Результаты экспериментов в средних широтах с использованием широкополосных коротковолновых сигналов для связи и диагностики структуры ионосферы

Результаты экспериментов в средних широтах с использованием широкополосных коротковолновых сигналов для связи и диагностики

структуры ионосферы

11 12 Л.Б. Волкомирская , О.А. Гулевич , И.В.Крашенинников , Н.В.Кривошеев ,

А.Е. Резников1, В.И. Сахтеров1

1 Институт земного магнетизма ионосферы и распространения радиоволн Российской

академии наук им. Н.В. Пушкова. 2 Донской государственный технический университет

Аннотация: Обсуждаются результаты экспериментов на трассе Москва-Екатеринбург. Показана принципиальная возможность использования широкополосных (150-600 кГц) КВ сигналов для передачи информации и для исследования тонкой структуры ионосферы в различных гелиогеофизических условиях.

Ключевые слова: широкополосный сигнал, ионосфера, тонкая структура, помехоустойчивость, оперативный прогноз, передача информации, многолучевая структура, разделение сигналов, базовые частоты, замирание сигналов, долгосрочное прогнозирование.

С внедрением широкополосных систем КВ связи и радиолокации стали актуальными исследования влияния ионосферы на параметры широкополосных сигналов. При использовании обычных узкополосным систем связи многолучевый характер распространения радиоволн, часто приводит к глубоким интерференционным замираниям сигнала [1, 2]. Использование широкополосных сигналов с применением квазиоптимальной схемы приемника позволяет осуществить прием с «разделением по лучам», и использовать энергию всех волн с целью повышения помехоустойчивости системы связи [3- 4].

В 1999-2004 гг. были проведены серии экспериментов на трассе Москва-Екатеринбург протяженностью около 1500 км. Устройство и принцип работы приемной и передающей установок описано в [5].

Эксперименты проводились при различных выходных уровнях усилителя мощности (от 10 до 200 Вт), в диапазоне частот от 6 до 24 МГц и с разными антенными системами.

При интерпретации полученных экспериментальных результатов использовалась программа оперативного и долгосрочного прогноза Н№го, [612]. Пакет программ Н№го позволяет производить оперативное и долгосрочное прогнозирование радиосвязи в КВ диапазоне.

В программе Н№го используются справочные модели ионосферы СМИ-88 и 1Ш-2001, предназначенные для расчета электронной концентрации и частоты соударений электронов на высотах 60-1000 км на низких, средних и высоких широтах [12]. Входными параметрами ионосферных моделей являются индекс солнечной активности Б10.7 и количество солнечных пятен Я. Для оперативного прогнозирования используются также данные вертикального зондирования ионосферы, в частности, критическая частота слоя ^2 и его истинная высота hmF2. Использовались данные, полученные с помощью ионозонда «Парус» в ИЗМИРАН. Для заданной трассы, программа выдает прогнозируемые слои, количество модов, напряженность поля в точке приема, групповое запаздывание, наименьшую применимую частоту (НПЧ), максимальную применимую частоту (МПЧ), оптимальную рабочую частоту (ОРЧ) и углы прихода сигнала в вертикальной и азимутальной плоскостях. Для всех модов указываются минимальная и максимальная частоты для данной трассы и рассчитываются данные для 3 базовых частот. Для заданных частот расчет производится отдельно. Полученные результаты представляются в графическом и текстовом виде. Оперативный прогноз предполагает расчет параметров на 4 последующих часа.

Первые эксперименты в 1999-2000 гг. проводились на фиксированных частотах: 6,8 и 8,2 МГц. Излучение велось длительное время, прием осуществлялся приемником прямого преобразования на видеочастоту, и

после обработки аналогово-дискретным согласованным фильтром сигнал записывался в ПК платой АЦП. Для передачи использовался стандартный усилитель мощности от радиостанции «Ангара-РБ». Целью этих испытаний было экспериментальное определение максимальной ширины рабочей полосы и теоретическое и экспериментальное определение максимальной скорости передачи информации. Эксперименты проводились при ширине полосы от 20 до 600 кГц, использовались ПСП длиной от 32 до 256 элементов. В ходе экспериментов было выяснено, что оптимальная с точки зрения скорости передачи информации и надежности связи ширина рабочей полосы составляет 150 кГц. Сигнал наблюдался и при более широких полосах, но при этом происходило резкое уменьшение амплитуды принимаемого сигнала. При ширине полосы равной 300 кГц ослабление составляло -10...-15 дБ относительно уровня сигнала при полосе 20 кГц, а при полосе 600 кГц - ниже -20 дБ. Скорость передачи информации изменялась в пределах от 300 до 2400 бит/с в зависимости от длины ПСП при ширине рабочей полосы 150 кГц.

Эксперименты 2001 г. проводились в диапазоне частот от 9 до 16,5 МГц и в полосе шириной от 20 до 150 кГц. Длина ПСП, используемой для расширения спектра, была выбрана в 256 элементов. Изменение скорости передачи и, соответственно, ширины спектра передаваемого сигнала осуществлялись путем изменения длительности одного элемента ПСП [13, 14]. В экспериментах анализировался сигнал на выходе согласованного фильтра и включенного за ним накопителя с коэффициентом накопления 0,96 [13, 14].

В качестве иллюстрации на рис.1 приведены осциллограммы сигналов на выходе накопителя, полученные в сеансах связи в июне 2001 г. при скорости передачи 300 бит/с.

На рис.1 а наблюдались условия однолучевого распространения (мод 1Б2), которые можно считать практически идеальными для всех средств связи, в том числе и узкополосных [15, 16].

На следующей осциллограмме (рис. 1б) отчетливо проявляется многолучевость - главные максимумы корреляционной функции сигнала раздвоены. Сопоставление с результатами расчетов с помощью программы Н№го показывает, что наблюдаемые два пика, по всей вероятности, соответствуют обыкновенной и необыкновенной волнам, отраженным от слоя Б2.

1 -I

0.5 -

-[ МА'Ц

..........

ЧРПТ*

1 -1

го с; го

го

0.5 -

5 1 -0 го 1 ^

о: го

1 -0

5

X/т

0

6

0

6

6

0

6

Рис. 1. Сигналы с выхода накопителя. Наблюдается (а) один мод, (б) два мода, (в) три мода и (г) четыре мода

На осциллограмме, показанной на рис. 1 в, наблюдается еще более сложная многолучевая структура принимаемого сигнала. В течение каждого периода присутствуют три расположенных рядом корреляционных пика значительной амплитуды. Из результатов расчетов с помощью программы Н№го следует, что наблюдаемые пики можно сопоставить модам Ег, №2_о и №2_х.

На следующей осциллограмме (рис. 1г) приводится случай четырехмодового сигнала: здесь наблюдаются моды Ег, №1, ^2 и 2F2.

Как известно, для трасс протяженностью 1000-2000 км многолучевость является типичным явлением. В годы средней солнечной активности в течение около 80% времени условия распространения коротких радиоволн соответствуют моделям IV и V по классификации Хмельницкого [14]. Для этих моделей характерным является то, что в точке приема наблюдается одновременно два-три сопоставимых по амплитуде сигнала, соответствующих модам 2F и 1Е. Данные модели являются наиболее неблагоприятными для узкополосных систем связи вследствие глубоких интерференционных замираний. В широкополосных системах этих замираний можно избежать, осуществляя разделение сигналов, пришедших в точку приема по различным путям, с последующим суммированием их энергии.

Максимальное время запаздывания между лучами в 95% случаев составляло порядка 1 мс, что соответствует разности путей распространения в 300 км. В последующих экспериментах использовалась ПСП из 127 элементов и периодом следования 1,6 мс, что позволило гарантированно производить разделение лучей в большинстве случаев.

Эксперименты 2003-2004 гг. проводились на модернизированном аппаратном комплексе в автоматическом режиме с 15-минутными интервалами между измерениями и в непрерывном режиме на отдельных частотах. Типичный вид сигнала на выходе накопителя при однолучевом и двухлучевом распространении радиоволн приведен на рис. 2. Если характеристики радиоканала стабильны, данный подход с накоплением сигнала позволяет измерять разницу времен распространения различных модов с точностью порядка длительности одного элемента ПСП, составляющей 13 мкс и соответствующей разности хода около 4 км, что в 2.5-8 раз лучше, чем у известных импульсных и широкополосных ионозондов.

Рис. 2. Нормированная амплитуда сигнала на выходе накопителя при (а) однолучевом и (б) двухлучевом распространении радиоволн, измеренная в экспериментах 13-14 июля 2004 г. Время нормируется на длительность т одной ПСП.

Таким образом, была достигнута цель испытаний - экспериментальное определение максимальной ширины рабочей полосы и теоретическое и экспериментальное определение максимальной скорости передачи информации.

Литература

1. Альперт Я. Л. Распространение радиоволн и ионосфера. - М.: Наука, 1972. 564 с.

2. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. - М.: Мир, 1973. 479 с.

3. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. 143 с.

4. Окунев Ю.Б., Яковлев Л.А. Широкополосные системы связи с составными сигналами. - М.: Связь, 1968. 251с.

5. Волкомирская Л.Б., Гулевич О.А., Крашенинников И.В., Кривошеев Н.В., Резников А.Е., Сахтеров В.И. Устройство и принцип работы установки передачи и приема коротковолновых сигналов для связи и диагностики структуры ионосферы. // Инженерный вестник Дона, 2018, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5280.

6. Кища П.В., Крашенинников И.В., Лукашкин В.М. Моделирование многочастотного распространения КВ-сигналов в высоких широтах // Геомагнетизм и аэрономия. - 1993. - Т. 33. - № 1. - С. 158.

7. 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.

8. Maslin N.M. HF Communication: A System Approach. Pitman Publishing. 1987. 240 p.

9. Forbes J.M., Palo S.E., Zhang X. Variability of the ionosphere // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. v. 62. № 8. р. 685, 2000.

10. Krasheninnikov I., Egorov I.B. IRI-2001 model efficiency in ionospheric radiowave propagation forecasting. Jour. Advances in Space Research. V.45. р.268, 2010.

11. Rishbeth H., Mendillo M. Patterns of F2-layer variability // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 63. № 15, р. 1661. 2001.

12. Глобальная эмпирическая модель распределения электронной концентрации, температуры и эффективной частоты соударений электронов в ионосфере / Часовитин Ю.К., Широчков А.В. и др. // Ионосферные исследования. - М.: МГК, 1988. - № 44. - С. 6-13.

13. Сахтеров В.И., Писарев Р.В., Лобзин В.В., Копейкин В.В., Резников А.Е., Железняков В.И., Щвец Д.П. Коротковолновая широкополосная радиостанция «Ангара-5М» // Радиотехника и электроника. - 2002. - Т. 47. -№ 9. - С. 1149-1152.

14. Сахтеров В.И., Писарев Р.В., Лобзин В.В., Копейкин В.В., Волкомирская Л.Б., Резников А.Е., Железняков В.И., Швец Д.П. Цифровая коротковолновая широкополосная радиостанция "Ангара-5М" // Сборник докладов Всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике». - Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2003. - С. 451-454.

15. Хмельницкий Е.А. Оценка реальной помехозащищенности приема сигналов в KB диапазоне. - М.: Связь, 1975. - 232 с.

16. Омельянчук Е.В., Тихомиров А.В., Кривошеев А.В. Особенности проектирования систем связи миллиметрового диапазона радиоволн // Инженерный вестник Дона, 2013, №2. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1742/.

References

1. Al'pert YA.L. Rasprostranenie radiovoln i ionosfera. [Radio wave propagation and ionosphere]. M.: Nauka, 1972. 564 p.

2. Dehvis K. Radiovolny v ionosfere. [Radio waves in the ionosphere]. M.: Mir, 1973. 479 p.

3. Varakin L.E. Sistemy svyazi s shumopodobnymi signalami. [Communication systems with noise-like signals]. M.: Radio i svyaz', 1985. 143 p.

4. Okunev YU.B., YAkovlev L.A. Shirokopolosnye sistemy svyazi s sostavnymi signalami. [Broadband communication systems with composite signals]. M.: Svyaz', 1968. 251 p.

5. Volkomirskaya L.B., Gulevich O.A., Krasheninnikov I.V., Krivosheev N.V., Reznikov A.E, Sakhterov V.I. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2018, №4. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5280.

6. Kishcha P.V., Krasheninnikov I.V., Lukashkin V.M. Geomagnetizm i aehronomiya. 1993. V. 33. №1. 158 p.

7. Krasheninnikov I.V., Egorov I.B., Kolomijcev O.P., CHerkashin YU.N. Geomagnetizm i aehronomiya. 2004g, v. 44, № 2, 221 p.

8. Maslin N.M. HF Communication: A System Approach. Pitman Publishing. 1987. 240 p.

9. Forbes J.M., Palo S.E., Zhang X. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. v. 62. №8. р. 685, 2000.

10. Krasheninnikov I., Egorov I.B. Jour. Advances in Space Research. V.45. р.268, 2010.

11. Rishbeth H., Mendillo M. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 63. № 15, р. 1661. 2001.

12. Chasovitin Yu.K., Shirochkov A.V. and others. Ionospheric studies. M.: MGK,1988. № 44. Pp. 6-13.

13. Sakhterov V.I., Pisarev R.V., Lobzin V.V., Kopeikin V.V., Reznikov A.E., Zheleznyakov V.I., Shvets D.P. Radiotechnology and electronics. 2002. V.47, № 9. pp. 1149-1152.

14. Sakhterov V.I., Pisarev R.V., Lobzin V.V., Kopeikin V.V., Volkomirskaya L.B., Reznikov A.E., Zheleznyakov V.I., Shvets D.P. Sbornik dokladov Vserossijskoj nauchnoj konferencii "Ultrawideband signals in radar, communications and acoustics." Murom: Publishing and Printing Center MI VlGU, 2003. Pp . 451-454

15. Hmel'nickij E.A. Ocenka real'noj pomekhozashchishchennosti priema signalov v KB diapazone. [Evaluation of the actual noise immunity of receiving signals in the KB range]. M.: Svyaz', 1975. 232 p.

16. Omel'yanchuk E.V., Tihomirov A.V., Krivosheev A.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1742/.