CC BY
7
DOI 10.36622^Ти.2023.19.1.013 УДК 621.396.61
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДВУХЧАСТОТНОГО ПРИЕМНИКА ГЛОНАСС В СОСТАВЕ КОМПЛЕКСОВ ДЕКАМЕТРОВОЙ РАДИОСВЯЗИ
Е.С. Косинов1, М.А. Савельев2, К.Ч. Колбая3
Филиал Военно-морской академии им. Адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова, г. Калининград, Россия 2Тамбовский государственный университет, г. Тамбов, Россия 3Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматриваются вопросы обеспечения устойчивости в работе автоматизированных комплексов декаметровой радиосвязи за счет включения в состав аппаратных двухчастотных приемников спутниковых навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS для мониторинга состояния ионосферы в реальном времени. Применение данных приемников позволяет отказаться от методов активного зондирования ионосферы комплексом радиосвязи при вхождении в связь, упростить сам алгоритм вхождения в связь, уменьшить время организации канала связи. Отказ от активных методов зондирования состояния ионосферы позволяет существенно снизить уровень межстанционных помех, улучшить электромагнитную обстановку в декаметровом диапазоне. Кроме того, за счет достаточно точного определения параметров ионосферы в реальном времени возможен отказ от привязки к средствам частотно-диспетчерской службы, что позволяет повысить мобильность аппаратных комплектов декаметровой радиосвязи, обеспечить автономность в их работе. Хорошие точностные характеристики организуемого пассивного мониторинга состояния ионосферы с применением двухчастотного приемника навигационных сигналов спутниковой навигации ГЛОНАСС/GPS позволяют организовывать выбор аппаратурой адаптации комплекса связи вероятностно-оптимальной частоты, близкой к оптимальной рабочей частоте в определяемой широтности Земли, что, в свою очередь, в большей степени способствует односкачковому распространению радиоволн по радиотрассе до абонента связи, снижает уровень замираний на входе приемника абонента, позволяет точно прогнозировать время адаптивной смены рабочей частоты до момента снижения заявленного качества в передаче информации, повышает устойчивость канала связи в целом
Ключевые слова: декаметровая связь, мониторинг, ионосфера, пассивный режим, устойчивость радиосвязи
Введение
Основные сложности при построении и функционировании автоматизированных систем декаметровой (ДКМ) радиосвязи связаны с необходимостью компенсации на приемной стороне многолучевого распространения радиоволн между корреспондентами, что в сочетании с нестационарностью состояния ионосферы приводит к высокой неустойчивости формируемых каналов связи и низкой их пропускной способности. Указанные особенности стараются учесть при разработке адаптивных систем управления ДКМ радиосвязью. Реализация функционирования комплексов ДКМ радиосвязи полностью в автоматическом режиме к настоящему времени основана на применении достаточно большого набора средств активного зондирования ионосферы для учета ее состояния в реальном времени. Задача зондирования состояния ионосферы решается си-
© Косинов Е.С., Савельев М.А., Колбая К.Ч., 2023
стемно с применением специальных зондирующих сигналов самими комплексами ДКМ радиосвязи непосредственно перед началом работы каналов связи и с использованием специальных средств ионосферно-волновой и частотно-диспетчерской служб. Если учитывать сложность частотного планирования при распределении рабочих частот в комплексах ДКМ радиосвязи для их работы без взаимных помех (основными помехами в работе ДКМ радиосредств являются межстанционные), применение активных методов зондирования ионосферы приводит к ухудшению электромагнитной обстановки в данном диапазоне, к увеличению хаотичности в работе каналов связи, к снижению их устойчивого функционирования на уже выбранной рабочей частоте, к снижению скорости передачи информации. Кроме того, необходимость привязки к работе средств ионосферно-волновой и частотно-
диспетчерской служб приводит к снижению мобильности комплексов ДКМ радиосвязи, а при нарушении связи с данными средствами
происходит существенное снижение эффективности их применения.
Система автоматизированного управления ДКМВ радиосвязью с пассивным зондированием ионосферы
Улучшить электромагнитную обстановку в «радиоэфире» ДКМ диапазона при использовании ионосферного распространения радио-
волн возможно при переходе от методов активного зондирования состояния ионосферы к пассивным методам. Так была предложена структура системы автоматического управления коротковолновой связью [1], в составе которой используется двухчастотный прием спутниковых навигационных сигналов ГЛО-НАСС/GPS для организации пассивного мониторинга состояния ионосферы (рис. 1).
Рис. 1. Система автоматического управления декаметровой радиосвязи
В предложенной системе двухчастотный приемник спутниковых навигационных сигналов выполняет две важные функции. Во-первых, он является источником сигнала точного времени (московского декретного) для синхронизации процесса перехода программно-перестраиваемых приемников и передатчи-
ков частотно-адаптивной радиолинии на новые рабочие частоты. Во-вторых, через анализ разности псевдодальностей прохождения сигналов (анализ временной задержки между ними) от спутника до точки наблюдения ЛR(fb /2) осуществляется мониторинг в реальном времени, высотное распределение электронной
концентрации в ионосфере вдоль траектории распространения радиолуча от спутника до аппаратной комплекса N(1) [2]:
| N (ъ)
а + ъ
|( а + ъ)
-dъ =
а + ъ) - а sin 3
(1)
/
= 2,415 -10-8[М(/1, /2)-5],
2
где Zl и Z2 - предполагаемые нижняя и верхняя границы анализируемого слоя ионосферы, z -текущая высота зондирования, 9 - зенитный угол наблюдения навигационного спутника с
пункта наблюдения, k = 1-/12/ /22, 5 - неустранимая погрешность измерения. По получаемым данным распределения электронной концентрации в ионосфере определяются значения критической частоты слоя и его высота, осуществляется коррекция в реальном времени так называемого числа Вольфа, учитывающего влияние солнечной активности на отражающие свойства ионосферы. Это обеспечивает коррекцию расчета максимально применимой частоты (МПЧ) для автоматически организуемой частотно-адаптивной радиолинии связи. Мониторинг текущего состояния ионосферы (определение МПЧ) осуществляется с периодичностью 1 мин., погрешность определения для организуемых односкачковых трасс 5.. .10%, протяженность рассчитываемых трасс - до 2000 км (в радиусе до 1000 км от своего местоположения), возможен одновременный расчет нескольких трасс.
Включение малогабаритного двухчастот-ного приемника спутниковых навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS в состав узловых аппаратных комплексов ДКМ радиосвязи не увеличивает массогабаритных показателей аппаратных. На рис. 2 показан двухчастотный приемник спутниковых сигналов с малогабаритной антенной возле автоматизированного рабочего места начальника аппаратной связи в виде защищенного компьютера. Устройство расчета и коррекции МПЧ реализуется программно.
Рис. 2. Состав аппаратно-программного комплекса мониторинга состояния ионосферы
При включении рассматриваемого двух-частотного приемника спутниковых навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS с устройством расчета и коррекции МПЧ в состав системы управления автоматизированной ДКМ радиосвязью и размещении в аппаратных узловых средствах связи, разнесенных территориально, будет обеспечиваться повышение надежности функционирования системы ДКМ радиосвязи и на радиотрассах большей протяженности.
Третьей важной функцией применяемого в системе ДКМ радиосвязи двухчастотного приемника спутниковых навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS является обеспечение реализации односкачкового распространения радиоволн до корреспондента связи. Высокая точность определения динамически изменяющейся критической частоты для задаваемого слоя ионосферы (5-10%) позволяет выбирать в качестве рабочих частоты, наиболее высокие и близкие к ней. Реализация односкачкового распространения радиоволн до различных корреспондентов с использованием двухча-стотного приемника спутниковых навигационных сигналов способствует снижению глубины замираний в канале связи, способствует уменьшению количества вынужденных переходов на новые рабочие частоты, способствует повышению его пропускной способности и улучшению электромагнитной обстановки в ДКМ диапазоне в целом.
Для пояснения можно использовать рис. 3 и 4. Для определения рабочей частоты для условия наличия одного луча с отражением от слоя F2 можно применить рассуждения в рамках геометрической оптики без учета кривизны земной поверхности [3] и задаваться зонами обслуживания (рис. 3). Применение аппаратными комплексов ДКМ радиосвязи слабо-
направленных в вертикальной плоскости антенных систем обеспечивает относительно равномерное излучение в верхней полуплоскости. При наклонном падении на ионосферу максимальной дальности одного скачка соответствует некоторый угол 60тах между направлением падения и вертикалью. Этому углу соответствует некоторая максимальная частота тах. При уменьшении рабочей частоты кольцо отражающей ионосферы будет расширяться внутрь зоны. Внешняя граница кольца будет соответствовать максимальной дальности прямой видимости, а внутренняя - дальности, для которой новая рабочая частота является максимально допустимой. На поверхности можно выделить соответствующие кольца прихода отраженной волны, каждому из которых соответствует поддиапазон рабочих частот для выполнения условия одного скачка.
Рис. 3. Расположение идеализированных зон с доступом по одному лучу
Расчет поддиапазонов для полученных элементов зоны выполняется по критической частоте слоя F2 и угла 60, используя известное выражение [4] с учетом кривизны земной поверхности с помощью геометрии на рис. 4:
/н =
/в
cos0,
(2)
где /н - отраженная частота при наклонном падении, /в - отраженная частота при вертикальном падении, 60 - угол падения на нижнюю границу ионосферы. Для оценки максимально возможного значения рабочей частоты, соответствующей максимальной дальности, определяют 60тах с учетом действующей высоты отражения ^ для слоя F2 с учетом радиуса
Земли гз [3]:
6Аз
Л = arcsin-
0max r3 + h
(3)
Рис. 4. Геометрия лучей с учетом кривизны земной поверхности
Максимально применимая частота для первой зоны, соответствующая углу 60тах, определяется выражением
/
/
кр F 2
(4)
max 1
cos 0
omax
При решении треугольника АОТ2 относительно Z АТ2О = 602 получают максимальный угол падения волны на ионосферу для кольца 2 и его верхнюю рабочую частоту:
0
02
arccQs
кд + гз (1 - cQS ZAOT2)
/
max 2
у Г2 + (r3 + Ид/ - 2r3(r3 + Нд)cc>sZAOT2
/кр F 2 cos0o2
(5)
(6)
Для задаваемых колец 3 и 4 аналогично вычисляются 003, /max з, 004 и/max 4. Для центральной зоны верхней границей поддиапазона является / f2 слоя F2, нижней границей -
/ F1 слоя F1. Как следует из приведенных
выражений, исходными параметрами расчетов рабочих частот для односкачкового распространения радиоволн до корреспондента является действующая высота отражения от слоя F2 и / F2. Использование двухчастотного приемника спутниковых навигационных сигналов обеспечивает высокую точность определения значения / F2 применительно к реальному
состоянию ионосферы. Важно также выделить, что при организации частотно-адаптивной радиолинии с односкачковым распространением
сигнал ответа вызываемого абонента при необходимости может содержать уточняемые координаты вызываемой станции. Следовательно, автоматизация ввода координат объекта связи будет не лишней, и устройство работает по непосредственному своему назначению.
Следует выделить четвертую важную функцию, которую может выполнить предлагаемое к применению навигационное устройство. В высокоскоростных каналах передачи данных в ДКМ диапазоне применяются модемы с многочастотными сигналами, например, с реализацией метода уплотнения с ортогонально-частотным разделением (OFDM) [4]. Устойчивая работа параллельных модемов зависит от обеспечения их синхронизации на передающей и приемной стороне. У большинства применяемых модемов допустимая долгосрочная расстройка несущих частот приемника и передатчика не должна превышать ±15 Гц. Наличие данной расстройки объясняется, прежде всего, допплеровским рассеянием в ионосфере. Большие значения допплеровского ухода частоты корреспондента наблюдаются при обеспечении авиационной радиосвязи с высокоскоростными летательными аппаратами. В настоящее время разрабатываются модемы для функционирования с расстройкой до ±150 Гц, но это уже своеобразный предел. Проблему синхронизации ДКМ связи при скоростях летательных аппаратов 2 и более Маха (число Маха - отношение истинной скорости в потоке, например, обтекания воздухом самолёта, к скорости звука в конкретной среде) возможно решить при точном определении изменения во взаимном расположении объектов связи с использованием точных навигационных средств, проведением расчета допплеровского сдвига частоты по построению траектории движения летательного аппарата с использованием бортовых навигационных си-
стем и передачи расчетного значения на передающую сторону.
Заключение
Таким образом, для обоснования включения двухчастотного приемника радиосигналов глобальных спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS в состав аппаратных автоматизированных комплексов ДКМ радиосвязи можно выделить следующие его функции:
- источник сигналов точного (декретного московского) времени для синхронизации в работе частотно-адаптивных радиолиний;
- устройство пассивного мониторинга состояния ионосферы в реальном времени, обеспечивающее формирование (коррекцию) значения МПЧ;
- устройство обеспечения организации односкачкового распространения радиоволн до различных корреспондентов за счет формирования (коррекции в реальном времени) значения критической частоты для рабочего слоя ионосферы;
- устройство обеспечения синхронизации работы высокоскоростных модемов передачи данных в авиационной ДКМ радиосвязи.
Литература
1. Пат. №2719551, МПК51 Н04В 17/00. Система автоматического управления коротковолновой связью / М.А. Савельев, Е.С. Косинов, И.Д. Фошин (РФ); 2019121961. Заявл. 09.07.2019; опубл. 21.04.2020.
2. Аппаратно-программный комплекс для мониторинга состояния ионосферы в режиме реального времени / В.М. Смирнов, Е.В. Смирнова, С.И. Тынянкин, В.Н. Скобелкин, А.П. Мальковский // Гелиогеофизические исследования. 2013. Вып. 4. С.32-38.
3. Зайцев В.В. Оценка размеров зоны обслуживания и нижней границы пропускной способности узла радиодоступа диапазона ДКМВ // Информация и космос. 2014. №1. С. 13-17.
4. Березовский В.А., Дулькейт И.В., Савицкий О.К. Современная декаметровая радиосвязь: оборудование, системы и комплексы. М.: Радиотехника, 2011. 444 с.
Поступила 23.11.2022; принята к публикации 15.02.2023 Информация об авторах
Косинов Евгений Сергеевич - преподаватель, Филиал Военно-морской академии им. Адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова (236026, Россия, г. Калининград, Советский проспект, 82), e-mail: kosinov79@bk.ru.
Савельев Михаил Александрович - канд. техн. наук, доцент, Тамбовский государственный университет (392036, Россия, г. Тамбов, ул. Интернациональная, 33), e-mail: michail.1111@yandex.ru.
Колбая Камила Чичиковна - канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина (394064, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54 «А»), e-mail: kolbaya-kamila@rambler.ru
FEATURES OF APPLICATION OF A TWO-FREQUENCY GLONASS RECEIVER AS A PART OF DECAMETRE RADIO COMMUNICATION
E.S. Kosinov1, M.A. Savel'yev 2, K.Ch. Kolbaya3
branch of the N.G. Kuznetsov Naval Academy, Kaliningrad, Russia 2Tambov State University, Tambov, Russia 3Military Scientific Educational Center of Military-Air Forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin Military-Air Academy", Voronezh, Russia
Abstract: the article considers the issues of ensuring stability in the automated decameter radio communication systems operation by GLONASS/GPS satellite navigation signals including in the dual-frequency receivers for the ionosphere state in the real time. These receivers usage makes it possible to refuse the methods of the ionosphere active probing by the radio communication system when joining into contact as well as to simplify the entering into communication algorithm and to reduce the communication channel organizing time. The ionosphere state probing active methods rejection makes it possible to significantly reduce the level of interstation disturbances and to improve the electromagnetic environment in the decameter range. Moreover, it is possible to refuse the linking to the means of the frequency dispatch service due to a fairly accurate ionosphere parameters determination in the real time, which allows to increase the decameter radio communication complex mobility and ensure autonomy in their work. Good accuracy characteristics of the ionosphere state passive monitoring using the satellite navigation GLONASS/GPS dual frequency receiver allow to organize the probabilistically-optimal frequency selection close to the optimal operation frequency in determined Earth latitude with the help of the communication complex adaptation equipment. This in turn, greatly contributes to the radio waves single-jump propagation along the radio path to the communication subscriber, reduces the fading level at the subscribers receiver input, allows the operating frequency adaptive change time prediction until the moment of declared quality reduction in the information transmission and increases the communication channel stability in general
Key words: decameter radio communication, monitoring, ionosphere, passive mode, radio communication stability
References
1. M.A. Savel'yev, E.S. Kosinov, I.D. Foshin Patent №2719551, MPK51 N04V 17/00 "Automatic control system for shortwave communications" ("Sistema avtomaticheskogo upravleniya korotkovolnovoy svyaz'yu"), patent of RF no. 2019121961, 2019, publ. 21.04.2020.
2. Smirnov V.M., Smirnove E.V., Tynyankin S.I., Skobelkin V.N., Malkovskiy A.P. "Hardware-software complex for monitoring the state of the ionosphere in real time", Heliogeophysical research (Geliogeofizicheskie issledovaniya), 2013, vol. 4, pp. 3238.
3. Zaytsev V.V. "Estimation of the size of the service area and the lower limit of the bandwidth of the radio access node of the DHMW range", Information and space (Informaciya i cosmos), 2014, no. 1, pp. 13-17.
4. Berezovskiy V.A., Dul'keit I.V., Savitskiy O.K. "Modern decameter radio communication: equipment, systems and complexes", Moscow: Radiotechnika, 2011, 444 p.
Submitted 23.11.2022; revised 15.02.2023 Information about the authors
Evgeniy S. Kosinov, Assistant Professor, Branch of the N.G. Kuznetsov Naval Academy, Kaliningrad, Russia (88 Sovetskiy prospekt, Kaliningrad 236026, Russia), e-mail: kosinov79@bk.ru.
Mikhail A. Savel'yev, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Tambov State University (33 Internatsionalnaya str., Tambov, Russia 392036), e-mail: michail. 1111@yandex.ru.
Kamila Ch. Kolbaya, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Senior Research Officer, Military Scientific Educational Center of Military-Air Forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin Military-Air Academy" (54 "A" Starykh Bol'shevikov str., Voronezh 394064, Russia), e-mail: kolbaya-kamila@rambler.ru
