СПОСОБ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ АДАПТАЦИИ КОРОТКОВОЛНОВЫХ РАДИОЛИНИЙ, РАБОТАЮЩИХ ИОНОСФЕРНЫМИ ВОЛНАМИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR POLARISATION ADAPTATION OF SHORT-WAVE RADIO LINES OPERATING WITH IONOSPHERIC WAVES (VERSIONS)

Изобретения относятся к области радиосвязи, а именно к коротковолновым (KB) радиолиниям, использующим отраженные от ионосферы радиоволны, и, в частности, к радиолиниям, обеспечивающим более устойчивую работу в условиях поляризационных замираний сигнала в точке приема, обусловленных магнитоионным расщеплением отраженной от ионосферы волны.
Известны способы поляризационной адаптации KB радиолиний ионосферных волн за счет пространственного разноса антенн (см., например, кн. Антенны. Часть 1./ Под. ред. Ю.К.Муравьева. - Л.: ВКАС, 1963, - с.393-396). Способ заключается в выборе взаимного расположения и расстояния между, по крайне мере двумя антеннами. Причем места установки антенн выбирают таким образом, чтобы корреляция замираний поля в местах установки антенн была предельно малой. В KB диапазоне такой разнос составляет несколько сот метров. Принятые каждой из антенн сигналы суммируют и передают в нагрузку.
Недостатком данного способа адаптации KB радиолиний с использованием пространственного разноса является необходимость использования значительных площадей, необходимых для установки антенн, что чаще всего экономически нецелесообразно.
Известен также способ поляризационной адаптации KB радиолиний с использованием антенн с поляризационным разносом (см. в указанной выше книге «Антенны» на с.367-369).
В месте приема ионосферной волны устанавливают вертикально и горизонтально поляризованные антенны. Корреляция между значениями амплитуд двух взаимно ортогональных компонент поля обычно составляет 0,2-0,3. Принятые каждой антенной сигналы суммируют, что снижает флуктуацию общего сигнала.
Недостатком данного способа все же является высокий уровень изменения амплитуды сигнала, приводящий к неустойчивости работы радиоканала.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявленным является способ адаптации KB радиолиний, основанный на возбуждении характеристических электромагнитных волн (ЭВМ) в ионосфере по патенту РФ №2002276, МПК G01S 13/100 опубл. 30.01.1993. Бюл. №39-40.
Ближайший аналог (прототип) включает следующую совокупность действий:
на передающем и приемном концах радиолинии устанавливают турникетные антенны, выполненные с возможностью изменения их поляризаций;
зондируют ионосферу сигналами в виде радиоимпульсов различной частоты поочередно двумя линейно поляризованными волнами;
принимают отраженные от ионосферы магнитоионные компоненты сигнала;
измеряют синхронно и запоминают комплексные амплитуды излученных и принятых магнитоионных компонент сигнала;
вычисляют комплексное число, зависящее от отношения комплексных амплитуд магнитоионных компонент;
возбуждают в ионосфере только одну из магнитоионных компонент, тем самым повышая уровень сигнала в точке приема.
Недостатком ближайшего аналога является все тот же высокий уровень поляризационных замираний в точке приема, вызванный тем, что физические условия существования ионосферы Земли обеспечивают «неизбежное возникновение двух характеристических волн при облучении ионосферы электромагнитным полем с произвольной поляризацией», что отмечено на с.5 описания патента №2002276. Следовательно, при любой поляризационной структуре волны, падающей на ионосферу, после ее отражения всегда будут существовать две поляризационно независимые компоненты, приводящие в точке приема к глубоким амплитудно-поляризационным замираниям.
Техническим результатом от использования заявленных вариантов способа является снижение уровня поляризационных замираний сигнала в точке приема путем поляризационной адаптации приемной антенны, учитывающей как поляризацию передающей антенны, так и поляризационную структуру сигнала в точке приема, определяемую магнитоионными компонентами ЭМВ, отраженной от ионосферы.
В первом варианте способа технический результат достигается тем, что
n
n
m
p
в известном способе поляризационной адаптации KB радиолиний, работающих ионосферными волнами, заключающемся в том, что в KB радиолинии, снабженной турникетными приемной и передающей антеннами, выполненными с возможностью изменения их поляризации (Под поляризацией антенны понимают поляризацию излученной антенной электромагнитной волны. См., например, Чернолес В.П. Параметры трактов распространения радиоволн и антенных устройств. - Л.: ВАС, 1986. - c.41), зондируют ионосферу сигналами, принимают отраженные от ионосферы сигналы, измеряют параметры и по результатам измерений выбирают поляризацию приемной и передающей антенн, зондируют ионосферу сигналами фиксированной частоты в точке отражения сигналов рабочей радиолинии. Затем N раз через заданные равные временные интервалы T, где n=1, 2, 3 …, N, изменяют поляризацию передающей антенны. В пределах каждого временного интервала T M раз с равными временными интервалами T, где m=1, 2, …, M, изменяют Р раз через равные временные интервалы T, где p=1, 2, …, Р, поляризацию приемной антенны.
р
nm
n
П
m
n
n
Измеряют уровни сигналов
, принятых во временных интервалах Т в пределах временного интервала T, принадлежащего временному интервалу T. Затем вычисляют и запоминают превышение
принятых сигналов
над уровнем помех U в месте их приема. После чего вычисляют средние значения превышения
сигналов
принятых в каждом временном интервале
во всех M временных интервалах T, принадлежащих каждому n-му временному интервалу T. Из всех вычисленных значений
выбирают наибольшее значение
, причем поляризацию приемной антенны для работы радиолинии выбирают соответствующую наибольшему значению
, а поляризацию передающей антенны выбирают соответствующую ее поляризации во временном интервале T, которому принадлежит наибольшее значение
. Управляющий сигнал на выбор поляризации передающей антенны передают от приемного на передающий конец радиолинии по каналу обратной связи.
n
n
Число N изменений поляризации передающей антенны выбирают в пределах N=15-30, а временной интервал T выбирают в пределах T=(40-60) с.
nm
Число М выбирают в пределах 15-20, а число Р изменений поляризации приемной антенны в каждом временном интервале T выбирают в пределах Р=15-20.
Поляризацию передающей и приемной турникетных антенн изменяют путем введения фазового сдвига между возбуждающими ЭДС, подводимыми к ортогональным плечам соответствующей турникетной антенны.
n
n
m
p
p
nm
n
П
p
m
n
n
n
n
m
Во втором варианте способа технический результат достигается тем, что в известном способе поляризационной адаптации KB радиолиний, работающих ионосферными волнами, заключающемся в том, что в KB радиолинии, снабженной турникетными приемной и передающей антеннами, выполненными с возможностью изменения их поляризаций, зондируют ионосферу изменяющимися по частоте сигналами, принимают отраженные от ионосферы сигналы, измеряют их параметры и по результатам измерений выбирают поляризацию приемной и передающей антенн для работы радиолинии, зондируют ионосферу в точке отражения сигналов рабочей радиолинии. Затем N раз через заданные равные временные интервалы T, где n=1, 2, …, N, изменяют синхронно частоту зондирующих сигналов и частоту настройки приемника. В пределах каждого временного интервала T M циклов раз с равными временными интервалами T, где m=1, 2, …, M, изменяют Р раз через равные временные интервалы T, где p=1, 2, …, P, поляризацию приемной антенны. Измеряют уровни сигналов
, принятых во временных интервалах T в пределах временного интервала T, принадлежащего временному интервалу T. Затем вычисляют и запоминают превышение
принятых сигналов
над уровнем помех U в месте их приема. После чего вычисляют средние значения превышения
сигналов
, принятых в каждом временном интервале T во всех временных интервалах T, принадлежащих каждому n-му временному интервалу T. Из всех вычисленных значений
выбирают наибольшее значение
Причем поляризацию приемной антенны для работы радиолинии выбирают соответствующую наибольшему значению, а рабочую частоту передатчика и приемника выбирают соответствующую частоте передатчика во временном интервале T, которому принадлежит наибольшее значение
Управляющий сигнал на выбор рабочей частоты передатчика передают от приемного на передающий конец радиолинии по каналу обратной связи. Число N частот зондирующих сигналов выбирают в пределах N=15-30 из разрешенного для работы радиолинии частотного диапазона и пригодных по условиям их отражения от ионосферы, а временной интервал T выбирают в пределах T=(40-60) с. Число циклов М выбирают в пределах М=15-20, а число Р изменений поляризации приемной антенны в каждом временном интервале T выбирают в интервале Р=15-20.
Возбуждающую ЭДС с выхода передатчика на одну из пар плеч турникетного излучателя подают через частотнозависимую линию задержки, а на другую пару - непосредственно.
Поляризацию передающей и приемной турникетных антенн изменяют путем введения фазового сдвига между возбуждающими ЭДС, подводимыми к ортогональным плечам соответствующей турникетной антенны.
Благодаря перечисленной новой совокупности существенных признаков по варианту 1 и 2, в заявленном способе обеспечивается динамическая и независимая адаптация поляризаций передающей и приемной антенн, учитывающая непрерывно меняющуюся поляризационную структуру двух магнитоионных компонент, отраженных от ионосферы, при которых в точке приема достигается наивысшее превышение сигнала над помехой в условиях существующих более сглаженных поляризационных замираний, тем самым достигается сформулированный технический результат.
Заявленные технические решения поясняются чертежами, на которых показаны:
На фиг.1 - рисунок, поясняющий механизм отражения волны в ионосфере;
на фиг.2 - вариант обеспечения фазового сдвига между ортогональными плечами антенн;
на фиг.3 - рисунок, поясняющий циклы поляризационной адаптации;
на фиг.4 - результаты измерений уровней сигнала в процессе поляризационной адаптации;
на фиг.5 - результаты вычислений уровней превышения сигналов над помехами;
на фиг.6 - результаты определения средних значений превышения сигналов над помехами;
на фиг.7 - результаты моделирования.
Реализация заявленного способа по первому варианту заключается в следующем. Известно, что при любой поляризационной структуре излученной на ионосферу электромагнитной волны (ЭМВ) в точке отражения (т.о.) (см. фиг.1) происходит ее преломление. В силу существования геомагнитного поля одновременно с преломлением происходит магнитоионное расщепление падающего луча на две характеристические волны (в литературе их также называют «обыкновенной» и «необыкновенной» магнитоионными компонентами - МИК). Обе МИК после преломления в ионосфере поляризованы эллиптически с отличающимися и постоянно изменяющимися коэффициентами поляризации. Это приводит к тому, что в точке приема В суммарная ЭМВ подвержена сильным поляризационным и амплитудным изменениям.
В то же время известно (см., например, статью «Поляризационное тестирование ионосферы на ближней радиотрассе».// Вопросы расчета и проектирования антенн и радиолиний./ Под ред. В.П.Серкова. - ВАС, 1986. - С.43-47 или в книге: Родимов А.П., Поповский В.В. «Статистическая теория поляризационно-временной обработки сигналов и помех».-М.: Радио и связь, 1984. - С.145-157), что при фактическом состоянии ионосферы существуют условия, при которых выбором поляризации передающей антенны и поляризации приемной антенны, в общем случае отличающихся между собой, суммарная ЭМВ, обусловленная суперпозицией МИК в точке приема, обеспечивает на входе приемника относительно стабильное состояние в существенном временном интервале (до десятков минут). В этих условиях достигается более высокое качество работы KB радиолинии ионосферных волн.
Использование первого варианта заявленного способа предпочтительно в случае ограниченного числа частот, разрешенных для работы радиолинии. В предельном случае допускается работа только на одной рабочей частоте.
В этом случае последовательность действий, реализующий способ, следующая.
На передающем конце радиолинии (точка A на фиг.1) устанавливают KB передатчик (Прд) 1, снабженный турникетной антенной 2 с возможностью изменения ее поляризации. В частности, изменение поляризации передающей антенны может быть достигнуто путем введения фазового сдвига между возбуждающими ЭДС, подводимыми к ортогональным плечам антенны 2в-2в и 2г-2г (см. фиг.2а). Фазовый сдвиг может быть обеспечен применением частотно зависимой линии задержки (ЛЗ) 5, выполненной на коммутируемых отрезках коаксиального кабеля.
На приемном конце радиолинии (точка В на фиг.1) устанавливают KB приемник (Прм) 3, также снабженный турникетной антенной 4 с возможностью изменения ее поляризации. Дополнительно в состав KB радиолинии введен канал обратной связи (КОС), в общем случае содержащий на приемном конце дополнительный передатчик 6 с антенной и на передающем конце приемник 7 с антенной. КОС предназначен для передач от приемного к передающему концу KB радиолинии управляющих команд на установку поляризации передающей антенны 2 (в первом варианте способа) и установку рабочей частоты передатчика 1 (во втором варианте способа).
n
n
m
n
Затем по установленному предварительно расписанию на фиксированной частоте N раз с равными временными интервалами T изменяют поляризацию предающей антенны 2. В каждый временной интервал T M циклов каждый с временным интервалом T по Р раз с временным интервалом T изменяют поляризацию приемной антенны (см. фиг.3).
p
nm
n
При этом измеряют уровни сигналов
, принятых во временных интервалах T в пределах временного интервала T, принадлежащего временному интервалу T (фиг.4).
П
По измеренным данным вычисляют превышение
сигналов
над уровнем помех в месте их приема (фиг.5). Уровень помех U в месте приема расчитывают по среднестатистическим данным, полученным в ходе предварительных измерений помеховой обстановки.
p
m
p
n
Затем вычисляют средние значения превышения
сигналов
принятых в каждом временном интервале T во всех временных интервалах T, принадлежащих каждому n-му временному интервалу. Из всех вычисленных значений
выбирают наибольшее значение
. На фиг.6 в качестве примера показано, что соответствует шестому временному интервалу T (p=6) и первому временному интервалу T (n=1), т.е. максимальным является среднее превышение
.
После завершения всех циклов по N, M и Р и определения
по каналу обратной связи передают управляющий сигнал на установку поляризации передающей антенны, соответствующей n=1. Одновременно фиксируют для приемной антенны поляризацию, соответствующую p=6.
Число циклов перестройки поляризации передающей антенны N и приемной антенны Р реализуют соответствующим числом сдвига фаз Δφ возбуждающей ЭДС между ортогональными плечами турникетных антенн (фиг.2б).
После установки поляризаций приемной и передающей антенн осуществляется рабочий режим работы радиолинии. В случае снижения качества связи ниже допустимого уровня повторяют полный цикл поляризационной адаптации.
Второй вариант заявленного способа целесообразно использовать при возможности широкого маневра рабочими частотами. Отличие второго варианта от первого заключается в следующем.
n
1
2
n
N
Передающую антенну последовательно N раз с временным интервалом T возбуждают на отличающихся частотах: f, f, … f, …, f. При этом установленная в такте возбуждения одного из плеч турникетной антенны частотозависимая линия задержки будет автоматически обеспечивать фазовый сдвиг между ортогональными плечами антенны и, следовательно, изменять ее поляризацию.
Перестройка передатчика и приемника на новую частоту синхронизирована, например, с использованием системы сигналов точного времени.
n
Другим отличием второго варианта заявленного способа от первого является то, что после выбора наибольшего значения
поляризацию приемной антенны для радиолинии в рабочем режиме выбирают соответствующей наибольшему значению. Рабочую частоту передатчика и приемника назначают соответствующей частоте передатчика во временном интервале T, которому принадлежит наибольшее значение
. Управляющий сигнал на выбор рабочей частоты передатчика передают от приемного на передающий конец радиолинии по каналу обратной связи.
n
Формирование управляющего сигнала, передаваемого по каналу обратной связи, может заключаться в передаче в первом и втором вариантах способа цифры n, соответствующей интервалу T, которому принадлежит
.
n
m
p
n
m
n
p
m
Интервалы значений чисел N, M и Р, а также величины T, T и T были определены в процессе машинного моделирования и составили N=15-30; M=15-20; Р=15-20; T=(40-60) с; T=T/M; T=T/P. Указанные значения позволяют получить объективные результаты тестирования состояния ионосферы в точке приема, выбрать совместимые поляризационные характеристики приемной и передающей антенн, при которых сохраняется в наибольшем временном промежутке допустимое снижение уровня принимаемого сигнала.
пр
ош
ош. доп
пр
ош
ош. доп
пр.доп
n
n
пр.доп
треб.кач
Оценка степени достижения результата проводилась с помощью математического моделирования по показателю вероятности приема с заданной достоверностью Р(р≤р) по критерию Р(р≤р)≥Р. При моделировании полученные значения показателя достоверности приема сравнивались со значениями прототипа. Результаты моделирования, приведенные на фиг.7, дают основания для следующих выводов: при цикле адаптации T с общим временем, не превышающем Т=15·T=15 мин и установке поляризаций приемной и передающей антенн, соответствующих максимальному превышению
, обеспечивается изменение вероятности приема с заданной достоверностью выше допустимого значения, например, Р=0,85, что соответствует требуемому качеству состояния радиоканала в интервале Т≈35 мин, в то время как у прототипа этот показатель не превышает 5÷8 мин.