Новые возможности повышения эффективности систем кв- радиосвязи с вынесенным ретранслятором

УДК 621.396.2

НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ КВ-РАДИОСВЯЗИ С ВЫНЕСЕННЫМ РЕТРАНСЛЯТОРОМ

1 9

А.И.Агарышев1, В.А.Агарышев2

Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Обсуждаются новые возможности повышения эффективности систем КВ-радиосвязи с ретранслятором, вынесенным за зону расположения абонентов системы. Обоснованы возможности устранения многолучёвости сигналов в таких системах на основе применения метода наклонного зондирования ионосферы и антенны ретранслятора с управляемой в вертикальной плоскости диаграммой направленности. На основе анализа измеренных и рассчитанных угловых характеристик коротких радиоволн обсуждаются особенности управления такой антенной. Ил. 5. Библиогр. 9 назв.

Ключевые слова: системы коротковолновой радиосвязи; угловые характеристики коротких радиоволн; вынесенный ретранслятор; диаграмма направленности антенны; способы распространения коротких радиоволн; устранение многолучёвости радиосигналов.

NEW POSSIBILITES TO INCREASE EFFICIENCY OF SHORT-WAVE RADIO COMMUNICATIONS SYSTEMS WITH REMOTED RETRANSMITTER A.I. Agaryshev, V.A. Agaryshev

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The article discusses new possibilities of increasing efficiency of short-wave radio communications systems with the retransmitter outside the location zone of system subscribers. It justifies the possibilities to eliminate multipath propagation of radio signals in such systems through the use of the method of oblique ionospheric sounding and a retransmitting antenna with the controlled antenna pattern in the vertical plane. Based on the analysis of measured and calculated angular characteristics of short radio waves the authors examine the features of controlling the antenna. 5 figures. 9 sources.

Key words: short-wave radio communications systems; angular characteristics of short radio waves; remoted retransmitter; antenna pattern; short radio waves propagation methods; elimination of multipath propagation of radio signals.

Введение. Для передачи информации на расстояния до нескольких тысяч км используют различные диапазоны радиоволн, но сохраняется интерес к де-каметровым (коротким) радиоволнам (КВ) длиной А=3 -30 м, так как системы КВ-радиосвязи более устойчивы к внешним воздействиям и могут применяться на различных подвижных объектах (самолётах, кораблях и др.), расположенных в труднодоступных районах. Известные недостатки систем КВ-радиосвязи - низкая надёжность и пропускная способность радиоканалов, сравнительно большой вес, габариты и энергопотребление аппаратуры.

Для повышения эффективности систем КВ-радиосвязи можно использовать ретранслятор, вынесенный за зону расположения абонентов системы [1, 2]. Очевидные преимущества систем КВ-радиосвязи с вынесенным ретрансляционным пунктом (ВРП) - применение направленных приёмо-передающих антенн ВРП, а также более высоких рабочих частот, для кото-

рых меньше поглощение КВ в ионосфере и меньше уровни атмосферных и станционных помех. В результате можно повысить отношения сигнал/помеха, надёжность системы, решить вопросы взаимодействия абонентов систем.

Одна из особенностей распространения КВ обусловлена возможностью различных траекторий между передатчиком и приёмником. Отличия групповых задержек для этих траекторий (способов или модов распространения) могут превышать 3 мс, что ограничивает скорость телеграфирования в КВ-диапазоне значениями 100-200 бод [1]. Для радиолиний короче 3000 км траектории КВ соответствуют, как правило, различному числу (п=1,2,3) отражений от ионосферного слоя Р2, включая верхние лучи в этом слое (моды пР2в). Возможны также отражения КВ от нижележащего регулярного слоя Е либо от спорадического слоя Es.

Для увеличения пропускной способности КВ-радиоканала можно назначать рабочие частоты ра-

1Агарышев Анатолий Иванович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем, тел.: 89501297688, e-mail: reirem@istu.edu, aai.irk@mail.ru

Agaryshev Anatoly, Doctor of Physical and Mathematical sciences, Professor of the Department of Radioelectronics and Telecommunication Systems, tel.: 89501297688, e-mail: reirem@istu.edu, aai.irk@mail.ru

2Агарышев Виталий Анатольевич, магистрант кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем, тел.: 89148984168, e-mail: aai.irk@mail.ru

Agaryshev Vitaly, Undergraduate of the Department of Radioelectronics and Telecommunication Systems, tel.: 89148984168, e-mail: aai.irk@mail.ru

диосвязи в частотных диапазонах одномодового распространения КВ (ДОР) [3]. Диапазоны ДОР можно определять по оперативным данным наклонного зондирования ионосферы (НЗИ) [3] для периодов проведения радиосвязей. Однако использовать устройства НЗИ для каждой КВ-радиолинии практически невозможно из-за высокой стоимости этих устройств, но несомненный интерес представляет применение НЗИ в системах КВ-ра-диосвязи с ВРП [2]. В этих системах диапазоны ДОР прогнозируют вперед по времени и пространству зоны расположения абонентов по данным НЗИ, полученным на ВРП от радиопередатчика сигналов НЗИ, расположенного примерно в центре зоны. Однако для достаточно больших размеров этой зоны возможны ошибки прогнозов ДОР, обусловленные случайными отклонениями параметров ионосферы от их прогнозируемых значений, а также отличиями радиолиний абоненты-ВРП от радиолинии центр зо-ны-ВРП.

Согласно [2,3] нижней границей ДОР является максимальная наблюдаемая частота для мода 2Р2 (МНЧ2Р2), а верней границей - наинизшая наблюдаемая частота для мода 1Р2в (ННЧ1Р2в). В этом диапазоне возможно также прохождение модами 1Е или 1 Еэ. При ошибках пространственно-временного прогноза ДОР и прохождении модами 1Е (1 Еэ) возможно ухудшение качества радиосвязи при повышенных скоростях телеграфирования ~ 1000 бод.

Цель статьи - обоснование возможностей повышения эффективности систем КВ-радиосвязи с ВРП благодаря устранению многомодовости сигнала путём применения на ВРП приёмо-передающих антенн с диаграммами направленности (ДН), управляемыми в вертикальной плоскости по данным прогнозов углов излучения и приёма основных модов КВ.

Для достижения этой цели ранее были решены следующие задачи: 1) разработаны методы, алгоритмы и программные реализации [2,4,5] прогнозов средних значений углов излучения и приёма КВ в вертикальной плоскости для модов 1Р2, 1Р2, 1Е, 1 Еэ, 2Р2,

3Р2, учитывающие регулярную и случайную неоднородность ионосферы; 2) проведены систематические измерения [2,6] средних значений углов приёма для этих модов, а также диапазонов случайных отклонений от этих средних.

В следующем разделе статьи выполнен анализ результатов измерений и расчётов углов приёма КВ в вертикальной плоскости.

Анализ результатов измерений и расчётов углов приёма основных модов КВ. Систематические измерения углов приёма и относительных групповых задержек для основных модов распространения КВ были выполнены с использованием экспериментальной установки и методики измерений, подробно рассмотренных в [2]. Для данной статьи представляют интерес приведённые на рис. 1-3 результаты измерений для радиолинии Хабаровск-Иркутск длиной 2300 км, так как эта длина близка к оптимальному расстоянию между центром зоны расположения абонентов системы КВ-радиосвязи и ВРП [2].

Полученные на радиолинии Хабаровск-Иркутск экспериментальные данные были использованы для проверки методов расчёта характеристик основных модов распространения КВ, обоснованных в [2,4,5]. Разработанные нами методы, в отличие от известных методов расчёта характеристик КВ, учитывают влияние регулярных (прогнозируемых) изменений параметров ионосферы вдоль радиолиний, а также случайные неоднородности ионосферы. С этой точки зрения представляют интерес приведённые на рис.1 результаты измерений и расчётов характеристик КВ, которые соответствуют достаточно интенсивной регулярной и случайной неоднородности ионосферы утром зимой в период высокой активности Солнца. Отметим, что именно в этих условиях происходит сужение ДОР за счёт увеличение МНЧ2Р2 и уменьшения ННЧ1Р2в. В этих условиях характерны также минимальные разности углов приёма для модов 1 Р2 и 1 Р2в (2Р2) на границах ДОР.

Начало приёма радиосигналов для условий рис.1

Рис. 1. Измеренные 30.01.79 г. для рабочей частоты f=16,8МГц и рассчитанные углы места (в), задержки относительно мода ^2 (т) в зависимости от местного времени LT в середине радиолинии Хабаровск-Иркутск, результаты измерений для модов ^2 - ^2В - о, 2Р2 - х, 3F2 - результаты расчётов: штрих - для модели регулярной ионосферы, штрих-пунктир и сплошные линии - учёт регулярной и случайной неоднородностей

ионосферы

наблюдалось при f=МПЧ (максимально применимой частоте для мода 1Р2) в =7ч17мин 1_Т, после чего наблюдалось разделение сигнала на импульсы, соответствующие модам 1Р2 и 1Р2в. После затухания верхнего луча в период 7ч58мин - 8ч12мин 1_Т наблюдалось однолучёвое прохождение модом 1Р2, а затем наблюдались моды 1Р2 и 2Р2 до =9ч42мин 1_Т, после чего наблюдались моды 1Р2, 2Р2, 3Р2.

Штриховые линии на рис.1 соответствуют результатам расчётов характеристик КВ известным методом характеристик [7] при учёте регулярных изменений плотности электронов N в вертикальном и горизонтальном направлениях. Для левых концов штриховых линий рабочая частота f=16,8МГц равна максимальным применимым частотам (МПЧ) для модов 1Р2, 2Р2, 3Р2 соответственно. На рис.1 показано прохождение КВ при f >МПЧ2Р2(3Р2), когда начало измерений углов места и задержек для каждого из этих модов соответствует максимально наблюдаемым частотам -МНЧпР2 (п=2,3), а приём КВ в частотных диапазонах МПЧпР2-МНЧпР2 обусловлен случайными неодно-родностями ионосферы, влияние которых на процессы распространения КВ метод характеристик не учитывает.

вариаций углов приёма радиоволн в вертикальной плоскости (углов места) для основных модов распространения КВ в зависимости от местного времени в середине линии 1_Т. На этих рисунках приведены значения углов места, превышаемые в 90% сеансов измерений (нижние кривые), в 50% сеансов (средние кривые) и в 10% сеансов (верхние кривые).

Анализ приведённых на рис.1-5 результатов измерений углов приёма КВ показывает, что регулярные изменения этих углов для различных условий имеют достаточно чёткие закономерности, которые можно прогнозировать с применением разработанных методов расчёта характеристик КВ [2,4,5]. Рис.4,5 показывают важность учета регулярных изменений параметров ионосферы вдоль радиолиний и случайных неод-нородностей N.

На рис.4,5 точками с доверительными пределами (вертикальные линии) показаны измеренные на радиолинии Хабаровск-Иркутск ^=16,8 Мгц) средние значения углов места для мода 1 Р2 1 в зависимости от местного времени в середине радиолинии 1_Т. Кружки на рис.4 соответствуют высокой активности Солнца (среднее сглаженное число солнечных пятен

Рис. 2. Диапазоны вариаций углов места для модов 1Р2 (сплошные кривые), 7 Р2в (штрих), 2Р2 (штрих-пунктир),

3F2 (точки) при высокой активности Солнца

Сплошные линии и штрих-пунктир на рис.1 показывают, что применение разработанных нами методов расчёта [2,4,5] позволяет уточнить прогнозы характеристик КВ благодаря учёту влияния случайных неод-нородностей N на эти характеристики. Сплошные линии на рис.1 соответствуют заданию изменений параметров ионосферы вдоль радиолинии по оперативным данным станций вертикального зондирования (ВЗ) ионосферы Хабаровск и Иркутск, а штрих-пунктир - прогнозам этих данных на месяц вперёд. Отметим, что оперативные прогнозы ДОР осуществляются в системе КВ-радиосвязи с ВРП по данным НЗИ [2]. Особенно важно применять методы [2,4,5] для расчётов напряжённостей поля, углов места и групповых задержек КВ для мода 2Р2 в условиях сильных изменений параметров ионосферы вдоль радиолиний, что наблюдается утром и вечером зимой на широтных линиях при высокой активности Солнца. В этих условиях интенсивны также и случайные неоднородности N.

Рис. 2,3 из работ [2,6], построенные по данным =9000 сеансов измерений на радиолинии Хабаровск-Иркутск для f=16,8 МГц, дают наглядное представление об особенностях регулярных и случайных

W>110), точки - низкой и средней активности ^<90). Доверительные пределы для средних значений рассчитаны для надёжности 95% с учётом числа измерений и выборочных среднеквадратических отклонений измеренных значений от часовых средних значений.

Сплошные ^<90) и штриховые ^>110) линии на рис. 4 соответствуют результатам прогнозирования значений[ известным методом [8], рекомендованным для практического использования Международным консультативным комитетом по радио (МККР).

Рис. 4,5 показывают характерную особенность регулярных суточных вариаций углов места для мода ^2 зимой и в равноденствие, когда наблюдается практически монотонный рост этих углов от утра к вечеру. Наиболее резко этот эффект выражен в октябре и ноябре, когда регулярные изменения достигают 8° за сутки. Такие изменения объясняются регулярным (прогнозируемым) возрастанием плотности электронов N с запада на восток утром и обратным изменением - вечером. Приведенные на рис. 5 результаты сравнения экспериментальных и расчетных значений [1 [9] подтверждают такую интерпретацию.

Расчёты выполнялись для моделей регулярной ионосферы методом характеристик [7], учитывающим

изменения N вдоль трассы и по высоте. Из рис. 4 видно также, что расчёты методом [8], который не учитывает такие изменения, т.е. даёт одинаковые значения углов излучения и приёма КВ, не позволяют объяснить регулярные суточные изменения значений "[3!.

Рис.4,5 показывают важную закономерность, согласно которой диапазон суточных изменений [ максимален в октябре, а начиная с ноября, уменьшается, хотя продольные градиенты N направленные противоположно утром и вечером, больше в ноябре, чем в октябре, и максимальны при высокой активности Солнца в январе. В феврале продольные градиенты N меньше, чем в январе, но согласно рис.4,5 диапазон суточных изменений больше, чем в январе. Рис.5

показывает, что расчёты для скорректированных по данным ВЗ моделей регулярной ионосферы не объясняют такие аномалии суточных изменений 1, но лучше согласуются с экспериментом, чем расчёты методом [8]. Поэтому кроме регулярных изменений N важно учесть случайные неоднородности N. интенсивность которых согласно результатам измерений [2] растёт от равноденствия к зиме и с ростом активности Солнца.

Применение разработанных прогнозов в системах КВ-радиосвязи. Анализ приведённых на рис.1-5 данных о регулярных и случайных вариациях углов приёма КВ в вертикальной плоскости показывает, что распределение мощности сигналов по этим

декабрь

* 2. 4 513"

Рис. 3. Диапазоны вариаций углов места для модов ^2 (сплошные кривые), ^2в (штрих), 2F2 (штрих-пунктир), 1Е (точки) при низкой и средней активности Солнца

Рис. 4. Измеренные и рассчитанные методом МККР [8] средние углы места мода ^2

Рис.5. Измеренные и рассчитанные средние углы места для мода ^2: а, б, в, г, е - апрель, сентябрь, октябрь, ноябрь, июнь 1977 г.; д - февраль 1976 г.; г, ж -декабрь 1978 г.; з - январь 1979 г.

углам имеет 1-3 явно выраженных пика, соответствующих основным модам распространения. В такой ситуации возможна селекция (раздельный прием) сигналов с различными траекториями при использовании антенн с управляемыми по углу места диаграммами направленности (ДН). Однако для решения этой задачи необходимы прогнозы регулярных изменений углов излучения и приёма для различных модов КВ в течение суток, что позволит осуществить оптимальное сложение сигналов, соответствующих различным модам распространения КВ, что важно для уменьшения глубины случайных замираний амплитуд суммарного сигнала и повышения скорости передачи информации по КВ-радиоканалам.

При выделении основного мода распространения 1Р2 антеннами с достаточно узкими ДН в вертикальной плоскости можно передать информацию с повышенной скоростью ввиду незначительного уширения излучаемых импульсов. Максимум ДН такой антенны должен быть ориентирован по данным прогнозов

средних углов места для мода 1Р2. Основы таких прогнозов дают работы [2,4,5], что следует из анализа приведённых на рис.1-5 результатов измерений. Данные рис.2,3 о диапазонах случайных вариаций [ показывают, что ширина главного лепестка ДН управляемой антенны по уровню половины мощности должна быть =5°, т.е. в =2 раза меньше ширины ДН неуправляемой антенны, рассчитанной в [2].

Выводы

1. Повышение эффективности систем КВ-радио-связи с ВРП возможно при использовании приёмопередающих антенн ВРП, диаграммы направленности которых в вертикальной плоскости меняются по данным прогнозов угловых характеристик основных модов КВ.

2. При прогнозировании угловых характеристик основных модов КВ необходимо учитывать регулярную и случайную горизонтальные неоднородности ионосферы.

Библиографический список

1. Головин О.В., Простов С.П. Системы и устройства коротковолновой радиосвязи / под ред. О.В.Головина. М.: Горячая линия-Телеком, 2006. 598 с.

2. Системы коротковолновой радиосвязи с подавлением многолучёвости сигнала / А.И.Агарышев [и др.]. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. 150 с.

3. Иванов В.А., Иванов Д.В., Рябова Н.В. и др. Характеристики одномодовых каналов ионосферного распространения декаметровых радиоволн // Распространение радиоволн: сб. докл. XXI Всерос. науч. конф. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2005. Т.1. С. 216-219.

4. Агарышев В.А. Программная реализация алгоритма прогнозирования характеристик распространения декаметровых радиоволн через горизонтально-неоднородную рассеивающую ионосферу // Вестник ИрГТУ. 2008. № 4(36). С.72-75.

5. Агарышев А.И., Агарышев В.А., Куцый Н.Н. Расчёт максимальных частот и напряжённостей поля при распростра-

нении декаметровых радиоволн в горизонтально-неоднородной рассеивающей ионосфере // Вестник ИрГТУ. 2010. № 1. С. 249-253.

6. Агарышев А. И., Унучков В.Е. Диапазоны изменений углов места для различных способов распространения де-каметровых радиоволн // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1987. С. 60-65.

7. Сажин В. И. Компьютерное моделирование распространения радиоволн в регулярной ионосфере: учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИГУ, 2010. 91 с.

8. A simple HF propagation method for MUF and field strength: Document CCIR 6/288. - CCIR XVI-th Plenary Assembly. Dubrovnik, 1986. 34 p.

9. Агарышев А.И., Дубовская Г.В., Ивельская М.К. и др. Оценка применимости некоторых моделей ионосферы для расчета углов прихода декаметровых радиоволн // Техника средств связи. Серия "Системы связи". М.: ЦООН-ТИ"Экос",1982. Вып.4. С. 3-8.