УСТРОЙСТВО ДВУХЧАСТОТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОСЫ КОГЕРЕНТНОСТИ ТРАНСИОНОСФЕРНОГО КАНАЛА СВЯЗИ

Предлагаемая полезная модель относится к спутниковой радионавигации и связи и может быть использована в системах мониторинга за состоянием ионосферы и параметров канала связи.
Как известно, воздействие на ионосферу ряда факторов, вызванных активностью Солнца, таких как ионосферно-магнитные бури и вспышки поглощения, приводят к изменению ее основных параметров, и оказывают существенное влияние на распространение радиоволн [1, 2].
1
2
Одним из основных параметров ионосферы, влияющим на распространение радиоволн, является ее полное электронное содержание I, величина которой может измеряться при двухчастотном режиме работы (на несущих частотах f и f) систем спутниковой навигации [4]. В общем случае I представляет собой гауссовский случайный процесс и в любой момент времени определяется как сумма (I=Ī+ΔI) среднего значения Ī полного электронного содержания ионосферы и ее флуктуации ΔI относительно Ī. Флуктуации полного электронного содержания ионосферы ΔI характеризуются среднеквадратическим отклонением
K
ΔI
ΔI
Одним из важнейших параметров канала связи является полоса частотной когерентности ΔF~1/σ, которая обратно пропорционально зависит от среднеквадратического отклонения флуктуаций полного электронного содержания ионосферы σ [2].
1,2
ΔI
K1,2
ΔI
K1,2
0
0
Kl,2
14
2
18
2
Известно, что на рабочих частотах спутниковых систем связи (f~1 ГГц) в условиях нормальной ионосферы (когда σ~10 эл/м) полоса частотной когерентности составляет ΔF~10 ГГц, а при возмущениях ионосферы (когда σ может достигать ~10 эл/м) она может сужаться до значений ΔF<1 МГц и менее [2]. В этом случае при передаче в спутниковых каналах связи и навигации сигналов с шириной спектра ΔF=1…10 МГц будут выполняться условия (ΔF>ΔF) возникновения частотно-селективных замираний принимаемых сигналов.
K1,2
1
2
Целью является разработка устройства, позволяющего определять значения полосы когерентности трансионосферного канала связи ΔF по результатам двухчастотных (на несущих частотах f и f) измерений полного электронного содержания ионосферы I=Ī+ΔI.
0
0
K1,2
K1,2
Технический результат, который может быть получен с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к возможности адаптации ширины спектра сигналов (ΔF) спутниковых радионавигационных систем с целью устранения частотно-селективных замираний (ΔF<ΔF) при возмущениях ионосферы и сужении полосы когерентности трансионосферного канала до ΔF<1 МГц.
Известно устройство измерения полного электронного содержания ионосферы I при двухчастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации [4], в состав которого входят: приемная антенна (1), двухчастотный приемник (2), опорный генератор и синтезатор частот (3), аналого-цифровой процессор первичной обработки (4), блок вычисления фазового пути сигнала (5), блок вычисления полного электронного содержания ионосферы (6), устройство вывода информации (7) (фиг.1). Недостаток данного устройства в том, что оно не позволяет оценить полосу когерентности трансионосферного канала связи.
вх
j
1
2
Ф1,2
k
1
2
Ф1,2
k
Ф1,2
k
k
k
k-1
Ф1
ф2
1
2
ф1,2(
k)
Известное устройство измерения полного электронного содержания ионосферы при двухчастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации работает следующим образом. Приемная антенна (1) принимает электромагнитные колебания, излучаемые навигационными спутниками. С выхода приемной антенны (1) напряжение u(t) поступает на вход двухчастотного приемника (2). С выхода двухчастотного приемника (2) на вход аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) подается вектор оценки цифровых сигналов y(t), состоящий из сигналов j=1…n видимых навигационных спутников. Опорный генератор и синтезатор частот (3) формирует номиналы рабочих частот f и f на входы двухчастотного приемника (2), аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) и блока вычисления полного электронного содержания ионосферы I (6). В аналого-цифровом процессоре первичной обработки (4) реализованы схемы поиска и слежения за параметрами сигнала. С выхода аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) оценки фазового времени распространения τ(t) радиосигнала на несущих частотах f и f поступают на вход блока вычисления фазового пути сигнала (5), реализующего алгоритм Д(t)=cτ(t) с шагом Т=t-t=0,02 с, где Д и Д - фазовые пути сигнала (фазовые измерения псевдодальности) на частотах f и f соответственно. Значения Дt поступают на вход блока вычисления полного электронного содержания ионосферы I (6). С выхода блока вычисления полного электронного содержания ионосферы (6) данные поступают на устройство вывода информации (7).
K1,2
ΔI
Реализацию предлагаемого устройства, позволяющего определять значение полосы когерентности трансионосферного канала связи ΔF в зависимости от изменения величины среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы σ позволит осуществить устройство двухчастотного измерения полосы когерентности трансионосферного канала связи, схема которого приведена на Фиг.2. Выражение для расчета полосы когерентности трансионосферного канала связи имеет вид [2]:
где f - несущая частота [Гц];
8
с=3·10 м/с - скорость света;
ΔI
2
σ - среднеквадратическое отклонение флуктуации полного электронного содержания ионосферы в ее мелкомасштабных неоднородностях[эл/м];
3
2
80,8 - постоянный коэффициент [м/с];
- коэффициент, характеризующий нарастание дифракционных эффектов во фронте волны по мере ее распространения;
s
s
l - характерный масштаб неоднородностей (l=400 м);
э
Э
5
h - эквивалентная толщина ионосферного слоя (h=5·10 м);
1
1
5
h - расстояние он нижней границы ионосферы до точки приема (h=10 м).
1
2
1
2
Для решения поставленной задачи в известное (Фиг.1) устройство измерения полного электронного содержания ионосферы при двухчастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации [4] добавлены следующие блоки: блок вычисления среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы (8), блок вычисления коэффициента, характеризующего нарастание дифракционных эффектов во фронте волны по мере ее распространения на несущей частоте f (9), блок вычисления коэффициента, характеризующего нарастание дифракционных эффектов во фронте волны по мере ее распространения на несущей частоте f (10), блок вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи при несущей частоте f (11) и блок вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи при несущей частоте f (12).
1
2
1
Т.к. устройство измерения полосы когерентности трансионосферного канала связи, схема которого приведена на Фиг.2, реализовано на двух несущих частотах f и f, то выражения (1) и (2) для несущей частоты f примут вид
2
для несущей частоты f
вх
j
1
2
1
1
K1
1
2
2
K2
2
Ф1,2
k
Ф1,2
k
k
k
k-1
Ф1,2
k
Ф1,2
k
ΔI
ΔI
K1
1
K2
2
K1
1
1
K2
2
2
K1
1
K2
2
K1
K2
1
2
Предлагаемое устройство (фигура 2) работает следующим образом. Приемная антенна (1) принимает электромагнитные колебания, излучаемые навигационными спутниками. С выхода антенны (1) напряжение u(t) поступает на вход двухчастотного приемника (2), предназначенного для усиления и селекции принятых сигналов. С выхода двухчастотного приемника (2) на вход аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) подается вектор оценки цифровых сигналов y(t) состоящий из сигналов j=1…n видимых навигационных спутников. Опорный генератор и синтезатор частот (3) формирует номиналы рабочих частот f и f на входы двухчастотного приемника (2), аналого-цифрового процессора первичной обработки (4), блока вычисления полного электронного содержания ионосферы I (6); номиналы рабочих частот f на входы блока вычисления коэффициента, характеризующего нарастание дифракционных эффектов во фронте волны по мере ее распространения  на несущей частоте f (9) и блока вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи ΔF при несущей частоте f (11); номиналы рабочих частот f на входы блока вычисления коэффициента, характеризующего нарастание дифракционных эффектов во фронте волны по мере ее распространения  на несущей частоте f (10) и блока вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи ΔF при несущей частоте f (12). В аналого-цифровом процессоре первичной обработки (4) реализованы схемы поиска и слежения за параметрами сигнала. С выхода аналого-цифрового процессора (4) на вход блока вычисления фазового пути сигнала (5), реализующего алгоритм Д(t)=cτ(t) с шагом Т=t-t=0,02 с поступают оценки фазового времени распространения τ(t). С выхода блока вычисления фазового пути сигнала (5) значения Д(t) поступают на вход блока вычисления полного электронного содержания ионосферы I=Ī+ΔI (6). Далее с выхода блока вычисления полного электронного содержания ионосферы I (6) оценки полного электронного содержания I=Ī+ΔI поступают на вход блока вычисления среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы  (8), где происходят операции центрирования, возведения в квадрат, усреднения и извлечения квадратного корня [5]. С выхода блока вычисления среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы σ (8) значения среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы σ поступают на вход блока вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи ΔF при несущей частоте f (11) и вход блока вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи ΔF при несущей частоте f (12). На второй вход блока вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи ΔF при несущей частоте f (11) поступают значения коэффициента, характеризующего нарастание дифракционных эффектов , определяемого в блоке вычисления коэффициента, характеризующего нарастание дифракционных эффектов во фронте волны по мере ее распространения на несущей частоте f (9) согласно выражению (4). На второй вход блока вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи ΔF при несущей частоте f (12) поступают значения коэффициента, характеризующего нарастание дифракционных эффектов , определяемого в блоке вычисления коэффициента, характеризующего нарастание дифракционных эффектов во фронте волны по мере ее распространения на несущей частоте f (10) согласно выражению (6). В блоке вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи ΔF при несущей частоте f (11) и блоке вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи ΔF при несущей частоте f определяются значения полосы когерентности согласно выражениям (3) и (5) соответственно. Рассчитанные значения полосы когерентности ΔF и ΔF при несущих частотах f и f отображаются в устройстве вывода информации (7).
ΔI
k
1
2
Таким образом, в разработанном устройстве (Фиг.2) на основе величины среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы σ согласно известному [2] выражению (1) оперативно (с шагом Т=0,02 с) определяются значения полосы когерентности трансионосферного канала связи по результатам двухчастотных измерений (на несущих частотах f и f) полного электронного содержания ионосферы I=Ī+ΔI.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 представлена функциональная схема известного устройства измерения полного электронного содержания ионосферы при двухчастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации [4]; на Фиг.2 представлена функциональная схема предлагаемого устройства двухчастотного измерения полосы когерентности трансионосферного канала связи.
Список использованных источников
1. Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. Учебное пособие для радиотехн. спец. вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. Москва, «Высш. школа», 1975-280 с.
2. Пашинцев В.П., Солчатов М.Э., Гахов Р.П. Влияние ионосферы на характеристики космических систем передачи информации: Монография. - Москва: Физматлит, 2006. - 184 с.
3. Пашинцев В.П. Влияние частотно селективных замираний на измерение времени запаздывания сигналов в системах космической связи // Радиотехника и электроника, 1989 - Том 43 - №4 - с.410-414.
4. Пашинцев В.П., Галушко Ю.И., Спирин A.M., Коваль С.А. Устройство измерения полного электронного содержания ионосферы при двухчастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации. Патент на полезную модель №81340 от 10.03.2009 г.
5. Смирнов Н.Н., Федосов В.П., Цветков Ф.В. Измерение характеристик случайных процессов / Под. ред. В.П.Федосова: Учеб. пособие для вузов. - М.: САЙНС-ПРЕСС, 2004. - 64 с.