СПОСОБ АДАПТИВНОЙ РАДИОСВЯЗИ В ДКМВ-ДИАПАЗОНЕ
METHOD OF ADAPTIVE RADIO COMMUNICATION IN DECAMETRE RANGE

Изобретение относится к области техники радиосвязи, а более конкретно-адаптивной радиосвязи с использованием регулярных и аномальных способов распространения радиоволн, и может быть использовано для построения систем радиосвязи ДКМВ диапазона.
Известен способ связи в ДКМВ диапазоне с использованием пространственной (ионосферной) радиоволны, распространяющейся между передатчиком и приемником по кратчайшему расстоянию - короткой части дуги большого круга (БК), который обычно называют регулярным. Качество связи при этом зависит от состояния ионосферы вблизи точек отражения радиоволны, зависящего от многих факторов, к важнейшим из которых относится освещенность ионосферы солнцем. В результате максимальные частоты, отражаемые ионосферой, испытывают периодические изменения и зависят от времени суток, года, фазы солнечного цикла и других причин. В ночные часы эти частоты могут стать настолько малы, что связь прерывается. Другой причиной прерывания связи может стать большое поглощение сигнала на трассе распространения сигнала [1].
Для расширения времени устойчивой радиосвязи в течение суток меняют рабочие частоты, отслеживая максимально применимую (МПЧ) и оптимальную (ОРЧ) рабочие частоты (адаптация по частоте) [1, 2], однако не для всех трасс и не всегда это оказывается достаточным, и существуют часы непрохождения.
Для обеспечения связи в эти часы обычно используются иные способы связи или активные ретрансляторы, что усложняет и удорожает систему радиосвязи. Поэтому поиск способов расширения времени устойчивой связи в ДКМВ диапазоне является актуальным. Одной из возможностей расширения времени радиосвязи является использование аномальных каналов радиосвязи, т.е. каналов радиосвязи, в которых распространение радиоволн происходит не вдоль короткой части дуги большого круга. Примерами таких способов распространения являются сигналы обратного эхо (СОЭ) - сигналы, распространяющиеся вдоль длинной части дуги большого круга, сигналы рассеянные землей (СРЗ), экваториальные боковые сигналы (ЭБС), которые распространяются через естественные пассивные ретрансляторы. В роли пассивных ретрансляторов выступает для сигналов СРЗ рассеяние сигналов неровностями земной поверхности в стороне от дуги большого круга [3], а для ЭБС - ионосферные неоднородности экваториальной зоны [4].
В качестве прототипа выбран способ связи с адаптацией по частоте [2], получивший достаточно широкое применение, но недостаточно эффективный при большом поглощении на трассе распространения и не работающий в случае, когда максимально применимая частота становится менее минимальной частоты из списка используемых частот.
Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение времени связи (надежности связи) в ДКМВ диапазоне на радиотрассах большой протяженности (3000-20000 км) за счет адаптивного выбора канала радиосвязи с регулярным или аномальным механизмом распространения сигналов.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе адаптивной радиосвязи в ДКМВ диапазоне с выбором оптимальной рабочей частоты в зависимости от условий радиосвязи используют либо ионосферное распространение радиоволн между передатчиком и приемником по короткой части дуги большого круга либо по длинной его части (сигнал обратного эхо), либо распространение с использованием пассивного ретранслятора, в качестве которого выступает рассеяние радиоволн ионосферными неоднородностями экваториальной зоны, для чего передающую и приемную антенны ориентируют в соответствующих направлениях, отслеживая оптимальные направления излучения, приема и оптимальные частоты для каждого способа распространения.
В предлагаемом способе используется двухпараметрическая адаптация по типу распространения и частоте, что реализуется с помощью ориентации антенн и выбора рабочей частоты отдельно для каждого способа распространения. Критерием оптимальности служит максимизация оценки соотношения сигнал/помеха или надежности радиосвязи, сделанных в пределах времени стационарности радиоканала на разрешенных частотах связи для каждого из возможных способов распространения.
На фиг.1. приведена функциональная схема предлагаемого способа связи, где обозначено:
1 - источник информации;
2 - радиопередатчик;
3 - передающая антенна;
4 - среда распространения (ионосферный радиоканал) вдоль короткой части дуги большого круга;
5 - среда распространения (ионосферный радиоканал) вдоль длинной части дуги большого круга;
6 - среда распространения (ионосферный радиоканал) на пути от передатчика до области рассеяния;
7 - пассивный ретранслятор (рассеяние областью ионосферных неоднородностей);
8 - среда распространения (ионосферный радиоканал) на пути от области рассеяния до приемника;
9 - приемная антенна;
10 - радиоприемник;
11 - приемник информации;
12, 13 - управляющие ЭВМ, служащие для отслеживания азимутов излучения и приема и выбора рабочей частоты.
К отличительным признакам способа относятся:
1. Используют несколько механизмов распространения радиоволн (адаптация по способу распространения, включающих распространение радиоволн по короткой части дуги большого круга, распространение по его длинной части и распространение с использованием пассивного ретранслятора, в качестве которого используют рассеяние сигнала ионосферными неоднородностями экваториальной зоны в стороне от дуги большого круга, соединяющего передатчик и приемник.
2. Передающую и приемную антенны ориентируют в направлении выбранного для данной трассы и времени суток способа распространения. Азимуты излучения и приема при этом могут существенно (в пределах 360 градусов) отличаться от направления на корреспондента и меняются, имея выраженный и устойчивый суточный ход.
3. Для повышения эффективности способа его применяют в сочетании с частотной адаптацией (выбор наилучшей из нескольких частот), поскольку для каждого из выбранных способов распространения наилучшие условия наступают в разное время суток и на разных частотах.
Управление ориентацией передающей и приемной антенн производится на основании программы, включающей модели ионосферы и распространения радиоволн или на основании тестовых измерений на каждой из радиотрасс.
Проведенными исследованиями [5-10] установление, что на радиотрассах ДКМВ диапазона протяженностью 3-20 тыс.км наиболее часто наблюдаются три основных типа распространения радиоволн: распространение вдоль короткой части дуги большого круга, связывающего передатчик и приемник (включает все моды распространения с отражением от ионосферы) - прямой сигнал - ПС; распространение вдоль длинной части дуги большого круга - сигнал обратного эхо - СОЭ и распространение с использованием пассивного ретранслятора, в роли которого выступают ионосферные неоднородности экваториальной зоны - экваториальный боковой сигнал - ЭБС.
Пути распространения перечисленных типов сигналов показаны на фиг.2, где обозначено:
14 - точка расположения передатчика;
15 - точка расположения приемника;
16 - район области рассеяния;
17 - путь распространения прямого сигнала;
18 - путь распространения сигнала обратного эхо;
19 - путь распространения ЭБС от передатчика до области рассеяния;
20 - путь распространения ЭБС от области рассеяния до приемника.
Установлена регулярность и предсказуемость появления этих типов сигналов и наличие у них суточного хода основных параметров [6-10], вследствие чего для фиксированной трассы в разное время суток и на разных частотах наиболее интенсивными оказываются разные сигналы. Разное время распространения этих сигналов и разные направления прихода позволяют различить и разделить эти сигналы. Использование ориентации связных антенн и выбор рабочей частоты позволяют улучшить соотношение сигнал/помеха и надежность канала связи. Указанные свойства говорят о возможности создания системы связи с адаптивным выбором типа сигнала и частоты для связи.
Способ осуществляют следующим образом:
На основании измерений или расчетов для обслуживаемой радиолинии в зависимости от времени суток выбирают наиболее выгодный тип распространения, в соответствии с которым выбирают оптимальную частоту связи, а так же ориентацию используемых антенн. В течение суток их значения при необходимости меняют, отслеживая наиболее выгодные условия связи. Частоты для связи выбирают, исходя из необходимости обеспечения прохождения сигналов на участках трассы, а так же выполнения требуемых условий рассеяния (для ЭБС). Желательна работа вблизи МПЧ трассы, что обычно обеспечивает максимальное соотношения сигнал/шум. В качестве помехи может выступать и собственный сигнал, пришедший по другому пути распространения, что необходимо учитывать при выборе рабочей частоты.
Из изложенного очевидно, что связь с использованием аномальных способов распространения требует индивидуального для каждой радиотрассы или группы трасс выбора способа распространения, ориентации антенн и рабочей частоты. Существенно, что вследствие суточного вращения земли эти направления будут постоянно меняться, что требует постоянного отслеживания азимутов излучения и приема.
Возможность использования предлагаемого способа демонстрируют результаты эксперимента по приему сигналов станций единого времени (СЕВ) на радиотрассах Иркутск - Тихий океан и Москва - Тихий океан протяженностью 9000-20000 км в июле 1980 г. [8].
Станции СЕВ РВМ (Москва) и РИД (Иркутск) работали круглосуточно на частотах вблизи 10 и 15 МГц. Прием производился в Тихом и Атлантическом океанах на трассах протяженностью 9-20 тыс.км.
В качестве примера на фиг.3 приведены осциллограммы сигналов с разными типами распространения радиоволн, принятых от СЕВ РВМ (Москва) на трассе связи с южной частью Тихого океана протяженностью 15700 км. По горизонтальной оси графиков отложено время распространения сигнала в мс, по вертикальной - его амплитуда в мкВ. Результаты измерений на частоте 9996 кГц показаны знаком (•), на частоте 14996 кГц - знаком (+). На фиг.3.1 показан пример, когда на обеих частотах принимается только прямой сигнал (ПС), на фиг.3.2 - пример приема ПС на частоте 9996 кГц и ЭБС на частоте 14996 кГц, на фиг.3.3 - пример приема СОЭ одновременно на обеих частотах, на фиг.3.4 - одновременный прием ПС и ЭБС на частоте 9996 кГц и ПС и СОЭ на частоте 14996 кГц.
пр
На основании данных приема в течение суток делалась оценка надежности приема сигнала на каждой из частот отдельно для ПС, СОЭ, ЭБС и для случаев адаптивного выбора типа сигнала и рабочей частоты. Результаты измерений приведены в таблице 1. В ней указаны: дата измерений и позывной станции (1); длина трассы (2), рабочая частота или в случае приема на лучшей частоте стоит индекс АВ - адаптивный выбор (3). В графе (4) указан используемый тип сигнала - прямой сигнал - ПС или АВ - адаптивный выбор между ПС, СОЭ и ЭБС. Оценка надежности приема (Н) приведена в графе 5. В ней указаны: надежность приема ПС на каждой частоте, надежность приема при адаптивном выборе частоты и надежность приема при адаптивном выборе частоты и адаптации по типу сигнала. Данные приведены для нескольких характерных радиотрасс (среднеширотной, полярной, антиподной) протяженностью 9-20 тыс. км.
Таблица 1.
Дата, станция
Длина трассы, км
Частота, МГц
Тип сигнала
Н<sub>пр</sub>
Примечание
1
2
3
4
5
6
7.07.80 РВМ
14840
10
ПС
0.35
Среднеширотная трасса
15
ПС
0.64
АВ
ПС
0.64
15
АВ
0.93
АВ
АВ
0.93
1.07.80 РИД
15230
10
ПС
0.1
Полярная трасса
15
ПС
0.43
АВ
ПС
0.48
15
АВ
0.46
АВ
АВ
0.48
1.07.80 РВМ
12950
10
ПС
0.35
Среднеширотная трасса
15
ПС
0.69
АВ
ПС
0.69
15
АВ
1.0
АВ
АВ
1.0
26.07.80 РИД
19330
10
АВ
0.68
Антиподная трасса
15
АВ
0.88
АВ
АВ
0.91
26.07.80 РВМ
15850
10
ПС
0.35
Среднеширотная трасса
15
ПС
0.63
АВ
ПС
0.63
15
АВ
0.99
АВ
АВ
0.99
06.09.80
9200
10
ПС
0.1
Среднеширотная трасса
15
ПС
0.73
АВ
ПС
0.73
15
АВ
0.94
АВ
АВ
0.94
Результаты анализа полученных данных показывают:
1. Надежность приема на каждой из частот для одной наземной станции колеблется от 0.1 до 0.73. Чаще она больше на большей частоте, что говорит о том, что потери в основном связаны с ионосферным поглощением.
2. Адаптация по частоте при выборе из двух рабочих частот дает небольшую добавку по сравнению с приемом на большей из них, что говорит о том, что эта частота почти всегда является лучшей (0.46-0.7).
3. Адаптация по типу сигнала на верхней частоте позволяет увеличить надежность приема до 0.81-1, за исключением полярной трассы, где она возрастает с 0.41 до 0.44.
4. Адаптация по типу сигнала с одновременной адаптацией по частоте позволяет увеличить надежность приема до 0.89-1, за исключением полярной трассы, где она возрастает до 0.48.
5. Дополнительное использование пространственного разнесения по двум наземным станциям практически всегда позволяет получить надежность приема, близкую к 1.
Полученный результат по увеличению надежности приема при использовании адаптации по типу сигнала не вызывает удивления, поскольку ПС, СОЭ и ЭБС имеют разные пути распространения, где наилучшие условия распространения наступают в разное время. Исключением является полярная трасса, где наилучшие условия складываются вблизи линии терминатора и на трассах ПС, СОЭ и ЭБС наступают почти одновременно.
Ожидается, что предлагаемый способ адаптации будет наиболее эффективен для трасс протяженностью 10-20 тыс.км. На трассах меньшей протяженности его эффективность уменьшается вследствие ухудшения условий прохождения СОЭ и ЭБС.
Полученные результаты указывают на возможность использования адаптивного выбора каналов связи в сочетании с адаптацией по частоте в системах ДКМВ радиосвязи, что позволит улучшить надежность радиосвязи, сократить необходимое количество узлов связи и повысить скорость передачи информации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Грудинская Г.П. Распространение коротких и ультракоротких радиоволн. - М.: Радио и связь, 1981, с.19-22.
2. Иванов В.А., Рябова Н.В., Шумаев В.В. Основы радиотехнических систем ДКМ диапазона. Йошкар-Ола, 1998, с.62-78. (Прототип).
3. Патент №2273095 Российской Федерации МПК Н04В 7/22. Способ связи в ДКМВ диапазоне / Брянцев В.Ф. - Заявл. 19.07.2004. Опубл. 27.03.2006. Бюл. №9.
4. Патент №2323524 Российской Федерации МПК Н04В 7/145 (2006.01) Способ трансэкваториальной радиосвязи в ДКМВ диапазоне / Брянцев В.Ф. - Заявл. 01.08.2006 Опубл. 27.04.2008 Бюл №12. зарег. 27.04.2008.
5. Альперт Я.Л. Распространение радиоволн и ионосфера. - М.: Изд. АН СССР, 1960. - 480 С.
6. Брянцев В.Ф., Букин Г.В., Галкин А.И. и др. Суточные изменения времени распространения сигналов KB диапазона на трансэкваториальной трассе. В кн. Исследования по геромагнитизму, аэрономии и физике Солнца. - М., 1982, вып.59, с.188-191.
7. Брянцев В.Ф. О причинах появления перемещающихся сигналов на трансэкваториальных трассах. // Изв. вузов. Радиофизика, 1998. - N3, с.395.
8. Брянцев В.Ф. Исследования и испытания каналов радиосвязи с подвижными объектами с использованием радиофизических методов контроля среды распространения радиоволн. Диссертация на соискание ученой степени доктора физ.-мат.наук. Н.Новгород, 2000.
9. Брянцев В.Ф. Аномальные моды распространения - резерв увеличения возможностей ДКМВ радиосвязи. Труды 13-й Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC*2007), Воронеж, 2007, т.2, с.1083-1090.
10. Брянцев В.Ф., Птицын А.С. Сигналы обратного эхо (СОЭ) на радиотрассах большой протяженности. Труды 14-й Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC*2008), Воронеж, 2008, т.1, с.437-444.