CC BY
7Научная статья УДК 621.396.24
001:10.31854/1813-324Х-2022-8-2-37-47
É
Оптимальная рабочая частота по критерию максимального интервала частотной корреляции замираний в однолучевой декаметровой радиолинии
Станислав Андреевич Коваль1 [email protected] Владимир Петрович Пашинцев2, [email protected] Александр Дмитриевич Скорик3, [email protected] Денис Владимирович Сальников1, [email protected] Дмитрий Александрович Михайлов2, [email protected]
1Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Будённого,
Санкт-Петербург, 194064, Российская Федерация 2Северо-Кавказский федеральный университет,
Ставрополь, 355017, Российская Федерация 3Российский институт мощного радиостроения, Санкт-Петербург, 199178, Российская Федерация
Аннотация: Разработана аналитическая методика определения зависимости интервала частотной корреляции замираний в однолучевой декаметровой радиолинии от отношения рабочей частоты к максимально применимой частоте степени диффузности ионосферы (интенсивности мелкомасштабных неод-нородностей) и дальности связи (протяженности радиолинии). Эта зависимость получена в виде произведения традиционного интервала частотной корреляции замираний в однолучевой декаметровой радиолинии на понижающий коэффициент. Обосновано, что по мере увеличения отношения рабочей частоты к максимально применимой величина традиционно определяемого интервала частотной корреляции замираний уменьшается, а понижающего коэффициента - возрастает. Установлены оптимальные значения рабочей частоты (по отношению к максимально применимой частоте) по критерию обеспечения максимальных значений интервала частотной корреляции замираний в однолучевой декаметровой радиолинии. Показано, что увеличение дальности декаметровой связи приводит к расширению интервалов частотной корреляции замираний, а увеличение уровня диффузности ионосферы приводит к увеличению среднеквадратического отклонения флуктуаций фазового фронта волны на выходе ионосферы, что оказывает влияние на уменьшение максимального значения интервала частотной корреляции замираний, которое наблюдается при более низком оптимальном значении рабочей частоты в однолучевой декаметровой радиолинии. Полученные результаты позволят провести оценку помехоустойчивости приема сигналов при различных значениях интервалов частотной корреляции, в том числе и при возникновении частотно-селективных замираний.
Ключевые слова: декаметровая радиолиния, выбор оптимальной рабочей частоты, максимально применимая частота, ионосфера, диффузность, мелкомасштабные неоднородности, флуктуации фазового фронта, замирания, интервал частотной корреляции
Источник финансирования: Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда в рамках выполнения проекта № 22-21-00768.
Ссылка для цитирования: Коваль С.А., Пашинцев В.П., Скорик А.Д., Сальников Д.В., Михайлов Д.А. Оптимальная рабочая частота по критерию максимального интервала частотной корреляции замираний в однолучевой декаметровой радиолинии // Труды учебных заведений связи. 2022. Т. 8. № 2. С. 37-47. Э01:10.31854/1813-324Х-2022-8-2-37-47
© Коваль С.А., Пашинцев В.П., Скорик А.Д., Сальников Д.В., Михайлов Д.А.,
Optimal Operating Frequency According to the Maximum Interval of Frequency Fade Correlation in a Single-Beam Decametric Radio Link
Stanislav Koval1®, [email protected] Vladimir Pashintsev2, [email protected] Alexander Skorik3, [email protected] Denis Salnikov1, [email protected] Dmitry Mikhaylov2, [email protected]
^Military Academy of Communications, St. Petersburg, 194064, Russian Federation 2North Caucasian Federal University, Stavropol, 355017, Russian Federation 3Russian Institute of Powerful Radio Engineering, St. Petersburg, 199178, Russian Federation
Abstract: An analytical method has been developed for determining the dependence of the fading frequency correlation interval in a single-beam decameter radio link on the ratio of the operating frequency to the maximum applicable frequency, the degree of ionospheric diffuseness (the intensity of small-scale irregularities), and the communication range (radio link length). This dependence is obtained as the product of the traditional fading frequency correlation interval in a single-beam decameter radio link by a reduction factor. It is substantiated that as the ratio of the operating frequency to the maximum applicable frequency increases, the value of the traditionally determined fading frequency correlation interval decreases, and the reduction factor increases. The optimal values of the operating frequency (relative to the maximum usable frequency) are established according to the criterion for ensuring the maximum values of the fading frequency correlation interval in a single-beam decameter radio link. It is shown that an increase in the decameter communication range leads to an expansion of the fading frequency correlation intervals, and an increase in the level of ionospheric diffuseness leads to an increase in the root-mean-square deviation of fluctuations of the wave phase front at the ionospheric outlet, which affects the decrease in the maximum value of the fading frequency correlation interval, which observed at a lower optimal value of the operating frequency in a single-beam decameter radio link. The results obtained will allow us to assess the noise immunity of signal reception at different values of frequency correlation intervals, including the occurrence of frequency-selective fading.
Keywords: decameter radio link, selection of the optimal operating frequency, the maximum applicable frequency, ionosphere, diffuseness, small-scale inhomogeneities, phase front fluctuations, fading, frequency correlation interval
Funding: the work was supported by the Russian Science Foundation, grant no. 22-21-00768.
For citation: Koval S., Pashintsev V., Skorik A., Salnikov D., Mikhaylov D. Optimal Operating Frequency According to the Maximum Interval of Frequency Fade Correlation in a Single-Beam Decametric Radio Link. Proc. of Telecom. Universities. 2022;8(2):37-47. (in Russ.) DOI:10.31854/1813-324X-2022-8-2-37-47
Введение
Радиолинии декаметрового (ДКМ) диапазона находят широкое применение благодаря их автономности, низкой стоимости передачи в пересчете на 1 Мбайт информации и большой дальности связи [1, 2]. При этому значительный процент времени существуют ДКМ-радиолинии с одним дискретным лучом (модой): 85 % при дальности связи R = 3000 км и 31 % - при R = 1500 км [3, 4].
В однолучевых ДКМ-радиолиниях за счет рассеяния волны на мелкомасштабных (100...1000 м) не-однородностях ионосферы возникает диффузная многолучевость с максимальным относительным временем запаздывания (интервалом многолуче-вости, рассеяния лучей) Д^ « 50.200 мкс [5], что существенно меньше относительного времени запаздывания в двухлучевых ДКМ-радиолиниях Д^ « 1.12 мс [6-11]. Принимаемый сигнал в одно-
лучевых ДКМ-радиолиниях всегда подвержен замираниям [5-11]. Последние будут иметь общий (гладкий, неселективный) характер, если для выбранной ширины спектра F0 сигнала выполняется условие отсутствия частотно-селективных замираний (ЧСЗ) F0 << 1/Дт где « 1/Дт - интервал частотной корреляции замираний в радиолинии с диффузной многолучевостью. Длительность Т0 сигнала выбирается так, чтобы выполнялось условие отсутствия межсимвольной интерференции (МСИ) Т0 >> Дт; принимаемых сигналов.
Помехоустойчивость приема сигналов, подверженных ЧСЗ и МСИ, может снижаться на несколько порядков по сравнению с приемом сигналов с общими замираниями [4, 6]. Поэтому на этапе проектирования систем радиосвязи с однолучевыми ДКМ-радиолиниями необходимо знать интервал частотной корреляции замираний, обусловленных диффузной многолучевостью /к « 1/Дт;.
Поскольку согласно [5] в однолучевой ДКМ-радиолинии относительное время запаздывания диффузных лучей составляет Дт « 50...200 мкс, то величина Рк « 1/Дт = 20.5 кГц. Согласно [4] интервал частотной корреляции замираний в однолуче-вой ДКМ-радиолинии существенно меньше и составляет « 1/Дт « 2.3 кГц. Согласно экспериментам [12] при дальности ДКМ-связи « 3000 км данный интервал может достигать значений /к « « 40 кГц.
Очевидно, что столь значительный разброс « « 2.40 кГц) измеренных значений интервала частотной корреляции замираний в однолучевой ДКМ-радиолинии при ограниченных сведениях об исходных данных экспериментов обуславливает потребность теоретического изучения зависимости величины Рк от параметров передаваемых ДКМ-сигналов, степени диффузности ионосферы и геометрии радиолинии.
Известно [13], что уровень (степень) диффузно-сти ионосферы можно оценить интенсивностью ß ее мелкомасштабных неоднородностей, характеризующей относительные флуктуации электронной концентрации. Ее величина составляет ß = = 10-3...10-2 в нормальной (невозмущенной) ионосфере и может возрастать до ß = 10-2.. .10-1 и более в условиях возмущений (типа диффузности ионосферы). Согласно [14] интервал частотной корреляции замираний в однолучевой ДКМ-радио-линии связан с интенсивностью мелкомасштабных неоднородностей ионосферы обратно пропорциональной зависимостью: ^ ~ (ß ) 1. На основе экспериментов [10] установлено, что интервал частотной корреляции замираний /*к существенно зависит от дальности связи R. Согласно [11] интервал частотной корреляции замираний в однолучевой ДКМ-радиолинии должен зависеть от отношения
К0 = /о/Уш — 1 рабочей частоты /0 к максимально применимой частоте (МПЧ) . Однако конкретные зависимости /к = ф(/0//ш) в [11] не установлены.
Отсюда следует актуальность получения аналитической зависимости ^ = ф(/0, ßHинтервала частотной корреляции в однолучевой ДКМ-радио-линии от выбора рабочей частоты (/0 ), интенсивности ионосферных неоднородностей (ß ) и заданной дальности связи (R).
В [15] был разработан алгоритм определения зависимости /к = ф(/0, ßHинтервала частотной корреляции замираний в однолучевой ДКМ-радио-линии от выбора рабочей частоты /0, который учитывает влияние мелкомасштабных неоднородно-стей (уровня диффузности ß ) отражающего слоя ионосферы при заданной дальности связи R. Недостатком полученной в [15] аналитической зависимости /к = ф(/0, ß является узкая область ее применимости, которая ограничена условиями проявления диффузности ионосферы, когда величина ßH > 10-2, и дает существенно завышенные (на порядок и более) результаты расчета в условиях нормальной (невозмущенной) ионосферы при отсутствии (ß = 10-3) или слабом уровне (ß = = 10-2) диффузности.
Для устранения этого недостатка в [16] осуществлена разработка метода определения аналитической зависимости ^ = ф(/0, ßHинтервала частотной корреляции замираний в однолучевой декаметровой радиолинии от выбора рабочей частоты, интенсивности ионосферных неоднородно-стей (ß ) и заданной дальности связи, который позволяет получить достоверные результаты расчета в условиях не только диффузной (ß > 10-2), но и нормальной ионосферы (ß = 10-3...10-2). Этот результат был достигнут на основе комплексного применения двух моделей распространения ДКМ-волны: 1) многолучевой модели с учетом диффуз-ности ионосферы; 2) радиофизической модели с учетом дифракции волны на мелкомасштабных не-однородностях ионосферы.
В соответствии с полученным аналитическим выражением для ^ = ф(/0, ßHв [16] построены графики зависимости ^ = ) интервала частотной корреляции замираний в однолучевой ДКМ-радиолинии от степени диффузности ионосферы ( ß = 10-3...10-1 ) при выборе различных рабочих частот относительно МПЧ (/01 = 0,6/^ и /02 = 0,8/„) и дальности связи (R = 600, 2000 и 3000 км). Анализ этих графиков позволил установить следующие закономерности:
- зависимость интервала частотной корреляции замираний в однолучевой ДКМ-радиолинии от отношения К0 = /о/Ут — 1 рабочей частоты к МПЧ неоднозначна и определяется степенью диффузно-сти ионосферы ß ;
- при нормальной ионосфере (р = 10 3...10 2) интервал частотной корреляции замираний связан с рабочей частотой прямо пропорциональной зависимостью /к ~ /о = 1/К0 а при сильной диффуз-ности ионосферы р = 10-2...10-1 - обратно пропорциональной /к ~1//0 = 1/К0/„.
Более детальный анализ полученной в [16] зависимости интервала частотной корреляции замираний в однолучевой ДКМ-радиолинии с дальностью R = 2000 км от отношения К0 = /0//т рабочей частоты к МПЧ (при = 15,1 МГц) при средней степени диффузности ионосферы р = 5 • 10-2 показывает следующее. При выборе рабочей частоты /0 ~ 12,1 МГц обеспечивается ~ 5,3 МГц, при понижении частоты до « 9,1 МГц интервал частотной корреляции расширяется до « 6,2 МГц, а при дальнейшем понижении частоты « 6 МГц он сужается до « 5 МГц.
Отсюда можно сделать вывод, что при уровне диффузности ионосферы р = 5 • 10-2 в области отношения рабочей частоты к МПЧ К0 « 0,6 имеет место максимальное значение интервала частотной корреляции замираний в однолучевой ДКМ-радио-линии /*к = /ктах ~ 6,2 МГц.
Целью статьи является разработка методики определения зависимости интервала частотной корреляции /к замираний в однолучевой ДКМ-радиолинии от отношения рабочей частоты к максимально применимой, степени диффузности ионосферы р и дальности связи (протяженности трассы) R и определения на этой основе оптимальной рабочей частоты (относительно максимально применимой) в однолучевой ДКМ-радиолинии/0 = = /опт(к) по критерию обеспечения максимальных значений интервала частотной корреляции замираний при различной степени диффузности ионосферы р и дальности связи Я.
Решение этой задачи целесообразно разделить на три этапа.
Этап 1. Определение зависимости интервала частотной корреляции /*к замираний в однолучевой ДКМ-радиолинии от отношения рабочей частоты к МПЧ при заданной степени диффузности ионосферы р и дальности связи Я.
Этап 2. Анализ влияния уровня диффузности ионосферы р на изменение зависимости интервала частотной корреляции /к замираний в однолу-чевой ДКМ-радиолинии от отношения рабочей частоты к МПЧ.
Этап 3. Анализ влияния дальности связи Я на изменение зависимости интервала частотной корреляции замираний в однолучевой ДКМ-радио-линии от отношения рабочей частоты к МПЧ при различных уровнях диффузности ионосферы р .
1. Определение зависимости интервала частотной корреляции замираний в однолучевой ДКМ-радиолинии от отношения рабочей частоты к МПЧ
Для достижения поставленной цели необходимо, в первую очередь, представить полученную в [16] зависимость интервала частотной корреляции замираний в однолучевой декаметровой радиолинии от выбора рабочей частоты, интенсивности ионосферных неоднородностей ( р ) и заданной дальности связи в таком виде, который показывает наличие максимального значения /^тах при некотором оптимальном значении отношения рабочей частоты к МПЧ.
Выражение для оценки интервала частотной корреляции замираний в однолучевой ДКМ-радио-линии в [16] получено в виде:
/0
К = ■
1 - 1п(1 - ехр(-а|) + ехр(1 - ст|))
(1)
где аф - СКО флуктуаций фазового фронта ДКМ-волны на выходе из ионосферы с мелкомасштабными неоднородностями, определяемое как:
ч 0,5
(2)
ф
/0при(УЛ13г5)0
сК"25ес200
где ¿3 - протяженность эквивалентного однородного пути распространения волны в неоднородной ионосфере; - характерный (средний) размер не-однородностей; с - скорость света; ^ - поправочный коэффициент на сферичность Земли и ионосферы; 00 - угол падения волны на нижнюю границу ионосферы.
Входящий в (1) коэффициент ^ характеризует нарастание дифракционных эффектов во фронте волны внутри ионосферы и за ней до точки приема:
3/,2
^э I ^э
6(2 тс/0/с)2
32 г:
(3)
где Ь = + ¿св - сумма и пути распространения волны в свободном пространстве ¿св от точки выхода из ионосферы до точки приема.
Величина определяется на основе предварительного расчета группового, реального и фазового путей по достаточно громоздким формулам [15] и зависит от геометрии радиолинии (угла падения волны на нижнюю границу ионосферы 00), заданной дальности Я связи и типовых параметров слоя П ионосферы: высоты нижней границы й0, полутолщины гт и критической частоты в точке отражения /кр. Существенно упростить расчет и 00 можно, если пренебречь сферичностью ионосферы (т. е. принять К; « 1).
d2 =
4
Отметим, что рабочая частота ДКМ-волны выбирается из условий:
/0 = ^0/т = ^0/^^60 = /вООТ)Л;5ес00 , (4)
где /кр = ^80,8Л/(йт) - критическая частота ионосферы, определяемая средней электронной концентрацией Л/(й) на высоте (й) с максимальной ионизацией й = йт; /в(йот) = ^80,8Л/(йот) - частота вертикальной волны с высотой отражения й = йот.
Согласно (4) отношение рабочей частоты к МПЧ не зависит от угла падения 00 волны и коэффициента сферичности ^ ионосферы:
*0 = /0//ш = /в(кот)^;5ес00//кр^х5ес00 = = /в(кот)//кр = (^?(йот)/^^(йт))0,5 < 1.
Поэтому выражение (2) для определения СКО флуктуаций фазового фронта ДКМ-волны на выходе из ионосферы можно записать в виде явной зависимости от отношения рабочей частоты к МПЧ:
_ /оПPи(VП¿з^s)0,5 _ ^00/гдПр^(У^^э/^)0 5
(2а)
Для решения многих практических задач достаточная точность расчетов обеспечивается, если пренебречь поправкой на сферичность ионосферы и учитывать только сферичность Земли [17]. В этом случае можно считать ~ 1 и формула (4) принимает вид закона секанса:
/с - Ко/ш ~ K"o/Kpsec0o - /в(À)т)sec0o,
(5)
sec0o - Vl + tg20o
N
1 +
Я
2(йд(/в)+Д2/8Дз)
(6)
Действующая высота отражения волны от ионосферы в (6) рассчитывается по известному [18, 19] выражению:
йд(/В) - ^0 +
'm /В 1 + (/в//Кр) 2/КРП1-(/в//кр)
_ 1 + (/o//rn)
-Ло+ 2 /mlnl-(/o//m),
й0 - полутолщина ионосферы.
(7)
где гт = й„
На основе (5-7) определяется протяженность эквивалентного пути распространения ДКМ-волны в ионосфере согласно выражению [17]:
¿3 -(Лд(/в)-Ло)(1+т2т-
/в2 йд(/в) - К,
M
sec20o--(1+§
2
/в2 Лд(/в) - fro
(8)
Длина пути распространения волны в свободном пространстве ¿св от точки выхода из ионосферы до точки приема определяется как [15]:
¿св -
Дз
sin0o
- sin ( arcsin ( sin0o (l + - 0o ). (9)
Заметим, что для практических расчетов рабочей частоты (/0) и МПЧ () с помощью ионо-граммы (т. е. зависимости йд(/в) действующей высоты отражения волны от ионосферы от частоты вертикально направленной волны /в) закон секанса (5) записывается в виде:
/0(Лд) = К0/т(кд) = К0/В*5ес00 = /в(йд)зес00 . (10)
Согласно методике А.Н. Казанцева [20] максимальное значение рабочей частоты (т. е. МПЧ) достигается при частоте вертикальной волны, которая на 10 % ниже критической /в = /в* = 0,9/кр, и аналитически рассчитывается по формуле:
/т(Лд) = (/в(йд)5ее00^х = /в*зес00 = 0,9/^00 , (11)
где угол падения волны с МПЧ на нижнюю границу ионосферы рассчитывается по формуле (6) при /в = /в* = 0,9/кр как:
где угол падения волны на плоскую ионосферу с учетом сферичности Земли (с радиусом Дз = = 6370 км) определяется по заданной дальности R связи и результатам измерений действующей высоты йд С/в) отражения волны с частотой / согласно выражению [4, 18]:
зес0* * + (Д/2(йд(/в*) + Д2/8Дз)) . (12)
Анализ выражений (10-12) показывает, что по заданной дальности связи Я и измеренному или рассчитанному значению /кр можно определить /в = /в* = 0,9/кр и нужный угол падения ДКМ-вол-ны на ионосферу, что позволяет рассчитать МПЧ /т = ф(Д, 00). На этой основе можно рассчитать протяженность эквивалентного пути распространения ДКМ-волны в ионосфере на МПЧ по формуле (8) при Бес0о = Бес00. Далее по аналогичной методике для более низких значений вертикально направленной волны /в < /в* = 0,9/кр рассчитываются нужные углы падения ДКМ-волны на ионосферу, что позволяет выбрать рабочую частоту /0 = = К0/т = /в(кд)зес0о < /т и рассчитать протяженность эквивалентного пути распространения ДКМ-волны в ионосфере на этой рабочей частоте =
= ф(/0,00) = ф(/0,00(70, Д)) = Ф(У0,Я).
Более точная методика расчета протяженности эквивалентного пути распространения ДКМ-вол-ны в ионосфере = ф(/0, Д) с учетом ее сферичности К <1 описана в [15].
m
X
m
X
o
o
2
Совокупность выражений (1-12) позволяет установить зависимость интервала частотной корреляции от рабочей частоты, параметров неоднородной ионосферы и протяженности трассы.
Если пренебречь поправкой на сферичность ионосферы и учитывать только сферичность Земли, величина К5 « 1 и зависимость (2) принимает вид:
>Ф
0,5
(13)
где рабочая частота /О — ^о/ш определяется согласно (5); значение sec0о - согласно (6), протяженность эквивалентного пути распространения ДКМ-волны в ионосфере ¿э - согласно (8), а МПЧ - согласно (11, 12).
Следует отметить, что величина СКО флуктуаций фазового фронта ДКМ-волны аф на выходе из ионосферы с мелкомасштабными неоднородностями полностью определяет параметр райсовских замираний в однолучевой ДКМ-радиолинии [14]:
р
У2=Б^=(ехр(аф}-1)-
"г
фл
(13)
характеризующий отношение мощности регулярной Рр составляющей принимаемого сигнала к мощности флуктуационной Рфл составляющей (т. е. глубину общих замираний).
Кроме того, величина , зависящая, согласно (13), от отношения рабочей частоты к МПЧ, уровня диффузности ионосферы р и дальности связи Д через зависимости (16) и (18), в основном определяет интервал частотной корреляции замираний в однолучевой ДКМ-радиолинии, выражение для оценки которого (1) целесообразно записать в следующем виде:
/о
Ф
V2 + d.
1 - ln(l - ехр(-аф) + exp(l - аф)) = = ^ко ' Sfko,
(15)
где
F ко = /0/афл/2 + ^
(16)
является традиционным [14, 21] выражением для интервала частотной корреляции замираний в од-нолучевой ДКМ-радиолинии;
5Рко — - 1п (1 - ехр(-аф) + ехр(1 - аф)) < 1 (17)
является понижающим коэффициентом, величина которого прямо пропорционально зависит от
(т. е. 5FK0 ~ аф) и находится в интервале 0 < < 6Fko 1.
Выражения (15-17) совместно с (13) позволяют установить зависимость интервала частотной корреляции замираний в однолучевой ДКМ-радио-линии от отношения рабочей частоты к МПЧ, интенсивности ионосферных неоднородностей (ви) и дальности связи (R).
Целесообразность представления известного выражения (1) в виде произведения (15) обусловлена противоположной зависимостью сомножителей от величины аф согласно (16) и (17). Поэтому по мере увеличения отношения рабочей частоты к МПЧ и пропорционального возрастания аф ~ К0 = = /о//ш традиционное значение FK0 ~ 1/аф уменьшается, а понижающий коэффициент 5FK0 ~ аф -возрастает (от 0 до 1). Отсюда следует, что существует такое оптимальное значение рабочей частоты и ее отношения к МПЧ, при котором произведение (15) достигает максимума.
В качестве примера определения зависимости интервала частотной корреляции замираний от выбора отношения рабочей частоты к МПЧ при слабом (т. е. нормальном) уровне диффузности ионосферы ви = 5 • 10-3 и дальности связи R = 2000 км в однолучевой ДКМ-радиолинии произведем расчет FK для диапазона отношений /В//Кр = 0,2.0,9 и /0//т = = 0,3.1 в соответствии с выражениями для йд (7), sec0o (6), sec90 (12), /о (10), /т (11), L3 (8), аф (13), у2 (14), LCB (9), d? (3), FK0 (16), 5FK0 (17), FK (15).
Расчет произведен при типовых параметрах слоя F2 ионосферы [17]: высота нижней границы й0 = = 250 км, полутолщина zm = 100 км, критическая частота в точке отражения /Кр = 7 МГц. Характерный (средний) размер мелкомасштабных неодно-родностей в расчетах принят равным Zs = 200 м [22, 23]. В таблице 1 приведены параметры траектории, не зависящие от диффузности ионосферы, в таблице 2 - параметры радиоканала, зависящие от нее.
ТАБЛИЦА 1. Параметры траектории при дальности 2000 км
TABLE 1. Trajectory Parameters at a Range of2000 km
/B//кр V/m /0, МГц Ьд(/в), км sec90 ¿э, км ^CB, км d2
0,2 0,3 4,44 254 3,17 16,6 1032 1,25 • 106
0,3 0,44 6,56 259 3,13 37,6 1005 5,55 • 105
0,4 0,57 8,57 267 3,06 67,4 968 3,11 • 105
0,5 0,69 10,4 278 2,98 107 923 2 • 105
0,6 0,8 12,1 292 2,88 157 872 1,41 • 105
0,7 0,9 13,5 311 2,76 222 814 1,08 • 105
0,8 0,96 14,5 338 2,60 308 748 8,83 • 104
0,9 1 15,0 383 2,39 437 665 8,03 • 104
сsec20
сsec20
0
0
x
и
По результатам таблицы 2 построены графики (рисунок 1) зависимости понижающего коэффициента (17) 5FK0 (штрихпунктирная линия) и интервалов частотной корреляции, рассчитанных в соответствии с выражениями (15) FK (пунктирная линия) и (16) FK0 (сплошная линия) замираний в од-нолучевой ДКМ-радиолинии протяженностью R = = 2000 км от выбора рабочей частоты относительно МПЧ (/о//т) при малом уровне диффузно-сти ионосферы (ви = 5 • 10-3).
ТАБЛИЦА 2. Параметры радиоканала при дальности 2000 км при ри = 5 • Ю-3
TABLE 2. Radio Channel Parameters at a Range of2000 km atft, = 5 • 10-3
/в//кр /о//т /о, МГц рад Y2 Рк0, кГц бРк0 Рк, кГц
0,2 0,3 4,44 0,06 281 66,5 0,047 3,15
0,3 0,44 6,56 0,136 53,2 64,6 0,108 6,9
0,4 0,57 8,57 0,249 15,7 61,8 0,197 12,2
0,5 0,69 10,4 0,402 5,7 58,1 0,315 18,3
0,6 0,8 12,1 0,606 2,3 53,2 0,465 24,7
0,7 0,9 13,5 0,878 0,9 46,9 0,644 30,2
0,8 0,96 14,4 1,251 0,51 39,2 0,833 32,6
0,9 1 15,0 1,826 0,04 29,1 0,97 28,2
Fk, Fk0 кГц
70 60 50
40
30
20
10 0
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 M,
Рис. 1. Зависимость интервала частотной корреляции замираний и понижающего коэффициента от /0//т
Fig. 1. Dependence of the Fade Frequency Correlation Interval and a Reduction Factor from the /0//m
Анализ таблицы 2 и рисунка 1 показывает, что интервал частотной корреляции FK0 в соответствии с традиционным выражением (16) связан обратно пропорциональной зависимостью с величиной СКО флуктуаций фазового фронта волны на выходе из ионосферы (13), зависящей от выбора рабочей частоты /0 и ее отношения к МПЧ (равной = 15 МГц). Согласно рисунку 1 при увеличении отношения рабочей частоты к МПЧ с Я"о = 0,3 до 1 величина FK0 монотонно понижается с 66,5 до 29,1 кГц, т. е. имеет место обратно пропорциональная зависимость FK0 = (/"0//m)-1.
Понижающий коэффициент 5FK0, наоборот, связан с аф прямо пропорциональной зависимостью (17). Поэтому по мере увеличения отношения рабочей частоты к МПЧ с величины 0,3 до 1 понижающий коэффициент возрастает с 0,047 до 0,97, т. е. имеет место прямо пропорциональная зависимость. Поскольку истинное значение интервала частотной корреляции (25) определяется как произведение FK = Fk0 • 5Fk0, имеет место некоторое максимальное значение FK = FKmax на рабочей частоте /0 = /опТ(К), которую можно назвать оптимальной по критерию обеспечения наибольшего интервала частотной корреляции замираний. Такое максимальное значение составляет FKmax *
* 32,6 кГц и будет наблюдаться на частоте /опТ(К) *
* 14,4 МГц вблизи МПЧ (/о//т = /Опт(к)//т = 0,96). При дальнейшем повышении рабочей частоты до МПЧ (/о//т = 1) происходит сужение истинного значения интервала частотной корреляции замираний до значения FK * 28,2 кГц.
2. Анализ влияния уровня диффузности ионосферы
Напомним, что результаты, представленные в таблице 2 и рисунке 1, соответствуют условиям невозмущенной (недиффузной) ионосферы, когда уровень диффузности мал: ви = 5 • 10-3. Проанализируем при неизменных параметрах траектории (как в таблице 1) изменения параметров радиоканала и интервала частотной корреляции FK замираний от отношения /0//т в условиях возрастания уровня диффузности ионосферы на порядок (т. е. до ви = 5 • 10-2), представленные в таблице 3 и на рисунке 2.
ТАБЛИЦА 3. Параметры радиоканала при дальности 2000 км при ри = 5 • Ю-2
TABLE 3. Radio Channel Parameters at a Range of2000 km at ft = 5 • 10-2
/В/./Кр /о//т /о, МГц рад Y2 Рк0, кГц бРк0 Рк, кГц
0,2 0,3 4,44 0,596 1,531 6,65 0,458 3,04
0,3 0,44 6,56 1,364 0,429 6,46 0,874 5,64
0,37 0,53 7,95 2,11 0,11 6,28 0,99 6,21
0,4 0,57 8,57 2,486 0,046 6,18 0,998 6,17
0,5 0,69 10,4 4,02 3 10-4 5,81 1 5,81
0,6 0,8 12,1 6,06 0 5,32 1 5,32
0,7 0,9 13,5 8,776 0 4,69 1 4,69
0,8 0,97 14,5 12,513 0 3,92 1 3,92
0,9 1 15,0 18,257 0 2,91 1 2,91
Сравнительный анализ данных таблиц 3 и 2 показывает, что увеличение уровня диффузности на порядок обуславливает, согласно зависимости (13), при одинаковых рабочих частотах /0 (и отношениях = /о//т) увеличение на порядок СКО флуктуаций фазового фронта ДКМ-волны на выходе из
ионосферы. Это вызывает сужение на порядок интервала частотной корреляции замираний в одно-лучевой ДКМ-радиолинии, рассчитываемого по традиционной формуле (16). Его величина, согласно таблице 3 и рисунку 2, при увеличении отношения рабочей частоты к МПЧ с 0,3 до 1 монотонно понижается с 6,65 до 2,91 кГц.
ÖFkö 1
2
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 мт
Рис. 2. Зависимость интервала частотной корреляции
замираний и понижающего коэффициента от /0//т
Fig. 2. Dependence of the Fade Frequency Correlation Interval and a Reduction Factor from the /0//m
Увеличение на порядок величины аф за счет увеличения ßH приводит к тому, что понижающий коэффициент 5Fk0 увеличивается с 0,458 до 0,99 при возрастании отношения рабочей частоты к МПЧ с 0,3 до «0,53 (превышение которого обеспечивает 5Fk0 > 0,99 и практически не вызывает понижения произведения Fk = Fk0 • 5Fk0 ). Поэтому истинное значение интервала частотной корреляции замираний (15) достигает максимального значения FKmax « 6,21 кГц при /о/Ут ~ 0,53, что соответствует (при « 15 МГц) оптимальному значению рабочей частоты /о = /опТ(К) ~ 0,53 • 15 « 8 МГц.
При дальнейшем повышении рабочей частоты до МПЧ происходит сужение истинного значения интервала частотной корреляции замираний до значения FK « 2,91 кГц.
Таким образом, сравнительный анализ рисунков 2 и 3 позволяет установить следующую закономерность: по мере повышения уровня диффузности ионосферы (ßH) будут понижаться максимальное значение интервала частотной корреляции замираний в однолучевой ДКМ-радиолинии (FK = Fk0 х х 5Fk0 = FKmax) и значение оптимальной рабочей частоты по критерию обеспечения наибольшего интервала частотной корреляции замираний.
3. Анализ влияния дальности связи
Указанная выше закономерность прослеживается и для дальностей ДКМ-связи другой протяженности (1500 и 3000), отличной от R = 2000 км.
Аналогичные проведенным выше расчеты выполнены для ДКМ-радиолинии с дальностью связи Я = = 1500, 2000 и 3000 км при различных уровнях диффузности ионосферы (ви = 10-3, 5 • 10-3, 10-2, 5 • 10-2). Графики зависимостей Рк = ф(/о//ш) приведены на рисунке 3.
Анализ графиков (см. рисунок 3) показывает наличие оптимальных значений рабочих частот (по критерию обеспечения наибольшего интервала частотной корреляции замираний) для ДКМ-радиолиний с различной дальностью связи. Для этих радиолиний согласно (10-12) рассчитаны следующие значения МПЧ: /т1 « 12,7 МГц; /т2 « « 15 МГц; /т3 « 18 МГц. Согласно рисунку 3 дальность ДКМ-связи не оказывает существенного влияния на величину отношения /0//т = /оПт(К)//ш . Так, например, при |Зи = 5 • 10-3 (см. рисунок 3Ь) максимальные значения интервалов частотной корреляции замираний будут наблюдаться при отношении /0ПТ(К)//т ~ 0,96, что соответствует рабочим частотам /оПТ(К) ~ 0,96/т1 « 12,2 МГц при Я = 1500 км, /оПт(к) ~ 0,96/т2 « 14,4 МГц при Я = 2000 км и /оПт(к) ~ 0,96/т3 « 17,3 МГц при Я = 3000 км.
При увеличении уровня диффузности (см. рисунки 3с и 3ф оптимальные отношения /0ПТ(К)//т сдвигаются в сторону меньших значений. При ви = = 5 х 10-2 (см. рисунок 3ф максимальные значения интервалов частотной корреляции замираний будут иметь место при /0ПТ(К)//т ~ 0,53, что соответствует рабочим частотам /0ПТ(К) ~ 0,53/т1 « « 6,7 МГц при Я = 1500 км, /0ПТ(к) « 8 МГц при Я = = 2000 км и /0ПТ(к) « 9,5 МГц при Я = 3000 км.
Анализ рисунка 3 показывает, что увеличение дальности ДКМ-связи приводит к расширению интервалов частотной корреляции замираний, что не противоречит известным ранее и полученным экспериментально данным [10]. При этом, наибольшая разница между абсолютными значениями интервалов частотной корреляции наблюдается вблизи оптимальной рабочей частоты /0ПТ(К) по критерию обеспечения наибольшего интервала частотной корреляции замираний.
Заключение
Разработана методика определения зависимости интервала частотной корреляции замираний в однолучевой ДКМ-радиолинии от отношения рабочей частоты к максимально применимой (МПЧ), степени диффузности ионосферы и дальности связи. На этой основе установлены оптимальные значения отношения рабочей частоты к МПЧ по критерию обеспечения максимальных значений интервала частотной корреляции замираний при различной диффузности ионосферы и дальности связи.
ft,' кГц
50
40
30
20
10
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Mm a)
ft,' кГц
30
20
10
' Дальность связи, R = 102
3000 км 2000 км 1500 км Ри
/
0,2 0,3
0,4 0,5
0,6 0,7 c)
0,8 0,9
1 Mm
ft, кГц
40
30
20
10
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Mm b)
ft,' кГц
7
' Дальность связи, R
ви = 5- 102
3000 км 2000 км 1500 км
0,6 0,7 d)
Рис. 3. Зависимость интервалов частотной корреляции замираний при различной дальности связи (R = 1500, 2000 и 3000 км) и различных уровнях диффузности: а) ри = 10-3, b) ри = 5 • Ю-3, с) ри = 10-2, d) ри = 5 • Ю-2
Fig. 3. Dependence of the Fade Frequency Correlation Interval from the /0//m Ratio at Different Communication Distances (R = 1500,2000 and 3000 km) and Different Diffuseness Levels: а) ft = 10-3, b) ft = 5 • 10-3, c) ft = 10-2, d) ft = 5 • 10-2
Искомая зависимость получена в виде произведения традиционного интервала частотной корреляции замираний в однолучевой ДКМ радиолинии на понижающий коэффициент, величина которого находится в интервале от 0 до 1 и прямо пропорционально зависит от СКО флуктуаций фазового фронта ДКМ волны на выходе из ионосферы с мелкомасштабными неоднородностями. Последняя зависит от отношения рабочей частоты к МПЧ, уровня диффузности ионосферы и дальности связи. Обосновано, что по мере увеличения отношения рабочей частоты к МПЧ значение традиционно рассчитанного интервала частотной корреляции замираний уменьшается, а по-
нижающего коэффициента - возрастает от 0 до 1. Поэтому существует оптимальное отношение рабочей частоты к МПЧ, при котором интервал частотной корреляции замираний в однолучевой ДКМ радиолинии достигает максимума. Установлено, что увеличение уровня диффузности ионосферы приводит к уменьшению максимального значения интервала частотной корреляции, а увеличение дальности ДКМ связи приводит к расширению интервалов частотной корреляции замираний.
На базе полученных результатов планируется провести оценку помехоустойчивости приема сигналов при различных значениях интервалов частотной корреляции.
6
5
4
3
2
Список источников
1. Ступницкий М.М., Лучин Д.В. Потенциал КВ-радиосвязи - для создания цифровой экосистемы России // Электросвязь. 2018. № 5. С. 49-54.
2. Головин О.В., Простов С.П. Системы и устройства коротковолновой радиосвязи. М.: Горячая линия - Телеком, 2006. 598 с.
3. Хмельницкий Е.А. Оценка реальной помехозащищенности приема сигналов в КВ диапазоне. М.: Связь, 1975. 232 с.
4. Черенкова Е.Л., Чернышов О.В. Распространение радиоволн. М.: Радио и связь, 1984. 272 с.
5. Стейн С., Джонс Дж. Принципы современной теории связи и их применение к передаче дискретных сообщений. Пер. с англ. М.: Связь, 1971. 376 с.
6. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. радио, 1970. 728с.
7. Фабрицио Д.А. Высокочастотный загоризонтный радар: основополагающие принципы, обработка сигналов и практическое применение. М: ТЕХНОСФЕРА, 2018. 936 с.
8. Немировский А.С. Борьба с замираниями при передаче аналоговых сигналов. М.: Радио и связь, 1984. 208 с.
9. Кловский Д.Д. Передача дискретных сообщений по радиоканалам. М.: Радио и связь, 1982. 304 с.
10. Кириллов Н.Е. Помехоустойчивая передача сообщений по линейным каналам со случайно изменяющимися параметрами. М.: Сов. радио, 1971. 256 с.
11. Чернов Ю.А. Специальные вопросы распространения радиоволн в сетях связи и радиовещания. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2018. 688 с.
12. Пукса Д.О., Романов Ю.В. Результаты трассовых испытаний адаптивной пакетной КВ-радиолинии высокоскоростной передачи данных файлового типа на базе радиомодема с полосой сигнала до 40 кГц // Техника радиосвязи. 2015. № 4(27). С. 14-20.
13. Пашинцев В.П., Омельчук А.В., Коваль С.А., Галушко Ю.И. Метод определения величины интенсивности неод-нородностей по данным ионосферного зондирования // Двойные технологии. 2009. № 1(46). С. 38-42.
14. Пашинцев В.П., Колосов Л.В., Тишкин С.А., Антонов В.В. Применение теории фазового экрана для разработки модели односкачкового декаметрового канала связи // Радиотехника и электроника. 1996. Т. 41. № 1. С. 21-26.
15. Пашинцев В.П., Скорик А.Д., Коваль С.А., Алексеев Д.В., Сенокосов М.А. Алгоритм расчета интервала частотной корреляции коротковолновой радиолинии с учетом сферичности и мелкомасштабных неоднородностей ионосферы // Системы управления, связи и безопасности. 2020. № 2. С. 49-72. D0I:10.24411/2410-9916-2020-10203
16. Коваль С.А., Пашинцев В.П., Копытов В.В., Манаенко С.С., Белоконь Д.А. Метод определения интервала частотной корреляции замираний в однолучевой декаметровой радиолинии // Системы управления, связи и безопасности. 2022. № 1. С. 67-103. D0I:10.24412/2410-9916-2022-1-67-103
17. Пашинцев В.П., Тишкин С.А., Иванников А.И., Боровлев И.И. Расчет параметра глубины замираний в однолучевой декаметровой радиолинии // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. 2001. Т. 44. № 12. С. 57-65.
18. Девис К. Радиоволны в ионосфере. Пер. с англ. М.: Мир, 1973. 502 с.
19. Калинин А.И., Черенкова Л.Е. Распространение радиоволн и работа радиолиний. М.: Связь, 1971. 439 с.
20. Красюк Н.П., Дымович Н.Д. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Высшая школа, 1974. 576 с.
21. Yeh K.H., Liu C.H. Radio wave scintillations in the ionosphere // Proceedings of the IEEE. 1982. Vol. 70. Iss. 4. РР. 324-360. D0I:10.1109/PR0C.1982.12313
22. Колосов М.А., Арманд Н.А., Яковлев О.И. Распространение радиоволн при космической связи. М.: Связь, 1969. 155 с.
23. Котова Д.С., Захаренкова И.Е., Клименко М.В., Оводенко В.Б., Тютин И.В., Чугунин Д.В. и др. Формирование ионосферных неоднородностей в Восточно-Сибирском регионе во время геомагнитной бури 27-28 мая 2017 года // Химическая физика. 2020. Т. 39. № 4. С. 80-92. D0I:10.31857/S0207401X20040093
References
1. Stupnitskiy M.M., Luchin D.V. The potential of HF radio communication - to create a digital ecosystem in Russia. Electrosvyaz. 2018;5:49-54. (in Russ.)
2. Golovin 0.V., Prostov S.P. Shortwave Radio Communication Systems and Devices. Moscow: Hotline - Telecom Publ.; 2006. 598 p. (in Russ.)
3. Khmelnitskiy E.A. Evaluation of the Real Noise Immunity of Signal Reception in the HF Band. Moscow: Sviaz Publ.; 1975. 232 p. (in Russ.)
4. Cherenkova E.L., Chernyshov 0.V. Propagation of Radio Waves. Moscow: Radio i sviaz Publ.; 1984. 272 p. (in Russ.)
5. Stein S., Jones J. Modern Communication Principles. McGraw-Hill Telecommunications. 1967. 382 p.
6. Fink L. M. Discrete Message Transmission Theory. Moscow: Sovetskoe radio Publ.; 1970. 728 p. (in Russ.)
7. Fabrizio G. A. High frequency over the horizon radar: Fundamental principles, signal processing, and practical application. New York: McGraw-Hill Publ.; 2013. 944 p.
8. Nemirovskiy A.S. Dealing with Fading in Analog Transmission. Moscow: Radio i sviaz Publ.; 1984. 208 p. (in Russ.)
9. Klovskiy D.D. Transmission of Discrete Messages over Radio Channels. Moscow: Radio i sviaz Publ.; 1982. 304 p. (in Russ.)
10. Kirillov N.E. Noise-Immune Message Transmission over Linear Channels with Randomly Changing Parameters. Moscow: Radio i sviaz Publ.; 1971. 256 p. (in Russ.)
11. Chernov Yu.A. Special Questions of Propagation of Radio Waves in Communication and Broadcasting Networks. Moscow: TEKHN0SFERA Publ.; 2018. 688 p. (in Russ.)
12. Puksa D.0., Romanov Yu.V. The Results of the Route Tests of Adaptive Hf Radio Link for Fast File Data Transmission on the Basis of a Wireless Modem with Signal Band to 40 khz. Radio Communication Technology. 2015;4(27):14-20. (in Russ.)
13. Pashintsev V.P., 0mel'chuk A.V., Koval' S.A., Galushko Yu.I. Method of irregularity intensity value determination according to ionosphere sounding. Dvoinye tekhnologii. 2009;1(46):38-42. (in Russ.)
14. Pashintsev V.P., Kolosov L.V., Tishkin S.A., Antonov V.V. Application of the Phase-Screen Theory for Developing a Model of a 0ne-Hop Decameter Communication Link. Journal of Communications Technology and Electronics. 1996;41(1):16-21. (in Russ.)
15. Pashintsev V.P., Skorik A.D., Koval S.A., Alekseev D.V., Senokosov M.A. Algorithm of calculation of an interval of frequency correlation of the short-wave radio line taking into account sphericity and small-scale not uniformity of an ionosphere. Systems of Control, Communication and Security. 2020;2:49-72 (in Russ.) D01:10.24411/2410-9916-2020-10203
16. Koval S.A., Pashintsev V.P., Kopytov V.V., Manaenko S.S., Belokon D.A. Method for determining the fading frequency correlation interval in a single-beam decameter radio link. Systems of Control, Communication and Security. 2022;1:67-103 (in Russ.) D0I:10.24412/2410-9916-2022-1-67-103
17. Pashintsev V.P., Tishkin S.A., Ivannikov A.I., Borovlev I.I. Calculating the Fading Depth Parameter in Single-Beam Decameter Radio Link. Radioelectronics and Communications Systems. 2001.44(12):57-65.
18. Davies K. Ionospheric radio waves. Blaisdell Publishing Co., 1969. 477 p.
19. Kalinin A.I., Cherenkova L.E. Distribution of Radio Waves and Work of Radio Lines. Moscow: Sviaz Publ.; 1971. 439 p. (in Russ.)
20. Krasyuk N.P., Dymovich N.D. Electrodynamics and Propagation of Radio Waves. Moscow: Vysshaia shkola Publ.; 1974. 576 p. (in Russ.)
21. Yeh K.H., Liu C.H. Radio wave scintillations in the ionosphere. Proceedings of the IEEE. 1982;70(4):324-360. D0I:10.1109/PR0C.1982.12313
22. Kolosov M.A., Armand N.A., Yakovlev O.I. Propagation of Radio Waves in Space Communications. Moscow: Sviaz Publ.; 1969. 155 p. (in Russ.)
23. Kotova D.S., Zakharenkova I.E., Klimenko M.V., Ovodenko V.B., Tyutin I.V., Chugunin D.V., et al. Formation of Ionospheric Irregularities in the East Siberian Region During the Geomagnetic Storm on May 27-28, 2017. Russian Journal of Physical Chemistry B: Focus on Physics. 2020;14(2): 377-389. D0I:10.1134/S1990793120020232
Статья поступила в редакцию 18.04.2022; одобрена после рецензирования 06.06.2022; принята к публикации 22.06.2022.
The article was submitted 18.04.2022; approved after reviewing 06.06.2022; accepted for publication 22.06.2022.
Информация об авторах:
Станислав Андреевич
КОВАЛЬ
кандидат технических наук, докторант Военной академии связи им. Маршала Советского Союза С.М. Будённого https://orcid.org/0000-0003-1769-6991
доктор технических наук, профессор, Заслуженный работник высшей ПАШИНЦЕВ школы РФ, профессор кафедры «Информационная безопасность автома-Владимир ПеТрОВиЧ тизированных систем» Северо-Кавказского федерального университета
https://orcid.org/0000-0002-6775-7740
Александр Дмитриевич
СКОРИК
заместитель генерального директора Российского института мощного радиостроения
https://orcid.org/0000-0003-3654-5646
кандидат технических наук, доцент кафедры «Военных систем космиче-САЛЬНИКОВ ской, радиорелейной, тропосферной связи и навигации» Военной акаде-Денис ВЛадиМирОВиЧ мии связи им. Маршала Советского Союза С.М. Будённого
https://orcid.org/0000-0001-7420-8873
Дмитрий Александрович
МИХАИЛОВ
лаборант кафедры «Инфокоммуникации» Северо-Кавказского федерального университета
https://orcid.org/0000-0003-1363-9703
