Измерительный комплекс для исследования эффектов многолучевого ионосферного распространения коротких волн

УДК 621.391.83

А. А. Колчев, В. В. Шумаев, А. О. Щирый ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС

ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТОВ МНОГОЛУЧЕВОГО ИОНОСФЕРНОГО

Описан аппаратно-программный измерительный комплекс, предназначенный для исследования многолучевого распространения коротких волн (КВ). В комплексе использована аппаратура наклонного зондирования ионосферы сигналами с линейно-частотной модуляцией. По данным зондирования программно вычисляются характеристики многолучевого распространения КВ. Измеренные характеристики классифицируются по эмпирическим моделям многолучево-сти — типичным сочетаниям числа и типов мод распространения КВ-сигнала.

Ключевые слова: модель радиоканала, многолучевость, наклонное зондирование, линейная частотная модуляция.

Коротковолновые (КВ) ионосферные радиолинии характеризуются многолучевостью распространения, ведущей к замираниям принимаемого сигнала вследствие интерференции лучей. Дискретная многолучевость вызвана приходом в точку приема нескольких мод распространения радиосигнала (1^2, 3^2, 1Е), а также магнитоионным расщеплением мод.

Современным методом исследования модовой структуры является наклонное зондирование ионосферы (НЗИ) сигналами с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ) [1]. По результатам зондирования определяются следующие важные параметры: наименьшая и максимальная наблюдаемые частоты (ННЧ и МНЧ), отношение сигнал/шум и межмодовые задержки Дт в полосе частот зондирования (обычно 100 кГц).

Для определения радиотехнических характеристик многолучевых КВ-радиолиний в литературе [2] используется подход классификации результатов исследования по эмпирическим моделям многолучевости (ММЛ), когда диапазон распространения разбивается на интервалы по числу и типам мод распространения сигнала. В [2] этот подход был реализован на базе аппаратуры, существенно уступающей современному ЛЧМ-ионозонду в точности и информативности результатов измерений.

Целью настоящей работы была разработка аппаратно-программного комплекса исследования модовой структуры распространения КВ с повышенной разрешающей способностью по частоте, основанного на наклонном ЛЧМ-ионозонде и обеспечивающего дополнительно классификацию данных о многолучевом распространении КВ по эмпирическим моделям многолучевости.

Измерительные методики. При наклонном зондировании ионосферы передатчик излучает непрерывный ЛЧМ-сигнал во всем КВ-диапазоне (обычно от 2 до 30 МГц):

РАСПРОСТРАНЕНИЯ КОРОТКИХ ВОЛН

где физл (^) = 2п/о ^ + / , /о — начальная частота, / = ё/ ¡& — скорость изменения частоты, а0 — амплитуда сигнала, Т — длительность сигнала.

Полоса частот этого сигнала равна Д/ = /Т, а мгновенная частота в момент времени

т.е. частота линейно зависит от времени. Сигнал распространяется в ионосферной радиолинии и поступает на вход приемника. Для многомодовой КВ-радиолинии сигнал в точке приема можно записать следующим образом:

апр

М

О) = £ % ехР [./Фиш 0 - Т )] ,

¡=1

где М — количество принимаемых мод, ац = И^о — амплитуда, И — коэффициент прохождения, Ту — время фазового запаздывания сигнала 1-й моды.

При наклонном зондировании расстояние между приемником и передатчиком обычно составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч километров, поэтому время запаздывания изменяется от единиц до десятков миллисекунд.

Принятый сигнал при обработке методом сжатия в частотной области умножается на сигнал гетеродина приемника, комплексно-сопряженный излучаемому сигналу, спектр полученного в результате сигнала анализируется. Этим операциям с сигналом соответствуют следующие соотношения:

А

где А(I) — сигнал разностной частоты. Из выражений (2) и (3) находим:

М

А

¡=1

Т2 .

где а2у ) = ац О)а0 , фразг 0) = 1V - у I + /о Т .

Мгновенная частота разностного сигнала / г-й моды равна

= Ж Фразг С') = -

/ = 2п Ж " 1 Т,

следовательно, разностный сигнал г-й моды является гармоническим сигналом с амплитудой а2у и частотой /разу. При его дальнейшем спектральном анализе в соответствии с выражением (3) каждой принимаемой моде будет соответствовать своя спектральная составляющая на частоте / со спектральной плотностью а2гТ и шириной ИТ.

Из-за частотной дисперсии волны различной частоты после прохождения ионосферной радиолинии имеют разные коэффициенты отражения и значения времени фазового запаздывания. Поэтому амплитуда и время фазовой задержки принимаемого сигнала являются функциями частоты зондирования: а1г = а1г (/) и тг = тг (/). Однако для небольшого диапазона

частот (/ - А/ / 2, / + А/к /2, к = 1, 2,..., К ), такой зависимостью можно пренебречь. На излучение сигнала в этом диапазоне частот требуется затратить время Тк = А/к / /. Для определения зависимостей ац (/) и тг (/) всю полосу частот зондирования разбивают на К неперекрывающихся элементов с полосой А/к и центральной частотой /к .

Результатом работы ионозонда является ионограмма, характеризующая зависимость времени группового запаздывания тг (/к ) и амплитуды ац (/к) каждой моды распространения от частоты излучения / В ЛЧМ-ионозонде характерными значениями параметров яв-

ляются / = 100 кГц/с и Т = 1 с, что обеспечивает разрешение по частоте в 100 кГц и по времени группового запаздывания 5т = 10 мкс.

Для классификации результатов зондирования по эмпирическим моделям многолучево-сти необходимо идентифицировать на ионограмме каждую моду распространения, что в наклонном ЛЧМ-ионозонде невозможно. Для реализации такой возможности предложено добавить к ионозонду блок синтеза ионограмм. Идентификация производится путем сопоставления экспериментальной ионограммы с искусственно синтезированной. Однако для адекватной идентификации необходимо построить по эмпирической ионограмме не дискретные, а непрерывные зависимости ац (/) и тг- (/), что требует повышения разрешающей способности ионозонда по частоте. Для этого предложено вести обработку сигнала на выходе приемника ионозонда скользящим окном, разбивая полосу частот зондирования на N перекрывающихся элементов с полосой А/п (п = 1,2,..., N) длительностью Тп , центральной частотой /п и частотным смещением между соседними элементами А/*см длительностью Тсм (рис. 1). В работе использовалось значение А/см = 10 кГц, т.е. разрешение по частоте было в 10 раз выше, чем при стандартном режиме зондирования ионосферы.

/ А

А/см

г

А/ <

—Л_______—т

т

см

т

1 п

Рис. 1

Для получения непрерывных зависимостей и сглаживания случайных колебаний амплитуды и времени запаздывания дискретные отсчеты ац (/ ) и тг- (/ ) аппроксимируются полиномами степени пит: Ип{ (/) и ттг- (/) соответственно. Тогда ац (/) « Иы (/) и

Т(/) ~т па (/).

Аппаратура измерительного комплекса. Структурная схема комплекса диагностики ионосферных радиолиний, реализующего данные измерительные методики, показана на рис. 2 (ФНЧ — фильтр низких частот, БПФ — быстрое преобразование Фурье). Комплекс состоит из трех блоков: радиоприемного комплекса (РПК), радиопередающего комплекса (РПДК) и ПЭВМ управления и обработки. РПДК используется в режиме передачи диагностирующего сигнала и служит для формирования диагностирующего непрерывного ЛЧМ-сигнала, его усиления по мощности и излучения в пространство. В состав РПДК входят: синтезатор непрерывного ЛЧМ-сигнала [3]; широкополосный усилитель мощности (ШУМ); согласующее устройство (СУ); передающая антенна. РПК служит для приема диагностирующего ЛЧМ-сигнала, его первичной обработки, в его состав входят: синтезатор непрерывного ЛЧМ-сигнала; радиоприемное устройство (РПУ); приемная антенна. ПЭВМ управляет

работой всех технических средств комплекса диагностики в режимах приема и передачи диагностирующего сигнала, а также обрабатывает результаты диагностики радиолиний.

Антенна

РПК

РПУ

Цифровой синтезатор ЛМЧ-сигнала

МЕВ

АЦП звуковой карты

Оцифровка

БПФ

Ионограмма

ПО первичной обработки

Спектр помех

Расписание

БнД НЗИ

ПО вторичной обработки

ПЭВМ

ПО управления

У

Антенна

Согласующее устройство

ШУМ

Синтезатор ЛМЧ-сигнала

РПДК

Рис. 2

В ПЭВМ установлено программное обеспечение (ПО) управления аппаратурой, первичной и вторичной обработки. ПО управления обеспечивает работу измерительного комплекса в автоматическом режиме по заданному расписанию сеансов зондирования. ПО первичной обработки реализует оцифровку сигнала с выхода РПУ, спектральный анализ сигнала, формирование ионограмм и занесение их в банк данных (БнД). ПО вторичной обработки позволяет просматривать сохраненные данные и производить их дальнейшую обработку, в том числе классификацию по эмпирическим моделям многолучевости. В ПЭВМ также находится модуль единого времени (МЕВ). Кроме того, в состав диагностирующего комплекса входит опорный генератор, формирующий высокостабильный опорный сигнал заданной частоты. Этот сигнал используется для формирования когерентных ЛЧМ-сигналов. Также этот сигнал поступает в МЕВ для формирования импульса запуска аппаратуры в режиме диагностики и выработки тактовых последовательностей управления электронными часами.

Обработка ионограммы. Процесс обработки каждой ионограммы в целях извлечения информации о многолучевом распространении КВ в соответствии с описанной выше методикой включает в себя выделение парциальных мод распространения КВ радиосигнала и построение их непрерывных моделей, идентификацию парциальных мод, классификацию результатов [2] по диапазонам эмпирических моделей многолучевости. Взаимосвязь основных этапов показана на рис. 3.

(С

БнД НЗИ

Ионограмма НЗИ

Нахождение МНЧ

Выделение треков мод рапространения

Статистика частостей ММЛ

Границы ММЛ

Статистика вариаций границ ММЛ

Рис. 3

Накопление больших массивов данных, классифицированных по ММЛ, позволяет получить статистические характеристики интересующих параметров, например, статистику час-тостей ММЛ* и статистику вариаций частотных границ ММЛ.

В качестве примера в настоящей работе показана обработка ионограммы наклонного зондирования радиолинии Кипр (35Ю4Б)—Нижний Новгород, полученной 17.12.2003 в 15:15 (рис. 4, а).

Выделение треков (т.е. зависимости максимальной амплитуды сигнала выделенной моды от частоты) включает два этапа: нахождение областей полезного сигнала на ионограмме [4] (рис. 4, б) и поиск максимумов амплитуды в найденных областях с последующей аппроксимацией траектории трека полиномом для сглаживания и уменьшения влияния помех.

а)

Тгр, мс

б)

Тгр, мс

11

16

21

/ МГц

Рис. 4

Упомянутый в [2] подход к классификации результатов исследования характеристик распространения радиосигнала по так называемым ММЛ заключается в том, что диапазон распространения разбивается на интервалы по числу и типам мод распространения сигнала (1Е, 1^2, 2^2 и т.п.), идентификация трека производится путем сопоставления экспериментальной ионограммы с синтезированной [5]. На рис. 4, б в качестве примера показаны результаты такого разбиения, ММЛ пронумерованы римскими цифрами (нумерация сквозная для всех исследованных ионограмм всех радиолиний, так что на конкретной ионограмме номера указаны в произвольном порядке).

Описанная обработка автоматизирована, что позволяет легко обрабатывать большие массивы данных НЗИ и получать обширную статистику [6] по ММЛ. Каждой такой модели соответствуют определенные значения пропускной способности и вероятности ошибок.

Разработан автоматизированный измерительный комплекс, основанный на наклонном ЛЧМ-ионозонде, для получения характеристик многолучевого ионосферного распространения КВ с повышенной разрешающей способностью по частоте, обеспечивающий дополнительно

*

Для всех моделей многолучевости подсчитывается процент ионограмм, на которых присутствует эта модель. В результате получается статистическая оценка частоты появления той или иной модели многолучевости, которая и названа „статистикой частостей ММЛ".

индентификацию мод распространения и классификацию данных по эмпирическим моделям многолучевости.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 07-01-00293.

список литературы

1. Филипп Н. Д., Блаунштейн Н. Ш., Ерухимов Л. М., Иванов В. А., Урядов В. П. Современные методы исследования динамических процессов в ионосфере. Кишинев: Штиинца, 1991. 286 с.

2. Хмельницкий Е. А. Оценка реальной помехозащищенности приема сигналов в КВ диапазоне. М.: Связь, 1975.

3. Чернов А. Г. Программируемый синтезатор непрерывного ЛЧМ-сигнала с заданным уровнем шумов для диагностики КВ радиолиний. Дис. ... канд. техн. наук. Казань: КГТУ, 2000.

4. Колчев А. А., Щирый А. О. Алгоритм автоматического выделения спектральных компонентов сигнала на ионограмме // Новые информационные технологии: мат. 10-го науч.-практич. семинара. М.: Мос. гос. ин-т электроники и математики, 2007. C. 102—107.

5. Крашенинников И. В., Егоров И. Б., Коломийцев О. П., Черкашин Ю. Н. Погрешности прогнозирования ионосферного прохождения радиоволн на основе глобальной ионосферной модели // Геомагнетизм и аэрономия. 2004. Т. 44, № 2. С. 221—226.

6. Колчев А. А., Шумаев В. В., Щирый А. О. Наиболее вероятные модели многолучевости при распространении коротких волн на магистральных среднеширотных радиолиниях // Информационные технологии моделирования и управления. 2007. № 1 (35). С. 70—76.

232 с.

Андрей Олегович Щирый

Алексей Анатольевич Колчев

Владимир Васильевич Шумаев

Сведения об авторах Марийский государственный университет, кафедра прикладной математики и информатики, Йошкар-Ола; E-mail: kolchevaa@mail.ru Марийский государственный университет, кафедра высшей математики, Йошкар-Ола; E-mail: shvvladimir@mail.ru

Марийский государственный университет, кафедра прикладной математики и информатики, Йошкар-Ола; E-mail: saovu@mail.ru

Рекомендована кафедрой прикладной математики и информатики

Поступила в редакцию

27.05.08 г.