Научная статья на тему 'Результаты экспериментов в средних широтах с использованием широкополосных коротковолновых сигналов для связи и диагностики структуры ионосферы'

Результаты экспериментов в средних широтах с использованием широкополосных коротковолновых сигналов для связи и диагностики структуры ионосферы Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
102
25
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ШИРОКОПОЛОСНЫЙ СИГНАЛ / ИОНОСФЕРА / ТОНКАЯ СТРУКТУРА / ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ / ОПЕРАТИВНЫЙ ПРОГНОЗ / ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ / МНОГОЛУЧЕВАЯ СТРУКТУРА / РАЗДЕЛЕНИЕ СИГНАЛОВ / БАЗОВЫЕ ЧАСТОТЫ / ЗАМИРАНИЕ СИГНАЛОВ / ДОЛГОСРОЧНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ / BROADBAND SIGNAL / IONOSPHERE / FINE STRUCTURE / NOISE RESISTANCE / OPERATIONAL FORECAST / INFORMATION TRANSFER / MULTIPLE-BEAM STRUCTURE / SEPARATION OF SIGNALS / BASE FREQUENCIES / SIGNAL ATTENUATION / LONG-TERM PREDICTION

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Волкомирская Л. Б., Гулевич О. А., Крашенинников И. В., Кривошеев Н. В., Резников А. Е.

Обсуждаются результаты экспериментов на трассе Москва-Екатеринбург. Показана принципиальная возможность использования широкополосных (150-600 кГц) КВ сигналов для передачи информации и для исследования тонкой структуры ионосферы в различных гелиогеофизических условиях.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Волкомирская Л. Б., Гулевич О. А., Крашенинников И. В., Кривошеев Н. В., Резников А. Е.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The results of experiments in mid-latitudes using broadband shortwave signals for communication and diagnostics of the ionosphere structure

The results of experiments on the Moscow Ekaterinburg highway are discussed. The principal possibility of using broadband (150-600 kHz) HF signals for transmitting information and for studying the fine structure of the ionosphere in various heliogeophysical conditions is shown.

Текст научной работы на тему «Результаты экспериментов в средних широтах с использованием широкополосных коротковолновых сигналов для связи и диагностики структуры ионосферы»

Результаты экспериментов в средних широтах с использованием широкополосных коротковолновых сигналов для связи и диагностики

структуры ионосферы

11 12 Л.Б. Волкомирская , О.А. Гулевич , И.В.Крашенинников , Н.В.Кривошеев ,

А.Е. Резников1, В.И. Сахтеров1

1 Институт земного магнетизма ионосферы и распространения радиоволн Российской

академии наук им. Н.В. Пушкова. 2 Донской государственный технический университет

Аннотация: Обсуждаются результаты экспериментов на трассе Москва-Екатеринбург. Показана принципиальная возможность использования широкополосных (150-600 кГц) КВ сигналов для передачи информации и для исследования тонкой структуры ионосферы в различных гелиогеофизических условиях.

Ключевые слова: широкополосный сигнал, ионосфера, тонкая структура, помехоустойчивость, оперативный прогноз, передача информации, многолучевая структура, разделение сигналов, базовые частоты, замирание сигналов, долгосрочное прогнозирование.

С внедрением широкополосных систем КВ связи и радиолокации стали актуальными исследования влияния ионосферы на параметры широкополосных сигналов. При использовании обычных узкополосным систем связи многолучевый характер распространения радиоволн, часто приводит к глубоким интерференционным замираниям сигнала [1, 2]. Использование широкополосных сигналов с применением квазиоптимальной схемы приемника позволяет осуществить прием с «разделением по лучам», и использовать энергию всех волн с целью повышения помехоустойчивости системы связи [3- 4].

В 1999-2004 гг. были проведены серии экспериментов на трассе Москва-Екатеринбург протяженностью около 1500 км. Устройство и принцип работы приемной и передающей установок описано в [5].

Эксперименты проводились при различных выходных уровнях усилителя мощности (от 10 до 200 Вт), в диапазоне частот от 6 до 24 МГц и с разными антенными системами.

При интерпретации полученных экспериментальных результатов использовалась программа оперативного и долгосрочного прогноза Н№го, [612]. Пакет программ Н№го позволяет производить оперативное и долгосрочное прогнозирование радиосвязи в КВ диапазоне.

В программе Н№го используются справочные модели ионосферы СМИ-88 и 1Ш-2001, предназначенные для расчета электронной концентрации и частоты соударений электронов на высотах 60-1000 км на низких, средних и высоких широтах [12]. Входными параметрами ионосферных моделей являются индекс солнечной активности Б10.7 и количество солнечных пятен Я. Для оперативного прогнозирования используются также данные вертикального зондирования ионосферы, в частности, критическая частота слоя ^2 и его истинная высота hmF2. Использовались данные, полученные с помощью ионозонда «Парус» в ИЗМИРАН. Для заданной трассы, программа выдает прогнозируемые слои, количество модов, напряженность поля в точке приема, групповое запаздывание, наименьшую применимую частоту (НПЧ), максимальную применимую частоту (МПЧ), оптимальную рабочую частоту (ОРЧ) и углы прихода сигнала в вертикальной и азимутальной плоскостях. Для всех модов указываются минимальная и максимальная частоты для данной трассы и рассчитываются данные для 3 базовых частот. Для заданных частот расчет производится отдельно. Полученные результаты представляются в графическом и текстовом виде. Оперативный прогноз предполагает расчет параметров на 4 последующих часа.

Первые эксперименты в 1999-2000 гг. проводились на фиксированных частотах: 6,8 и 8,2 МГц. Излучение велось длительное время, прием осуществлялся приемником прямого преобразования на видеочастоту, и

после обработки аналогово-дискретным согласованным фильтром сигнал записывался в ПК платой АЦП. Для передачи использовался стандартный усилитель мощности от радиостанции «Ангара-РБ». Целью этих испытаний было экспериментальное определение максимальной ширины рабочей полосы и теоретическое и экспериментальное определение максимальной скорости передачи информации. Эксперименты проводились при ширине полосы от 20 до 600 кГц, использовались ПСП длиной от 32 до 256 элементов. В ходе экспериментов было выяснено, что оптимальная с точки зрения скорости передачи информации и надежности связи ширина рабочей полосы составляет 150 кГц. Сигнал наблюдался и при более широких полосах, но при этом происходило резкое уменьшение амплитуды принимаемого сигнала. При ширине полосы равной 300 кГц ослабление составляло -10...-15 дБ относительно уровня сигнала при полосе 20 кГц, а при полосе 600 кГц - ниже -20 дБ. Скорость передачи информации изменялась в пределах от 300 до 2400 бит/с в зависимости от длины ПСП при ширине рабочей полосы 150 кГц.

Эксперименты 2001 г. проводились в диапазоне частот от 9 до 16,5 МГц и в полосе шириной от 20 до 150 кГц. Длина ПСП, используемой для расширения спектра, была выбрана в 256 элементов. Изменение скорости передачи и, соответственно, ширины спектра передаваемого сигнала осуществлялись путем изменения длительности одного элемента ПСП [13, 14]. В экспериментах анализировался сигнал на выходе согласованного фильтра и включенного за ним накопителя с коэффициентом накопления 0,96 [13, 14].

В качестве иллюстрации на рис.1 приведены осциллограммы сигналов на выходе накопителя, полученные в сеансах связи в июне 2001 г. при скорости передачи 300 бит/с.

На рис.1 а наблюдались условия однолучевого распространения (мод 1Б2), которые можно считать практически идеальными для всех средств связи, в том числе и узкополосных [15, 16].

На следующей осциллограмме (рис. 1б) отчетливо проявляется многолучевость - главные максимумы корреляционной функции сигнала раздвоены. Сопоставление с результатами расчетов с помощью программы Н№го показывает, что наблюдаемые два пика, по всей вероятности, соответствуют обыкновенной и необыкновенной волнам, отраженным от слоя Б2.

1 -I

(а)

0.5 -

-[ МА'Ц

..........

ЧРПТ*

1 -1

го с; го

го

0.5 -

(б)

5 1 -0 го 1 ^

о: го

(в)

1 -0

(г)

5

X/т

0

6

0

6

6

0

6

Рис. 1. Сигналы с выхода накопителя. Наблюдается (а) один мод, (б) два мода, (в) три мода и (г) четыре мода

На осциллограмме, показанной на рис. 1 в, наблюдается еще более сложная многолучевая структура принимаемого сигнала. В течение каждого периода присутствуют три расположенных рядом корреляционных пика значительной амплитуды. Из результатов расчетов с помощью программы Н№го следует, что наблюдаемые пики можно сопоставить модам Ег, №2_о и №2_х.

На следующей осциллограмме (рис. 1г) приводится случай четырехмодового сигнала: здесь наблюдаются моды Ег, №1, ^2 и 2F2.

Как известно, для трасс протяженностью 1000-2000 км многолучевость является типичным явлением. В годы средней солнечной активности в течение около 80% времени условия распространения коротких радиоволн соответствуют моделям IV и V по классификации Хмельницкого [14]. Для этих моделей характерным является то, что в точке приема наблюдается одновременно два-три сопоставимых по амплитуде сигнала, соответствующих модам 2F и 1Е. Данные модели являются наиболее неблагоприятными для узкополосных систем связи вследствие глубоких интерференционных замираний. В широкополосных системах этих замираний можно избежать, осуществляя разделение сигналов, пришедших в точку приема по различным путям, с последующим суммированием их энергии.

Максимальное время запаздывания между лучами в 95% случаев составляло порядка 1 мс, что соответствует разности путей распространения в 300 км. В последующих экспериментах использовалась ПСП из 127 элементов и периодом следования 1,6 мс, что позволило гарантированно производить разделение лучей в большинстве случаев.

Эксперименты 2003-2004 гг. проводились на модернизированном аппаратном комплексе в автоматическом режиме с 15-минутными интервалами между измерениями и в непрерывном режиме на отдельных частотах. Типичный вид сигнала на выходе накопителя при однолучевом и двухлучевом распространении радиоволн приведен на рис. 2. Если характеристики радиоканала стабильны, данный подход с накоплением сигнала позволяет измерять разницу времен распространения различных модов с точностью порядка длительности одного элемента ПСП, составляющей 13 мкс и соответствующей разности хода около 4 км, что в 2.5-8 раз лучше, чем у известных импульсных и широкополосных ионозондов.

Рис. 2. Нормированная амплитуда сигнала на выходе накопителя при (а) однолучевом и (б) двухлучевом распространении радиоволн, измеренная в экспериментах 13-14 июля 2004 г. Время нормируется на длительность т одной ПСП.

Таким образом, была достигнута цель испытаний - экспериментальное определение максимальной ширины рабочей полосы и теоретическое и экспериментальное определение максимальной скорости передачи информации.

Литература

1. Альперт Я. Л. Распространение радиоволн и ионосфера. - М.: Наука, 1972. 564 с.

2. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. - М.: Мир, 1973. 479 с.

3. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. 143 с.

4. Окунев Ю.Б., Яковлев Л.А. Широкополосные системы связи с составными сигналами. - М.: Связь, 1968. 251с.

5. Волкомирская Л.Б., Гулевич О.А., Крашенинников И.В., Кривошеев Н.В., Резников А.Е., Сахтеров В.И. Устройство и принцип работы установки передачи и приема коротковолновых сигналов для связи и диагностики структуры ионосферы. // Инженерный вестник Дона, 2018, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5280.

6. Кища П.В., Крашенинников И.В., Лукашкин В.М. Моделирование многочастотного распространения КВ-сигналов в высоких широтах // Геомагнетизм и аэрономия. - 1993. - Т. 33. - № 1. - С. 158.

7. Крашенинников И.В., Егоров И.Б., Коломийцев О.П., Черкашин Ю.Н. Погрешности прогнозирования ионосферного прохождения радиоволн на основе глобальной ионосферной модели // Геомагнетизм и аэрономия. -2004. - Т. 44. - № 2. - С. 221.

8. Maslin N.M. HF Communication: A System Approach. Pitman Publishing. 1987. 240 p.

9. Forbes J.M., Palo S.E., Zhang X. Variability of the ionosphere // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. v. 62. № 8. р. 685, 2000.

10. Krasheninnikov I., Egorov I.B. IRI-2001 model efficiency in ionospheric radiowave propagation forecasting. Jour. Advances in Space Research. V.45. р.268, 2010.

11. Rishbeth H., Mendillo M. Patterns of F2-layer variability // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 63. № 15, р. 1661. 2001.

12. Глобальная эмпирическая модель распределения электронной концентрации, температуры и эффективной частоты соударений электронов в ионосфере / Часовитин Ю.К., Широчков А.В. и др. // Ионосферные исследования. - М.: МГК, 1988. - № 44. - С. 6-13.

13. Сахтеров В.И., Писарев Р.В., Лобзин В.В., Копейкин В.В., Резников А.Е., Железняков В.И., Щвец Д.П. Коротковолновая широкополосная радиостанция «Ангара-5М» // Радиотехника и электроника. - 2002. - Т. 47. -№ 9. - С. 1149-1152.

14. Сахтеров В.И., Писарев Р.В., Лобзин В.В., Копейкин В.В., Волкомирская Л.Б., Резников А.Е., Железняков В.И., Швец Д.П. Цифровая коротковолновая широкополосная радиостанция "Ангара-5М" // Сборник докладов Всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике». - Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2003. - С. 451-454.

15. Хмельницкий Е.А. Оценка реальной помехозащищенности приема сигналов в KB диапазоне. - М.: Связь, 1975. - 232 с.

16. Омельянчук Е.В., Тихомиров А.В., Кривошеев А.В. Особенности проектирования систем связи миллиметрового диапазона радиоволн // Инженерный вестник Дона, 2013, №2. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1742/.

References

1. Al'pert YA.L. Rasprostranenie radiovoln i ionosfera. [Radio wave propagation and ionosphere]. M.: Nauka, 1972. 564 p.

2. Dehvis K. Radiovolny v ionosfere. [Radio waves in the ionosphere]. M.: Mir, 1973. 479 p.

3. Varakin L.E. Sistemy svyazi s shumopodobnymi signalami. [Communication systems with noise-like signals]. M.: Radio i svyaz', 1985. 143 p.

4. Okunev YU.B., YAkovlev L.A. Shirokopolosnye sistemy svyazi s sostavnymi signalami. [Broadband communication systems with composite signals]. M.: Svyaz', 1968. 251 p.

5. Volkomirskaya L.B., Gulevich O.A., Krasheninnikov I.V., Krivosheev N.V., Reznikov A.E, Sakhterov V.I. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2018, №4. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5280.

6. Kishcha P.V., Krasheninnikov I.V., Lukashkin V.M. Geomagnetizm i aehronomiya. 1993. V. 33. №1. 158 p.

7. Krasheninnikov I.V., Egorov I.B., Kolomijcev O.P., CHerkashin YU.N. Geomagnetizm i aehronomiya. 2004g, v. 44, № 2, 221 p.

8. Maslin N.M. HF Communication: A System Approach. Pitman Publishing. 1987. 240 p.

9. Forbes J.M., Palo S.E., Zhang X. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. v. 62. №8. р. 685, 2000.

10. Krasheninnikov I., Egorov I.B. Jour. Advances in Space Research. V.45. р.268, 2010.

11. Rishbeth H., Mendillo M. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 63. № 15, р. 1661. 2001.

12. Chasovitin Yu.K., Shirochkov A.V. and others. Ionospheric studies. M.: MGK,1988. № 44. Pp. 6-13.

13. Sakhterov V.I., Pisarev R.V., Lobzin V.V., Kopeikin V.V., Reznikov A.E., Zheleznyakov V.I., Shvets D.P. Radiotechnology and electronics. 2002. V.47, № 9. pp. 1149-1152.

14. Sakhterov V.I., Pisarev R.V., Lobzin V.V., Kopeikin V.V., Volkomirskaya L.B., Reznikov A.E., Zheleznyakov V.I., Shvets D.P. Sbornik dokladov Vserossijskoj nauchnoj konferencii "Ultrawideband signals in radar, communications and acoustics." Murom: Publishing and Printing Center MI VlGU, 2003. Pp . 451-454

15. Hmel'nickij E.A. Ocenka real'noj pomekhozashchishchennosti priema signalov v KB diapazone. [Evaluation of the actual noise immunity of receiving signals in the KB range]. M.: Svyaz', 1975. 232 p.

16. Omel'yanchuk E.V., Tihomirov A.V., Krivosheev A.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1742/.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.