СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В УСЛОВИЯХ ОТРАЖЕНИЙ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF INFORMATION TRANSFER IN CONDITIONS OF REFLECTIONS (VERSIONS)

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к способам приема многолучевых сигналов в L-диапазоне частот (1,5/1,6 ГГц), и может быть использовано в системах подвижной спутниковой связи, навигации и передачи данных для улучшения качества приема цифровой информации, передаваемой сложными фазоманипулированными сигналами в условиях их отражений, преимущественно от морской поверхности, а также от других видов подстилающей поверхности в отсутствие затеняющих объектов (например, для степи, тундры, снежной равнины и др.).
При многолучевом распространении принимаемый сигнал испытывает замирания, которые существенно ухудшают условия передачи информации, в результате чего достоверность принятой информации резко ухудшается, а скорость ее передачи падает. Данное обстоятельство обусловливает принципиальную важность учета влияния отражений сигнала от поверхности моря при энергетических расчетах и выборе характеристик радиоканалов спутниковых систем передачи информации, а также разработки методов повышения помехоустойчивости приема замирающих сигналов в таких системах.
Известен способ, позволяющий оценивать уровень многолучевых замираний в L-диапазоне вследствие отражений сигнала от поверхности моря [Karasawa Y., Shiokawa T. Characteristics of L-band multipath fading due to sea surface reflection. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1984, vol.AP-32, №6, pp.618-623), в которых представлено техническое решение для определения энергетических потерь в радиоканале в зависимости от угла места, коэффициента усиления приемной антенны абонентской станции, высоты и наклона морской волны. Данное техническое решение выбрано в качестве первого аналога к заявленному способу.
Недостатком вышеприведенного первого аналога является то, что он обеспечивает оценку уровня замираний только гармонического сигнала и не учитывает реальную структуру сигналов, используемых в настоящее время в спутниковых системах связи, навигации и передачи данных, и, кроме того, в нем не предлагается метод ослабления влияния замираний в морском спутниковом радиоканале.
Известен способ передачи информации в многолучевом канале [Патент RU №2118052 С1, МПК Н04В 7/015 от 25.07.1996 г.], выбранный в качестве второго аналога. В данном техническом решении для ослабления влияния многолучевости в системах связи использованы сложные фазоманипулированные сигналы на основе манипуляции фазы несущей псевдослучайной последовательностью с соответствующим корреляционным преобразованием на приемной стороне. Указанный второй аналог является наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому результату и выбран в качестве прототипа к заявленному способу.
Недостатком прототипа является то, что он недостаточно эффективен в морских спутниковых системах связи, навигации и передачи данных, поскольку не учитывает специфику морской отражающей поверхности, которая практически всегда находится в движении (взволнована) и поэтому не может быть описана какой-либо регулярной функцией.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является достижение существенного ослабления влияния многолучевых замираний в спутниковом радиоканале L-диапазона вследствие отражений сигналов от поверхности моря и, как следствие, повышение помехоустойчивости приема замирающих сигналов в системах подвижной спутниковой связи, навигации и передачи данных.
т
Техническим результатом изобретения является повышение помехоустойчивости спутникового радиоканала L-диапазона в условиях отражений сигналов от морской поверхности за счет того, что значения тактовой частоты псевдослучайной последовательности (ПСП) F излученного с космического аппарата сложного фазоманипулированного сигнала выбирают исходя из условия обеспечения ослабления влияния замираний при априорных данных о параметрах радиоканала, усредненных за время эксплуатации космического аппарата (КА) и абонентской станции (АС) морского базирования.
Сущность заявленного изобретения заключается в следующем.
Морская поверхность практически всегда находится в движении, т.е. является статистически шероховатой и поэтому описывается с помощью аппарата случайных функций. В этом случае отраженный от такой поверхности сигнал также является случайным, при этом его статистические характеристики существенно зависят от соотношения параметров неровной поверхности и падающих на нее радиоволн [Зубкович С.Г. «Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности». М.: Сов. радио, 1968, с.57].
Критерием шероховатости поверхности служит параметр Релея [Papa R.J., Lennon J.F. The dependence of rough surface scattering on surface height statistics and correlation function. - IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1987, vol.AP-35, №2, p.240]:
,
где  волновое число в свободном пространстве;
λ - длина волны приходящего сигнала;
в
h - среднеквадратическое значение высоты морских волн;
п
p
θ, θ - соответственно угол падения и угол отражения (рассеяния) падающей волны, измеряемые от вертикального направления, так что , α - угол места космического аппарата.
При u<<1 поверхность моря практически создает зеркальное когерентное отражение под углом, равным углу падения, а при u>>1 рассеивает энергию падающего сигнала по всем направлениям. В этом случае отражение от поверхности представляет собой некогерентное рассеяние, т.е. случайный процесс с распределением, зависящим от ее статистических характеристик.
в
Морская волна в общем случае состоит из основной (первичной) волны и наложенных на нее более коротких (вторичных) волн (фиг.3). Однако поскольку в L-диапазоне параметр Релея, характеризующий степень шероховатости поверхности, для вторичных волн значительно меньше, чем для основной, их влиянием на основную волну можно пренебречь. Кроме того, будем считать, что поверхность моря является однородно шероховатой, т.е. все ее участки имеют одинаковые характеристики высот. В этом случае значение h одинаково по всей поверхности.
в
Когда неровности имеют большие по сравнению с длиной волны размеры (h>λ/4) и пологие склоны, а затенение одних элементов поверхности другими отсутствует, как это имеет место в L-диапазоне, для расчета отраженного поля можно использовать метод, основанный на приближении Кирхгофа [см. указанную выше книгу Зубковича С.Г., с.35]. В этом случае закономерности формирования отраженного сигнала могут быть описаны методами геометрической оптики и суперпозиции элементарных отражений от множества отдельных плоскостей, касательных к поверхности морской волны в соответствующих ее точках.
в
в
0
Случайными параметрами, характеризующими состояние поверхности моря, являются высота гребней морских волн и их наклон относительно линии горизонта, задаваемые среднеквадратическими значениями h и β, а также интервал корреляции поверхности l, т.е. такое расстояние между точками случайной поверхности, при котором статистическая связь между ними становится пренебрежимо малой.
в
в
в
Величина неровностей характеризуется высотой Н их максимального размаха от подножия до вершины. В океанологии для разных типов волн отношение h/Н принимают равным 0,19-0,24 [см. упомянутую выше книгу Зубковича С.Г., с.70], откуда следует, что высота волны Н связана с hсоотношением . В дальнейшем используется соотношение H=4h.
в
Среднеквадратическое отклонение наклона морской волны β определяется на основании приведенных в литературе статистических данных о мировом океане, собранных в течение длительного периода времени. Так, в случае, когда высота волны Н изменяется от 1 до 4 м, которая преобладает большую часть времени, среднеквадратическое значение наклона морских волн меняется в пределах 0,04-0,07 [Karasawa Y., Shiokawa Т., Characteristics of L-band multipath fading due to sea surface reflection. - IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1984, vol.AP-32, No.6, p.620].
Уровень замираний Fd принимаемого сигнала вследствие его отражений от поверхности моря определяется из следующего уравнения:
,
где p - вероятность, с которой в течение сеанса связи уровень замираний в радиоканале не превышает полученное расчетное значение;
фл
- плотность распределения вероятностей нормированной огибающей U флюктуирующего сигнала, поступающего на корабельную антенну,
п
к
где φ - разность фаз вследствие разности хода между прямым сигналом U и когерентной компонентой U отраженного сигнала;
0
I(x) - модифицированная функция Бесселя нулевого порядка;
- нормированная амплитуда когерентной составляющей отраженного сигнала,
где
0
- нормированная величина напряжения на выходе коррелятора в интервале (0,τ);
0
т
τ=1/F - длительность элемента сложного фазоманипулированного сигнала;
т
F - тактовая частота псевдослучайной последовательности;
c
т
т
Б=F/R - база сложного фазоманипулированного сигнала;
т
R - скорость передачи информации в канале;
x
τ=L/c - задержка прихода отраженного сигнала на вход приемника из-за разности хода между прямым и отраженным сигналами до точки приема;
c - скорость распространения электромагнитных колебаний;
- разность хода между прямым и отраженным сигналами до точки приема;
a
θ - угол между направлением на космический аппарат и направлением прихода отраженного сигнала;
- расстояние между приемной антенной и элементарной площадкой отражения;
a
Н - высота установки антенны над средним уровнем моря;
G(2α) - коэффициент усиления приемной антенны в направлении точки зеркального отражения относительно направления на космический аппарат;
п
F(θ) - коэффициент отражения Френеля от поверхности моря для волн с круговой поляризацией в L-диапазоне.
Волну с круговой поляризацией можно представить в виде двух линейно поляризованных волн, амплитуды которых равны, плоскости поляризации взаимно перпендикулярны, а фазы сдвинуты на угол π/2. В качестве ортогональных компонент сигнала используются составляющие вертикальной и горизонтальной поляризации, для которых
в этом случае ортогональные составляющие комплексного коэффициента отражения Френеля определяются по известным формулам:
- вертикальная составляющая;
- горизонтальная составляющая,
где ε - диэлектрическая проницаемость морской воды;
γ - удельная проводимость морской воды [См/м].
Дисперсия нормированной некогерентной компоненты отраженного сигнала
,
p
где φ - угол рассеяния в горизонтальной плоскости;
А - площадь отражающего участка поверхности моря;
- удельная эффективная площадь рассеяния поверхности моря,
где ;
- дисперсия наклона морской волны;
п
p
S(θ,θ) - функция затенения приходящего сигнала морскими волнами [Smith В.G. Geometrical shadowing of a random rough surface. - IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1967, vol.AP-15, №5, p.671].
т
Таким образом, заявленный способ позволяет оценивать уровень многолучевых замираний Fd в спутниковом радиоканале L-диапазона (фиг.4), а также определять такие значения тактовой частоты псевдослучайной последовательности F сложного фазоманипулированного сигнала, при которых обеспечивается существенное ослабление влияния замираний в канале связи (фиг.5) и, как следствие, повышение его помехоустойчивости в условиях отражений от морской поверхности.
Значения параметров радиоканала по первому варианту изобретения выбирают в результате усреднения их значений за время функционирования КА и АС морского базирования, а по второму варианту - в результате измерения их значений.
Устройства (заявитель не претендует на их защиту - прим. заявителя) для осуществления вариантов заявленного способа передачи информации в условиях отражений поясняются следующими фигурами:
- на фиг.1 представлена общая структурная схема устройства для осуществления заявленного способа передачи информации в условиях отражений по пп.1, 2 формулы;
- на фиг.2 представлена структурная схема устройства передачи информации в условиях отражений, реализующего заявленный способ по п.3 формулы;
- на фиг.3 представлена модель морской волны;
b
- на фиг.4 приведена качественная зависимость уровня замираний Fd от угла места α для случая взволнованной поверхности моря (H=1 м) при β=0,04-0,07;
т
- на фиг.5 качественно показано ослабление влияния отражений в морском спутниковом канале L-диапазона при использовании сложных фазоманипулированных сигналов с тактовой частотой псевдослучайной последовательности F.
т
т
т
т
Устройство для осуществления заявленного способа по пп.1, 2 формулы содержит блок 1 формирования и излучения сложного фазоманипулированного сигнала с тактовой частотой псевдослучайной последовательности F, выполненный с возможностью генерации псевдослучайной последовательности с тактовой частотой F и блок 2 приема и обработки сложного фазоманипулированного сигнала с тактовой частотой псевдослучайной последовательности F, выполненный с возможностью генерации псевдослучайной последовательности с тактовой частотой F (фиг.1).
т
в
Устройство, реализующее заявленный способ по п.3 формулы и изображенное на фиг.2, дополнительно содержит пульт управления 3 тактовой частотой псевдослучайной последовательности F, аппаратуру линии связи 4, вычислительный блок 5, измеритель 6 высоты морской волны H, измеритель 7 наклона морской волны относительно линии горизонта β и измеритель 8 угла места космического аппарата α.
т
т
т
Блок 1 формирования и излучения сложного фазоманипулированного сигнала с тактовой частотой псевдослучайной последовательности F на космическом аппарате формирует и излучает сложный фазоманипулированный сигнал с тактовой частотой псевдослучайной последовательности F и выполнен с возможностью генерации ПСП с тактовой частотой F.
т
т
т
Блок 2 приема и обработки сложного фазоманипулированного сигнала с тактовой частотой псевдослучайной последовательности F на абонентской станции морского базирования осуществляет прием и обработку сложного фазоманипулированного сигнала с тактовой частотой псевдослучайной последовательности F и выполнен с возможностью генерации ПСП с тактовой частотой F.
т
т
т
тi
тi
Пульты управления 3 тактовой частотой ПСП F подключены к управляющим входам блока 1 формирования и излучения сложного фазоманипулированного сигнала с тактовой частотой псевдослучайной последовательности F и блока 2 приема и обработки сложного фазоманипулированного сигнала с тактовой частотой псевдослучайной последовательности F на КА и АС соответственно. Пульты управления формируют команды (управляющие сигналы), подаваемые на управляющие входы блоков 1 и 2 для выработки значения тактовой частоты псевдослучайной последовательности F, где i=1, 2…N, N - число состояний канала связи, с помощью управляемых генераторов ПСП, входящих в состав блоков 1 и 2, на основании вычисления F, произведенного вычислительным блоком 5. (Вышеуказанные управляемые генераторы ПСП не показаны на фиг.1 и 2, поскольку, по мнению заявителя, в этом нет необходимости - примечание заявителя.
тi
в
Вычислительный блок 5 рассчитывает значения тактовой частоты псевдослучайной последовательности F, соответствующие конкретным состояниям радиоканала, которые имеют место при различных местоположениях космического аппарата и абонентской станции морского базирования и априорных данных о параметрах радиоканала - высоте морской волны Н, наклоне морской волны относительно линии горизонта β и угле места космического аппарата α, усредненных за время функционирования КА и АС морского базирования или их измеренных значениях.
т
тi
т
Аппаратура линии связи 4, размещенная на космическом аппарате или абонентской станции морского базирования и связывающая пульты управления 3 частотой ПСП F на КА и на АС морского базирования, выполнена с возможностью осуществления передачи информации о значениях тактовой частоты псевдослучайной последовательности F. При этом в качестве аппаратуры линии связи может быть использована штатная радиолиния передачи информации. Таким образом обеспечивается оперативная перестройка значений тактовой частоты F во время штатного режима работы при изменении местоположения космического аппарата и/или абонентской станции морского базирования.
Функционирование устройства в динамическом режиме, реализующее заявленный способ по п.3 формулы, заключается в следующем.
в
в
тi
Измеритель 6 высоты морской волны Н, измеритель 7 наклона морской волны β и измеритель 8 угла места космического аппарата α измеряют указанные параметры H, β и α соответственно. На основе измерения указанных параметров вычислительный блок 5 рассчитывает значения тактовой частоты псевдослучайной последовательности F, соответствующие конкретным состояниям радиоканала, которые имеют место при различных местоположениях космического аппарата и абонентской станции морского базирования.
Покажем возможность осуществления изобретения, т.е. возможность его промышленного применения.
т
т
Блоки 1 формирования и излучения сложного фазоманипулированного сигнала с тактовой частотой ПСП F и 2 приема и обработки сложного фазоманипулированного сигнала с тактовой частотой ПСП F известны из прототипа или из нижеуказанных источников информации: Варакин Л.Е. «Системы связи с шумоподобными сигналами». - М.: Радио и связь, 1985, с.329-343; «Глобальная навигационная система NAVSTAR». - «Зарубежная радиоэлектроника», 1980, №8, с.59-63.
т
Покажем правило (метод), с помощью которого могут быть получены пульт управления 3 частотой псевдослучайной последовательности F и управляемый генератор ПСП.
т
т
т
т
Пульт управления 3 частотой ПСП F, задачей которого является выбор значения тактовой частоты F, в простейшем случае представляет формирователь управляющего сигнала, например значения напряжения, подаваемого на управляющие входы блоков 1 и 2, а конкретно - на управляющие входы генераторов ПСП. Этот управляющий сигнал (значение напряжения), поступающий, например, на варикап задающего кварцевого генератора, входящего в состав управляемого генератора ПСП, изменяет его тактовую частоту до требуемого значения (см., например, Альтшуллер Г.Б. и др. «Кварцевые генераторы». - М.: Радио и связь, 1984, с.145-150). Возможно и иное техническое решение для изменения тактовой частоты ПСП, описанное, например, в книге Голембо В.А., Котляров В.Л., Швецкий Б.М. «Пьезокварцевые амплитудно-цифровые преобразователи температуры». - Львов: ЛГУ, 1977, с.171 и заключающееся в использовании управляемого делителя частоты, т.е. делителя частоты с произвольным коэффициентом деления. Отметим, что указанный делитель функционирует с управляющим сигналом в виде двоичного кода, поэтому в данном случае пульт управления 3 частотой ПСП F должен формировать команды управления в двоичном коде (или иметь в своем составе амплитудно-цифровой преобразователь для преобразования постоянного управляющего напряжения в двоичный код). Указанный делитель частоты может быть установлен на выходе управляемого генератора ПСП, устанавливая таким образом требуемое значение тактовой частоты F.
По существу, управляемые генераторы ПСП известны и широко используются: см., например, патент RU №1840447 А1, МПК Н04В 5/02 от 28.05.1979 г., патент RU №1840167 А1, МПК Н04М 13/00, H04L 7/00 от 22.01.1985 г.
Однако в указанных источниках информации недостаточно полно раскрыта их структура, поэтому заявитель для конкретности и привел очевидное правило (метод) построения такого управляемого генератора ПСП.
тi
Аппаратура линии связи 5, обеспечивающая передачу информации о значениях тактовой частоты ПСП F, известна, см., например, источники информации: Пенин П.И. «Системы передачи цифровой информации». Учебное пособие для вузов. - М.: Сов. радио, 1976, с.342-345; Спилкер Дж. «Цифровая спутниковая связь». Пер. с англ. - М.: Связь, 1979, с.15-21.
тi
Вычислительный блок 5, обеспечивающий вычисление значений тактовой частоты ПСП F, охарактеризован в материалах заявки на функциональном уровне, и его реализация предполагает использование программируемого средства. Такие программируемые средства известны: персональный компьютер, ЭВМ, см., например, источники информации: Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко А.А. «Вычислительные системы, сети и коммуникации». - М.: Финансы и статистика. 2004, с.1-273; Пул Л. «Работа на персональном компьютере». Пер. с англ. - М.: Мир, 1986, с.73-88.
Измеритель 6 высоты морской волны Н известен: см., например, Загородников А.А. «Радиолокационная съемка морского волнения». - Л.: Гидрометеоиздат, 1978, с.141-158; Ванаев А.П., Чернявец В.В. «Определение параметров волнения совмещенной системой измерения скорости судна и высоты волн». - «Судостроение», 1993, №8-9, с.6-8; патент RU №2328757 С2, МПК G01W 1/04, G01C 13/00, В63В 22/00 от 04.09.2006 г.
в
Измеритель 7 наклона морской волны β известен: см., например, патент RU №2231033 С2, МПК G01L 11/00, G01P 5/00 от 17.09.2002 г.; патент RU №2328757 С2, МПК G01W 1/04, G01C 13/00, В63В 22/00 от 04.09.2006 г.
Измеритель 8 угла места космического аппарата α представляет собой радиопеленгатор (см., например, «Справочник по радиоэлектронным системам». Под ред. Б.X.Кривицкого, т.2. - М.: Энергия, 1979, с.165-169); патент RU №2144200 С1, МПК G01S 3/14, G01S 3/74 от 17.06.1999 г.