомодового сигнала при разносе мод на ширину спектральной линии, при этом погрешности измерений не хуже 1° для углов прихода ЭМВ, не хуже 0.01 для отношения осей эллипса поляризации и не хуже 3.0° для угла поворота большой оси эллипса.
3. Разработан мобильный АПК измерения параметров полного вектора поля многомодового радиосигнала.
4. По результатам измерений на короткой трассе параметров ПВП установлено, что средние значения углов прихода ЭМВ отличаются от расчетных не более, чем на 2°-5°, а вариации углов прихода и параметров поляризации согласуются с известными в литературе данными, полученными с помощью классических методов измерения этих параметров.
5. С помощью численного моделирования показано, что при настройке АС на прием сигналов круговой поляризации максимальный выигрыш в снижении замираний достигает при приеме сигналов в направлении оси геометрического центра АС величины 11.7 дБ (сравнение с приемом на одну антенну). Оптимальное суммирование сигналов трех ортогональных антенн с учетом комплексных весовых
12
коэффициентов позволяет снижать воздействие поляризационных замираний в широком диапазоне углов прихода ЭМВ не менее чем на 10 дБ.
Результаты работы внедрены во 2 Центральном научно-исследовательском институте МО РФ при выполнении НИР “Тангенс” и “Унификация-2”, в Институте солнечно-земной физики (ИСЗФ) СО РАН в экспериментальном комплексе исследования характеристик и параметров ионосферных волн и в учебном процессе Иркутского военного авиационного инженерного института (ИВАИИ).
Практическая значимость работы состоит в том, что разработанные в диссертации методы, алгоритмы и программы могут быть использованы:
1) при создании мобильных систем диагностики ионосферы,
2) при разработке адаптивных систем радиосвязи,
3) при разработке подвижных систем пеленгации источников КВ радиосигналов.
Апробация работы. Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на 4-ой Международной научно-технической конференции “Радиолокация, навигация, связь”, (Воронеж, 26-29 мая 1998 г.); Всероссийской с международным участием научно-технической конференции молодых ученых и студентов "Современные проблемы радиоэлектроники", посвященной 103-й годовщине дня радио (Красноярск, 1998 г.); международной конференции “Физика ионосферы и атмосферы земли” посвященной 50-летию ионосферных исследований в г. Иркутске (Иркутск, 16-18 июня 1998 г.); Всероссийской научно-практической конференции “Проблемы оптимизации в человеко-машинных системах” (Иркутск, 3-7 июля 1998 г.); IV международной научно-технической конференции “Антеннофидерные устройства, системы и средства радиосвязи” (Воронеж, 25-28 мая 1999 г.), а также на семинарах в ИСЗФ, ИГУ и ИВАИИ.
Личный вклад автора. Основные результаты диссертации, опубликованные в 14 работах, являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его прямом участии.
Принимал непосредственное участие: в разработке и создании автоматизированного комплекса; разработке экспериментальных методик; при проведении эксперимента; при обработке и обобщении экспериментальных данных. Разработал алгоритм вычислений пара-
13
метров поляризации и углов прихода ЭМВ, программы обработки экспериментальных данных, алгоритмы и модели работы адаптивной линии связи.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного материала и заключения с общим объемом в 145 страниц, включая список цитируемой литературы из 110 наименований и 38 рисунков.
Краткое содержание работы
Во введении дана общая характеристика работы, раскрыта ее актуальность, сформулированы цель диссертации и решаемые задачи, определены положения, выносимые на защиту, обоснована научная новизна и практическая значимость выполненных исследований. Показаны личный вклад автора, внедрение результатов работы и ее апробация. Приведено краткое содержание диссертации.
В первой главе анализируются классические методы определения параметров поляризации и углов прихода ЭМВ КВ диапазона.
В разделе 1.1 оцениваются возможности традиционно применяемых методов измерения ПВП. Анализ этих методов показал, что для достижения достаточной точности измерений углов прихода ЭМВ традиционными методами (амплитудными, фазовыми и амплитуднофазовыми) требуется значительная пространственная апертура антенной системы, что ограничивает возможности использования этих методов при решении ряда важных задач, связанных с необходимостью определения углов прихода ЭМВ с подвижных платформ (самолетов, кораблей, искусственных спутников земли и т. п.). Точные измерения параметров поляризации классическими методами (метод поляризационной диаграммы, компенсационный метод, метод разложения волны на две ортогональные поляризационные компоненты) требуют такой ориентации АС, при которой плоскость ее раскрыва совпадает с плоскостью волнового фронта приходящей ЭМВ. Существенно уменьшить размеры апертуры антенной системы, необходимой для определения углов прихода ЭМВ и исключить ошибки измерения поляризационных параметров, связанные с произвольной ориентацией волнового фронта относительно плоскости раскрыва антенны измерительной системы, позволяет метод, предложенный Морганом и Эвансом. К недостаткам этого метода следует отнести то, что его применение возможно лишь
14
- Київ+380960830922