Способ формирования декаметрового ионосферного радиоканала высокой помехоустойчивости

Изобретение относится к области декаметровой связи с использованием ионосферного канала и может быть применено для организации радиосвязи и радиовещания с высокой помехоустойчивостью. Технический результат: уменьшение вероятности ошибки при передаче информации и увеличение пропускной способности декаметровых ионосферных каналов радиосвязи. Для его достижения создают на восходящем участке траектории, имеющей область квазипродольного распространения, электромагнитную волну с поляризацией, максимально близкой к круговой и совпадающей по направлению вращения вектора напряженности поля с обыкновенной характеристической волной. 5 ил.

 

Изобретение относится к области связи декаметрового (ДКМ) диапазона и может быть использовано для радиосвязи и радиовещания.

Декаметровая связь с использованием ионосферного канала используется продолжительное время и имеет несомненные достоинства. Главным недостатком этого вида связи является низкая помехоустойчивость, как следствие многолучевости распространения, приводящей к замираниям сигнала в пункте приема. Для односкачковых трасс основной причиной замираний поля в пункте приема является интерференция характеристических волн.

Известен способ селективного поляризационного возбуждения характеристических волн в ионосфере [1]. Теоретически показано, что характеристические волны (ХВ) имеют существенно разную поляризацию, называемую предельной и определяемую как [1]

где Р - предельная поляризация О - обыкновенной и Х - необыкновенной ХВ,

- гиромагнитная частота, e, m - заряд и масса электрона, с - скорость света. Н₀ - модуль вектора напряженности магнитного поля Земли в ионосфере, ω - циклическая рабочая частота, , ν - частота соударений между электронами и другими частицами, γ - угол между вектором магнитного поля Земли и волновым вектором. Если поляризационные свойства падающей на ионосферу волны совпадают с одним из состояний определяемых формулой (1), то происходит возбуждение только одной из характеристических волн. Таким образом, устраняется многолучевость, которая в свою очередь является причиной замираний в пункте приема.

Практическая реализация этого способа сдерживается тем обстоятельством, что к настоящему времени наименее исследованным параметром распространяющихся в ионосферном радиоканале ДКМ волн является поляризация. Это связано со сложностью решения уравнений предельной поляризации применительно к реальной ионосфере и конкретным трассам. Формирование требуемых поляризационных характеристик антенных устройств ДКМ диапазона сталкивается с необходимостью решения задачи оптимального использования свойств и геометрии подстилающей поверхности.

Способом-прототипом является «Способ возбуждения характеристических электромагнитных волн в ионосфере» [2]. В этом способе с помощью двух взаимоортогональных антенн осуществляют вертикальное зондирование ионосферы с целью определения предельной поляризации характеристической волны, с которой предполагается поляризационное согласование. После получения информации о параметрах предельной поляризации производят расчет весового коэффициента, который используют при формировании поляризационных характеристик излучаемой волны, необходимых для возбуждения одной из характеристических волн. При этом считают, что повышение помехоустойчивости происходит за счет подавления одной из волн.

Способ организации канала радиосвязи, в котором волна излучается вертикально вверх, практически не используется. В единичных случаях такой способ используется в целях радиовещания. В целях радиосвязи используется наклонное падение волны на ионосферу. Состояние магнитного поля Земли существенно влияет на состояние предельной поляризации и, следовательно, на поляризационное согласование. Известно, что состояние магнитного поля Земли процесс случайный, характеризующийся разной степенью возмущенности.

Из анализа (1) следует, что в зависимости от величины γ наклонные трассы можно условно разделить на трассы, содержащие области квазипродольного и квазипоперечного распространения на восходящем участке траектории. При этом условия согласования поляризационных характеристик для трасс, содержащих область квазипродольности на восходящем участке траектории, существенно отличаются от условий для трасс с областью квазипоперечности. Так для трасс с областью квазипродольного распространения на восходящем участке траектории для согласования с характеристическими волнами следует излучать волны круговой поляризации. Для трасс с квазипоперечной областью необходимо излучать волны эллиптической поляризации согласованные по коэффициенту поляризации и углу наклона эллипсов поляризации. Еще одним фактором согласования, для обоих случаев, является направление вращения вектора напряженности электрического поля.

Техническим эффектом предлагаемого изобретения является улучшение качества передачи информации по ионосферному радиоканалу, основанному на принципе возбуждения характеристических волн в условиях средневозмущенного магнитного поля Земли для трасс наклонного распространения.

Это достигается тем, что в предлагаемом способе формирования декаметрового ионосферного радиоканала высокой помехоустойчивости, заключающемся в использовании на восходящем участке наклонной траектории, имеющей область квазипродольного распространения волн вращающейся поляризации, поляризацию падающей на ионосферу волны выбирают максимально близкой к круговой и согласованной по направлению вращения вектора напряженности электрического поля с обыкновенной характеристической волной.

Для реализации предлагаемого способа автором был использован аппаратурный комплекс, содержащий (фиг.1):

- устройство генерации поля вращающейся поляризации, включающее в себя передающее устройство 1, коммутатор линий задержек 2 и турникетную антенну из двух взаимоортогональных вибраторов 3 и 4;

- регистрирующее устройство, включающее в себя четыре антенных устройства различной поляризации 5, радиоприемное устройство 6, синхронный коммутатор 7 и устройство записи 8.

Формирование поляризационных характеристик излучаемого поля достигают путем изменения длины линии задержки в коммутаторе 2. Направление вращения вектора электрического поля определяется выбором вибратора 3 (или 4), к которому подключается линия задержки. Приемные антенные устройства 5 выделяют горизонтальную, вертикальную, правостороннюю и левостороннюю составляющие поля. Синхронный коммутатор 7 позволяет использовать для оценки различных составляющих поля одно радиоприемное устройство 6, что повышает точность измерения.

Проведенные автором исследования на односкачковой пробной трассе Магадан - Петропавловск-Камчатский с использованием аппаратурного комплекса показали, что способ, описанный в [2], может быть реализован на наклонной трассе только в условиях спокойного магнитного поля Земли, что не характерно для его состояния. В условиях средневозмущенного магнитного поля Земли подавление одной из волн на восходящем участке траектории практически не наблюдается в пункте приема (фиг.2). На фиг.2 показано отношение средних значений сигнала от антенны правосторонней поляризации к сигналу от антенны левосторонней поляризации. Стрелками показан вид поляризации передающей антенны. Символами обозначена длина линии задержки в передающей антенне, λ - длина волны. По оси абсцисс показано камчатское время.

Из фиг.2 видно, что величина подавления одной из характеристических волн, наряду с согласованием поляризационных характеристик, зависит от величины и знака Dst - амплитуды возмущений магнитного поля Земли. Чем больше отрицательная величина Dst, тем меньше степень подавления. Основной причиной подобного «маскирования» селективного поляризационного возбуждения одной из характеристических волн является увеличение мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ионосферы, как следствие возмущенного состояния магнитного поля Земли.

Измерения, проведенные автором, показали, что замирания результирующего поля в пункте приема в значительной степени определяются поляризационными характеристиками интерферирующих волн. В случае интерференции двух волн линейной поляризации при равенстве амплитуд и разности фаз 180° результирующее поле обращается в ноль. В случае интерференции двух волн эллиптической поляризации результирующее поле зависит не только от соотношения амплитуд и фаз, но еще и от поляризационных характеристик интерферирующих полей.

Для случая, когда направление вращения векторов противоположно (случай интерференции обыкновенной и необыкновенной волн), исходные поля можно представить, как

где

E_m11 - величина большой полуоси эллипса поляризации первого поля;

Е_m12 - величина малой полуоси эллипса поляризации первого поля;

E_m21 - величина большой полуоси эллипса поляризации второго поля;

E_m22 - величина малой полуоси эллипса поляризации второго поля;

ψ1 - угол поворота оси эллипса, отсчитываемый от оси x первого поля;

ψ2 - угол поворота оси эллипса, отсчитываемый от оси x второго поля;

kz1 - набег фазы на расстоянии z1 от первого источника;

kz2 - набег фазы на расстоянии z2 от второго источника.

Соответственно сумму составляющих по осям и в целом результирующее поле можно записать в виде:

Оценку зависимости результирующего поля от поляризационных характеристик исходных волн целесообразно проводить по изменению его динамического диапазона, то есть отношения максимального значения поля к минимальному, а не его абсолютного значения.

Примем величину большой оси поляризационного эллипса одной из интерферирующих волн за 1. Тогда величина малой оси этого эллипса будет равна коэффициенту поляризации этой волны Е_m12=р₁. Величина большой оси эллипса поляризации второй волны будет пропорциональна отношению средних значений интерферирующих волн противоположной поляризации. В условиях спокойной ионосферы на пробной трассе получено отношение ≈1/2, тогда Е_m21=0,5Е_m11=0,5. Соответственно величина малой оси эллипса второй волны будет равна Е_m22=0,5p₂, где p₂ - коэффициент поляризации второй волны.

Взаимное положение осей эллипсов поляризации обыкновенной и необыкновенной волн перпендикулярно. Следовательно, можно принять Ψ₁=0, а Ψ₂=90°. В связи с тем что минимальное значение результирующего поля соответствует разности фаз интерферирующих волн 180°, примем kz₁=0, a kz₂=180°.

Подставляя в 2-6 значения Ψ₁, Ψ₂, kz₁, kz₂, р₁, р₂ и меняя значение ωt=0÷360°, получим расчетные отношения максимального значения поля к минимальному.

Обработка экспериментальных данных сводилась к вычислению отношений максимального значения сигнала к его минимальному за время излучения волны с определенной линией задержки.

Экспериментальные и расчетные отношения U_макс/U_мин показаны в виде графика, фиг.3. Сплошной линией показаны расчетные значения отношения максимального значения поля к минимальному. Пунктирной линией экспериментальные отношения максимального значения сигнала к минимальному для сигнала с антенны левосторонней поляризации, штрихпунктирной для сигнала с антенны правосторонней поляризации. Из фиг.3 видно, что расчетные данные с достаточной точностью совпадают с результатами, полученными в ходе экспериментальных исследований. По оси абсцисс отложено время в цикле измерения.

Следовательно, замирания результирующего поля в пункте приема наряду с селективным поляризационным возбуждением на восходящем участке траектории в значительной степени определяются поляризационными характеристиками интерферирующих волн. Максимальный эффект достигается, когда волны поляризованы по кругу.

Проведенные автором исследования с использованием аппаратурного комплекса показали, что в условиях средневозмущенного магнитного поля Земли для трасс с квазипродольным распространением на восходящем участке траектории минимальные замирания и, следовательно, максимальная помехоустойчивость соответствуют максимальному значению коэффициента поляризации излучаемой волны. При этом меньшие замирания наблюдаются при совпадении направления вращения вектора электрического поля излучаемой волны с обыкновенной (левосторонней, для пробной трассы) волной, фиг.4. На фиг.4 показана нормированная глубина замираний для сигнала с приемных антенн вертикальной (сплошная линия), правосторонней (штрих), левосторонней (длинный штрих) поляризаций. Обозначение поляризации и длины линии задержек передающей антенны такое же, как на предыдущих графиках. По оси абсцисс показано камчатское время.

Таким образом, для названных трасс главным условием получения максимальной помехоустойчивости ионосферной линии связи является излучение волны с поляризацией, максимально близкой к круговой и совпадающей по направлению вращения вектора электрического поля с обыкновенной волной.

Исходя из данных, полученных в ходе экспериментальных исследований, была произведена оценка вероятности ошибки по известной формуле

где q² - отношение мощностей регулярной и флуктуирующей составляющих, h² - отношение энергии элемента принимаемого сигнала к спектральной плотности мощности шума. Результаты расчета вероятности ошибки показаны на фиг.5. Из рисунка видно, что вероятность ошибки при излучении волн вращающейся поляризации, по сравнению с применяющейся в настоящее время линейной поляризацией, уменьшается от нескольких раз при малом значении h² (h² - отношение энергии элемента принимаемого сигнала к спектральной плотности мощности шума) до нескольких сотен раз при увеличении h².

Предлагаемый способ прошел апробацию в системе действующей связи Тихоокеанского Флота и показал хорошие результаты на односкачковых трассах. Использовался для организации радиосвязи на трассах протяженностью до 6,5 тысяч километров. Может использоваться при создании декаметровых линий радиосвязи, зоновой радиосвязи и сетей радиовещания, обладающих высокой помехоустойчивостью.

Источники информации

1. К.Дэвис. Радиоволны в ионосфере. М., Мир, 1973, 504 с.

2. Способ возбуждения характеристических электромагнитных волн в ионосфере. RU 2002276 С1, 30.10.1993 (прототип).

Способ формирования декаметрового ионосферного радиоканала высокой помехоустойчивости, заключающийся в использовании на восходящем участке наклонной траектории, имеющей область квазипродольного распространения, волн вращающейся поляризации, отличающийся тем, что поляризацию падающей на ионосферу волны выбирают максимально близко к круговой и согласованной по направлению вращения вектора напряженности поля с обыкновенной характеристической волной.