CC BY
0Всероссийская открытая научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн» - Муром 2024
УДК 621.391.01 DOI: 10.24412/2304-0297-2024-1-145-149
Модели распространения цифровых сигналов по трансионосферным радиолиниям
Л.Е. Назаров, В.В. Батанов
Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, 141190, Фрязино Московской обл., пл. Введенского, 1. E-mail: levnaz2018@mail. ru
Приведены описания моделей распространения и искажений цифровых сигналов по трансионосферным радиолиниям со свойством частотной дисперсии. Рассмотрен метод снижения искажений цифровых сигналов при их приеме с использованием глобальной одночастотной модели земной ионосферы Клобушара.
Ключевые слова: трансионосферные радиолинии, ионосфера, цифровые сигналы, искажения Models of digital signal propagation over transionospheric radio links L.E. Nazarov, V.V. Batanov
Fryazino Branch, Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences, 141190, Fryazino, Moscow oblast Vvedensky Sq. 1
Descriptions of models of propagation and distortion for digital signals over transionospheric radio links with the property offrequency dispersion are given. A method for reducing distortion of digital signals during their reception using Klobuchar's global single-frequency model of the earth's ionosphere is considered
Keywords: transionospheric radio links, ionosphere, digital signals, distortions Введение
Ионосфера является неоднородной дисперсионной средой распространения, которая обусловливает фазо-частотные и амплитудно-частотные искажения цифровых сигналов при их распространении [1]. Искажения сигналов при применении корреляционной обработки при приеме цифровых сигналов обусловливают наличие энергетических потерь по отношению к распространению в свободном пространстве и заключаются в двух факторах [1-3]:
- происходит временное рассеяние сигналов при распространении по ионосферной линии;
- изменяется огибающая сигналов по отношению к огибающей исходного сигнала. Наряду с аддитивными канальными помехами теплового происхождения эти
искажения являются основными факторами снижения надежности передачи информации. Искажения огибающих сигналов (искажения фазо-частотных и амплитудно-частотных характеристик) обусловливают возникновение помех межсимвольной и межканальной интерференций.
В изотропном случае (без учета магнитного поля Земли) при нормальном падении плоской волны с частотой f на среду с неоднородной диэлектрической проницаемостью е(z, f) и распространяющейся по оси z с граничным условием E(0, f) при z = 0 уравнение имеет вид:
о. (1)
dz2 с2
z,f )
При условии-X << 1 (А - длина волны) решение задается приближением
dz
геометрической оптики:
( ( z лл
Е(^) = Ке - — 12П
Е (0, f )ехр
п( х, f )dx
о ;;
(2)
п(х, f) = л[ё(Х~/) - коэффициент преломления среды.
Для цифровых сигналов s(t) в виде последовательности радиоимпульсов длительностью Т задача усложняется. В этом случае сигналы представляются суммой монохроматических волн, каждая приобретает фазовое Д^( z,f) и амплитудное смещения за счет дисперсионных и поглощающих свойств ионосферы, что определяет искажение этих сигналов [2,3]. Эти искажения обусловливают возникновение интерференционных помех, представляющих случайный процесс, характеристики которого зависят от центральной частоты /о и полосы частот Д^ сигналов, от
характеристик ионосферной линии.
Актуальной является проблема создания и развития моделей данного типа искажений сигналов и оценивания мощностей интерференционных помех для сигналов с увеличением их частотной полосы с использованием этих моделей.
Модели ионосферы
Рассматриваемые модели ионосферы трансионосферных радиолиний соответствуют непрерывной сферически-симметричной среде с неоднородной диэлектрической проницаемостью
е(2,Г) = 1 -$(?)/. (3)
Здесь/р(z) = Л/808^Э"(г) - собственная частота ионосферы (кГц);
Ыэ (z) (эл/см3) - электронная плотность ионосферы на высоте z .
Модель е(z,/) является вещественной, т.е. поглощение радиоволн полагается малым. Это обусловливает лишь фазо-частотные искажения сигналов при распространении.
Для электронной плотности Иэ (z) известен ряд моделей, например, однослойная модель [2-4]:
Иэ= ^у ■ ехр[-(ехр(Ь(z-Zм))+bz)], (4)
где у,Ь - параметры;
zм - высота, на которой достигается максимальное значение электронной плотности Ым ;
Для дневного времени Ым < 106 эл/см3 при zм = 300...350 км, Ь = 0.01, у = 5-1013 .
Искаженные сигналы при распространении представляются как результат линейной фильтрации передаваемых сигналов ^() .
с
V
ж
s(t) = J S (f )H (z,f )exp(j 2nf )df (5)
—ж
где Si(f) - спектр сигнала s(t);
H(f, z) = exp(j2nfz(z, f)) - коэффициент передачи ионосферной линии, как линейного фильтра;
z dx
т(z, f) =1--фазовое время распространения гармонического сигнала с
q c( x,f)
частотой f вдоль лучевой линии;
c(x, f) = с / n(x, f) - фазовая скорость.
Время распространения r(z, f) задается соотношением [2,3]: .
z
т ( zf) = J n(x,f У(R3 +x)dx (6)
0 Сф4 n2(x,f)(R3 +x)2 — (n(0 f)R3 sm(6A — ))2 R3 - радиус Земли; в a - видимый зенитный угол;
- рефракционная поправка к в a . При упрощающем условии быстрого снижения электронной плотности N3 (z) от ее
максимального значения Nм без учета угловой поправки вследствие ее малого значения, известно приближение [1]: .
7 z
т (z,f )= -,'0 , (Rj +zм) Jn э (x)dx + Lab/с (7)
cf 2 +zM )2 — (R3sin в A )2 0
Инверсный фильтр для трансионосферной радиолинии, включение которого при приеме цифровых сигналов компенсирует влияние интерференционных помех, задается коэффициентом передачи:
И-\г, /) = еМ-Ж?,/)), (8)
где фаза ррг,/) = 2п[т(/).
Результирующий сигнал sr (I) с учетом инверсного фильтра определяется соотношением:
*г (О = \П/)Н-\?,/)ехр02^)4Г . (9)
—X
где У (/) - частотный спектр реализации у(1) на входе приемного устройства. Для вычисления параметра т(/) при формировании обратного фильтра необходимо знание относительно полного электронного содержания:
«ПЭС = | Nэ (х)йх (10)
0
Для оценивания «пэс можно использовать метод на основе двухчастотных пилот-сигналов [3]. Для решения этой задачи можно применить альтернативную методику, которая основана на использовании глобальной одночастотной модели Клобушара
земной ионосферы, разработанной для повышения точности измерений навигационной системы GPS [5].
Глобальная одночастотная модель земной ионосферы Клобушара разработана для коррекции временных задержек Дти при распространении сигналов по трансионосферной радиолинии по отношению к распространению в свободном пространстве [5]. Оценивание т( z, f) при использовании этой модели выполняется для задаваемых параметров:
-долгота уПР и широта Хпр приемной наземной станции; -угол места Еда и азимут Ада космического аппарата GPS;
-время TqpS (сек) в формате всемирного времени UT;
-коэффициенты «0,^1,^2,^3 и Д0,Д02,03, передаваемые в альманахе навигационных сообщений либо по наземным линиям в формате RENIX.
Полученное значение апэс дает возможность оценить временные задержки т(z, f) в частотной полосе Д^ цифровых сигналов и сформировать инверсный фильтр H 1( z, f) для трансионосферной радиолинии.
Пример расчета временной задержки сигналов т(z, f) при распространении по трансионосферной радиолинии с использованием модели Клобушара приведен для пространственных координат приемной наземной станции и космического аппарата GPS
УПР = 400 с.ш., Хпр = 1000 з.д., Еда = 200, азимут Ада = 2100 . Параметры модели Клобушара а0 = 3.82 х10-8, а1 = 1.49х10-8, а2 =-1.79х10-7 , а3 = 0 , Д0 = 1.43 х105 , Д = 0, 02 =-3.28 х105, 03 = 1.13 х105 . Для этих параметров модели Дти достигает 77.6 нс [10], соответствующее значение видимого зенитного угла 3 = 700 и значение апэС , вычисленное с использованием соотношения (9), равно 6.48 х 1013 эл/см2.
Выводы
В докладе дается описание искажений фазо-частотных характеристик огибающих цифровых сигналов при их распространении по трансионосферным радиолиниям. Искажения сигналов за счет дисперсионных свойств земной ионосферы обусловливают возникновение интерференционных помех, снижающих надежность передачи информации, и при использовании класса цифровых сигналов с увеличением частотной эффективности разрушающих работу спутниковых информационных систем. Суть методов обработки цифровых сигналов при приеме, снижающих искажающее влияние интерференционных помех, заключается в формировании обратного линейного фильтра с инверсным коэффициентом передачи относительно трансионосферной радиолинии. В докладе приведены методы формирования обратного фильтра с использованием двух опорных частот и с использованием глобальной модели земной ионосферы Клобушара -дано описание этого метода, основанного на оценивании полного электронного содержания трансионосферной радиолинии.
Работа выполнена в рамках государственного задания ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН.
Литература
1. Колосов М.А., Арманд Н.А., Яковлев О.И. Распространение радиоволн при космической связи. Москва, Связь. 1969. 156 с.
2. Назаров Л.Е., Батанов В.В. Анализ искажений радиоимпульсов при распространении по ионосферным линиям передачи спутниковых систем связи. // Электромагнитные волны и электронные системы. 2016. Т.21. №5. С.37-45.
3. Батанов В.В., Назаров Л.Е. Алгоритм приема широкополосных сигналов при распространении по трансионосферным линиям. // Физические основы приборостроения. 2020. Т. 9. № 4(38). С. 24-29. https://doi.org/10.25210/jfop-2004-024029
4. Electron density models and data for transionospheric radio propagation. P Series, Radiowave propagation. Report ITU-R P.2297-1. Electronic Publication, Geneva, 2019. 30 p.
5. Klobuchar J. A. Ionospheric Time-Delay Algorithm for Single Frequency GPS Users. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 1987. V. 23. №3. P.325-331. https://doi.org/ 10.1109/TAES.1987.310829
