Поляризационная диагностика ионосферного канала связи тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ



МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА. ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ- им. М.В.ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

чНа правах рукописи 'удК 538.565.3

РЫКОВ Дмитрий Езгеньевич

ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ ДИАГНОСТИКА ИОНОСФЕРНОГО. КАНАЛА СВЯЗИ

Специальность 01.04.03 радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

М О С К В А - I 9 9 2

Работа выполнена на'кафедре физики"атмосферы к математической геофизики физического факультета ¿¡ГУ им. и.В.Ломоносова.

Научный руководитель: доцент,

доктор физико-математических наук Е.В.Зерезин Официальные оппоненты:

доктор технических наук Ю.А.Чернов

кандидат физико-математических наук А.З.Засорин

Ведущая организация: 1шститут земного магнетизма и распространения радиоволн РАН. -(ИЗлШР РАК)

зо

Защита состоятся " /О " ОьСХ1992 г. в на

заседании Специализированного Совета А.053.05.92 отделения радиофизики физического факультета ¡'¡ГУ им. М.З.Ломоносова по адресу: 119899, ГСП, Москва, Ленинские горы, ыГУ, физический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ

Автореферат разослан " 9 " 1392 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета Отделения радиофизики физического факультета мГУ

И.В.Лебедева

I. ОБЩА/1 ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящее время наряду с разработкой новых перспективных методов и средств передачи информации продолжается интенсивное использование традиционных систем связи. К последним относятся, в частности, системы коротковолновой радиосвязи, использующие для передачи информации радиоволны, отраженные от ионосферы.

Проблема повышения эффективности КБ радиосвязи (длина волны 10 -г 100 к) решается на основе более полного использования физических свойств ионосферы и распространяющихся в ней волн.

Ионосферный канал связи (ИКС) обладает рядом несомненных достоинств: он постоянно существует, не требует материальных затрат на свое содержание, его практически невозможно нарушить, с его помощью возможна организация региональной и мировой сети радиосвязи npii использовании относительно простых технических средств.

Таким образом, широкое использование декаметрового (КЗ) диапазона обусловлено рядом причин экономического, экологического и технического характера. В связи с этим большой практический интерес представляет комплексный анализ пространственно временных и поляризационных свойств радиоволн, отраженных от ионосферы и их влияние на эффективность радиосвязи.

Одной из важнейших характеристик систем радиосвязи является помехоустойчивость приема сообщений, определяемая обычно с помощью средней вероятности ошибочного приема информационного элемента сигнала, или кратко, вероятностью ошибки.

Исследования показали, что помехоустойчивость приема информации, передаваемой по ИКС, в отсутствии в полосе приема узкопо-лосккх помех, определяется, в частности, следующими факторами:

I. Наличием эффекта Доплера в ионосфере;

-с -

'¿. Числом принимаемых волн, распространяющихся по разным траекториям;

3. Наличием рассеяния волн на неоднородностях электронной концентрации ионосферы.

¿се эти три фактора создает в точке приема сложную интерфер 'ционнуп картину, которая приводит к резкому ухудшению помехо'устс чивости, по сравнению со случаем приема однолучевого сигнала.

Однако даже при короткой трассе, на коюрой чаще всего набл дается одномодовое распространение, либо при разделении сложного многомодового .поля на основе различия параметров каждого мода (например угла прихода) в точку приема все же будут приходить дв; волны. Эти две волны - две магнитофонные компоненты (мкК) - появляются вследствие анизотропии ионосферы. Таким образом наличие в точке приема этих волн с различными доплеровскими смещениями спектров является принципиальным в случае распространения электрс магнитных волк в ионосфере.

Повышать помехоустойчивость приема двухлучезого поля можно, по крайней мере, двумя способами:

1) оптимальной поляризационной обработкой поля в точке прием<

2) оптимальным возбуждением характеристических волн в ИКС.

Оптимальная поляризационная обработка принимаемого поля -

это особый комплекс задач, который в настоящем исследовании не затрагивается.

Задача, которая решалась в данной работе - это оптимальное возбуждение волн в ИКС- Под оптимальным возбуждением характеристических волн в ККС подразумевается облучение ионосферы волной с такой поляризацией, при которой в ионосфере возникает только одна НИК. Вследствие этого в точку приема приходит только одна волна и реализуется так-называемый "однолучевый" прием при котором помехоустойчивость наивысшая (при прочих равных условиях).

Решению задачи разработки метода поляризационной диагностики ионосферы и определению на ее основе оптимальной поляризации падающей на ионосферу волны и посвящена данная работа.

Актуальность темы обусловлена необходимостью разработки новых методов рациональной эксплуатации ионосферного канала связи, представляющего собой своеобразный природный ресурс; методов обеспечивающих улучшение помехоустойчивости передачи информации по ИКС.

Общая постановка задачи. Существует ионосферная линия радиосвязи, состоящая из пункта передачи и пункта приема, а также ионосферного канала, соединяющего их.

Пункт передачи состоит из передатчика информации и передающей антенны, пригодной для излучения волны с любой поляризацией.

Пункт приема содержит приемную поляризационную антенну, подключенную к радиоприемному комплексу.

Ионосферный канал, соединяющий пункт передачи и приема информации обладает характеристиками, в том числе и поляризацион-

»

ними, которые априори неизвестны. От этих характеристик зависит в частности, помехоустойчивость передачи информации по ИКС.'

Вообще говоря, по ионосферному каналу волна от точки излучения до точки приема может распространятся по нескольким траекториям £ характеристические волны). Волны, пришедшие в точку приема интерферируют и это приводит к резкому снижению помехоустойчивости приема, по сравнению со случаем приема одной волны.

Принципиальным решением задачи оптимального способа передачи информации по ИКС является изыскение метода возбуждения в ионосфере только одной характеристической волны. Это можно сделать используя физические особенности ионосферы и распространяющихся в ней радиоволн.

Цель работы заключается в разработке и экспериментально! проверке метода поляризационной диагностики ионосферы, обеспе вающего возможность селективного возбуждения в ионосфере харе теристических волн.

Эта задача распадается на четыре частных:

I. Разработка способа поляризационной диагностики ионосф ры и определения на основе его результатов поляризации излуча мой волны, при которой в ионосфере возбуждается только одна х рактеристическая волна.

¿. Исследование качества работы алгоритмов поляризационж диагностики с помощь» математического моделирования в условия) адекватных ионосферному каналу связи.

3. Экспериментальная проверка метода поляризационной диаг ностики и селективного возбуждения одной из характеристических волн в ионосфере.

^. Оценка выигрыша в помехоустойчивости приема информации полученной за счет селективного возбуждения в ИКС только одной характеристической волны (ХВ).

Научная новизна заключается в том, что:

1. Предложен способ поляризационной диагностики ионосферы, обеспечивающий селективное возбуждение ХЗ в ионосфере.

'¿. Разработаны алгоритмы поляризационной диагностики ионосферы и доказана эффективность их применения при селективном возбуждении ХВ в МС.

3. Экспериментально доказана возможность селективного возбуждения одной ХЗ в ионосфере, оценено качество и время устойчивого возбуждения одной ХВ.

Экспериментально подтвержден существенный выигрыш в качестве передачи информации по ионосферному каналу связи, получаемый за счет селективного возбуждения одной ХВ в ионосфере,

тот выигрыш имеет порядок 10' .

Практическая значимость работы заключается в том, что разра-отан способ селективного возбуждения характеристических волн в оносфере, обеспечивающий создание ионосферных радиолиний нового ■ипа, обладающих повышенным качеством передачи информации и юзволяющий осуществить частотное уплотнение корреспондентов в ¡оносферном канале связи. На защиту выносится:

1. Метод поляризационной диагностики ионосферы. ¿. Способ селективного возбуждения одной характеристической юлны в ионосфере.

3. Экспериментальные доказательства возможности селективного юзбукдения характеристических волн в ионосфере.

•t. Новый принцип эксплуатации ионосферного канала связи. Апробация работы

i езультаты диссертационной работы докладывались на

- чЬ-й всесоюзной сессии НТО РЭС им. A.C. Попова;

- семинарах лаборатории распространения радиоволн кафедры физики 1тмосферы и математической геофизики физического факультета иГУ.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 3 статьи и тезисы доклада, :писох которых приведен в конце реферата. Структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения л списка литературы. Библиография - 96 наименований.

ii. содьнанйь диссертации.

¿о введении обоснована актуальность темы, сформулирована основная задача исследования, дана общая постановка задачи, указана научная новизна и практическая значимость работы, кратко

- б -

изложена структура диссертации.

В главе 1 - " Свойства радиоволн, отраженных от ионосферы" -на основе литературных данных проанализированы основные свойства радиоволн, отраженных от ионосферы Земли. Характерной особенностью ионосферного канала связи является наличие в точке приема нескольких лучей, пришедших по разным траекториям, различных модов ионосферного сигнала. Однако даже в случае одномодового распространения в точке приема будут присутствовать два луча -две магнитоионные компоненты. Суперпозиция этих лучей приводит к глубоким интерференционным замираниям амплитуды суммарного сигнала и тем самым снижает достоверность передачи информации по ионосферному каналу связи.

Одним из способов увеличения достоверности передачи информации по ИКС является метод селективного возбуждения характеристических волн в ионосфере, обеспечивающий однолучевое распространение радиоволн. Зтот метод основан на согласовании поляризации падающей на ионосферу волны с поляризацией одной из характеристических волн.

Сложность решения этой задачи обуславливается следующими факторами:

1. Практической невозможностью определения предполагаемой точки входа электромагнитной волны в зону предельной поляризации, вследствие неопределенности этой зоны.

2. Отсутствием априорных данных о виде поляризации нормальных волн в этой точке и возможному изменению этой поляризации

во времени.

3. Отсутствием апробированного теоретически метода расчета предельной поляризации волны, выходящей из ионосферы.

Практической невозможностью излучения электромагнитной волны в заданном направлении с заданной поляризацией в связи с

ествованием собственных коэффициентов передачи излучателей и 'енн, а также наличием подстилающей поверхности.

Зти трудности стимулируют разработку метода поляризационной гностики ионосферы и алго{итмов, которые на основании данных

ованной с поляризацией одной из нормальных волн.

В главе 2 - "Способ поляризационной диагностики ионосферы" -ожен этот метод и эти алгоритмы. Идея метода поляризационного буждения одной характеристической волны в ионосферном канале ована на следующих предположениях о физических свойствах ионо-ры и распространяющихся в ней электромагнитных волн:

1. Значение диэлектрической проницаемости ионосферы не зависит мощности электромагнитной волны, распространяющейся в ионосфере,

2. Поляризационные параметры характеристических волн на вые из ионосферы не зависят от вида поляризации волны, излучае-

передающей антенной.

Оба этих предположения обоснованы теоретически и подтвержде-прямыми физическими экспериментами.

Способ поляризационной диагностики и алгоритмы определения опальной поляризации были разработаны как для случая приема целенных по времени группового запаздывания МИК, так и для слу-приема неразделенных по времени группового запаздывания мИК.

3 первом случае суть метода поляризационной диагностики заклю-гся в следующем. В ионосферу излучается линейно-поляризованная т с помощью линейной £ -антенны и принимается на линей-

антенну X отраженное от ионосферы поле одной йИК ЕцпСЕд^) ¡м в сторону ионосферы излучается линейно-поляризованная волна ^ с помощью линейной ^ -антенны, перпендикулярной к -ан-[е. Отраженное от ионосферы поле, соответствующее той-же МИК

й диагностики позволяли бы излучать волну с поляризацией, сог-

также принимается на X -антенну. По данным этой диаг-■ики определяется комплексный вес

Епх

Затем, если излучать одновременно £ -антенной поле Е^ , а ^ -антенной поле , то излученное поле не будет воз5уждать

одну из ыагнптоионных компонент.

3 случае неразделенных по времени группового запаздывания нИК нет возможности измерять отраженное поле, соответствующее только одной йНК, поэтому способ поляризационной диагностики немного видоизменяется- В этом случае производится серия последовательных излучений в ионосферу линейно-поляризованных волн Е^д иЕцу- и прием отраженного поля на две скрещенные под прямым углом антенны X и ^ Е'ДЕ^), Е3<.Ег9Л.

Затем по определенному алгоритму, описанному в главе '¿, по массивам этих данных также определяется весовой коэффициент , позволяющий излучить волну с поляризацией, согласованной с поляризацией одной из ьу,К, т.е. такую волну, которая возбудит в ионосфере только одну характеристическую волну.

для выяснения качества работы алгоритма селективного возбуждения характеристических волн в ионосфере было проведено исследование методом математического моделирования на ЗВы. Это исследование позволяет сделать следующие выводы:

1. Поляризационная диагностика ионосферы и возбуждение в ней только одной характеристической волны возможна. Качество диагностики 'зависит от целого ряда условий и, в частности, от отношения сигнал/шум на входе диагностического комплекса; при ОСШ ^ 10 результаты диагностики уже обеспечивают отношение средних мощностей двух характеристических волн больше 10.

2. Результаты поляризационной диагностики существенно зависят от коэффициента автокорреляции Я рассеянной части принимаемого поля - высокое качество поляризационного согласования падающей и характеристической волн гарантируется при значениях 0.7.

3. возможность селективного возбуждения характеристических

волн на основе поляризационной диагностики слабо зависит от сте-2

пени рассеяния принимаемого и анализируемого поля - так, при

Я & 0.9 высокое качество во?бух;дения одной характеристической

2

волны обеспечивается уже при (Ъ ^ ¿.

4. При значениях коэффициента автокорреляции К > 0.7 поляризационная диагностика обеспечивает высокое качество селективного возбуждения одной характеристической волны при относительном времени анализа 0.5 (в единицах разностного доплеровского периода) .

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о возможности селективного возбуждения характеристических волн в ионосфере на основе ее поляризационной диагностики с помощью как импульсных, так и непрерывных радиосигналов.

Кроме математического моделирования с помощью З-ЁЫ способ поляризационной диагностики ионосферы и определения на его основе поляризации волны, согласованной с одной из характеристических волн проверялся прямым« физическими экспериментами с помощью установки, описанию которой и посвящена глава 3 - "Описание экспериментальной установки и методики проведения экспериментов".

диагностический комплекс включает в себя три части: приемную , передающую и управляющую.

Приемная .часть состоит из: приемной X - и ^ -антенн, антенного коммутатора, опорного и измерительного приемника с общим гетеродином; .блока обработки амплитуды и фазы С^ОАФ); оптической линии передачи информации; осциллографа для визуального наблюдения отраженных от ионосферы сигналов.

Передающая часть состоит из: генератора высокой частоты; фазовращателя и аттенюатора; усилителя мощности % -канала; усилителя мощности ^ -канала; усилителя модулирующих импульсов; передающей Д. -антенны, передающей ^ -антенны.

Управляющая часть состоит из: блока управления диагностическим комплексом; управляющей ЭЛч (ЯРТ-80) и дисплея.

В главе 3 подробно обсуждены функциональная принадлежность каждого блока и их работа в процессе поляризационной диагностики ионосферного канала связи в случае приема разделенных по времени группового запаздывания мИК, неразделенных по времени группового запаздывания 1>шК, селективного возбуждения одной характеристической волны в ионосфере, определении выигрыша в помехоустойчивости приема.получаемого за счет селективного возбуждения.

Часть главы 3 посвящена описанию математического обеспечения экспериментов.

^ главе ч - "Результаты экспериментальных исследований селективного возбуждения характеричтических волн в ионосфере" - изложены результаты экспериментальных исследований метода поляризации онной диагностики ионосферы с помощью импульсных радиосигналов при использовании двух алгоритмов определения оптимальной поляризации падающей на ионосферу волны, обеспечивающей селективное возбуждение в ионосферной плазме одной из характеристических волн. Зти результаты отвечают на два принципиальных вопроса:.

I. ьожно ли возбудить в ионосфере только одну характер истп-г ческую волну?

с. Ьсли можно, то как это сделать практически?

Приведенные в данной главе результаты получены при вертикальном зондировании ионосферы. Эксперименты проводились как при разделенных по времени группового запаздывания ыИК, так и при неразделенных во времени ><шК.

Использование разделенных по времени группового запаздывания двух ИИК для целей поляризационной диагностики и исследования возможности селективного возбуждения характеристических волн в ионосфере представляется практически очень удобным и принципиальным,

так как позволяет с помощью прямых измерений амплитуд отраженных от ионосферы магнитоионных компонент определить качество селективного возбуждения характеристических волн в ионосфере методом "прямого доступа" к необходимой для этого информации. Под качеством селективного возбуждения подразумевается отношение мощности непо-давляемой м'ИК к мощности подавляемой 1>1ИК. Исследования показали, что при облучении ионосферы волной с линейной поляризацией в ней всегда возбуждались две характеристические волны приблизительно равной мощности (наиболее вероятное отношение мощности более мощной ыКК к мощности более слабой равно с). Однако в сеансах с селективным возбужд&ш.ем ситуация менялась. 3 -этих сеансах наиболее вероятное отношение неподавленной характеристической волны к подавленной составляло 1С—15. Таким образом из этих экспериментов можно сделать еызод, что использованный метод селективного возбуждения характеристических волн з ионосфере позволяет изменить соотношение мощностей этих волн в среднем на порядок, т.е. сделать одну характеристическуг* волну в десять раз менее мощной, чем другая .

Наряду с качеством селективного возбуждения, другой веяной характеристикой этого явления является время устойчивого подавле-нея одной характеристической волны. Оно определяет промежуток, в течение которого выставленное значение \л/>^ еще обеспечивает селективное возбуждение (отношение мощностей ¡-ШК Фс > 10). Эксперименты показали, что эффект селективного возбуждения одной характеристической волны в ионосфере устойчив во времени - в течение 10*15 минут среднее значение практически не меняется. Проверка устойчивости селективного возбуждения на более длинных интервалах времени не проводилась.

3 отличие от экспериментов с разделенными по времени группового запаздывания нИК в экспериментах с неразделенными мИК не было

- L2 -

возможности измерять мощность каждой характеристической волны в отдельности, т.к. они приходили в точку приема одновременно. Поэтому для оценки качества селективного возбуждения приходилось пользоваться косвенными критериями. Такими критериями стали поляризационные характеристики принимаемого поля. Эксперимент;: показали, что поляризационные характеристики поля, принятого после селективного возбуждения одной характеристической волны в ионосфере достаточно хорошо соответствуют поляризационным характеристикам поля, в котором присутствует только одна волна и существенным образом отличаются от поляризационных характеристик поля, принятого после облучения ионосферы волной с линейной поляризацией. Все это также свидетельствует о возможности селективного возбуждения характеристических волн в ионосфере при помощи поляризационной диагностики ионосферы и алгоритмов определения оптимальной поляризации излучаемого поля в случае приема неразделенных по времени группового запаздывания ИИК.

Еще одним предметом исследования была оценка выигрыша в помехоустойчивости приема за счет селективного возбуждения характеристических волн. Эксперименты показали, что селективное возбуждение одной характеристической волны в ионосфере является эффективным способом повызения качества КБ радиосвязи - полученный выигрыш в помехоустойчивости приёма информации оценивается величиной 10-15 дБ и более.

Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом:. ..,,.._.

1. Разработаны способы поляризационной диагностики ионосферного канала связи и алгоритмы,.позволяющие на основании данных этой диагностики возбудить в ионосфере с помощью конкретного передатчика и излучающей антенны любую из характеристических волн.

2. Экспериментально доказана возможность осуществления селек-

тивного возбуждения одной характеристической волны в ионосфере, исследовано качество и устойчивость этого эффекта.

3. Методом математического моделирования исследовано качество работы алгоритмов селективного возбуждения к показана их эффективность.

•т. Экспериментально доказан существенный выигрыш в помехоустойчивости приема дискретной информации за счет осуществления селективного возбуждения одной нормальной волны в ионосфере.

5. Разработанное устройство для селективного возбуждения характеристических волн в ионосфере функционирует эффективно и может служить основой для создания КЗ радиолиний нового поколения с селективным возбуждением характеристических 'волн.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Березин Е.З., Рыжов Д.Ь. Селективное возбуждение характеристических волн // нб-я Всесоюзная сессия НЮ РЗС им. A.C. Попова. Гез. докл., ч. 2, ¿-1., 1991 г.

2.-Березин К.В., Рыжов Д.Ь. Селективное возбуждение характеристи- . веских волн в ионосфере // Вестник Московского университета, Сер. 3. ёизика. Астрономия, т. 33, № 2 - с. 93-96, 1992 г.

3. Березин Ю.З., Рыжов Д.Е. К возможности возбуждения характерно-гических волн в ионосфере //В печати.

Березин L.3., Окулов И.О., Рыжов Д.Е. Помехоустойчивость приема дискретной информации при селективном возбуждении характеристических волн в ионосфере // В печати.