Влияние диффузности ионосферы на оптимальную рабочую частоту декаметровой радиолинии Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.396: 621.371.3

ВЛИЯНИЕ ДИФФУЗНОСТИ ИОНОСФЕРЫ НА ОПТИМАЛЬНУЮ РАБОЧУЮ ЧАСТОТУ ДЕКАМЕТРОВОЙ РАДИОЛИНИИ

© 2016 В.П. Пашинцев, А.Ф. Чипига, В.А. Шевченко, Д.П. Киселев

Северо-Кавказский федеральный университет, г. Ставрополь

Статья поступила в редакцию 30.10.2016

Получены оценки влияния уровня диффузности ионосферы на изменение оптимальной рабочей частоты декаметровой радиолинии относительно ее максимально и наименьшей применимой частоты.

Ключевые слова: ионосфера, электронная концентрация, диффузность, интенсивность неоднородно-стей, декаметровая радиолиния, частота

Известно [1-4], что для организации декаметровой (ДКМ) радиосвязи при нормальном состоянии среднеширотной ионосферы рекомендуется работать на оптимальной рабочей частоте (ОРЧ), близкой к максимально применимой (МПЧ). В условиях диффузности ионосферы рабочую частоту ДКМ радиолинии следует выбирать ниже традиционных значений (обычно ОРЧ составляет (0,9-0,8) от МПЧ) и ближе к наименьшей применимой частоте (НПЧ) [2]. Однако конкретные рекомендации по выбору ОРЧ в диапазоне между МПЧ и НПЧ при увеличении уровня диффузности ионосферы до сих пор не разработаны.

Цель работы: анализ влияния роста уровня диффузности ионосферы на изменение оптимальной рабочей частоты относительно максимально и наименьшей применимой частот одно-скачковой ДКМ радиолинии.

Оценка уровня диффузности ионосферы. Диффузность ионосферы определяется как расплывчатость максимума ионизации, которая обуславливает рассеянное отражение ДКМ волны и, как следствие, - появление многолучевости и интерференционных замираний принимаемых сигналов [3]. В Толковом словаре по радиофизике она определяется как явление, связанное с интенсивным образованием неоднородностей электронной концентрации (ЭК) различных масштабов в области F ионосферы, приводящее к

Пашинцев Владимир Петрович, доктор технических наук, профессор кафедры информационной безопасности автоматизированных систем. E-Mail: pashintsevp@mail. ru

Чипига Александр Федорович, кандидат технических наук, профессор, директор института информационных технологий и телекоммуникаций. E-mail: iitt.ncfu@gmail.com

Шевченко Вячеслав Анатольевич, доцент кафедры информационной безопасности автоматизированных систем

Киселев Данил Павлович, аспирант. E-Mail: dkiselev@ncfu. ru

рассеянию радиоволн и изменению формы зондирующих радиосигналов. Согласно [4] диффузность ионосферы обусловлена тем, что на плавное изменение по высоте (И) средней ЭК N (И) накладываются пространственные неоднородности ЭК Ш(И, р), где р = (х, у). Поэтому диффузность в слое F ионосферы наблюдается на высот-но-частотной характеристике (ВЧХ) станции вертикального зондирования ионосферы (СВЗИ) в виде ее расплывчатости (утолщения) линии ВЧХ, которая возрастает по мере приближения частоты вертикального отражения (/) волны к критической (/ ). Уровень диффузности принято оценивать в баллах по 4-бальной шкале или по трем градациям уширения ВЧХ вблизи / .

В [5] обосновано, что уровень диффузности ионосферы целесообразно оценивать не в баллах, а по величине интенсивности (в) мелкомасштабных неоднородностей (ММН) ЭК ионосферы. Известна [6] методика определения в одно-скачковой ДКМ радиолинии оптимальной рабочей частоты (ОРЧ) по критерию максимального превышения сигнала над помехой в точке приема, при которой обеспечивается наибольшая надежность (вероятность) связи с достоверностью не хуже допустимой. Она разработана на основе учета зависимости глубины быстрых замираний в ДКМ радиолинии от выбора рабочей частоты (РЧ). При этом установлена зависимость параметра распределения глубины быстрых замираний (т -параметра Накагами) от интенсивности ММН ионосферы (в). Однако в [6] не учитывалась возможность роста интенсивности ММН ионосферы (в) на порядок и, следовательно, существенного изменения ОРЧ относительно МПЧ и НПЧ в односкачковой ДКМ радиолинии в условиях диффузности ионосферы.

Интенсивности ММН ионосферы обычно [4-6] определяется как отношение

в = аМ1 (К)! N (И) величины среднеквадратиче-ского отклонения (СКО) флуктуаций ЭК ^(И, р)

в ММН ионосферы аш (И)-

AN (И, р)

среднему значению ЭК n (и) на некоторой высоте И . При этом на любой высоте ионосферы, включая высоту максимума ионизации И = Ит, интенсивность ММН остается неизменной: в=аш т/Ш)=(Ит )1то

Способ определения интенсивности ММН ЭК в = а^ (Ит)/N(Ит) по результатам построения ВЧХ СВЗИ обоснован и реализован в патенте РФ

[7]

Очевидно, что для достижения поставленной в статье цели необходимо установить зависимость изменения ОРЧ в односкачковой ДКМ радиолинии по мере возрастания интенсивности ММН ЭК ионосферы от обычных значений в = 10-3 в нормальной среднеширотной ионосфере до в = 10-2 в условиях ее возмущений типа диффузности [8].

Зависимость оптимальной рабочей частоты от диффузности ионосферы. Известно [3], что условием осуществления ДКМ связи с достоверностью и надежностью не хуже допустимых значений является превышение Р / Рп > Кн2

отношения мощности сигнала к мощности помех на входе приемника (ПРМ) над минимально необходимым значением. Это условие можно записать в виде е\ / ЕП > Т превышения отношения единичной напряженности поля сигнала к удельной напряженности поля помех в точке приема над техническим фактором (Т). Поскольку указанные напряженности (в отличие от технического фактора Т) зависят от выбора РЧ (/0), это условие можно записать в децибелах как

ЕЧ/о)/е!(/0 ) - т > о, (1)

где Т = ККбзК,^В/0,25рСу/,/Л . (2)

Здесь к - наименьший необходимый коэффициент защиты, определяемый видом работы; кз - коэффициент защиты от быстрых (интерференционных) замираний; Кмз - коэффициент защиты от медленных замираний; В -полоса пропускания приемника; Р1 - мощность

передаваемого сигнала; 01 и Г)1 - коэффициент

усиления и КПД фидера передающей антенны;

/2 - коэффициент направленного действия

приемной антенны. Отметим, что значение РЧ, при котором выполняется равенство

Е1(/0) / Е1(/0) -Т = 0 согласно [2] соответствует

НПЧ: /0 = /н .

Чтобы определить ОРЧ, следует учесть, что в ДКМ радиолинии коэффициент защиты от быстрых замираний (БЗ) Кбз должен зависеть от

выбора РЧ (/0), поскольку известно [1, 2], что при

выборе РЧ вблизи МПЧ возрастает рассеяние и глубина замираний принимаемого сигнала. Это согласно (2) обуславливает наличие частотной зависимости у технического фактора: Кбз (/0) и т(/0). Поэтому ОРЧ можно определить

по критерию максимального превышения отношения сигнал/помеха Е1С (/) / ЕП (/0) в точке приема над техническим фактором Т(/0) в результате решения уравнения

Е\(/о)/К(/0)-Т(/о) = тах , (3) где Т(/0) = КнКбз (/о)КизУ1 В / 0,25ра/2 .

(4)

Известно [1, 3, 4, 6, 8], что обычно наблюдаемые в односкачковой ДКМ радиолинии рай-совские или рэлеевские распределения быстрых замираний удовлетворительно аппроксимируются т -распределением Накагами в интервале 1 < т < да. В этом случае коэффициент защиты от быстрых замираний Кбз можно определить как [1]

Кбз = 2т

(2Р )-1/т -1

\ ош доп /

/[-21п (2Рошдоп)] , (5)

где Рош доп - допустимое значение вероятности ошибочного приема сигналов. Анализ (5) показывает, что по мере увеличения глубины замираний (т.е. приближения т к значению 1, соответствующему релеевским замираниям) коэффициент защиты от них возрастает.

В свою очередь, параметр Накагами т в односкачковой ДКМ радиолинии полностью определяется дисперсией флуктуаций фазового фронта отраженной волны а2 на выходе неоднородной ионосферы, величина которой зависит от используемой РЧ (/0) и уровня диффузности ионосферы (в) согласно выражениям [6]:

т = [1 - ехр(-2а2;)]-1,

(6)

где а 2 =

2т„Ь3 [п/0 (Ид )р/с 8ео2 2о ]2. (7)

Здесь г0 - наибольший размер ионосферных не-однородностей (м); Ьэ - эквивалентный однородный путь ДКМ волны в слое F ионосферы (м);

/0 (Ид ) - рабочая частота ДКМ волны с действу- (7, 8) дисперсия флуктуаций фазового фронта 7р

отраженной ДКМ волны на выходе неоднородной ионосферы прямо пропорционально зависит

ющей высотой Ид отражения от ионосферы (Гц); с - скорость света в вакууме (м/с); (р0 - угол падения волны на нижнюю границу отражающего слоя ионосферы; в - интенсивность ММН ЭК ионосферы.

На практике выбор РЧ (/0) в ДКМ радиолинии осуществляется на основе измерения действующей высоты отражения (Ид) вертикально направленной волны с частотой /в:

/о(Лл ) = /в (Кд )secÇ ,

(8)

где секанс угла падения волны на нижнюю границу отражающего слоя вычисляется по заданной дальности связи (Г) с учетом кривизны Земли (Я к 6370 км) как

secç « {1 + гV4[h(/В) + (г /8R)]2}

2->0,5

(9)

К (/)в = К

z f

mJ в

2 /к

ln

кр y

(1 + /в / /кр ) (1 - /в / /кр )

(10)

L = [К (/в)-h0+

^ / Л2

J к

/в У Кд (/в )-h0

х <! sec2 ç0 - 0,5

( / \2 J кр

/в

Кд (/в )-h0 (11)

от значения

РЧ ( m ) = /в (h )secç )

и интен-

0 д вд 0

сивности ММН ЭК ионосферы ( ß) и ее можно рассчитать по двум формулам:

;( /0, ß) = 2г0 L3

= 2г0 Ьэ

'*/о (Кд)ß с sec2 ç0

2

(12)

п/в (Кд )ß

с sec ç0

Зависимость Ид (/в) действующей высоты

отражения от частоты вертикальной волны обычно определяется по ВЧХ СВЗИ, а при параболической модели распределения ЭК в отражающем слое ионосферы ее можно рассчитать по формуле

где sec Ç0 и Ьэ определяются согласно выражениям (9-11). Второе равенство (12) наглядно отражает физическую причину возрастания oÇ ~ /в (Кд ) ß по мере увеличения уровня диффузности ионосферы ß = ош (h)/N (h) и частоты вертикально направленной волны /в с действующей высотой отражения Кд . Поскольку последняя близка к истинной высоте отражения

волны

,, то частота отражения вертикаль-

но направленной волны описывается выражени-

где И0 - нижняя граница слоя; 1т = Ит - И0 -высота максимума ионизации Ит относительно нижней границы И0 слоя; /кр = |80,8N(Ит)^ -

критическая частота ионосферы.

Следует отметить, что используемый для вычисления 7р в (7) эквивалентный однородный

путь ДКМ волны Ьэ в слое F также зависит от

частоты вертикально направленной волны /в,

отражающейся на высоте И , как

ем /в = 80,8N(Иот) . Поэтому произведение

/вв в (12) пропорционально величине СКО флуктуаций ЭК в ММН ионосферы 7т (И) = N(И)в, которое возрастает по мере приближения И к высоте максимума ионизации Ит, где наблюдаются наибольшие средние зна-

Методика определения ОРЧ односкач-ковой ДКМ радиолинии. Согласно выражениям

чения ЭК N(hm) > N(h) и их флуктуации

^AN (hm ) = Whjß > (h) = N(h)ß .

При повышении уровня диффузности ионосферы ß произведение

fBß ~ foß ~ N (h)ß будет еще больше, что

приведет к дальнейшему росту о2.

Согласно выражениям (6, 7) параметр Накагами, характеризующий глубину замираний в односкачковой ДКМ радиолинии, через величину ст2(f0,ß) зависит от выбора РЧ (/0) и уровня диффузности ионосферы (ß):

m(f0, ß) = {1 - exp [-2о2(/0, ß) ]}-1 .(13)

Анализ выражений (12, 13) позволяет объяснить тот известный [1-4] факт, что при выборе в ДКМ радиолинии РЧ вблизи МПЧ

/0 * /м = 0,9 /кр 8ео2о = 0,9 [80,8 N (Ит) ]0,%ес?>о произведение /0 (Ид ) в ~ а^^ возрастает и обуславливает рост а^2 и уменьшение параметра

т (/0, в) ~ 1 а;; (/о, в) , т.е. увеличение глубины замираний принимаемых сигналов.

В свою очередь, параметр т(/0, в) согласно (5) определяет коэффициент защиты от быстрых замираний

^бз (/с , ß) =

2m ( /0, ß)( 2Рош доп )

-1/m( /o,ß)

-1

["2ln (2Рош доп )]

(14)

В соответствии с (14) выражение (4) для технического фактора односкачковой ДКМ радиолинии можно представить в следующем виде

т(fo,ß) = khk63 (fo.ß)k^ylb/0.25//;,/Л =

= Кбз ( fo ,ß) ТМз.

(15)

где Тнмз = КнКм^B /0.25//;;,/А - составляющая технического фактора Т(f0, ß), не зависящая от выбора РЧ и диффузности ионосферы.

На основе (15) можно при заданном уровне диффузности ионосферы ( ß) определить ОРЧ

как частоту ( f0 = fop4 ), на которой обеспечивается максимальное превышение отношения сиг-над/помеха E] ( f0 ) / Е1 ( f0 ) в точке приема над техническим фактором (15) Т ( f0, ß) в результате решения уравнения (3):

ЕС (fo )/El(f0 ) - T (fo, ß) = max. (16)

Приведем пример определения ОРЧ одно-скачковой ДКМ радиолинии на основе расчета зависимости T(f0) технического фактора от выбора РЧ согласно (15) при фиксированном уровне диффузности ионосферы в = const. Для

определения согласно (12) величины crp(f0,в) необходимо предварительно рассчитать hg (fB) и secp0 по формулам (10), (9). Приведенные ниже примеры расчета hg (fB) и sec р0 произведены при следующих исходных данных: ho = 2,5 -105 м, ZM = 105 м, fKp = 4 МГц, fB/fKp = 0,1...0,9, r = 2000 км, R » 6370 км.

Далее по формулам (11) и (8) проведены расчеты эквивалентного однородного пути ДКМ волны в слое F ионосферы Ьэ и рабочей частоты ДКМ волны f0 (h ) с действующей высотой hg отражения от ионосферы. На этой базе при заданных значениях r0 = 5 • 102 м, c = 3 • 108 м/с и типовой интенсивности неоднородностей среднеширот-ной ионосферы в = 5 -10-3 произведен расчет

согласно (12) величины <j((f0, в) . Далее в соответствии с выражениями (13, 14) производится расчет параметра m(f0,в) ~ 1/&((f0,в) и коэффициента кбз (f0,в) при Р0ШД0П = 3 -10-3. Расчет T(f0) по формуле (15) проведен при значениях Кн «10 дБ, Kмз « 11 дБ, B = 0,3 кГц, P = 1 кВт, G = 3 , D2 = 2. Полученная частотная зависимость t (f0, в) при в = 5 -10-3 представлена на рис. 1 штрихпунктирной линией.

El/El.Т.дБ

—ЕХ>'ЕХ>-Т ~--ЕХ>'ЕХ> J—т 1 , . i 1 : , 1 1 1 1 1 1 1 1 j 1 j 1 1 < 1 1 1 1 1 1 1 1 j 1 1 1 1

............. 1__—-—-— 1

, : ] , , , ■ J j j j j 1 j j JJLJJÏL J 1 J LI 1 J j j 1 L J . 1 .

» »„ s f„ МГц

Рис. 1. Результаты вычисления оптимальной рабочей, максимально и наименьшей применимой частот в односкачковой декаметровой радиолинии при интенсивности неоднородностей ионосферы в = 5 • 10-3.

Здесь же пунктирной линией представлена Ес'(/0)/ ЕП(/о) - Т(/о) для диапазона рабочих типовая [3, 6] частотная зависимость ЕС( /0)/ ЕП (/о) и пунктирной линией - разность

частот от /0 =1 МГц до МПЧ ( /м ). Эти зависимо-

сти при традиционно определяемой

МПЧ

(/ = 0,9/кр sec p0 к 8,6 МГц) позволяют по точке

пересечения графиков E\(/0)/Е1(/0) и Т(/0) найти значение НПЧ (/ к 1,9 МГц) и по точке достижения максимума функции (16) их разности ЕС(/0)/ Еа(/0) - T(/0, в) = max определить значение ОРЧ (/орч к 5,9 МГц).

Полученные результаты позволяют разработать методику определения ОРЧ односкачко-вой ДКМ радиолинии по критерию обеспечения максимального превышения отношения сигнал/помеха, которая сводится к следующим этапам:

1. Расчет дисперсии флуктуаций фазового фронта ap(/0, в) отраженной ДКМ волны на выходе неоднородной ионосферы в зависимости от значений РЧ (/0) и интенсивности ММН ЭК ионосферы (в) в соответствии с выражениями (7-12).

2. Расчет параметра Накагами т(/0, в)~1/°p(/0, в), характеризующего глубину замираний в односкачковой ДКМ радиолинии, согласно выражению (13).

3. Расчет коэффициента защиты от быстрых замираний в односкачковой ДКМ радиолинии согласно функциональной зависимости (14)

кбз (/0, в) = /0, в)].

4. Расчет технического фактора односкачко-вой ДКМ радиолинии согласно произведению

(15) t (/0, в) = Кбз (/, в) • Тмз.

5. Определение частотной зависимости отношения Ее1 (/0) / ЕП (/0) единичной напряженности поля сигнала Ec (/0) к удельной напряженности поля помех ЕП (/0) в точке приема.

6. Определение рабочей частоты (/0 = /орч ), на которой обеспечивается максимальное превышение отношения сигнал/помеха Е^/0)/ Е1(/0) над техническим фактором Т(/0, в) при заданном уровне диффузности ионосферы (в), на основе решения уравнения (16) Е1( /0)/Е1( /0) - Т (/0, в) = max.

Анализ влияния диффузности ионосферы на ОРЧ односкачковой ДКМ радиолинии. Покажем, что выбор ОРЧ в односкачковой ДКМ радиолинии существенно зависит от интенсивности ММН ЭК ионосферы, которая в средних широтах может изменяться в широких пределах [8]: от в = 10-3 до 10-2. Результаты вычисления разности Ес/Еп (/0) - Т(/0) по приведенной выше методике определения ОРЧ для граничных значений интенсивности ММН ЭК в = 10-3 и

10-2 (а также в = 5 •Ю-3) представлены на рис. 2.

Рис. 2. Результаты вычисления оптимальной рабочей частоты ДКМ радиолинии при трех значениях интенсивности неоднородностей ионосферы: в = 10-3; 5 -10-3; 10-2

Из рис. 2 видно, что при увеличении интенсивности ММН ЭК ионосферы (в = 10-3...10-2) значения НПЧ и МПЧ не изменяются (/м х8,6 МГц, /н х 1,9 МГц), тогда как оптимальная рабочая частота (при которой достигается наилучшая надежность ДКМ радиосвязи) понижается (/орч1 х 8,2 МГц; /орч 2 х 5,9 МГц; /орч 3 х 4,9МГц).

Аналогично рис. 2 по разработанной методике можно построить более детальные графики зависимостей ОРЧ от интенсивности ММН ЭК ионосферы. На их основе можно построить

графики изменения отношений МПЧ / ОРЧ и ОРЧ / НПЧ при возрастании интенсивности ММН ЭК (в = 10-3 ...10-2) ионосферы (рис. 3).

Анализ рис. 3 показывает, что по мере увеличения уровня диффузности (интенсивности ММН ЭК) ионосферы от в = 10-3 до 10-2 величина ОРЧ в односкачковой ДКМ радиолинии снижается по отношению к МПЧ с традиционных значений / х 09 / до / х 0 57 / и повышается

^ орч ' ^ м ^ ^ орч ' ^ м

по отношению к НПЧ с обычных значений

/орч х /н/0,2 до /орч х /н/0,4 .

[М

03

Р. к 10

Рис. 3. Изменение соотношений между оптимальной рабочей и максимально применимой частотой, а также оптимальной рабочей и наименьшей применимой частотой в ДКМ радиолинии при возрастании интенсивности неоднородностей ионосферы

Выводы:

1. Разработана 6-этапная методика определения оптимальной рабочей частоты (/0 = /орч) од-

носкачковой ДКМ радиолинии по критерию обеспечения максимального превышения отношения сигнал/помеха Е1с(/0)/ Е^(/0) на входе приемника над техническим фактором Т(/0,в) при заданном уровне диффузности ионосферы (в).

2. В результате анализа влияния роста диф-фузности ионосферы было установлено, что по мере увеличения интенсивности мелкомасштабных неоднородностей ионосферы на порядок (от в = 10-3 до 10-2 ) величина оптимальной рабочей частоты в односкачковой ДКМ радиолинии снижается по отношению к максимально применимой частоте почти в 2 раза и во столько же раз повышается по отношению к наименьшей применимой частоте (рис. 3).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Комарович, В.Ф. Случайные помехи и надежность КВ связи / В.Ф. Комарович, В.Н. Сосунов. - М.: Связь, 1977. 136 с.

Слюсарев, П.В. Электромагнитная доступность радиоизлучений и антенные устройства. - Л.: ВАС, 1978. 108 с.

Мешалкин, В.А. Поля и волны в задачах разведза-щищенности и радиоэлектронной защиты систем связи / В.А. Мешалкин, Б.В. Сосунов, В.В. Филиппов. - СПб.: ВАС, 1993. 332 с.

Черенкова, Л.Е. Распространение радиоволн / Л.Е. Черенкова, О.В. Чернышов. - М.: Радио и связь, 1984. 272 с.

Пашинцев, В.П. Метод определения величины интенсивности неоднородностей по данным ионосферного зондирования / В.П. Пашинцев, А.В. Омельчук, С.А. Коваль, Ю.И. Галушко // Двойные технологии. 2009. №1 (46). С. 38-41. Пашинцев, В.П. Определение оптимальной рабочей и наименьшей применимой частоты дека-метровой радиолинии с учетом глубины быстрых замираний / В.П. Пашинцев, С.А. Тишкин, А.И. Иванников, М.Э. Солчатов // Электросвязь. 2001. №12. С. 16-19.

Пашинцев, В.П. Способ определения величины интенсивности неоднородностей ионосферы по данным вертикального зондирования / В.П. Па-шинцев, Ю.И. Галушко, С.А. Коваль и др. // Патент РФ №2403592 от 10.11.2010. Бюл. № 31. Альперт, Я.Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера. - М.: Наука, 1972. 563 с.

INFLUENCE OF IONOSPHERE DIFFUSION ON OPTIMUM WORKING FREQUENCY OF THE DECAMETER RADIO-FREQUENCY LINE

© 2016 V.P. Pashintsev, A.F. Chipiga, V.A. Shevchenko, D.P. Kiselyov

North Caucasus Federal University, Stavropol

Impact assessments of diffusion level of ionosphere on change of optimum working frequency of decameter radio-frequency line concerning it as maximum and lowest aplicable frequency are received.

Key words: ionosphere, electronic concentration, diffusion, intensity of non-uniformity, decameter radio-frequency line, frequency

Vladimir Pashintsev, Doctor of Technical Sciences, Professor at the Automated Information Security Systems Department. E-Mail: pashintsevp@mail.ru; Alexander Chipiga, Candidate of Technical Sciences, Professor, Director of the Institute of Information Technologies and Telecommunications. E-mail: iitt.ncfu@gmail.com; Vyacheslav Shevchenko, Associate Professor at the Automated Information Security Systems Department; Danil Kiselyov, Post-graduate Student. E-Mail: dkiselev@ncfu. ru