Селективное возбуждение характеристических волн в ионосфере Земли для улучшения свойств каналов связи

Коротковолновые линии связи, создаваемые за счет отражения радиоволн от ионосферы, позволяют передавать информацию на расстояния до нескольких тысяч километров. Отличительной особенностью этих линий связи является то, что радиоволна, излученная передающей антенной, достигает приемного пункта после однократного или многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли. Протяженность односкачкового ионосферного канала связи (ИКС) может достигать 3000 км, двухскачкового — 6000 км [1,2].

На помехоустойчивость передачи информации по ИКС оказывают влияние несколько физических факторов: число волн (лучей), приходящих в точку приема, степень рассеяния волн на неоднородностях электронной концентрации в ионосфере (/З2), отношение сигнал/шум.

Однолучевый канал связи, по сравнению с многолучевым, обладает максимальной пропускной способностью и помехоустойчивостью передачи информации. Однако ионосфера — анизотропная среда и поэтому даже на од-носкачковой трассе радиоволна из точки излучения в точку приема приходит по двум траекториям. Эти две волны имеют разные частоты вследствие разных фазовых путей в ионосфере и их интерференция снижает качество передаваемой по ИКС информации.

Повысить помехоустойчивость принимаемой информации можно:

1. Обрабатывая поляризованное двухлучевое поле в точке приема пространственно-поляризационным фильтром.

2. Применяя методы спектральной обработки.

3. Используя на радиолинии селективный метод возбуждения электромагнитных волн в анизотропной ионосфере, при котором обеспечивается од-нолучевое распространение волны между пунктами передачи и приема информации [3].

Предпосылками для создания метода селективного возбуждения характеристических волн (СВХВ) в ионосфере послужили теоретические и экспериментальные работы, показавшие, что интенсивность возбуждаемых лучей зависит от поляризации излучаемого в передающем пункте поля [4,5]. Было показано, что потери энергии при возбуждении определенных лучей линейно поляризованным полем могут составлять несколько единиц дБ, в зависимости от типа трасс [4]. В работах [6,7] отмечалась возможность значительно ослабить обыкновенную или необыкновенную компоненты поля за счет применения круговой поляризации излучаемого поля на вертикальных или коротких наклонных радиотрассах.

Суть метода СВХВ заключается в излучении волны с такой поляризацией, при которой в ионосфере возбудится только одна волна. Для определения искомой поляризации предусмотрена специальная процедура — поляризационная диагностика ионосферного канала связи. Результаты первых работ, посвященных экспериментальным исследованиям возможности применения этого метода были опубликованы в 1992, 1993 г. г. [8,9].

В работе [8] сообщалось о пробных экспериментах по исследованию возможности реализации метода селективного возбуждения характеристических волн в слое Р2 ионосферы. Результаты эксперимента свидетельствовали об относительно устойчивом (на временах порядка 10 минут) возбуждении одной характеристической волны (ХВ), причем отмечалось, что при использовании метода СВХВ отношение мощностей неподавленной и подавленной волн может достигать 10. При таком уменьшении мощности одной из ХВ в отраженном от ионосферы двухлучевом сигнале можно ожидать снижения вероятности ошибки при приеме информации приблизительно на порядок.

В 1993 г. была опубликована работа [9], посвященная прямому экспериментальному исследованию помехоустойчивости приема дискретной информации, передаваемой по ионосферному каналу связи при использовании метода СВХВ в ионосфере. Было показано, что помехоустойчивость (качество) передачи дискретной информации по изначально двухлучевому ионосферному каналу возрастает на 10−15 дБ.

Для практических применений метода СВХВ важно решить задачу исследования пространственных размеров зон на поверхности Земли, внутри которых сохраняется существенное преобладание мощности одной из ХВ над другой. В работах [10,11] было показано, что при протяженности ионосферной радиотрассы до 3000 км площадь зоны оценивается величиной порядка 500 тыс. кв. км. При вертикальном падении зондирующей волны на ионосферу значение площади этой зоны оценивается величиной порядка 100 тыс. кв. км.

Представленные в работах [3,8−11] экспериментальные и теоретические результаты исследований свидетельствуют о том, что методы поляризационной диагностики ионосферы Земли и селективного возбуждения электромагнитных волн в анизотропном ионосферном канале связи открывают новые возможности для улучшения работы линии дальней радиосвязи на декамет-ровых волнах, отраженных от ионосферы. При проведении этих исследований были использованы методы математического моделирования физических задач, связанных с распространением радиоволн в ионосфере, а также натурные физические эксперименты.

Почти одновременно с работами, выполненными на физическом факультете в 1990;2001 г. г., проводились сходные исследования украинскими учеными [12−14]. Авторы этих работ пошли по иному пути решения задачи о повышении пропускной способности анизотропного ионосферного канала — не прибегая к его оперативной поляризационной диагностике. Были предприняты попытки расчетно-экспериментальным способом найти оптимальную поляризацию для излучаемого передающей антенной поля, при которой одна из характеристических волн не будет возбуждена. Считалось, что значение диэлектрической проницаемости ионосферы априори известно.

В этих работах приводятся результаты экспериментов без описания аппаратных решений. Авторам удалось реализовать селективное возбуждение характеристических волн в ионосфере на радиотрассах Харьков-Москва, Харьков-С.Петербург и достичь соотношения амплитуд возбуждаемой «полезной» волны и невозбуждаемой волны равного 16−20 дБ (отношение мощностей 20−100 раз).

В 2006 г. была опубликована работа, посвященная эффективности подавления ХВ в зависимости от геомагнитных факторов [15]. Эксперименты проводились на трассе Магадан — Петропавловск-Камчатский. Излучаемая поляризация выбиралась опытным путем. Установлено, что наилучшее качество СВХВ достигается при спокойном электромагнитном поле Земли. Предполагается, что основной причиной ухудшения качества СВХВ является рост мелкомасштабных неоднородностей ионосферной плазмы.

Выполненные работы имеют ряд существенных недостатков. В работах [3,8−11] не было получено больших статистических объемов информации об эффективности работы методов поляризационной диагностики и СВХВ. В работах [8,9] эксперимент проводился или при наличии разделения ХВ по времени группового запаздывания отраженных от ионосферы импульсных сигналов или при приеме их смеси. Для второго случая не представлялось возможным измерить соотношение мощностей волн при СВХВ, и качество работы метода определялось на основе косвенных признаков. По указанным причинам целесообразно продолжить исследования в данном направлении.

Процедура поляризационной диагностики (ПД) на основе смеси ХВ представляет особый интерес, в силу того, что на наклонных радиотрассах разность групповых задержек ХВ очень мала и проведение ПД импульсными сигналами не представляется возможным. Предложенный в [9] алгоритм ПД не дает полной информации о ХВ, в частности он не позволяет определить поляризацию этих волн. Знание этой информации позволит дополнительно улучшить помехозащищенность канала связи, применяя поляризационное согласование приемного устройства с поляризацией выбранной ХВ на приемном конце радиолиниикроме того можно использовать обе ХВ как два канала передачи информации [16,17].

Таким образом, исследования проблемы оптимального использования ионосферного канала для целей дальней радиосвязи показывают, что методы поляризационной диагностики и селективного возбуждения характеристических волн в ионосфере открывают широкие перспективы в этой области. Можно назвать несколько научно-технических направлений: радиосвязь, радионавигация, загоризонтная радиолокация с помощью декаметровых волн, в которых применение метода СВХВ может быть весьма результативно.

Актуальность темы

.

Ионосферный канал широко используется для передачи информации на расстояния от десятков до тысяч километров, при этом используются дека-метровые радиоволны, хорошо отражающиеся от различных слоев ионосферы, расположенных на высотах 100 -f- 400 км. Ионосфера находится во внешнем магнитном поле Земли, она неоднородна в пространстве, анизотропна, ее электромагнитные характеристики изменяются во времени под воздействием регулярных и случайных геофизических факторов, поэтому законы распространения электромагнитных волн в ней весьма сложны.

Для передачи цифровой информации по каналам связи используется специальное кодирование. В последние годы предложено расширение класса рабочих сигнальных структур для ионосферных каналов пространственно-временными кодовыми конструкциями, такими как MISO, SIMO, MIMO [18−21]. Однако, современные сигнально-кодовые конструкции обеспечивают ожидаемую высокую эффективность лишь при определенных параметрах канала связи.

Решение научно-технических задач, обеспечивающих улучшение качества работы декаметровых ионосферных линий связи, безусловно актуально. Одним из способов решения этой задачи является применение методов поляризационной диагностики и селективного возбуждения характеристических волн в ионосфере, экспериментальным исследованиям которых и посвящена данная диссертационная работа.

Цель работы.

В рамках физического и математического эксперимента исследовать эффективность методов поляризационной диагностики и селективного возбуждения характеристических волн в анизотропной ионосфере Земли и получить статистически достоверные оценки качества их работы.

Научная новизна.

1. Предложена математическая модель многолучевого ионосферного канала связи с поляризационно-чувствительными коэффициентами передачи и с ее помощью установлена зависимость эффективности работы методов поляризационной диагностики и селективного возбуждения характеристических волн от параметров канала.

2. Экспериментально получены статистически достоверные оценки эффективности работы методов поляризационной диагностики и селективного возбуждения характеристических волн в анизотропной ионосфере.

3. Показано, что при использовании методов поляризационной диагностики и селективного возбуждения характеристических волн в ионосфере надежность передачи информации по односкачковому ионосферному каналу связи возрастает в 10−100 раз, а его пропускная способность приближается к потенциально возможной в данных физических условиях.

Практическая значимость.

1. Создан многофункциональный аппаратный комплекс, обеспечивающий проведение научных исследований отраженных от ионосферы эллиптически поляризованных электромагнитных полей.

2. Разработан и экспериментально проверен модифицированный метод поляризационной диагностики анизотропного ионосферного канала связи.

3. Разработаны и экспериментально проверены алгоритмы, обеспечивающие функционирование односкачковой адаптивной по поляризации линии де-каметровой радиосвязи с селективным возбуждением волн в ионосфере.

На защиту выносятся.

1. Математическая модель многолучевого ионосферного канала связи с поляризационно-чувствительными коэффициентами передачи.

2. Модифицированный метод поляризационной диагностики ионосферного канала связи, позволяющий выбрать решение, обеспечивающее наилучшее качество передачи информации в данных физических условиях.

3. Экспериментальные результаты, подтверждающие эффективность разработанного метода селективного возбуждения характеристических волн в анизотропном ионосферном канале связи на основе поляризационной диагностики.

Апробация работы и публикации.

Результаты работы докладывались на Всероссийских и Международных научных конференциях и семинарах [16,17,22−30]: «По дифракции и распространению волн», Москва, 12−15 января 1998 г.- «Волновые явления в неоднородных средах», Красновидово, 25−30 мая 1998 и 22−27 мая 2000 г.- «Физика и применение микроволн», Красновидово, 24−30 мая 1999 и Звенигород, 21−27 мая 2001 г.- «Радиолокация и связь — перспективные технологии», Москва, 14−16 декабря 2001 г.- «Международная конференция по Спиновой электронике и Гировекторной электродинамике», Москва, Фирсановка, 16−18 ноября 2001 и 19−21 ноября 2003 г.- «Волны-2010», Звенигород, 24−29 мая 2010 г.- «Радиолокация и радиосвязь», Москва, 15−19 ноября 2010 гопубликованы в периодической научной печати [31−40].

Основные результаты работы можно сформулировать в виде следующих положений:

• разработана методика проведения и обработки результатов экспериментальных исследований эффективности ПД и СВХВ при вертикальном зондировании ионосферы;

• разработан метод поляризационной диагностики анизотропного двухлу-чевого ионосферного канала связи, позволяющий получить, в отличие от известных, два возможных решения задачи диагностики и определить поляризацию и относительную мощность каждой характеристической волны — то есть выбрать решение, обеспечивающие наилучшее качество передачи информации в данных физических условиях;

• создана математическая модель многолучевого иоляризационно-чувстви-тельного ионосферного канала и с ее помощью исследована зависимость эффективности работы методов ПД и СВХВ от параметров канала и принимаемых полей, показана целесообразность применения этих методов при создании одполучевых линий радиосвязи в односкачковом ионосферном канале;

• создан многофункциональный аппаратный комплекс, обеспечивающий проведение научных исследований отраженных от ионосферы векторных электромагнитных полей;

• выполнен цикл экспериментальных исследований эффективности методов ПД и СВХВ при вертикальном зондировании слоя Р2 ионосферы и получены статистически достоверные оценки эффективности их работы;

• показано, что при использовании селективного способа возбуждения электромагнитных волн в анизотропной ионосфере вероятность ошибки при передаче информации по односкачковому каналу связи снижается в 10-т- 100 раз (в зависимости от параметров канала), а его пропускная способность приближается к потенциально возможной в данных физических условиях для однолучевого канала (порядка 15 + 20 кбит/сек).

Обобщая результаты выполненных исследований следует сделать вывод о том, что применение методов поляризационной диагностики и селективного возбуждения характеристических волн в ионосфере открывает новые возможности для улучшения качества работы радиотехнических средств, использующих отраженные или проходящие через ионосферу электромагнитные волны декаметрового диапазона.

В частности, применение этих методов позволяет создать сеть декаметро-вой радиосвязи с высокой надежностью, помехозащищенностью и скоростью передачи информации (вероятность ошибки менее 10~4- скорость передачи информации порядка 20 кбит в секунду).

В заключение выражаю глубокую благодарность моему научному руководителю Юрию Васильевичу Березину за творческую поддержку и помощь в работе, Анатолию Петровичу Сухорукову, а также всем сотрудникам лаборатории распространения радиоволн за полезные замечания и рекомендации.

Заключение

.

В настоящей работе была экспериментально исследована эффективность методов поляризационной диагностики (ПД) и селективного возбуждения характеристических волн (СВХВ) в односкачковом ионосферном канале, применение которых обеспечивает существенное улучшение достоверности передачи по нему информации.