СПОСОБ СОЗДАНИЯ КАНАЛА РАДИОСВЯЗИ ЧЕРЕЗ ИСКУССТВЕННЫЙ ИОНОСФЕРНЫЙ РЕТРАНСЛЯТОР
METHOD OF CREATING RADIO CHANNEL THROUGH ARTIFICIAL IONOSPHERIC TRANSPONDER

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для повышения надежности коротковолновой (KB) радиосвязи.
Несмотря на развитие спутниковых и волоконных линий связи, KB радиосвязь по-прежнему играет важную роль в решении прикладных задач ионосферного распространения радиоволн. Ее преимущества заключаются в большой дальности действия, высокой мобильности, живучести и низкой стоимости по сравнению с другими видами связи [Головин О. Декаметровая радиосвязь. 1990]. Основная проблема KB радиосвязи - это нестационарность ионосферного радиоканала, обусловленная в первую очередь воздействием различного рода возмущений и помехами, создаваемыми посторонними радиостанциями. Использование прогнозных моделей ионосферного KB канала не обеспечивает необходимого качества радиосвязи, особенно на радиолиниях в высоких широтах, где отсутствуют модели, адекватно описывающие состояние ионосферы, тем более в возмущенных условиях [Thrane E.V., Jodalen V., Stewart F. et al. Study of measured and predicted reliability of the ionospheric HF communication channel at high latitudes// Radio Sci. 1994, v.29. no. 5, pp.1293-1309]. Для управления частотным ресурсом радиолинии в условиях нестационарности канала необходимо постоянно осуществлять мониторинг текущей ионосферной обстановки и контроль загруженности канала уровнем помех. По результатам диагностики ионосферного канала можно определить оптимальные частотно-временные интервалы по уровню сигнал/помеха, замираниям (многолучевости) для обеспечения высокой надежности KB радиосвязи [патент РФ №2394371 Устройство для определения оптимальных рабочих частот ионосферного радиоканала].
В последние два десятилетия для мониторинга ионосферного канала широко используются маломощные станции наклонного ЛЧМ зондирования. Они имеют высокую помехозащищенность, достигаемую за счет большой базы линейно-частотно-модулированного сигнала. Испытания систем KB радиосвязи как у нас в стране [Иванов В.А., Рябова Н.В., Урядов В.П., Шумаев В.В. Аппаратура частотного обеспечения в адаптивной системе KB радиосвязи //Электросвязь, 1995, №11, с.30-32], так и за рубежом [Goodman J.M. HF Communication, Sciences and Technology. New York, USA. 1992] с назначением рабочих частот связи по данным наклонного ЛЧМ зондирования в реальном времени показали возможность повышения надежности KB связи до уровня спутниковых связных систем.
Важно еще отметить, что использование маломощных широкополосных средств наклонного ЛЧМ зондирования позволяет оперативно получать полную панорамную картину лучевого распространения радиосигналов, в том числе данные о нестандартных (аномальных) модах распространения. Природа аномальных (боковых) сигналов, распространяющихся с отклонением от дуги большого круга между передатчиком и приемником, может быть обусловлена отражением/рассеянием радиоволн от ионосферных неоднородностей естественного или искусственного происхождения [Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградова Е.Г., Понятов А.А. Сверхдальнее зондирование ионосферного канала с помощью ионозонда/пеленгатора с линейной частотной модуляцией сигнала// Изв. Вузов. Радиофизика. 2010, т.53, №3; с.176-187; Урядов В.П., Вертоградов Г.Г., Понятов А.А. и др. О структуре и динамике области ионосферы с искусственными мелкомасштабными неоднородностями по данным комплексных измерений характеристик рассеянных радиосигналов//Изв. Вузов. Радиофизика. 2008, т.51, №12, с.1011-1025; Uryadov V.P., Ryabova N.V., Ivanov V.A., Shumaev V.V. The investigation of long-distance HF propagation on the basis of a chirp sounder// JATP, 1995, V.57, no.11, p.1263-1271], а также боковым рассеянием радиоволн от неровностей земной поверхности (горы, возвышенности) [Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградов В.Г., Шевченко В.Н. Исследование угловых-частотных характеристик КВ-волн при наклонном ЛЧМ-зондировании ионосферы// Электромагнитные волны и электронные системы. 2007, т.12, №5, с.25-32]. Аномальные моды распространения можно использовать как дополнительные каналы радиосвязи.
Аномальные каналы, основанные на использовании механизма рассеяния на естественных ионосферных неоднородностях, отличаются нерегулярностью существования, имеют особенности суточного, широтного распределения, подвержены воздействию магнитно-ионосферных возмущений. Поэтому их использование носит ограниченный характер.
В отличие от естественных неоднородностей искусственные ионосферные неоднородности, создаваемые на высотах ионосферы мощным наземным радиоизлучением, могут контролироваться за счет управляемого и дозированного воздействия волны накачки на ионосферную плазму [Гуревич А.В. Нелинейные явления в ионосфере// УФН, 2007, т.177, №11, с.1145-1177]. Преимущества использования искусственных ионосферных неоднородностей для создания дополнительного канала распространения радиоволн заключаются в известном месте расположения области с неоднородностями, формируемой в области отражения мощной волны накачки обыкновенной поляризации в пределах диаграммы направленности антенны нагревного стенда на высотах ионосферы, и контролируемыми характеристиками возбуждаемых неоднородностей.
7
8
2
Поперечники рассеяния σ коротких радиоволн на искусственных мелкомасштабных магнитно-ориентированных неоднородностях достигают больших величин σ≈10-10 м [Гуревич А.В. Нелинейные явления в ионосфере, УФН, 2007, т.177, №11, с.1145-1177], что обеспечивает для типичных ионосферных условий и техники ЛЧМ зондирования с небольшой мощностью передатчика Р~100 Вт значительное отношение сигнал/помеха ~ 6-10 дБ. Это позволяет использовать искусственный ионосферный ретранслятор (ИИР) в качестве дополнительного канала радиосвязи.
На трассах малой и средней протяженности (~100-3000 км) искусственный ионосферный ретранслятор можно использовать для радиосвязи на частотах, превышающих максимальную применимую частоту (МПЧ) связной радиолинии, где существенно меньше уровень помех и можно использовать однолучевой канал. Это позволяет повысить скорость передачи информации и надежность KB радиосвязи. Необходимость создания дополнительного канала радиосвязи на частотах выше МПЧ особенно актуальна в ночные часы и в период отрицательных ионосферных возмущений, связанных с магнитной бурей, когда уменьшаются критические частоты ионосферы, сужается диапазон частот прохождения сигналов, а сам диапазон смещается в область низких частот с высоким уровнем помех.
В качестве прототипа взят патент РФ №2401511, где предложен способ адаптивной радиосвязи в ДКМВ-диапазоне.
Суть данного способа заключается в использовании либо канала распространения радиоволн по короткой части дуги большого круга между передатчиком и приемником, 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 направлении, выбранном для данной трассы и для времени суток выбранного способа распространения, отслеживая оптимальные направления излучения, приема и оптимальные частоты для каждого способа распространения.
Недостаток этого способа заключается в использовании для зондирования ионосферного канала ограниченного набора частот, а не всей полосы частот КВ-диапазона, как при широкополосном панорамном ЛЧМ зондировании, что существенно снижает возможности адаптации систем связи по частоте из-за значительных изменений условий ионосферного распространения радиоволн, особенно в переходное время суток и в периоды магнитно-ионосферных возмущений. Кроме того, в качестве аномального механизма распространения используется рассеяние на экваториальных неоднородностях, появляемость которых подвержена случайным и плохо контролируемым вариациям и характеризуется большой неустойчивостью. Все эти факторы в конечном итоге приводят к снижению надежности, что не может обеспечить требуемую эффективность функционирования систем KB радиосвязи.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение частотного диапазона рабочих частот и повышение надежности KB радиосвязи.
Решение поставленной задачи обеспечивается с помощью технического результата, заключающегося в создании искусственного ионосферного ретранслятора, посредством которого создается дополнительный канал радиосвязи.
Достижение технического результата осуществляется следующим образом.
В качестве зондирующего передающего устройства используют передатчик KB диапазона с излучением линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) сигнала. Использование широкополосного излучения позволяет получать полномасштабную картину состояния ионосферного канала, подверженного значительным суточным вариациям и четко идентифицировать как стандартные, так и аномальные сигналы.
В приемном устройстве используют широкополосный ЛЧМ приемник KB диапазона.
Для обеспечения синхронной работы передающей и приемной частей ЛЧМ комплекса в них используют GPS приемники со штатными антеннами для привязки шкал времени передающего и приемного устройств к мировому времени.
Дополнительно устанавливают нагревный стенд и станцию вертикального зондирования, с помощью которой измеряют высотно-частотную характеристику (ВЧХ) ионосферы над нагревным стендом, и на ее основе определяют высотное распределение электронной концентрации, а также с учетом координат расположения передатчика, приемника и нагревного стенда рассчитывают высоту расположения рассеивающих неоднородностей в ионосфере над нагревным стендом, для которой передатчик и приемник находятся на взаимных ракурсных контурах. Далее, зная высотное распределение электронной концентрации и высоту расположения неоднородностей, находят частоту волны накачки, на которой должен работать нагревный стенд, чтобы на рассчитанной высоте отражения мощной волны накачки создавать искусственные ионосферные неоднородности, ракурсное рассеяние на которых обеспечивает создание радиоканала между передатчиком и приемником через искусственный ионосферный ретранслятор, при этом с изменением ионосферных условий, определяемых по ВЧХ, повторяют все указанные выше этапы и находят новую частоту волны накачки нагревного стенда.
Итак, посредством воздействия на ионосферу мощным радиоизлучением нагревного стенда на высотах ионосферы создают контролируемые искусственные мелкомасштабные магнитно-ориентированные неоднородности, рассеяние на которых позволяет создать дополнительный канал радиосвязи, причем на частотах, превышающих максимально применимую частоту (МПЧ) прямого сигнала, где уровень помех ниже и можно обеспечить высокую надежность связи. Таким образом, за счет создания искусственного ионосферного ретранслятора достигается искомый результат создания дополнительного ионосферного канала радиосвязи, что может быть использовано для повышения надежности KB радиосвязи.
По сравнению с известным способом радиосвязи, основанным на использовании механизма рассеяния радиоволн на плохо контролируемых естественных ионосферных неоднородностях, новым является то, что для расширения диапазона используемых рабочих частот и повышения надежности KB радиосвязи используют механизм рассеяния радиоволн на контролируемых искусственных мелкомасштабных магнитно-ориентированных неоднородностях, создаваемых мощным дозированным наземным радиоизлучением, которые служат в качестве искусственного ионосферного ретранслятора.
Способ может быть реализован с помощью устройства, блок-схема которого показана на фиг.1. Устройство состоит из трех отдельных блоков 1, 2 и 3. Блок 1 включает передающую часть ЛЧМ ионозонда, блок 2 включает приемную часть ЛЧМ ионозонда, блок 3 включает нагревный стенд. Каждый из блоков обведен пунктиром, как показано на фиг.1.
В состав блока 1 входят: антенна GPS 4, блок временной синхронизации 5, передатчик ЛЧМ ионозонда 6, компьютер 7, предназначенный для управления режимом работы передатчика ЛЧМ ионозонда 6, антенна 8, ориентированная на нагревный стенд 3.
В состав блока 2 входят: антенна GPS 9, блок временной синхронизации 10, антенна 11, ориентированная на нагревный стенд 3, приемник ЛЧМ ионозонда 12, аналого-цифровой преобразователь 13, вычислительный комплекс 14 для управления режимом работы приемника, а также для регистрации, обработки сигналов, проведения расчетов и отображения информации.
В состав нагревного стенда 3 входят: антенна нагревного стенда 15, подключенная к выходу мощного передатчика вертикального излучения 16, компьютер 17 для управления работой мощного передатчика нагревного стенда 3 и расчета, антенна станции вертикального зондирования ионосферы 18, подключенная к приемо-передающей станции вертикального зондирования ионосферы 19, выход которой подключен к входу компьютера 17, выход компьютера 17 подключен к входу мощного передатчика 16.
Блоки временной синхронизации 5 и 10 предназначены для временной синхронизации передатчика ЛЧМ ионозонда 7 и приемника ЛЧМ ионозонда 12 по сигналам GPS.
Мощный передатчик 16 с антенной вертикального излучения 15 предназначен для создания искусственных ионосферных неоднородностей (искусственного ионосферного ретранслятора - ИИР) на высотах ионосферы за счет взаимодействия мощного радиоизлучения с ионосферной плазмой.
Станция вертикального зондирования 19 с антенной 18 предназначена для регистрации высотно-частотной характеристики ионосферы над нагревным стендом 3.
e
Компьютер 17 предназначен для расчета высотного профиля электронной концентрации N(h), расчета ракурсных контуров рассеяния радиоволн на искусственных мелкомасштабных магнитно-ориентированных ионосферных неоднородностях, расчета рабочих частот волны накачки мощного нагревного передатчика и управления работой мощного передатчика нагревного стенда 3.
Способ создания дополнительного ионосферного канала радиосвязи осуществляется следующим образом.
e
s
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>H</mi><mo>→</mo></mover><mi>o</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>→</mo></mover><mi>o</mi></msub><mo>−</mo><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>→</mo></mover><mi>s</mi></msub><mo>=</mo><mover accent="true"><mi>K</mi><mo>→</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>K</mi><mo>→</mo></mover><mo>⊥</mo><msub><mover accent="true"><mi>H</mi><mo>→</mo></mover><mi>o</mi></msub></mrow>
<mrow><mrow><mo>|</mo><mover accent="true"><mi>K</mi><mo>→</mo></mover><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mrow><msub><mi>l</mi><mo>⊥</mo></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>2</mn><msub><mi>k</mi><mn>0</mn></msub><mi>sin</mi><mfrac><mrow><msub><mi>θ</mi><mi>s</mi></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>→</mo></mover><mi>o</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>→</mo></mover><mi>s</mi></msub></mrow>
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>→</mo></mover><mi>o</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>→</mo></mover><mi>s</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mover accent="true"><mi>K</mi><mo>→</mo></mover>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>→</mo></mover><mi>o</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>→</mo></mover><mi>s</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>H</mi><mo>→</mo></mover><mi>o</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>→</mo></mover><mi>o</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>k</mi><mo>→</mo></mover><mi>s</mi></msub></mrow>
В месте расположения нагревного стенда работает маломощная станция вертикального зондирования 19 со своей антенной 18 и по данным зондирования с помощью компьютера 17 вычисляется профиль электронной концентрации N(h) ионосферы. Данные высотного профиля электронной концентрации используются для расчета на базе компьютера 17 высоты ионосферных магнитно-ориентированных неоднородностей, рассеяние на которых обеспечивает создание искусственного ионосферного ретранслятора для заданного расположения нагревного стенда 3, передатчика ЛЧМ ионозонда 7 и приемника ЛЧМ ионозонда 12. В расчетах используется то обстоятельство, что сильно вытянутые вдоль магнитного поля Земли
неоднородности электронной концентрации рассеивают радиоволны под углом Брэгга-Вульфа, так что
,
,
, где
и
- волновые вектора падающей и рассеянной волн
,
- вектор рассеяния, θ - угол рассеяния. При этом вектора
и
расположены на поверхности двух сопряженных ракурсных конусов, ось которых направлена вдоль
, а совпадающая вершина конусов лежит в центре рассеивающей области. Пересечения образующих 2-х ракурсных конусов, составляемых волновыми векторами падающей
и рассеянной
волн с поверхностью Земли, определяют зоны приема/передачи рассеянного сигнала. Путем подбора высоты расположения неоднородностей, а соответственно и частоты мощной волны накачки, определяемой по высотно-частотной характеристике, измеряемой с помощью станции вертикального зондирования 19, находят ту высоту с рассеивающими неоднородностями, для которой передатчик ЛЧМ ионозонда 2 и приемник ЛЧМ ионозонда 1 находятся на взаимных ракурсных контурах, т.е. расположение передатчика на одном из этих контуров обеспечивает прием через искусственный ионосферный ретранслятор рассеянных сигналов приемником, расположенном на взаимном ракурсном контуре.
1. По заданной программе за 10-15 минут до начала работы нагревного стенда включают режим ЛЧМ зондирования ионосферы с использованием антенн 8 и 11, ориентированных в направлении нагревного стенда 3.
2. По заданной программе включают нагревный стенд 3, и излучение осуществляется на частоте волны накачки, определенной из условия, что передающий и приемный пункты находятся на взаимных ракурсных контурах для высоты расположения искусственных ионосферных неоднородностей, соответствующей данной частоте волны накачки.
3. В пункте расположения приемника ЛЧМ ионозонда 2 проводится прием, регистрация и обработка ионограмм наклонного ЛЧМ зондирования. При этом обрабатываются как прямой сигнал, принимаемый на боковой лепесток диаграммы антенны 11, так и боковой сигнал, рассеянный на искусственных мелкомасштабных магнитно-ориентированных неоднородностях электронной концентрации и принимаемый на главный лепесток диаграммы антенны 11. На основе цифровой обработки сигналов определяют частотный диапазон прямого и рассеянного сигналов, уровень многолучевости, отношение сигнал/помеха, вероятность ошибки и определяют оптимальные частоты с максимальным отношением сигнал/помеха.
4. По заданной программе с периодом повторяемости от десятков минут до нескольких часов (в зависимости от скорости суточного изменения условий распространения радиоволн или ухудшения качества работы связной радиолинии, связанного, например, с магнитно-ионосферными возмущениями) осуществляют режим ЛЧМ зондирования ионосферы с выполнением пп.1-3. По результатам повторного ЛЧМ зондирования определяют оптимальные рабочие частоты для текущей ионосферной обстановки.
Все процедуры по пп.1-4 повторяются в течение всего рабочего цикла функционирования ЛЧМ ионозонда.
Реализуемость данного способа подтверждена в серии экспериментов, проведенных авторами в 2007-2011 гг. на трассе Москва-СУРА (Нижегородская область) - Ростов-на-Дону.
В качестве передатчика ЛЧМ сигналов 1 использовался широкополосный ЛЧМ передатчик, который работал в диапазоне частот 2-20 МГц, скорость перестройки частоты составляла 100 кГц/с.
н
В качестве мощного передатчика нагревного стенда СУРА 3 использовались синфазно работающие три передатчика с эффективной мощностью PG≈80 МВт. Мощный передатчик нагревного стенда СУРА работал на частоте волны накачки f=4785 кГц обыкновенной поляризации с отклонением диаграммы антенны стенда на 12° к югу от зенита вдоль магнитного меридиана (осуществлялось излучение вдоль магнитного зенита, когда происходит наиболее эффективное взаимодействие мощного радиоизлучения с ионосферной плазмой). Режим работы стенда: 20 минут - нагрев, 10 минут - пауза. В качестве станции вертикального зондирования ионосферы использовалась станция «Базис».
В качестве приемника ЛЧМ сигналов 2 использовался приемник «Катран».
На фиг.2 показаны примеры работы устройства, реализующего заявляемый способ, на трассе Москва-СУРА-Ростов-на-Дону 21 сентября 2010 г. (фиг.2а) 18:41 мск, нагревный стенд СУРА не работал; (фиг.2б) 18:31 мск, нагревный стенд СУРА работал. В Москве и Ростове-на-Дону для передачи и приема зондирующих ЛЧМ сигналов использовались антенны типа наклонного полуромба, ориентированные на нагревный стенд СУРА.
Из фиг.2б видно, что во время работы нагревного стенда СУРА на ионограммах наклонного зондирования регистрируется дополнительный сигнал, обусловленный рассеянием радиоволн на искусственных мелкомасштабных магнитно-ориентированных неоднородностях, создаваемых мощным радиоизлучением нагревного стенда. Дополнительный сигнал обозначен маркером PC - рассеянный сигнал. Когда нагревный стенд не работал, дополнительный сигнал не наблюдался (фиг.2а). Задержка рассеянного сигнала относительно прямого сигнала (мода 1F2) трассы Москва-Ростов-на-Дону соответствует рассеянию сигнала от неоднородностей над нагревным стендом СУРА. Из фиг 2б видно, что рассеянный сигнал занимает интервал частот ~ 15,5-18 МГц и наблюдается на частотах, заметно (на 5-8 МГц) превышающих максимально наблюдаемую частоту прямого сигнала, которая составляет величину ~ 10 МГц. Из фиг.2б видно также, что в диапазоне частот рассеянного сигнала многолучевость минимальна по сравнению с многолучевостью в диапазоне частот прямого сигнала, что позволяет осуществлять высокоскоростную передачу информации с использованием рассеянного сигнала. Согласно результатам измерений отношение сигнал/помеха в среднем по диапазону частот рассеянного сигнала составляет величину ~ 10 дБ.
Таким образом, результаты эксперимента подтверждают реализуемость заявленного способа, когда за счет создания искусственного ионосферного ретранслятора достигается искомый результат создания дополнительного ионосферного канала распространения радиоволн на частотах, превышающих максимально наблюдаемую частоту для прямой трассы Москва-Ростов-на-Дону.