ИОНОСФЕРНЫЙ ЗОНД-РАДИОПЕЛЕНГАТОР
IONOSPHERIC PROBE-DIRECTION FINDER

Изобретение относится к радиотехнике, предназначено для одновременного измерения дистанционно-частотных, амплитудно-частотных и угловых-частотных характеристик радиосигналов и может использоваться для обеспечения надежной работы систем загоризонтной KB радиолокации, радиосвязи, радионавигации и радиопеленгации.
e
e
e
e
При решении задач радиолокации, радионавигации и радиопеленгации возникает проблема позиционирования источника радиоизлучения (рассеяния). Для местоопределения источника радиоизлучения необходимо по результатам измерений характеристик принятого радиосигнала выполнить имитационное моделирование распространения радиоволн в трехмерно неоднородной магнитоактивной ионосфере с реальным распределением электронной концентрации N на трассе зондирования. Одним из методов определения пространственного распределения электронной концентрации является решение обратной задачи реконструкции профиля N по данным наклонного зондирования, полученным в реальном времени (Smith M.S. The calculation of ionospheric profiles from data given on oblique incidence ionograms. J. Atm. Terr. Phys. 1970, v.32, no.6). В последние годы для наклонного зондирования ионосферы широко используется ЛЧМ ионозонд, обладающий высокой помехозащищенностью и высоким разрешением по времени группового запаздывания и частоте (Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г., Урядов В.П. Мониторинг волновых возмущений методом наклонного зондирования ионосферы, Изв. Вузов Радиофизика. 2006, т.49, №12). Однако в связи с возросшими требованиями к характеристикам радиоэлектронного оборудования, функционирующего в условиях горизонтально-неоднородной ионосферы, знания только дистанционно-частотной характеристики (ДЧХ), определяемой с помощью ЛЧМ ионозонда, недостаточно для восстановления с приемлемой точностью распределения электронной концентрации N на трассе зондирования. Повышение точности определения пространственно-временного распределения N может быть достигнуто в том случае, когда одновременно с ДЧХ измеряется угловая частотная характеристика (УЧХ) трассы (Салтыков Е.Г. Восстановление электронных концентраций с малыми горизонтальными градиентами по результатам наклонного зондирования ионосферы. Численные методы решения обратных задач математической физики. Сб. трудов МГУ./Под ред. А.Н.Тихонова и А.А.Самарского, МГУ, 1988).
Известны способы и устройства (Выставной В.М. Два способа исследования амплитудных характеристик сигналов наклонного зондирования ионосферы. Труды ААНИИ, Наклонное зондирование ионосферы, т.351, 1978; Брянцев В.Ф. Способ измерения амплитудно-частотных характеристик ионосферных каналов радиосвязи - заявка RU 2007137287; Колчев А.А., Ширий А.О. Способ измерения передаточных функций отдельных мод ионосферного распространения сигнала и амплитудно-частотных характеристик многолучевой коротковолновой радиолинии. - Заявка RU 2006112506/09; Лапин А.Ю., Савин Ю.К., Соломенцева Т.И. Устройство для определения многолучевой структуры ионосферных сигналов. - Патент на изобретение RU 2122222), которые оценивают состояние радиоканалов посредством измерения и сравнения ограниченного числа параметров (уровня помех и амплитуды сигнала на ряде фиксированных частот (RU 2007137287); АЧХ трассы (RU 2006112506/09), Выставной В.М. (Труды ААНИИ, 1978 г.); многолучевой структуры ионосферных сигналов (RU 2122222), что, однако не обеспечивает комплексной адаптации радиоэлектронных систем к текущему состоянию ионосферы по результатам зондирования и, как следствие, не приводит к заметному повышению надежности их функционирования. Кроме этого, известные способы и устройства имеют существенный недостаток, а именно, они не осуществляют измерение угловых-частотных характеристик радиосигналов. Это ограничивает их возможности при принятии решения об изменении параметров радиоэлектронных систем и режима их работы в условиях быстрого и значительного изменения ионосферной обстановки, например, во время магнитных бурь, когда возникают аномальные каналы распространения («боковое» распространение посредством рассеяния на интенсивных неоднородностях, волноводное распространение). При этом снижается точность работы систем радиолокации, радиопеленгации и радионавигации.
В качестве прототипа взято устройство для определения многолучевой структуры ионосферных сигналов (RU 2122222), где принцип определения многолучевости состоит в следующем. В устройство, содержащее две антенны, подключенные к соединенным между собой радиоприемникам, введены измеритель разности фаз, входы которого соединены с выходами радиоприемников, а выход подключен к входу блока фиксации текущих значений разности фаз, выходы которого через блок определения дифференциальной функции распределения соединен с блоком анализа этой функции. С помощью этого устройства определяется дифференциальная функция распределения разности фаз между сигналами в разнесенных по пространству антеннах, анализируется вид этой функции и в результате оценивается многолучевость принимаемого сигнала. При наличии в принимаемом сигнале несколько лучей функция распределения будет иметь несколько максимумов, а одного луча - один максимум. Таким образом, определяя и анализируя функцию распределения разностей фаз между выходными напряжениями радиоприемников, подсоединенных к двум антеннам, можно определять многолучевую структуру сигнала.
Данное устройство имеет существенный недостаток, а именно, из-за ограниченного набора антенн (используется две антенны) и невозможности разделения лучей имеет место интерференция различных мод сигнала, что снижает возможности устройства по определению многолучевой структуры ионосферных радиосигналов. Кроме того, известное устройство не осуществляет измерение угловых характеристик радиосигналов, и поэтому определение многолучевости сигналов не дает однозначного ответа о способе распространения (прямое прохождение или боковое распространение за счет рассеяния/отражения на ионосферных неоднородностях и градиентах электронной концентрации), что имеет немаловажное значение для обеспечения эффективной работы радиоэлектронных систем различного назначения. Также, известное устройство не измеряет дистанционно-частотную (ДЧХ) и амплитудно-частотную (АЧХ) характеристики радиосигналов, что существенно ограничивает возможности данного устройства в решении задач радиосвязи, радиопеленгации, радионавигации и радиолокации без изменения состава аппаратно-программного комплекса.
Инструментом, позволяющим измерять полный набор характеристик ионосферного радиоканала (дистанционно-частотные, амплитудно-частотные и угловые частотные характеристики), является разработанный и созданный авторами ионосферный зонд-радиопеленгатор.
Предлагаемый ионосферный зонд-радиопеленгатор с использованием линейно-частотной модуляции (ЛЧМ) сигнала свободен от ошибок пеленгования, обусловленных проблемами многолучевого распространения, которые в классических KB пеленгаторах, построенных по интерферометрическому принципу, приводят к ошибкам измерения как пеленга (азимута), так и угла места. Ионосферный зонд-радиопеленгатор благодаря оптимальной обработке широкополосных ЛЧМ сигналов позволяет разделить полностью или частично суммарное интерференционное поле на парциальные лучи по групповой задержке. Как следствие, множество измеренных разностей фаз разделенных парциальных лучей свободны от интерференционных погрешностей.
Данная задача решается с помощью технического результата, заключающегося в одновременном измерении ДЧХ, АЧХ и УЧХ радиосигналов с помощью предлагаемого изобретения.
Указанный результат достигается тем, что в устройстве, содержащем два радиоприемника с общим гетеродином,
в качестве общего гетеродина использован перестраиваемый ЛЧМ генератор, кроме этого в устройство дополнительно включены GPS приемник с антенной, блок временной синхронизации, первый вход которого подключен к выходу GPS приемника, антенная решетка, состоящая из N антенных элементов, разветвитель, к входу которого подключен один из элементов антенной решетки (опорная антенна), антенный коммутатор, к первому входу которого подключен первый выход разветвителя, к другим N-1 входам антенного коммутатора подключены N-1 элементов антенной решетки, опорный генератор, первый выход которого подключен к первому входу ЛЧМ генератора, первое радиоприемное устройство (РПУ1), первый вход которого подключен ко второму выходу разветвителя, второй вход РПУ1 подключен ко второму выходу опорного генератора, третий вход РПУ1 подключен к первому выходу ЛЧМ генератора, второе радиоприемное устройство (РПУ2), первый вход которого подключен к выходу коммутатора, второй вход РПУ2 подключен к третьему выходу опорного генератора, третий вход РПУ2 подключен ко второму выходу ЛЧМ генератора, второй вход ЛЧМ генератора подключен к первому выходу блока временной синхронизации, двухканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый вход которого подключен к выходу РПУ1, второй вход АЦП подключен к выходу РПУ2, третий вход АЦП подключен ко второму выходу блока временной синхронизации, выход двухканального АЦП подключен к входу многопоточного вычислителя, предназначенного для определения АЧХ, ДЧХ и УЧХ ионосферного радиоканала по данным наклонного зондирования, первый выход которого подключен к третьему входу ЛЧМ генератора, второй выход многопоточного вычислителя подключен к N+1 входу антенного коммутатора, а третий выход многопоточного вычислителя подключен ко второму входу блока временной синхронизации.
j
j
j
j
j
j
с/ш
При этом вход многопоточного вычислителя совпадает с входом входящего в него блока оценки спектральной плотности мощности (СПМ) сигнала и шума многооконным методом (МТМ-методом) (Томсон Д.Дж. Спектральное оценивание и гармонический анализ. ТИИЭР. 1982. Т.70, №9), обнаружения лучей, определения их числа n, амплитуд α, задержек τ, отношения сигнал/шум (с/ш), коэффициента мутности  (отношение мощностей регулярной и рассеянной компонент сигнала), выход которого соединен с входом блока очистки ионограмм, выделения частотных ветвей и формирования зависимостей α(f), τ(f), (с/ш)(f), , определения наименьших наблюдаемых частот (ННЧ), максимальных наблюдаемых частот (МНЧ), интервалов многолучевости, интервала временного рассеяния Δτ, среднеквадратичного отклонения отношения (с/ш) σ, вероятности ошибки, надежности связи, первый выход которого соединен с входом блока измерения двухмерных угловых координат каждого j-го луча путем Фурье-синтеза диаграммы направленности антенны и окончательной очистки ионограмм на основе критерия достоверности оценки углов прихода, а второй выход которого соединен с блоком формирования и отображения выходной информации, второй вход которого соединен с выходом блока измерения двухмерных угловых координат каждого j-го луча путем Фурье-синтеза диаграммы направленности антенны и окончательной очистки ионограмм на основе критерия достоверности оценки углов прихода. На выходе многопоточного вычислителя установлен пользовательский интерфейс, первый выход которого, совпадающий с первым выходом многопоточного вычислителя, подключен к третьему входу ЛЧМ генератора, второй выход пользовательского интерфейса, совпадающий со вторым выходом многопоточного вычислителя, подключен к N+1 входу антенного коммутатора, третий выход пользовательского интерфейса, совпадающий с третьим выходом многопоточного вычислителя, подключен ко второму входу блока временной синхронизации, четвертый выход пользовательского интерфейса соединен с третьим входом блока формирования и отображения выходной информации многопоточного вычислителя.
На фиг.1 приведена структурная схема устройства.
j
j
j
j
j
с/ш
2
Устройство включает антенну GPS 1, подключенную к GPS приемнику 2, блок временной синхронизации 3, первый вход которого подключен к выходу GPS приемника 2, N-элементную антенную решетку 4, разветвитель 5, к входу которого подключен один из элементов антенной решетки 4 (опорная антенна), антенный коммутатор 6, к первому входу которого подключен первый выход разветвителя 5, к другим N-1 входам коммутатора 6 подключены N-1 - элементов антенной решетки 4, опорный генератор 7, первое радиоприемное устройство (РПУ1) 8, первый вход которого подключен ко второму выходу разветвителя 5, второй вход РПУ1 8 подключен ко второму выходу опорного генератора 7, второе радиоприемное устройство (РПУ2) 9, первый вход которого подключен к выходу антенного коммутатора 6, а второй вход РПУ2 9 подключен к третьему выходу опорного генератора 7, ЛЧМ генератор 10, первый вход которого подключен к первому выходу опорного генератора 7, второй вход ЛЧМ генератора 10 подключен к первому выходу блока временной синхронизации 3, первый выход ЛЧМ генератора 10 подключен к третьему входу РПУ1 8, второй выход ЛЧМ генератора 10 подключен к третьему входу РПУ2 9, двухканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11, первый вход которого подключен к выходу РПУ1 8, второй вход АЦП 11 подключен к выходу РПУ2 9, третий вход АЦП 11 подключен ко второму выходу блока временной синхронизации 3, выход двухканального АЦП 11 подключен к входу многопоточного вычислителя 12 (обведен на фиг.1 пунктирной линией), состоящего из блока оценки спектральной плотности мощности (СПМ) сигнала и шума многооконным методом (МТМ-методом), обнаружения лучей, определения их числа n, амплитуд α, задержек τ, коэффициента мутности β 13, блока очистки ионограмм, выделения частотных ветвей и формирования зависимостей α(f), τ(f), (с/ш)(f), , определения наименьших наблюдаемых частот (ННЧ), максимальных наблюдаемых частот (МНЧ), интервалов многолучевости, интервала временного рассеяния Δτ, среднеквадратичного отклонения отношения (с/ш) σ, вероятности ошибки, надежности связи 14, блока измерения двухмерных угловых координат каждого j-го луча путем Фурье-синтеза диаграммы направленности антенны и окончательной очистки ионограмм на основе критерия достоверности оценки углов прихода 15, блока формирования и отображения выходной информации 16, пользовательского интерфейса 17. При этом на входе многопоточного вычислителя 12 установлен блок 13, вход которого соединен с выходом двухканального АЦП 11, а выход блока 13 соединен с входом блока 14, первый выход которого соединен с входом блока 15, второй выход блока 14 соединен с первым входом блока 16, второй вход блока 16 соединен с выходом блока 15. На выходе многопоточного вычислителя 12 установлен пользовательский интерфейс 17, первый выход которого, совпадающий с первым выходом многопоточного вычислителя 12, подключен к третьему входу ЛЧМ генератора 10, второй выход пользовательского интерфейса 17, совпадающий со вторым выходом многопоточного вычислителя 12, подключен к N+1 входу антенного коммутатора 6, третий выход пользовательского интерфейса 17, совпадающий с третьим выходом многопоточного вычислителя 12, подключен ко второму входу блока временной синхронизации 3, четвертый выход пользовательского интерфейса 17 соединен с третьим входом блока формирования и отображения выходной информации 16.
Рассмотрим функциональное назначение отдельных блоков, в совокупности обеспечивающих решение основной задачи изобретения - одновременное измерение ДЧХ, АЧХ и УЧХ ионосферного радиоканала по данным наклонного ЛЧМ зондирования ионосферы.
N - элементная антенная решетка, состоящая из N вертикальных штыревых антенн, используется для определения амплитудно-фазового распределения поля радиоволн на апертуре антенной решетки и оценки углов прихода различных лучей путем Фурье-синтеза диаграммы направленности.
jnl
n
Здесь Ф - фаза сигнала, измеренная на n-ом антенном элементе относительно фазы сигнала на опорной антенне, n=1,2,…,N - номер опрашиваемого антенного элемента, l=1,2,…, L - номер дискретной частоты f, на которой будут оцениваться углы прихода j - луча, α - азимут радиус вектора n-антенного элемента относительно начала системы координат, совмещенной с опорной антенной.
jl
j
j
Путем вариаций величин α и Δ находят максимальное значение функции |D(α,Δ)|, равное 1, тем самым определяя направление прихода j-го луча, характеризуемое азимутом - α и углом места - Δ.
Опорный генератор 7 необходим для подачи опорной частоты двум приемникам РПУ1 8 и РПУ2 9, и ЛЧМ генератору 10, что обеспечивает когерентность обоих РПУ 8 и 9 и ЛЧМ генератора 10.
ЛЧМ генератор 10 предназначен для получения сигнала гетеродина для двух РПУ1 8 и РПУ2 9, изменяющегося с заданной скоростью перестройки от заданной начальной частоты до заданной конечной частоты. Этим обеспечивается когерентность двух приемников РПУ1 8 и РПУ2 9 в режиме приема непрерывных ЛЧМ сигналов. Программирование начальной частоты, конечной частоты и скорости перестройки частоты осуществляется от пользовательского интерфейса 17 многопоточного вычислителя 12. Опорная частота (5 МГц) для ЛЧМ генератора поступает от опорного генератора 7. Запуск ЛЧМ генератора 10 осуществляется в нужный запрограммированный момент времени от блока временной синхронизации 3.
Блок временной синхронизации 3, корректируемый по сигналам GPS приемника 2, предназначен для временной синхронизации запуска ЛЧМ генератора 10 и АЦП 11 измерительного комплекса. Сигнал минутной метки блока временной синхронизации 3 разветвляется и подается на вход запуска (второй вход) ЛЧМ генератора 10 и вход запуска (третий вход) двухканального АЦП 11. Для обеспечения жесткой временной привязки блок временной синхронизации 3 непрерывно корректируется по секундной метке приемника GPS 2.
Разветвитель 5 сигнала опорной антенны предназначен для калибровки фазовой неидентичности каналов двух когерентных радиоприемников РПУ1 8 и РПУ2 9. Разветвитель 5 обеспечивает постоянное подключение радиоприемника РПУ1 8 к одному из элементов антенной решетки 4 (опорной антенне) с образованием так называемого опорного канала.
Антенный коммутатор 6 предназначен для периодического подключения каждого из антенных элементов N-элементной антенной решетки к каналу РПУ2 9 (так называемому предметному каналу). Антенный коммутатор 6 управляется от пользовательского интерфейса 17 многопоточного вычислителя 12, который управляет подключением очередного антенного элемента к РПУ2 9.
При переключении с помощью антенного коммутатора 6 предметный канал РПУ2 9 периодически подключается к опорной антенне. Как следствие, в этот момент времени каналы двух приемников РПУ1 8 и РПУ2 9 подключаются к опорной антенне. По выборке сигнала с опорной антенны определяется комплексный коэффициент разноканальности (разность фаз и отношение амплитуд), описывающий отношение комплексных коэффициентов передачи предметного и опорного каналов. В дальнейшем этот коэффициент используется для коррекции комплексных относительных амплитуд сигналов, полученных по выборкам с других N-1 антенных элементов. В результате обеспечивается измерение относительных (по отношению к опорной антенне) комплексных амплитуд сигналов со всех антенных элементов, инвариантных относительно комплексных коэффициентов передачи каналов двух РПУ.
Двухканальный АЦП 11 предназначен для синхронной оцифровки сигналов по выходу РПУ1 8 и РПУ2 9.
j
j
j
j
j
с/ш
2
Обработка оцифрованного разностного сигнала, осуществляется многопоточным вычислителем 12. Разностный сигнал в приемниках РПУ1 8 и РПУ2 9 по второй промежуточной частоте (ПЧ) каждого приемника оцифровывается двухканальным АЦП 11. С выхода АЦП 11 оцифрованный разностный сигнал с двух РПУ поступает на вход блока 13, входящего в состав многопоточного вычислительного устройства 12, где осуществляется оценка спектральной плотности мощности (СПМ) сигнала и шума многооконным методом (МТМ-методом), обнаружение лучей, определение их числа n, комплексных амплитуд α, задержек τ, коэффициента мутности β. С выхода блока 13 сигнал поступает на вход блока 14, где осуществляется очистка ионограмм, выделение частотных ветвей и формирование зависимостей α(f), τ(f), (с/ш)(f), , определение ННЧ, МНЧ, интервалов многолучевости, интервала временного рассеяния Δτ, среднеквадратичного отклонения отношения (с/ш) σ, вероятности ошибки, надежности связи.
С первого выхода блока 14 сигнал поступает на вход блока 15, где осуществляется измерение двухмерных угловых координат каждого j-го луча путем Фурье-синтеза диаграммы направленности антенны и окончательная очистка ионограмм на основе критерия достоверности оценки углов прихода. Со второго выхода блока 14 и с выхода блока 15 сигналы поступают соответственно на первый и второй входы блока формирования и отображения выходной информации 16, третий вход которого соединен с четвертым выходом пользовательского интерфейса 17. В блоке 16 осуществляется формирование и отображение дистанционно-частотных, амплитудно-частотных и двухмерных угловых-частотных характеристик, а также МНЧ, ННЧ, уровня спектральной плотности шума, коэффициента мутности, вероятности ошибки, надежности связи.
Пользовательский интерфейс 17 многопоточного вычислителя 12 предназначен для программирования блока временной синхронизации 3 и ЛЧМ генератора 10, управления антенным коммутатором 6 и блоком отображения информационных параметров и функций 16.
Работа ионосферного зонда-радиопеленгатора состоит из следующих основных этапов.
1. По программе, привязанной к шкале времени ЛЧМ передатчика и параметрам излучаемого ЛЧМ-сигнала (начальной частоте, конечной частоте, скорости перестройки частоты, началу излучения, периоду зондирования) с пользовательского интерфейса 17 происходит запуск ионосферного зонда-радиопеленгатора, включая запуск блока временной синхронизации 3, ЛЧМ генератора 10, АЦП 11 и блока формирования и отображения выходной информации 16.
2. Сигнал ЛЧМ передатчика принимается антенной решеткой 4. С выхода опорной антенны (одного из элементов антенной решетки 4) через разветвитель 5 сигнал поступает на первый вход РПУ1 8. К опорной антенне РПУ1 8 подключен постоянно, что обеспечивает получение непрерывной выборки сигнала по опорному каналу. На второй вход РПУ1 8 поступает сигнал со второго выхода опорного генератора 7, а на третий вход РПУ1 8 поступает сигнал с первого выхода ЛЧМ генератора 10, с выхода 2-ой промежуточной частоты (ПЧ) РПУ1 8 разностный сигнал, сформированный при перемножении принимаемого сигнала с сигналом ЛЧМ генератора, поступает на первый вход АЦП 11.
3. С помощью антенного коммутатора 6 к РПУ2 9 поочередно подключаются все антенные элементы, и ЛЧМ сигнал, принятый антенной решеткой 4, поступает на первый вход РПУ2 9 (предметный канал), на второй вход РПУ2 9 поступает сигнал с третьего выхода опорного генератора 7, а на третий вход РПУ2 9 поступает сигнал со второго выхода ЛЧМ генератора 10, с выхода 2-ой ПЧ РПУ2 9 разностный сигнал, сформированный при перемножении принимаемого сигнала с сигналом ЛЧМ генератора, поступает на второй вход АЦП 11.
4. Когда оба РПУ1 8 и РПУ2 9 подключены к опорной антенне (одному из элементов антенной решетки 4) по выборке сигнала с опорной антенны определяется комплексный коэффициент разноканальности (разность фаз и отношение амплитуд), описывающий отношение комплексных коэффициентов передачи предметного и опорного каналов. В дальнейшем этот коэффициент используется для коррекции комплексных относительных амплитуд сигналов, полученных по выборкам с других антенных элементов. В результате обеспечивается измерение относительных (по отношению к опорной антенне) комплексных амплитуд сигналов со всех антенных элементов, инвариантных относительно комплексных коэффициентов передачи каналов двух РПУ.
d
0
min
max
l
1m
nm
5. Затем антенный коммутатор переключает предметный РПУ2 9 на новый антенный элемент и т.д. Коммутация осуществляется до тех пор, пока не закончится прием сигнала от ЛЧМ передатчика. В каждый момент времени двухканальный РПУ, состоящий из РПУ1 8 и РПУ2 9, подключен к опорной антенне (одному из элементов антенной решетки 4) и другому элементу из N-элементной антенной решетки 4. При этом с каждой пары антенных элементов делается выборка сигнала длиной М для оцифровки в АЦП 11 с частотой f и шагом дискретизации  Величина М выбирается так, чтобы обеспечивалось временное разрешение парциальных лучей распространения по групповой задержке. Так, при скорости перестройки частоты 100 кГц/с и полосе анализа ЛЧМ сигнала 20 кГц временная выборка составляет 200 мс. При этом для временного разрешения парциальных лучей по групповой задержке ~50 мкс величина М полагается равной 4096. Средняя частота принимаемого сигнала равна , где n=1,2,…N - номер опрашиваемого антенного элемента, l=1,2,…, L, - номер дискретной частоты, на которой будут оцениваться углы прихода,  - количество дискретных частот, µ - скорость перестройки частоты, f и f - минимальная и максимальная частоты из диапазона зондирования. Углы прихода при этом оцениваются на равномерной частотной сетке, а значения частот определяются соотношением . После полного обхода всех N элементов антенной решетки 4 на промежуточной частоте приемников РПУ1 8 и РПУ2 9 при средней дискретной несущей частоте f для каждой пары каналов АЦП 11 получают когерентные выборки цифрового разностного сигнала для опорного канала {x} и предметного канала {x}, где n=1,2…,N, m=1,2,…,М.
j
j
1k
nk
1k
1m
nk
nm
j
j
j
j
2
2
6. Обработка оцифрованного разностного сигнала осуществляется многопоточным вычислителем 12. С выхода АЦП 11 оцифрованный разностный сигнал с двух РПУ поступает на вход блока 13, входящего в состав многопоточного вычислительного устройства 12, где осуществляется оценка спектральной плотности мощности (СПМ) сигнала и шума многооконным методом (МТМ-методом), происходит обнаружение лучей, определение их числа n, комплексных амплитуд α, задержек τ, коэффициента мутности β. По каждой паре выборок разностного сигнала для опорного канала {x} и предметного канала {x} вычисляются спектры сигналов {s}=FFT(x) и {s}=FFT (x), где k=1,…М/2, FFT - оператор дискретного преобразования Фурье, выполняемый на основе алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ). По каждой выборке сигнала длиной М с n-го антенного элемента с помощью алгоритма БПФ вычисляется комплексный спектр сигнала и вычисляется спектральная плотность мощности сигнала МТМ-методом. Комплексный спектр сигнала используется для вычисления относительного коэффициента передачи К в полосе РПУ при подключении РПУ1 8 и РПУ 2 9 к опорной антенне (одному из элементов антенной решетки 4). Спектральная плотность мощности шума определяется гистограммным способом (Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградова Е.Г. Аппаратно-программный комплекс для определения оптимальных рабочих частот связной радиолинии по данным наклонного зондирования ионосферы. XIII международная научно-техническая конференция "Радиолокация Навигация Связь". Воронеж: САКВОЕЕ, 2007). На основе статистического критерия (F-статистики) в МТМ-методе осуществляется выделение дискретных лучей распространения (определение их количества J), задержек лучей τ(f), комплексных амплитуд α(f), определение мощности рассеянной компоненты и, как следствие, определение коэффициента мутности β. Здесь же для каждого выделенного j-го луча находится амплитудно-фазовое распределение (АФР) поля по апертуре антенной решетки , где j=1,2… J - номер луча, n=1,2,…, N - номер антенного элемента, l=1,2,…, L, - номер дискретной частоты, на которой будут оцениваться углы прихода. АФР каждого луча используется далее для Фурье-синтеза диаграммы направленности и оценки двухмерных угловых координат луча α - азимута прихода в плоскости Земли и Δ - угла места в вертикальной плоскости.
j
j
j
c/ш
7. С выхода блока 13 сигнал поступает на вход блока 14, где осуществляется очистка ионограмм, выделение частотных ветвей и формирование зависимостей α(f), τ(f), (c/ш)(f), , определение ННЧ, МНЧ, интервалов многолучевости, интервала временного рассеяния Δτ, среднеквадратичного отклонения отношения (с/ш)σ, вероятности ошибки, надежности связи.
8. С первого выхода блока 14 сигнал поступает на вход блока 15, где осуществляется измерение двухмерных угловых координат каждого j-то луча путем Фурье-синтеза диаграммы направленности антенны антенной решетки и окончательная очистка ионограмм на основе критерия достоверности оценки углов прихода. Оценка достоверности найденных углов прихода осуществляется по значению кругового стандартного отклонения (Мардиа К. Статистический анализ угловых наблюдений. М.: Наука, 1978), которое оценивается величиной
jnl
jnl
и имеет смысл среднеквадратичного отклонения измеренных фаз Ф от теоретических ψ.
9. Со второго выхода блока 14 и с выхода блока 15 сигналы поступают соответственно на первый и второй входы блока формирования и отображения выходной информации 16, третий вход которого соединен с четвертым выходом пользовательского интерфейса 17. В блоке 16 осуществляется формирование и отображение дистанционно-частотных, амплитудно-частотных и двухмерных угловых-частотных характеристик, а также МНЧ, ННЧ, уровня спектральной плотности шума, коэффициента мутности, вероятности ошибки, надежности связи.
Таким образом, в процессе зондирования с помощью ионосферного зонда-радиопеленгатора определяются следующие информационные характеристики:
l
- количество обнаруженных лучей распространения на каждой дискретной частоте f;
jl
jl
l
jl
jl
jl
- средняя амплитуда α и задержка τ на распространение каждого луча j на дискретной частоте f. По задержке τ определяется дальность группового пути для каждого луча D=τ·с, где с - скорость света;
с/ш
- определяются ДЧХ, АЧХ, ННЧ и МНЧ каждой моды распространения, интервалы многолучевости, интервал временного рассеяния Δτ, отношение мощности сигнала к мощности шума коэффициент мутности, среднеквадратичное отклонение отношения (с/ш) σ, вероятность ошибки и надежность связи;
jl
jl
l
- азимуты α, углы места Δ всех лучей j, обнаруженных на дискретной частоте f.
jl
jl
Результаты работы ионосферного зонда-радиопеленгатора записываются в память многопоточного вычислителя 12, выводятся на экран монитора и распечатываются в виде графиков ДЧХ, АЧХ и УЧХ (азимуты α, углы места Δ всех лучей в полосе прохождения частот на трассе ЛЧМ зондирования), а также таблиц с основными параметрами ионосферного канала в блоке формирования и отображения выходной информации 16.
Особенностью двухканального ионосферного зонда-радиопеленгатора является также то, что при условии измерения УЧХ достигается дополнительная очистка результатов зондирования от шумов естественного происхождения и станционных помех. Как следствие, ДЧХ, полученные в процессе измерения УЧХ, не содержат характерных для одноканальных ЛЧМ зондов следов, порождаемых, прежде всего, влиянием станционных помех.
пч2
Для проверки работоспособности предлагаемого устройства в качестве приемных устройств были использованы два радиоприемных устройства Р-399А, в которых разностный сигнал снимался с выхода второй промежуточной частоты f=215 кГц.
Антенная решетка состояла из 16 вертикальных штыревых антенн высотой 9 м, размещенных на площадке 80х80 м.
В качестве блока временной синхронизации был применен модуль GPS приемника типа Lassen SK II.
В качестве аналого-цифрового преобразователя промежуточной частоты применен двухканальный АЦП типа ADSPCI214×10M.
В качестве многопоточного вычислителя применена ЭВМ.
На фиг.2 в виде графиков приведены результаты работы ионосферного зонда - радиопеленгатора в реальном времени на трассе ЛЧМ зондирования Троицк (Московская область) - Ростов-на-Дону 22 октября 2008 г., t=14:56 мск:
дистанционно-частотная характеристика (а), амплитудно-частотная характеристика (б), угловая-частотная характеристика ((в) - угол места Δ, (г) - азимут α) отдельных мод сигнала. На фиг.2 различным цветом и различными маркерами обозначены следующие моды распространения: • (красный) - мода Ес (распространение с отражением радиоволн от спорадического слоя Е ионосферы),  (синий) - мода 1F (распространение с одним отражением радиоволн от слоя F ионосферы), + (оранжевый) - мода 2F (распространение с двумя отражениями радиоволн от слоя F ионосферы), × (зеленый) - мода 3F (распространение с тремя отражениями радиоволн от слоя F ионосферы), * (голубой) - мода 4F (распространение с четырьмя отражениями радиоволн от слоя F ионосферы). Параметры излучаемого ЛЧМ сигнала: мощность передатчика 200 Вт, начальная частота 2 МГц, конечная частота 20 МГц, скорость перестройки частоты 100 кГц/с, начало излучения в 1, 6, 11, 16,… и т.д. минуты каждого часа. На фиг.3 в виде таблицы приведены результаты работы ионосферного зонда-радиопеленгатора на трассе Троицк (Московская область) - Ростов-на-Дону 22 октября 2008 г., t=14:56 мск применительно к определению основных параметров ионосферного радиоканала, которыми, наряду с угловыми - частотными характеристиками, представленными на фиг.2, являются:
f - частота зондирования;
n - число дискретных лучей;
Δτ - интервал временного рассеяния;
τ - задержка для доминирующего по мощности луча;
2
h - отношение мощности сигнала к мощности шума;
с/ш
σ - среднеквадратичное отклонение отношения мощности сигнала к мощности шума;
2
β - отношение мощностей регулярной и флуктуационной компонент сигнала (коэффициент мутности ионосферы);
р - вероятности ошибки для квазирелеевского канала;
ош.доп
-3
F - надежность радиосвязи при вероятности допустимой ошибки р=3·10.