«МЕТОДИКА ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ПОНИЖЕННЫЕ ЧАСТОТЫ И СДВОЕННЫЙ ПРИЕМ СИГНАЛОВ ...»

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Северо-Кавказский федеральный университет»

На правах рукописи

Дагаев Эдуард Хамзатович

МЕТОДИКА ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА СИСТЕМ

СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ПОНИЖЕННЫЕ

ЧАСТОТЫ И СДВОЕННЫЙ ПРИЕМ СИГНАЛОВ

05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (в технике и технологиях)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор Чипига А.Ф.

Ставрополь –

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СКРЫТНОСТИ И ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ССС...

1.1 Анализ энергетической скрытности и помехоустойчивости ССС........ 1.2 Анализ проблемы обеспечения энергетической скрытности ССС и обоснование цели исследований

1.3 Методика системного анализа проблемы выбора параметров технических средств ССС при использовании пониженных частот и сдвоенного приема

1.4 Анализ недостатков известного научно-методического аппарата и постановка научных задач исследования

2. УТОЧНЕННАЯ МОДЕЛЬ НЕОДНОРОДНОЙ ИОНОСФЕРЫ ДЛЯ

ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК

БЫСТРЫХ ЗАМИРАНИЙ В ТРАНСИОНОСФЕРНОМ РАДИОКАНАЛЕ....

2.1 Обоснование выбора математической модели неоднородной ионосферы для описания трансионосферного радиоканала

2.1.1 Модель ионосферы с учетом изменения по высоте электронной концентрации и эффективной частоты соударений электронов

2.1.2 Математическая модель ионосферы с учетом эффективной частоты соударений электронов и неоднородностей электронной концентрации

2.1.3 Математическая модель трансионосферного канала связи с учетом поглощения и многолучевого распространения волны

2.2 Сравнительный анализ достоверности расчета глубины замираний в трансионосферных каналах

2.3 Оценка интервала пространственной корреляции замираний в трансионосферном канале связи

2.4 Выводы

3. ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СИНТЕЗА

ПАРАМЕТРОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ССС, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ

ПОНИЖЕННЫЕ ЧАСТОТЫ И СДВОЕННЫЙ ПРИЕМ

3.1 Методика расчета мощности шума на входе приемника ССС с пониженной несущей частотой

3.2 Методики аналитической оценки энергетической скрытности ССС при использовании пониженных частот и сдвоенного приема сигналов ........... 3.3 Методика синтеза параметров технических средств низкочастотных ССС по требованиям к помехоустойчивости и энергетической скрытности...... 3.4 Выводы

4. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ

ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ССС, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ПОНИЖЕННУЮ

ЧАСТОТУ И СДВОЕННЫЙ ПРИЕМ СИГНАЛОВ

4.1 Инженерная методика расчета технических параметров радиолинии ССС с пониженной частотой и сдвоенным приемом сигналов

4.2 Технические решения для ССС с пониженной несущей частотой и сдвоенным приемом сигналов

4.3 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Качественный анализ процесса распространения радиоволн через ионосферу с учетом поглощения и многолучевости принимаемого сигнала

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Математическая модель трансионосферного канала с учетом поглощения и многолучевости принимаемого сигнала

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Оценка влияния поглощающих свойств ионосферы и ее неоднородностей на среднюю энергию сигнала

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Метод оценки энергетической скрытности систем спутниковой связи с пониженной частотой и разнесенным приемом на четыре антенны

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

БЗ - быстрые замирания ЗС - земная станция ИСЗ - искусственный спутник Земли КС - канал связи КУ - коэффициент усиления МЗ - медленные замирания МО - математическое ожидание НИ - нормальная ионосфера НМА - научно-методический аппарат ПЗ - помехозащищенность ПРД - передатчик ПРМ - приемник ПУ - помехоустойчивость ПЭС - полное электронное содержание РЗ - релеевские замирания РсЗ - райсовские замирания РПХ - радиоперехват РРВ - распространение радиоволн РЭП - радиоэлектронное подавление РЭС - радиоэлектронная система (средство) СВИЗ - станция вертикального ионосферного зондирования СКО - среднеквадратическое отклонение СРНС - радиосвязи спутниковая радионавигационная система ССС - система спутниковой связи С/Ш - сигнал/шум ЭК - электронная концентрация ЭСк - энергетическая скрытность ЭЧСЭ - эффективная частота соударения электронов

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития телекоммуникаций Российской Федерации характеризуется широким внедрением систем спутниковой связи (ССС).

Наряду с повышением пропускной способности, важнейшей тенденцией развития ССС является повышение эффективности функционирования.

Известно, что эффективность любых систем связи, в том числе ССС, определяется их живучестью, надежностью и помехозащищенностью [292]. В свою очередь помехозащищенность определяется двумя составляющими:

помехоустойчивостью (ПУ) и скрытностью [3, 14, 15, 72-76, 81, 91, 108].

Анализ условия обеспечения ПУ ССС показывает, что в традиционно используемом диапазоне несущих частот f 0 1...10 ГГц оно легко выполняется при высокой скорости передачи ( RТ ~ 1 Мбит с ) и низкой мощности передатчика ( Pt 10 Вт ). Это обусловлено высокими коэффициентами усиления передающих и приемных антенн, хорошими условиями распространения радиоволн (РРВ) и малой мощностью шумов (помех) из – за низкой шумовой температурой внешних помех. Однако хорошие условия РРВ в ССС обуславливают основной их недостаток: низкую энергетическую скрытность [81].

С другой стороны, известен [116, 117] способ повышения энергетической скрытности ССС при близком размещении приемника (ПРМ) радиоперехвата (РПХ) от ПРМ ССС за счет применения пониженной несущей частоты f 0 30...100 МГц (что обуславливает рассеяние радиоволн на неоднородностях ионосферы, многолучевое РРВ и интерференционные (быстрые) замирания принимаемых сигналов) и разнесенного приема сигналов на 4 и более ( n 4 ) антенн (что обеспечивает повышение достоверности приема сигналов в каналах с замираниями).

Анализ недостатков этого способа повышения энергетической скрытности ССС позволяет сделать два вывода: 1) увеличение числа приемных антенн более двух ( n 2 ) приводит к снижению эффективности разнесенного приема сигналов, поэтому в ССС с пониженными частотами целесообразно использовать сдвоенный ( n 2 ) прием сигналов; 2) понижение несущей частоты ССС сопровождается повышением энергетической скрытности и снижением ПУ (вследствие роста глубины быстрых замираний и уровня помех при понижении несущей частоты в ССС). Анализ условия обеспечения ПУ ССС при понижении несущей частоты до f 0 30...40 МГц и сдвоенном приеме ( n 2 ) сигналов указывает на необходимость увеличения мощности бортового ПРД до значений Pt 0,5...50 кВт, что практически нереализуемо.

Отсюда следует противоречие в практике (практическая проблема): при использовании в ССС пониженной несущей частоты ( f 0 30...100 МГц ) и пространственно-разнесенного приема сигналов на n 2 антенны условие обеспечения ПУ ССС может не выполнятся при реализуемых технических характеристиках радиосредств (мощности передатчика (ПРД) Pt 10 2...103 Вт, скорости передачи RТ 10...10 бит с и энергетическом (системном) запасе Г 1...10 дБ ).

Объектом исследований являются ССС на участке ИСЗ-Земля при близком размещении ПРМ радиоперехвата от ПРМ ССС, использующие пониженные несущие частоты ( f 0 30...100 МГц ) и сдвоенный прием сигналов ( n 2 ).

Цель диссертации заключается в разработке практических рекомендаций по выбору параметров технических средств, обеспечивающих требуемую помехоустойчивость и энергетическую скрытность ССС при использовании пониженной частоты ( f 0 30...100 МГц ) и сдвоенного ( n 2 ) приема сигналов.

Поставленная выше практическая проблема относится к классу слабоструктурированных проблем. Поэтому для достижения поставленной цели необходимо разработать методику системного анализа проблемы выбора параметров технических средств ССС по требованиям к энергетической скрытности и ПУ (характеризуемых допустимыми значениями коэффициента энергетической скрытности ЭС доп и вероятности ошибочного приема Pош доп ) при использовании пониженных частот и сдвоенного приема. В результате разработки этой методики обоснована задача принятия решения (выбора целевой функции), которая состоит в том, чтобы установить зависимость радиосредств ( мощности бортового ПРД Pt, размеров передающей L At и приемной L Ar антенн, их пространственного разноса A ), скорости передачи RT, системного запаса Г и несущей частоты f 0 низкочастотных ССС от заданных требований к их помехоустойчивости и энергетической скрытности Предметом исследований является научно-методический аппарат (НМА) оценки влияния технических и частотно-зависимых параметров ССС на энергетическую скрытность и помехоустойчивость одиночного и сдвоенного приема сигналов.

Научная задача заключается в разработке методики параметрического синтеза (выбора технических характеристик радиосредств, скорости передачи, системного запаса, несущей частоты) низкочастотных ССС по заданным требованиям к их энергетической скрытности и помехоустойчивости.

Для решения поставленной общей научной задачи была проведена ее декомпозиция на 4 частные научные задачи разработки:

1) уточненной математической модели неоднородной ионосферы для повышения достоверности расчета характеристик быстрых замираний в трансионосферном радиоканале;

2) методики расчета мощности шума на входе приемника ССС с пониженной несущей частотой;

3) методики аналитической оценки энергетической скрытности ССС при использовании пониженных частот и сдвоенного приема сигналов;

использующих пониженные частоты и сдвоенный прием, по заданным требованиям к ПУ и энергетической скрытности.

математического описания ионосферной плазмы, распространения радиоволн через случайно-неоднородные среды, статистической радиофизики, математического моделирования многолучевых каналов связи; методов обработки сигналов и оценки помехоустойчивости при одиночном и разнесенном приеме; энергетического расчета радиолиний.

Значительный вклад в развитие этих методов внесли В. В. Кузнецов, Я. Л. Альперт, М. А. Колосов, М. П. Долуханов, А. И. Калинин, С. М. Рытов, Л. М. Финк, Д. Д. Кловский, В. И. Коржик, О.А. Зенкевич, Б.В. Сосунов.

Научная новизна результатов диссертации состоит в следующем:

1. Впервые разработана методика системного анализа проблемы выбора параметров технических средств ССС по требованиям к энергетической скрытности и помехоустойчивости при использовании пониженных частот ( f 0 30...100 МГц ) и сдвоенного приема (на 2 антенны) сигналов.

2. Обоснована уточненная математическая модель неоднородной ионосферы, отличающаяся от известных учетом статистических характеристик флуктуаций полного электронного содержания (ПЭС), которая позволяет уточнить математическую модель трансионосферного радиоканала и повысить достоверность расчета характеристик быстрых замираний принимаемых сигналов.

3. Разработана методика расчета мощности шума (помех) на входе приемника ССС, использующей диапазон не традиционных ( f 0 1...10 ГГц ), а пониженных несущих частот ( f 0 30...100 МГц ).

4. Разработана методика оценки энергетической скрытности ССС, которая в отличие от известных позволяет получить аналитическую зависимость от этой оценки от выбора пониженной несущей частот и пространственного разноса антенн.

5. Разработана методика синтеза параметров технических средств ССС, использующих пониженные частоты и сдвоенный прием сигналов, по заданным требованиям к помехоустойчивости и энергетической скрытности.

Практическая ценность полученных результатов состоит в следующем:

1) разработаны инженерная методика и алгоритм расчета технических параметров радиолинии ССС с пониженной несущей частотой и сдвоенным приемом сигналов при обеспечении неизменной корреляции замираний в разнесенных антеннах;

помехоустойчивости и энергетической скрытности ССС с пониженными частотами и сдвоенным приемом сигналов при использовании типовых технических средств диапазона метровых волн за счет адаптивного выбора пониженной частоты и параметров приемных антенн;

3) в соответствии с разработанным алгоритмом расчета предложена структурная схема построения ССС с применением адаптивных блоков выбора пониженной несущей частоты и параметров приемных антенн по результатам измерения параметров неоднородной ионосферы с помощью спутниковых радионавигационных систем (СРНС);

4) обоснован способ и разработано устройство измерения статистических характеристик ПЭС ионосферы и определения интервала пространственной корреляции замираний в трансионосферном радиоканале с помощью СРНС.

подтверждаются: использованием широко известных исходных данных о параметрах неоднородной среднеширотной ионосферы; использованием апробированного НМА статистической радиофизики и статистической теории связи; соответствием полученных теоретических результатов расчета глубины замираний в трансионосферных каналах известным экспериментальным f 0 150 МГц и 400 МГц.

Реализация результатов диссертационной работы:

1) ООО «Инновационный научно-технический центр», г.Москва (акт о внедрении от 27.09.2013 г.); 2) в МОУ «Институт инженерной физики», г.

Серпухов, Московской области (акт о внедрении от 16.11.2013 г.); 3) в учебном процессе Северо-Кавказского федерального университета.

Апробация результатов диссертации осуществлялась в ходе докладов ее материалов на следующих научно-технических конференциях (НТК): 3-й Международной НТК в СевКавГТУ в 2008 г. (г. Ставрополь), 16-й Международной НТК в ОАО «Концерн «Созвездие» и Воронежском ГУ в г. (г. Воронеж), 30-й Всероссийской НТК в СВИ РВ в 2011г. (г. Серпухов), 11-й Российской НТК в КНИИТМУ в 2012 г. (г. Калуга) 1-й Всероссийской молодежной НТК в БелГУ в 2012 г. (г. Белгород); 66-й и 67-й Всероссийских конференциях, посвященных Дню радио в 2011 и 2012 гг. (г. Москва).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 16 печатных трудах, из них 6 статей опубликованы в журналах из перечня ВАК: Теория и техника радиосвязи, 2011, №2 и №4; Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета, 2009, № 1; 2010, №4; 2011, №1.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и 4 приложений, содержит 202 страниц основного текста (приложения – 53 стр., всего в диссертации 255 страниц), 42 рисунка, 5 таблиц, список использованных источников из 134 наименований.

Основные положения и результаты, выдвигаемые для защиты:

1. Методика системного анализа проблемы выбора параметров технических средств ССС по требованиям к помехоустойчивости и энергетической скрытности и при использовании пониженных частот и сдвоенного приема.

2. Уточненная математической модель неоднородной ионосферы для повышения достоверности расчета характеристик замираний в трансионосферном радиоканале.

3. Методика расчета мощности шума на входе приемника ССС с пониженной несущей частотой.

4. Методика аналитической оценки энергетической скрытности ССС при использовании пониженных частот и сдвоенного приема сигналов.

использующих пониженные частоты и сдвоенный прием, по заданным требованиям к энергетической скрытности и помехоустойчивости.

6. Результаты разработки технических решений ССС с применением блоков выбора пониженной несущей частоты и параметров приемных антенн по результатам измерения статистических характеристик полного электронного содержания ионосферы с помощью СРНС.

Содержание работы Во введнии обоснованы актуальность диссертационных исследований, сформулированы цель, и научные задачи (общая и частные), раскрыты научная новизна и практическая ценность результатов работы, их достоверность и обоснованность, приведены сведения о реализации результатов диссертации, их апробации и публикациях, сформулированы основные положения и результаты, выдвигаемые для защиты.

Первая глава посвящена системному анализу проблемы обеспечения энергетической скрытности и помехоустойчивости ССС. Сначала на базе анализа энергетической скрытности и помехоустойчивости ССС обосновано наличие проблемы обеспечения энергетической скрытности и осуществлена постановка цели исследований. Разработана методика системного анализа проблемы выбора параметров технических средств ССС при использовании пониженных частот и сдвоенного приема. Проведен анализ недостатков известного НМА и постановка общей научной задачи. Обоснована целесообразность ее декомпозиции на 4 частных научных задачи исследований.

Вторая глава посвящена решению 1-й частной научной задачи – разработке «Уточненной математической модели неоднородной ионосферы для повышения достоверности расчета характеристик быстрых замираний в трансионосферных радиоканалах». Она решена в 3 этапа. На первом этапе разработана уточненная математическая модель неоднородной ионосферы для описания трансионосферного канала связи с учетом поглощения и многолучевого распространения волны. На втором этапе произведен сравнительный анализ достоверности расчета глубины БЗ в трансионосферных каналах связи. На третьем этапе проведен анализ достоверности расчета интервала пространственной корреляции БЗ в трансионосферном канале.

Третья глава посвящена решению 2-й, 3-й и 4-й частных научных задач.

Решение 2-й частной научной задачи разработки «Методики расчета мощности шума на входе приемника ССС с пониженной несущей частотой» осуществлено в 2 этапа. На первом этапе обоснована общая методика расчета в ССС мощности шумов на входе приемника. На втором этапе методики произведен анализ шумовых температур в ССС, использующих пониженные частоты ( f 0 30...100 МГц ).

Решение 3-й частной научной задачи - разработки «Методики аналитической оценки энергетической скрытности ССС при использовании пониженных частот и сдвоенного приема» - состоит из 2-х этапов. На первом этапе разработана методика аналитической оценки помехоустойчивости ССС с пониженными частотами. На втором этапе получена аналитическая формула для оценки энергетической скрытности ССС с пониженными частотами Решение 4-й частной научной задачи разработки «Методики синтеза параметров технических средств низкочастотных ССС по требованиям к помехоустойчивости и энергетической скрытности» - состоит из 5-ти этапов и позволяет в итоге получить требуемый результат решения общей научной задачи параметров, т.е. определить параметры технических средств ССС (мощность передатчика и характеристики антенн, скорость передачи, энергетический запас), использующих пониженные частоты и сдвоенный прием, по заданным требованиям к ПУ и энергетической скрытности.

В 4-й главе разработаны практические рекомендации по выбору технических средств ССС, использующих пониженную частоту и сдвоенный прием сигналов. Сначала в соответствии с результатами решения общей научной задачи разработаны инженерная методика и 5- этапный алгоритм расчета технических параметров радиолинии ССС с пониженной частотой и сдвоенным приемом сигналов при неизменной корреляции замираний в антеннах. Затем на основе алгоритма расчета технических параметров разработана структурная схема ССС с адаптивными блоками выбора пониженной несущей частоты и управления разнесенными приемными антеннами по результатам зондирования ионосферы с помощью СРНС.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты диссертации.

распространения радиоволн через ионосферу с учетом поглощения и многолучевости принимаемого сигнала».

трансионосферного канала с учетом поглощения и многолучевости принимаемого сигнала».

В Приложении 3 приведена «Оценка влияния поглощающих свойств ионосферы и ее неоднородностей на среднюю энергию сигнала».

В Приложении 4 приведен «Метод оценки энергетической скрытности систем спутниковой связи с пониженной частотой и разнесенным приемом на четыре антенны»

1. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СКРЫТНОСТИ И

ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ

1.1 Анализ энергетической скрытности и помехоустойчивости систем спутниковой связи Известно [292], что эффективность систем связи, в том числе и систем спутниковой связи (ССС), определяется ее живучестью, надежностью и помехозащищенностью. В свою очередь помехозащищенность (ПЗ) определяется помехоустойчивостью (ПУ) и скрытностью [3, 14,15, 72-76].

Есть несколько определений ПУ систем связи. В соответствии с толковым словарем [112] под ПУ понимается способность сохранять работоспособность с заданными техническими характеристиками при воздействии помех определенного типа. Согласно ГОСТу «Радиосвязь.

Термины и определения» [93] ПУ радиосистемы определяется, как способность противостоять мешающему действию радиопомех. В другом ГОСТе «Связь военная» под ПУ понимается способность системы военной связи обеспечивать управление войсками и оружием в условиях воздействия помех всех видов. Согласно [21] под ПУ системы связи понимают способность приемника обеспечить требуемое качество связи при воздействии помех естественной природы типа аддитивного белого гауссовского шума.

Во всех случаях ПУ систем передачи информации (связи) определяется с помощью функциональной зависимости ( ) вероятности ошибочного приема сигналов ( Pош ) от отношения сигнал/шум (или отношения сигнал/шум+помеха) на входе приемника ( h 2 ) [91] В соответствии с (1.1) количественно ПУ определяется чаще всего соответствующего единичному информационному символу, к спектральной плотности мощности шума ( N 0 ), которое необходимо для обеспечения заданного (допустимой) вероятности ошибки ( Рош доп ) в приеме бита (единичного символа):

Для ССС обычно принимается Рош доп 10 [58, 69, 103, 106, 107, 126]. Очевидно, что более высокую ПУ имеет та система связи, которая обеспечивает заданное качество связи ( Рош доп ) при меньшем отношении сигнал/шум (С/Ш) на входе приемника (ПРМ) h 2 Er N0 при прочих равных условиях:

Согласно [74] количественной мерой ПУ систем передачи информации (т.е. связи) может служить вероятность нарушения ее функционирования (т.е.

вероятность ошибки Рош ). Поскольку эта вероятность ( Рош ) является монотонной функцией (1.1) отношения С/Ш на входе ПРМ достаточно рассматривать некоторое пороговое (допустимое) отношение сигнал/шум ( hдоп ). Если отношение сигнал/шум станет меньше допустимого то вероятность ошибки станет больше допустимой:

и работа системы передачи информации (связи) будет нарушена.

В соответствии с приведенными соотношениями (1.5, 1.6) условие обеспечения ПУ систем связи (в том числе и ССС) не хуже допустимой можно записать в двух видах:

где 1 ( x) функция, обратная (x).

В соответствии с (1.7, 1.8) допустимое отношение С/Ш ( hдоп ) вероятности ошибки ( Pош ), равной ее допустимому значению ( Pош Pош доп ).

Важно отметить, что левую часть условия обеспечения ПУ систем оптимального приемника связано с отношением ( q 2 ) мощности сигнала на выходе этого приемника ( Рr вых ) к мощности шума ( Р0 вых ) выражением вила[16, 18, 52, 74, 113] где Pr Er Ts мощность сигнала (длительностью Ts ) на входе приемника;

P0 N 0 F0 мощность шума (сосредоточенного в полосе спектра сигнала Bs Ts F0 база сигнала.

Из выражения (1.10) следует, что отношение ( q 2 ) мощности сигнала к мощности шума на выходе оптимального приемника численно равно отношению удвоенной энергии сигнала к спектральной плотности мощности шума на входе этого приемника [18, 52]:

Заметим, что согласно (1.9, 1.10) при передаче простых сигналов, характеризующихся шириной спектра F0 1 Ts и базой Bs Ts F0 1, энергетическое отношение сигнал/шум (С/Ш) на входе оптимального приемника равно входному отношению С/Ш по мощности:

Входящая в выражения (1.9 – 1.11) мощность сигнала на входе приемника ССС описывается выражением [9, 68, 82, 90, 104, 105, 125] где Pt мощность передаваемого сигнала; Gt коэффициент усиления (КУ) передающей антенны; Gr КУ приемной антенны; 0 c f 0 длина волны с несущей частотой f 0 ; c скорость света в вакууме; z0 расстояние между передатчиком (ПРД) и ПРМ;

множитель ослабления (коэффициент потерь) мощности (энергии) сигнала в среде (тропосфере) из-за поглощения; коэффициент затухания (дБ/км), зависящий от свойств среды и частоты f 0 ( 102...1 дБ/км при множитель ослабления мощности сигнала с частотой f 0 в свободном пространстве на расстоянии z 0 ;

дополнительные потери передачи, обусловленные поглощением ( LП ) в среде распространения радиоволн (РРВ), или в линии (канале) связи.

Входящая в условия (1.9 1.11) мощность шума (флуктуационной помехи типа гауссовского белого шума с равномерной спектральной плотностью мощности N 0 ) на входе ПРМ ССС (в полосе пропускания F, равной ширине спектра сигнала F0 ) определяется как [90, 125] где kБ 1,38 10 23 (Дж/К) – постоянная Больцмана; Т Э эквивалентная шумовая температура приемной системы (т.е. приемника и приемной антенны), измеряемая в К; N0 kБТ Э (Вт/Гц) – спектральная плотность мощности белого шума.

В соответствии с выражениями (1.10, 1.12, 1.16) условие обеспечения детализированном виде как

Б Э П Б Э П Б Э П

Анализ неравенства (1.17) показывает, что условие обеспечения ПУ коэффициенты усиления антенн ( Gt, Gr ) и ниже шумовая температура приемной системы ( TЭ N0 kБ ) и чем меньше потери передачи в линии Заметим, что среди указанных путей выполнения условия обеспечения ПУ ССС отсутствует увеличение ширины спектра сигнала ( F0 ) или его базы ( Bs Ts F0 ).

Условие обеспечения ПУ ССС (1.8, 1.17) часто записывается в более удобной форме представления – в виде равенства:

на не учитываемые факторы [103, 106 - 108]. В ССС этот запас может составлять от Г=1дБ до 10 дБ и его выбор является сложной задачей [90, 103]. Это объясняется следующими обстоятельствами.

Выбор энергетического запаса ( ) в ССС существенно зависит от выбора несущей частоты ( ) передаваемых сигналов, которая определяет не L0 1 / W02 (4z 0 f 0 / c) 2, но и потери на поглощение в среде: Lп ( f 0 ) 1 / Wп2 ( f 0 ).

Так, при традиционной для радиолинии ИСЗ – Земля частоте поэтому энергетический запас выбирают всего лишь 1 дБ [103]. При создают запас 5 дБ [103]. При выборе несущей частоты в диапазоне Г 6...20 дБ [115].

поглощение в среде распространения на линии ИСЗ – Земля будут [70, 115] и широко используют в ССС.

Проведенный анализ факторов, учитываемых в настоящее время при выборе энергетического (системного) запаса ( ) CCC показал следующее: 1) традиционно используемых в ССС диапазонах частот небольшой энергетический запас Г 1...2 дБ выбирается для компенсации энергетический запас ССС Г 6...20 дБ для компенсации значительных потерь на поглощение волны ( Lп 6...20 дБ ) в дождях (гидрометеорах).

Как видим, создаваемый в настоящее время энергетический запас ССС служит для компенсации неучитываемых потерь на поглощение волны ( Lп ) в ионосфере и/или дождях, которые могут изменяться в достаточно широких пределах. Это обусловлено тем, что потери на поглощение в ионосфере ( Lп ) и тропосфере ( Lп(ТР) ) зависят не только от выбора несущей электронной концентрации (ЭК) в ионосфере (N) и интенсивности дождей ( ионосферы и ливневых дождях значения N и J д могут изменяться на 1- порядка [96, 127].

Поскольку изменения N и J д и обусловленные ими вариации поглощения ( Lп ) происходят случайным образом и относительно медленно (с периодом в несколько минут или часов), то они носят характер медленных замираний (МЗ).

Если изменения N и J д учитываются (т.е. измеряются) в ССС, то передаваемого сигнала с целью поддержания постоянства поглощения ( Lп Поэтому в случае учитываемых потерь на поглощение ( Lп ) введение энергетического запаса на компенсацию не требуется. Тогда Г 1 (0 дБ) и условие (1.18) h Гhдоп сводится к виду h hдоп. В случае, когда вариации потерь ( Lп ) на поглощение не учитываются (т.е. не измеряются) необходимо выбрать энергетический запас для их компенсации:

Иными словами, запас в ССС создается для компенсации влияния медленных замираний сигналов (с периодом в несколько минут или часов и более) из-за не учитываемого изменения поглощения волны в среде [90, 108] При этом возможность возникновения быстрых замираний (с периодом ~ 102...1 с ) принимаемых сигналов в ССС не учитывается. Это объясняется быстрых замираний (БЗ) принимаемых сигналов обусловлено многолучевым РРВ из-за их рассеяния на неоднородностях тропосферы или отражения от шероховатой поверхности Земли [55, 56, 115]. Однако при угле места (возвышения) антенны 5 эти БЗ практически не проявляются.

Помимо компенсации влияния медленных замираний сигналов из-за неучитываемого изменения поглощения волны в среде, энергетический (системный) запас Г в ССС вводится для компенсации снижения ПУ из-за неидеальности синхронизации, наличия интерференционных искажений и ряда других трудно учитываемых факторов [90].

Таким образом, целесообразность записи условия обеспечения ПУ ССС (1.8, 1.17) в виде равенства (1.18, 1.19) h 2 hдоп Г обусловлена следующим:

а) левая часть равенства ( h 2 ) определяет величину фактического отношения С/Ш на входе ПРМ с учетом характеристик ПРД ( Pt, R ), антенн ( Gt Gr ), высокочастотных трактов ПРМ ( T ) и средних (медианных) потерь передачи при РРВ в радиолинии ( L L );П б) в правой части равенства допустимое отношение С/Ш на входе ПРМ hдоп учитывает основные факторы, влияющие на ПУ ( Рош доп ) приема сигналов (вид их модуляции, схемы обработки, коэффициент защиты (запаса ) для компенсации быстрых замираний (БЗ) принимаемого сигнала);

в) энергетический (системный) запас Г вводится для компенсации ухудшения ПУ ( Рош доп ) из-за влияния медленных замираний (МЗ) сигналов вследствие не учитываемого изменения поглощения ( Lп ) волны в среде, а также из-за не идеальности синхронизации и ряда других не учитываемых факторов.

Анализ условия обеспечения ПУ ССС (1.19) показывает, что в традиционном для ССС диапазоне несущих частот f 0 1...10 ГГц реализуются очень высокие коэффициенты усиления обычных параболических антенн небольшого диаметра d A =1…2 м [9-11, 69, 70, 103, 106, 107, 124-126] Кроме того, в этом диапазоны обеспечиваются очень малые потери на поглощение волны в ионосфере LП ( f0 ) 0,1 дБ и низкая шумовая температура приемной системы Т ( f 0 ) 100 K. Благодаря этому даже при значительных потерях передачи при РРВ в свободном пространстве L0 (4 z f c ) 180 дБ на наибольшем расстоянии до ИСЗ (Н исз z =4 10 7 м ), высоких скоростях передачи RТ 1 Т 105...106 бит с и обычном энергетическом запасе Г 1...2 дБ условие (1.19) обеспечения ПУ ССС выполняется при мощности излучения бортового передатчика всего Pt 10Вт.

Это обусловлено хорошими условиями распространения радиоволн коэффициентом усиления передающей и приемной антенны ( G ~ 20...40 дБ ) t,r и низкой шумовой температурой внешних помех ( Т Э ( f ) 100 K ). Отсюда следует общеизвестный [126] вывод, что основным достоинством ССС является обеспечение высокой помехоустойчивости, которое обусловлено тем, что в традиционно используемом диапазоне несущих частот f 0 =1…10 ГГц реализуются очень высокие коэффициенты усиления антенн, низкие шумовые температуры внешних помех и отличные условия РРВ. Однако по тем же причинам основным недостатком ССС является низкая энергетическая скрытность (ЭСк) [81].

определяется вероятностью разведки ( Рр ) параметров сигналов системой (несанкционированного пользователя): Рскр 1 Рр.

Конкретный смысл и аналитические выражения для Рр определяются многими факторами: целью функционирования системы радиоразведки, моделью каналов, сигналов и помех. Согласно [75] системы радиоразведки предназначены для: 1) обнаружения сигналов РЭС, 2) измерения его параметров, 3) пеленгования направления излучения (прихода) сигналов, 4) перехвата сообщений. Поэтому для подсистемы радиолокационного обнаружения сигналов РЭС средствами радиоразведки вероятность разведки Рр в имеет смысл вероятности правильного обнаружения ( Рпо ) сигнала при фиксированной вероятности ложной тревоги ( Рлт ) [14, 75]. Для подсистемы обнаружения факта или при достоверном знании наличия (прихода) сигнала РЭС на входе ПРМ радиоразведки) вероятность разведки Рр имеет смысл вероятности правильного различения сигналов качество перехвата дискретных (цифровых) сигналов оценивается вероятностью ошибки ( Рош ) приема каждого отдельного информационного символа ( j 1, 2,... m ) передаваемого сообщения приемником радиоразведки [14, 19, 74].

Следовательно, если система радиоразведки предназначена для решения задачи перехвата сообщений, то вероятность разведки параметров сигнала соответствует вероятности правильного различения сигналов, определяемой вероятностью их ошибки в ПРМ разведки:

различения сигналов в ПРМ разведки:

Наряду с вероятностными показателями энергетической скрытности в показатели скрытности [3, 17, 19, 74, 92]. Это обусловлено тем, что обеспечиваемые в ПРМ разведки ( p ) вероятность ошибочного различения ( Pош р ) сигналов аналогично (1.1) связана функциональными зависимостями ( ) с энергетическим отношением С/Ш на входе ПРМ разведки hр Здесь отношение ( hр ) энергии сигнала на входе ПРМ разведки ( Erр ) к энергетическому отношению ( h 2 ) сигнал/шум на входе ПРМ систем связи разведываемого сигнала известны):

где Prр P0р отношение мощности сигнала на входе ПРМ разведки ( Prр ) к мощности шума ( P0 р ).

Очевидно, что скрытность (энергетическая) ССС будет обеспечена в том случае, если аналогично (1.8) фактическое энергетическое отношение сигнал/шум на входе ПРМ разведки hр 1 ( Pош р ) будет меньше, чем hдоп р 1 ( Pош доп р ), вероятности ошибки в ПРМ разведки ( Pош доп р ):

В соответствии с условием (1.25) оценка энергетической скрытности ССС может производиться путем расчета коэффициента скрытности, определяемого в [15, 18] и в [16, 17, 109] отношениями:

с последующим сравнением величины ЭС с 1. Поэтому условие (1.25) коэффициент ЭС как В [92] оценка скрытности осуществляется непосредственно по количественного критерия энергетической скрытности ССС целесообразно выбрать ЭС (1.27).

Согласно (1.24) фактическое отношение ( hр ) энергии сигнала на входе ПРМ разведки ( Erр ) к спектральной плотности шума ( N 0р ) определяется мощностью сигнала на входе ПРМ разведки. Последнее описывается выражением, аналогичным (1.12):

Здесь, в отличие от (1.12), фигурирует не коэффициент усиления передающей антенны в направлении t 0 максимума излучения на ПРМ ССС а коэффициенты усиления передающей антенны в направлении tр >0 на ПРМ разведки и значение ее нормированной ДН по мощности:

Аналогично (1.29) определяются коэффициенты усиления антенны ПРМ разведки в произвольном направлении Grр (rр 0) и ее нормированная ДН по мощности Fr2 ( r 0) :

Аналогично (1.15) определяются потери передачи в свободном пространстве на расстоянии zр от ПРД ССС до ПРМ разведки и потери из-за поглощения ( LПр ) в среде до ПРМ разведки:

Если направление максимума ДН антенны ПРМ разведки точно совпадает с направлением на ПРД ССС, то rр 0, значения и выражение (1.28) сводится к виду Мощность шума (флуктуационной помехи типа белого гауссовского шума) на входе ПРМ разведки при известной ширине спектра сигнала ( F0 ) определяется согласно (1.16):

где N0р kБТ Эр спектральная плотность мощности шума на входе ПРМ разведки; Т Эр эквивалентная шумовая температура ПРМ разведки.

В соответствии с (1.33) и (1.34) отношение (1.24) отношение ( hр ) энергии сигнала на входе ПРМ разведки ( Erр ) к спектральной плотности шума ( N 0р ) определяется как Входящая в (1.35) мощность ПРД ССС ( Pt ) определяется из условия обеспечения ПУ ССС не хуже допустимой (1.19):

PG G PG G PG G

Б Э П Б Э П Б Э П

Из (1.36) получим выражение для минимальной мощности излучения ПРД ССС:

Подстановка (1.37) в (1.35) позволяет с учетом (1.31) записать выражение для энергетического отношения сигнал/шум на входе ПРМ разведки как можно записать в виде или Анализ полученных условий (1.30, 1.40) обеспечения энергетической скрытности ССС в условиях осуществления радиоперехвата ПРМ разведки показывает наличие следующих известных [92] путей практической реализации этих условий:

1) уменьшение нормированной ДН передающей антенны ССС ( Ft2 (tр ) 1) в направлении на ПРМ разведки ( tр );

2) увеличение коэффициента усиления приемной антенны ССС ( Gr ) по сравнению с антенной ПРМ разведки ( Grр );

3) уменьшение дальности радиосвязи ( z0 ) по сравнению с дальностью разведки ( z р );

4) уменьшение потерь передачи из-за поглощения в радиолинии ССС ( LП ) по сравнению с поглощением в радиолинии разведки ( LПр );

5) уменьшение эквивалентной шумовой температуры приемной системы связи ( Т Э ) по сравнению с температурой приемной системы разведки ( Т Эр );

6) уменьшение допустимого значения энергетического отношения С/Ш на входе ПРМ ССС ( hдоп ) по сравнению с ПРМ разведки ( hдоп р ).

Наиболее широко в настоящее время используется путь уменьшения нормированной ДН передающей антенны ССС ( Ft2 (tр ) 1) в направлении на ПРМ разведки.

Однако этот путь обеспечения энергетической скрытности ССС будет неэффективными, если ПРМ радиоперехвата расположен вблизи ПРМ ССС [117, 118]. Для обоснования этого утверждения рассмотрим модель (схему) размещения радиосредств (ПРД и ПРМ) ССС и ПРМ радиоперехвата (рисунок 1.1), когда последний расположен на малом удалении от ПРМ ССС (например, в радиусе перехвата Rр 10 км ).

Рисунок 1.1 – Модель размещения радиосредств (ПРД и ПРМ) ССС и ПРМ При расстояниях до искусственных источников Земли (ИСЗ) ССС от z0 ~ 1000 км (для низких орбит) до z0 ~ 40000 км (на высокоэллиптических и геостационарных орбитах) удаление ПРМ радиоперехвата от ПРМ ССС на перехватываемого излучения на очень малый угол При столь малых значениях угла tр величина нормированной ДН передающей антенны с шириной 0,5 ~ 10 согласно [91] составляет В соответствии с (1.41) расстояние до ПРМ радиоперехвата при tр 0,57 возрастает по сравнению с z0 1000...40000 км пренебрежимо мало:

Поэтому можно ожидать, что и потери из-за поглощения в среде (радиолинии) перехвата (например, ионосфере) практически не изменятся по сравнению с потерями в радиолинии (РЛ) ССС: LПр LП.

ПРМ радиоперехвата вблизи ПРМ ССС показывают, что в этом случае будем иметь:

Тогда условие (1.40) обеспечения энергетической скрытности ССС при ведении радиоперехвата с помощью близко размещенного ПРМ сводятся к более простому виду Анализ условия (1.43) показывает, что при использовании для радиоперехвата сигналов точно такого же ПРМ, что и в ССС (у которого Т Эр Т Э ; N0р kБTЭр kБTЭ N0 ; hдоп р hдоп ; Grр Gr ) оно сводится к виду Г h 2 hдоп 1, то значение принципиально невозможно.

позволяет сделать очевидный вывод: если ПРМ РПХ расположен близко от ПРМ ССС (когда hр h hдоп Г ) и имеет точно такую же приемную антенну (т.е. Grр Gr ), высокочастотную часть (т.е. Т Э Т Эp ) и схему обработки (т.е.

hдоп р hдоп ), то обеспечить энергетическую скрытность ССС нельзя [117, 118]. Это наглядно иллюстрируется на рисунке 1.1, где показано, что в лучшем случае при близком размещении ПРМ ПРХ от ПРМ ССС и одинаковых их характеристиках ( Т Э Т Эp ; hдоп р hдоп ; Grр Gr ) можно достичь величины =1 (но не >1).

Анализ условия (1.43) обеспечения энергетической скрытности ССС при близком размещении ПРМ ПРХ от ПРМ ССС показывает, что выполнить его за счет увеличения коэффициента усиления приемной антенны ССС ( Gr 0,5d A r f 0 /c ) по сравнению с антенной ПРМ разведки ( Grр 0,5d Arр f 0 /c ) можно только за счет значительного увеличения диаметра спутниковой антенны d A r >> d Arр. Путь уменьшения эквивалентной шумовой температуры приемной системы связи ( Т Э ) по сравнению с температурой приемной системы разведки ( Т Эр ) представляется еще более Оно указывает на три возможных альтернативных пути (А1, А2, А3) повышения энергетической скрытности ССС при близком размещении ПРМ РПХ:

которые до настоящего времени не использовались.

Однако указанные пути повышения энергетической скрытности ССС за счет повышения коэффициента усиления приемной антенны ( Gr Grp ) и эквивалентной шумовой температуры ПРМ ( TЭ TЭp ) затратны, а за счет повышения эффективности схемы обработки сигналов ( hдоп hдоп р ) неизвестны.

Четвертый этап методики заключается в оценке альтернатив и выборе решения. Его центральным моментом является обоснование и оценка нового способа повышения энергетической скрытности ССС, соответствующего третьей альтернативе (А3). Согласно (1.49) для повышения эффективности ошибочного приема сигналов и отношением С/Ш на входе ПРМ ССС по сравнению с ПРМ РПХ ( Pош p j (hp ) ). Реализуется этот способ в два этапа за счет:

1) изменения типа модели канала связи на более сложный (например, с многолучевым распространением радиоволн (РРВ) и быстрыми замираниями (БЗ) принимаемых сигналов);

2) применения в ПРМ ССС пространственно-разнесенного приема сигналов на несколько (n) антенн (использование которых в РПМ РПХ невозможно из-за жестких ограничений на их массогабаритные показатели).

Cпособ обеспечения энергетической скрытности ССС за счет передачи обуславливающей появление многолучевого РРВ и БЗ принимаемых сигналов, и разнесенного приема на n=4 антенны представлен на рисунке 1.2.

следующие известные [118] закономерности:

1). При понижении несущей частоты f 0 с 1 ГГц до 30…100 МГц процесс РРВ сопровождается поглощением в ионосфере и многолучевостью, вызывающей БЗ принимаемых сигналов. Поэтому множитель ослабления волны на трассе определяется произведением множителей поглощения и быстрых замираний (БЗ) волны в ионосфере:

Эти множители зависят от несущей частоты и параметров ионосферы:

где N и Э - электронная концентрация (ЭК) и эффективная частота соударений электронов (ЭЧСЭ) в ионосфере, а Ni N N - флуктуации ЭК в неоднородностях ионосферы относительно их среднего значения N.

Неоднородности ионосферы определяют величину относительных фазовых сдвигов лучей i N i f, приходящих в точку приема.

Рисунок 1.2 Способ обеспечения энергетической скрытности ССС за счет использования пониженной частоты и разнесенного приема на n=4 антенны 2). По мере понижения несущей частоты f, увеличения i N i f и глубины БЗ принимаемых сигналов, характеризуемых параметром Райса происходит изменение вида зависимостей Pош (h 2 ) и hдоп 1 ( Pош доп ) при использовании некогерентного одиночного ( n 1 ) и разнесенного ( n 4 ) приема сигналов (рис.1.3):

Рисунок 1.3 Зависимости Pош (h 2 ) для одиночного ( n 1 ) и разнесенного ( n 4 ) приема сигналов без замираний и рэлеевскими БЗ изменение параметра Райса (1.52) и вида зависимостей Pош (h 2 ) и hдоп 1 ( Pош доп ) состоит в следующем [51, 54, 60, 61, 95, 113]:

а) при отсутствии многолучевости ( i Ni f 0 0 ) и быстрых замираний ( 2 ), одиночном приеме ( n 1 ) и характерной для ССС допустимой вероятности ошибки Pош доп 10 5 будем иметь возникновении БЗ рэлеевского типа ( 2 0 ) и одиночном приеме ( n 1 ):

в) при i 2, рэлеевских БЗ ( 2 0 ) и счетверенном приеме ( n 4 ):

В соответствии с рисунками 1.2, 1.3 и выражениями (1.54, 1.55) близком размещении ПРМ РПХ от ПРМ ССС (когда hp h 2 ) за счет за счет обуславливающих возникновение рэлеевских БЗ (когда hдоп р 50 дБ ), и применения разнесенного приема на несколько ( n 4 ) антенн (когда hдоп n h2 16 дБ ) позволяет достичь величины Сравнительная оценка трех альтернатив выполнения условия (1.46) обеспечения энергетической скрытности ССС при близком размещении ПРМ разработанного способа (рисунок 1.2). Это обусловлено тем, что при реализации 1-го альтернативного пути (совершенствования приемной антенны) для достижения Gr Grp 34 дБ (2500) потребуется увеличить диаметр приемной антенны ССС в 50 раз по сравнению с антенной ПРМ РПХ (что приведет к увеличению ее стоимости в ~ 1,25 105 раз), а при реализации 2-й применить охлаждение ПРМ ССС жидким гелием.

На пятом этапе методики обоснована целевая функция и задача принятия решений. В соответствии с рисунками 1.2 и 1.3 коэффициент энергетической скрытности ССС зависит от выбора допустимой вероятности ошибки ( Pош доп ), пониженной несущей частоты ( f 0 ), числа разнесенных (зависящих от выбора частоты и интервала пространственного разноса антенн А ). Поэтому согласно выражениям (1.27, 1.46, 1.56) целевую функцию можно записать в виде Тогда научную задачу можно сформулировать как задачу разработки использовании пониженных частот и пространственно-разнесенного приема сигналов на несколько антенн.

Таким образом, разработана 5-этапная методика системного анализа, энергетической скрытности ССС при близком размещении приемника радиоперехвата в научную задачу ее прогнозирования при использовании пониженных несущих частот и пространственно-разнесенного приема сигналов.

Данная задача решена в [99]. В результате ее решения получены отношения С/Ш на входе ПРМ РПХ, а также коэффициента энергетической скрытности ССС (1.57) Pош доп, f, n, R ( f, А ) от несущей частоты ( f 0 ) ССС и числа ( n 4 ; 8; 10) разнесенных антенн, приведенные на рисунке 1.4.

Анализ этих зависимостей показывает, что при использовании в ССС допустимой вероятности ошибки Рош доп 105. При выборе в ССС несущей частоты f 0 >200 MГц коэффициент энергетической скрытности снижается до значений ЭС ~ 1дБ.

Рисунок 1.4 Зависимости фактического ( hp hдоп n ) и допустимого ( hдопp hдоп1 ) отношения С/Ш от несущей частоты ( f 0 ) при использовании в ССС нескольких ( n ) антенн обеспечения энергетической скрытности ССС (1.19) при использовании в ССС пониженных частот в диапазоне f 0 =60…80 МГц и четырех (n=4) разнесенных антенн. Напомним, что согласно (1.20) и (1.15) коэффициенты усиления антенн ССС и потери передачи в свободном пространстве сильно зависят от выбора несущей частоты:

передачи из-за поглощения волны в ионосфере (1.58) а также шумовая температура T ( f 0 ) приемной системы [50, 55, 56, 69,79, 80, 103, 106, 107, 124-126]. Обратим внимание, что в соответствии с рисунком 1.4 допустимые отношения С/Ш при одиночном и разнесенном приеме также зависят от выбора несущей частоты: hдоп = ( f 0 ) ; hдопn = ( f 0 ).

Поэтому условие обеспечения энергетической скрытности ССС (1.19) при использовании в ССС пониженных частот f 0 =60…80 МГц и четырех (n=4) разнесенных антенн можно записать в следующем виде:

Следует учесть, что в диапазоне метровых волн (МВ), куда входит участок частот f 0 =60…80 МГц, обычно используются не параболические антенны с коэффициентом усиления (1.20) Gt,r ( f 0 ) 0,5d A f 0 /c, более простые спиральные антенны или директорные (иначе, - антенны типа описываются выражениями следующего вида [9 -11, 28, 67, 78]:

где LAt,r - длина антенны типа «волновой канал».

В соответствии с (1.60) и (1.15) на частотах f 0 =60…80 МГц при длине поглощение в ионосфере и шумовая температура приемной системы при сигналов на n=4 антенны согласно рисунков 1.3 и 1.4 имеет величину hдоп4 16 дБ. Тогда, при достаточно высокой скорости передачи энергетической скрытности ССС (1.59) выполняется, если мощность излучения бортового ПРД увеличить до Pt 100...1000 Вт. В диапазоне МВ такие значения мощность излучения ПРД легко реализуются на практике при небольших массогабаритных показателях [79, 80].

Таким образом, проведенный анализ рисунка 1.14 и условия (1.59) показал, что применение в ССС пониженных несущих частот f 0 =60… МГц и пространственно разнесенного приема сигналов на n=4 антенны позволяет обеспечить очень высокую энергетическую скрытность ( ~30дБ) ЭС и требуемую ПУ ( Pош доп 10 5 ) при типовых значениях параметров технических средств ( Pt 100...1000 Вт, LAt,r 7 м), скорости передачи ( RТ 105 бит с ) и энергетического запаса Г=1…10 дБ.

Однако известный способ повышения ЭСк ССС за счет применения пониженной несущей частоты и разнесенного приема на несколько (n 4 ) антенн обладает двумя существенными недостатками:

1) увеличение числа приемных антенн больше 2 (т.е. n>2) приводит к снижению эффективности применения пространственно разнесенного приема сигналов по сравнению с одиночным (т.е. к уменьшению отношения hдоп1 hдопn (n, 2, RБЗ ) по мере роста n, которое (при 2 0, RБЗ =0) составляет hдоп1 hдопn =23; 30; 34дБ при n=2, 3, 4 соответственно);

2) применение в ССС пониженной несущей частоты в ССС (до значений f ~ 30 МГц ) и пространственно разнесенного приема сигналов на n=2 антенны (т.е. сдвоенного приема) затрудняет выполнение условия обеспечения ПУ ( допустимого ( hдоп 2 > hдоп 4 ) отношения С/Ш ( h ) на входе ПРМ.

Способ обеспечения ПУ и ЭСк при использовании с ССС пониженной аналогичный счетверенному приему (рисунок 1.2), представлен на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 – Способ обеспечения ПУ и ЭСк при использовании с ССС пониженной частоты и сдвоенного ( n 2 ) приема сигналов Приведенные на этом рисунке значения допустимого ( hдопp hдоп 1 ) и фактического ( hp hдоп 2 ) отношения С/Ш на входе ПРМ РПХ, а также коэффициента энергетической скрытности ( ) определяются известными [99] зависимостями допустимого ( hдопp hдоп 1 ) и фактического ( hp hдоп n ) отношения С/Ш на входе ПРМ РПХ от выбора несущей частоты ( f 0 ) ССС и числа ( n 4; n 2 ) разнесенных антенн при различных коэффициентах корреляции замираний ( RБЗ ) и Pош доп 10 5 (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 Зависимости допустимого ( hдопp hдоп ) и фактического ( hp hдоп n ) отношения С/Ш на входе ПРМ РПХ от частоты ( f 0 ) ССС и Анализ рисунков 1.5, 1.6 и условия (1.45) обеспечения ЭСк ССС при приема ( n 2 ) сигналов (когда hдоп hдоп2 hр и hдоп р hдоп1 ):

указывает на возможность достижения достаточно высоких коэффициентов энергетической скрытности, хотя их значения меньше, чем при счетверенном ( n 4 ) приеме, когда достигается 34 дБ.

Согласно (1.61) при отсутствии энергетического запаса (т.е. Г=1) коэффициент энергетической скрытности ССС с применением сдвоенного принимаемых сигналов ( 2 0 ) и отсутствии корреляции в разнесенных антеннах ( RБЗ =0). При сильной пространственной корреляции рэлеевских снижается до величины =13 дБ, т.е. на 10 дБ.

энергетической скрытности ( f 0 ) 1 выполняется тем надежнее, чем 1. Поэтому требования к энергетической скрытности ССС целесообразно задавать величиной, равной не 1,а некоторому допустимому значению ЭСк записать в виде обеспечения энергетической скрытности ССС не хуже допустимой:

Условие обеспечения ПУ ССС (1.19) при понижении несущей частоты до f 0 30 МГц и использовании сдвоенного ( n 2 ) приема сигналов будет дБ на hдоп 2 27 дБ:

С учетом зависимости от выбора несущей частоты коэффициентов усилении антенн (1.60) и потерь передачи в свободном пространстве (1.15):

условие обеспечения ПУ ССС (1.63) при понижении несущей частоты до f 30 МГц и использовании сдвоенного ( n 2 ) приема сигналов можно записать в следующем виде:

где k - постоянный коэффициент, определяемый как Анализ условия (1.65) показывает, что в случае использования традиционных для диапазона метровых волн (МВ) антенн типа «волновой канал» длиной LA =5…10 м реализуется относительно небольшой коэффициент температура приемной системы Т ~ 1 f 0 могут существенно возрастать и на LП ~ 1...20 дБ; Т ~ 105 K. Поэтому при скорости передачи RТ 105 бит с и энергетическом запасе мощность излучения бортового передатчика составляет Pt ~ 5 10 2...5 10 4 Вт. В настоящее время такую мощность излучения в диапазоне МВ при ограниченных массогабаритных показателях бортовых ПРД ССС реализовать на практике невозможно.

Отсюда следует противоречие в практике (практическая проблема): при использовании в ССС пониженной несущей частоты ( f 30...100 МГц ) и пространственно разнесенного приема сигналов на n 2 антенны условие обеспечения ПУ ССС (1.65) может не выполняться при реализуемых R 10...10 бит с, энергетическом запасе Г 1...10 дБ ).

Поэтому объектом исследований являются ССС на участке ИСЗ Земная станция (ЗС) при близком размещении ПРМ РПХ от ПРМ ССС, и сдвоенный прием сигналов (т. е. на 2 антенны).

Цель диссертации заключается в разработке практических рекомендаций обеспечивающих требуемую помехоустойчивость ( h h Г ) и энергетическую f 30...100 МГц ) и сдвоенного ( n 2 ) приема сигналов.

1.3 Методика системного анализа проблемы выбора параметров технических средств ССС при использовании пониженных частот и сдвоенного приема Анализ условий обеспечения энергетической скрытности (1.62) и помехоустойчивости (1.65) ССС при использовании при использовании с ССС пониженной частоты f 30...100 МГц и сдвоенного ( n 2 ) приема сигналов:

указывает на наличие нескольких альтернативных путей их выполнения:

1) увеличение мощности излучения бортового ПРД ( Pt );

2) увеличение длины директорной передающей ( LAt ) и приемной ( LAr ) антенны, обеспечивающее возрастание коэффициентов их усиления ( Gt, Gr );

3) снижение скорости передачи RТ ;

4) снижение энергетического запаса Г;

5) увеличение пространственного разноса приемных антенн А, обеспечивающее уменьшение коэффициента пространственной корреляции замираний в антеннах R ( А, f ), что приводит согласно рисунку 1.6 к снижению допустимого отношения С/Ш при сдвоенном приеме сигналов hдоп2 ( f 0 ) ;

пониженных частот f 30...100 МГц, которая определяет выбор значения которая определяет увеличение потерь передачи из-за поглощения в ионосфере LП ( f 0 ) и шумовой температуры приемной системы Т ( f 0 ), а также допустимые отношения С/Ш при одиночном hдоп1 ( f 0 ) и сдвоенном hдоп1 ( f 0 ) приеме сигналов.

помехоустойчивости (1.65) ССС при использовании пониженной частоты f 30...100 МГц и сдвоенного ( n 2 ) приема сигналов не является превалирующим и очевидным, то указанное выше противоречие в практике представляет собой проблему [57].

В соответствии с [57, 102] подобного рода проблемы относятся к группе слабоструктурированных, а для их решения предназначен системный анализ.

Особенностью слабоструктурированной проблемы является то, что состав ее элементов известен не полностью и поэтому для ее разрешения используют не только формальные (математические, количественные) методы, но и неформальные (эвристические, качественные).

слабоструктурированных. Это обусловлено прежде всего тем, что выбор f 30...100 МГц не очевиден и противоречив. С одной стороны, понижение энергетической скрытности ССС ( f 0 ) и облегчению выполнения условия частоты f приводит согласно (1.65) к увеличению потерь передачи из-за поглощения в ионосфере LП ( f 0 ) и шумовой температуры приемной системы затруднению выполнения условия (1.65) ее обеспечения h ( f 0 ) = hдоп2 ( f 0 )Г.

Очевидно, что для отыскания способа компромиссного выбора пониженной несущей частоты, обеспечивающей одновременно выполнение противоречивых требований к помехоустойчивости и энергетической скрытности ССС, необходимо использовать неформальные, эвристические подходы и соображения здравого смысла, а не формальный математический аппарат.

По определению [102] системный анализ дисциплина, занимающаяся проблемами принятия решений в условиях, когда выбор альтернативы требует анализа сложной информации различной физической природы.

Проведенный анализ альтернативных путей выполнения условий обеспечения ЭСк (1.62) и ПУ (1.65) ССС показал, что выбор этих альтернатив требует анализа информации различной физической природы о параметрах hдоп р и hp, зависящих от характеристик передаваемых сигналов, антенн, параметров среды, условий распространения радиоволн (РРВ), типа модели радиоканала, схемы обработки сигналов и т.д.

В приложении к сформулированной проблеме проведение системного анализа позволит принять обоснованное решение в пользу выбора, например, 3-й альтернативы обеспечения энергетической скрытности ССС (т.е.

ЭС hдоп р hp 1) на основе анализа информации различной физической природы о параметрах фактического h ( f 0 ) и допустимого ( hдоп1, hдоп 2 ) отношения С/Ш на входе приемников ССС и РПХ, зависящих от мощности и скорости передаваемых сигналов, параметров антенн, неоднородной ионосферы, многолучевого распространения радиоволн (РРВ), типа модели радиоканала, схемы пространственно – временной обработки сигналов и т.д.

совокупность взаимосвязанных этапов, которая в самых общих чертах включает [12, 57, 102]:

1) анализ структуры системы и построение ее модели;

2) выявление проблемы;

3) постановку цели;

4) выбор критерия;

5) генерирование альтернатив;

6) оценку альтернатив и выбор решения;

7) постановку задачи принятия решения;

8) реализацию решения.

Главное предназначение системного анализа состоит в том, чтобы перевести проблему в задачу принятия решения. Для этого желательно получить выражение вида Q f ( ), связывающее цель (Q ) со средствами ( ) ее достижения. Для перевода проблемы в задачу принятия решения (т.е.

перевода этапа 2 в этап 7) необходимо иметь какую-то методику системного анализа. Ее основными особенностями являются сочетание формальных (математических) и эвристических методов, а также отсутствие строгой последовательности приведенных этапов и их многосвязность. По этим причинам универсальной методики системного анализа не существует и в каждой предметной области приходится разрабатывать свои методики [57].

В соответствии с приведенной выше совокупностью взаимосвязанных этапов системного анализа и результатами п.1.2 была разработана методика системного анализа проблемы выбора параметров технических средств ССС по требованиям к ЭСк и ПУ при использовании пониженных частот и сдвоенного приема. Она включает следующие этапы:

1 этап. Выявление слабоструктурированной проблемы, сформулированной выше.

Pt, LAt,r, А, RТ, Г, f 0 ) ССС по требованиям к ЭСк и ПУ при использовании в ССС пониженной несущей частоты f 30...100 МГц и сдвоенного ( n 2 ) приема сигналов.

3 этап. Выбор критериев: обеспечения требуемой энергетической скрытности 4 этап. Генерирование альтернатив: выбор параметров технических средств: 1) мощности передатчика Pt и размеров антенн LAt, LAr (при ограничениях Pt 103 Вт, LAt, r 10 м ); 2) скорости передачи: RТ 1 Ts (при ограничениях RТ 103...106 бит с ); 3)энергетического запаса ( Г 1...10 дБ ); 4) пониженной частоты f 0, определяющей допустимые значения частотно – зависимых параметров:

5 этап. Оценка альтернатив и выбор решения.

пониженной несущей частоты и параметров технических средств по требованиям к ЭСк и ПУ ССС.

Суть данного способа состоит в следующем:

1) условие обеспечения ЭСк ССС (1.62) можно записать в децибелах в виде разности 2) в соответствии с (1.66) и рисунком 1.6 построить график зависимости = (f ) коэффициента энергетической скрытности ССС от выбора несущей частоты (рисунок 1.7а);

ЭСк (а) и параметров технических средств (Т) по требованиям к ПУ (б) ССС 3) по требованиям к ЭСк ССС (допустимому значению коэффициента

ДОП ДОП

4) условие обеспечения ПУ ССС (1.65) можно записать в дБ в двух видах:

а) разности зависящих от частоты фактического h ( f 0 ) и допустимого hдоп 2 ( f 0 ) отношений С/Ш на входе ПРМ ССС где допустимое отношение С/Ш на входе ПРМ ССС определяется глубиной замираний БЗ ( f 0 ) и их корреляцией RБЗ ( f 0, А ) в разнесенных на расстояние А антеннах и требованиями к помехоустойчивости Pош доп :

б) разности не зависящего от частоты обобщенного технического параметра Т где 5) построить график изменения частотно–зависимого параметра П( f 0 ) дБ от выбора несущей частоты (рисунок 1.7б);

6) для найденного значения допустимой несущей частоты ( f 0 доп ) по требованиям к ЭСк ССС и выбранного энергетического запаса (Г) определить согласно (1.68) величину частотно – зависимого П( f 0 доп ) и обобщенного технического параметра TдБ П( f 0 ) дБ Г дБ ;

7) по величине обобщенного технического параметра TдБ П( f 0 ) дБ Г дБ в соответствии с (1.70) TдБ = Pt LAt LAr /z02 RТ k дБ выбрать параметры технических Анализ рисунков 1.7а и 1.7б указывает на наличие следующих закономерностей:

а) чем выше требования к ЭСк ССС ( эс доп ), тем ниже должна быть допустимая частотно – зависимый параметр П( f 0 доп ) при заданных требованиях к ПУ ССС в) чем выше требования к ПУ ССС (меньше Pош доп ), тем больше должно быть отношение C/Ш на входе ПРМ (1.67) hдоп 2 ( f 0 ) и величина частотно – зависимого параметра (1.71) П( f 0 доп ) на допустимой несущей частоте f 0 доп и г) чем больше выбран энергетический запас (Г) ССС, тем выше должен быть технический параметр ( Т PL L /z R k ) при неизменной несущей частоте f 0 доп Таким образом, выполнение повышенных требований к ЭСк и ПУ ССС, использующих пониженные частоты f 30...100 МГц и сдвоенный ( n 2 ) прием сигналов, примерно в равной степени зависит от выбора альтернатив:

энергетического запаса (Г) и несущей частоты ( f ). Поэтому осуществить выбор решения в пользу какой-либо одной альтернативы не представляется целесообразным.

6 этап. Целевой функцией (требуемым научным результатом) задачи принятия решений является получение зависимости параметров технических средств ССС с использованием пониженных частот энергетической скрытности и помехоустойчивости.

1.4 Анализ недостатков известного НМА и постановка научных задач исследования В соответствии с полученной целевой функцией (1.72) для достижения поставленной цели необходимо решить общую научную задачу разработки методики параметрического синтеза (выбора технических характеристик радиосредств, скорости передачи, системного запаса, несущей частоты) ССС с использованием пониженных частот и сдвоенного приема сигналов по заданным требованиям к их энергетической скрытности и помехоустойчивости.

В настоящее время решение этой научной задачи не представляется возможным в силу следующих недостатков (противоречий) в научно – методическом аппарате (НМА):

1.Известны [100] аналитические выражения для оценки потерь на поглощение радиоволн в ионосфере:

где N T - среднее значение полного электронного содержания (ПЭС) ионосферы ( NТ ), - угол трансионосферного РРВ относительно горизонтали.

Известны также аналитические выражения для оценки глубины быстрых замираний (параметра Райса) и коэффициента пространственной корреляции замираний в разнесенных на расстояние = А антеннах [117, 119]:

которые определяются дисперсией флуктуаций фазы во фронте волны на выходе ионосферы где N m - среднее значение максимальной электронной концентрации(ЭК) в Недостатком выражений (1.74 – 1.76) является низкая достоверность определения глубины БЗ ( БЗ ~ f 0 N m и ), их корреляции ( RБЗ ~ f 0 N m и ) и дисперсии флуктуаций фазового фронта волны низкой точности измерения интенсивности неоднородностей ( и ) и максимальной средней электронной концентрации (ЭК) ионосферы ( N m ) с помощью станции вертикального зондирования (СВИЗ) [83, 84]. В последнее время появились новые возможности повышения точности измерения ионосферных параметров и дисперсии флуктуаций фазового фронта волны 2 ~ ( и N m f 0 ) 2 с помощью спутниковых радионавигационных систем (СРНС), определяющих полное электронного содержания (ПЭС) ионосферы ( NТ ~ N m ) [13, 85, 104].

Однако в настоящее время отсутствуют аналитические зависимости коэффициентов глубины замираний (параметра Райса) и их корреляции в разнесенных антеннах от несущей частоты и ПЭС ионосферы:

2. В известных [99] работах по низкочастотным ССС отношение учитывает увеличения мощности помех P0 ( f 0 ) k Б Fs TЭ ( f 0 ) и эффективной шумовой температуры TЭ ( f 0 ) ~ 1 f 0 приемной системы (т.е. ПРМ и приемной антенны) при понижении несущей частоты в ССС [50, 56, 65, 79, 94, 115].

Это объясняется отсутствием аналитических зависимостей мощности помех и эффективной шумовой температуры приемной системы от выбора несущей в диапазоне пониженных частот ( f 30...100 МГц ):

и фактического ( hp hдоп n ) отношения С/Ш на входе ПРМ РПХ (определяющие коэффициент энергетической скрытности hдоп1 hдопn ) от 2 выбора несущей частоты ( f 0 ) ССС и числа ( n 4; n 2 ) разнесенных антенн при различных коэффициентах корреляции замираний ( RБЗ ) построены графо - аналитическим путем на основе графиков на рисунке 1.8.

коэффициента энергетической скрытности hдоп1 hдопn от выбора несущей частоты ( f 0 ) ССС и числа ( n 4; n 2 ) разнесенных антенн включает 3 этапа:

1) построение известных [8, 95, 113] зависимостей Pош (h, БЗ, n, R ) вероятности ошибки от отношения сигнал/шум наличии сильной корреляции ( R =0,99) замираний в антеннах (рисунок 1.8);

Рисунок 1.8 Зависимость Pош (h ) для одиночного ( n 1 ) и разнесенного ( n 4, n 2 ) приема сигналов с райсовскими ( БЗ 2 ) и рэлеевскими ( БЗ 0 ) замираниями при отсутствии ( R =0) и наличии ( R =0,99) корреляции 2) определение по графикам этих зависимостей Pош (h, БЗ, n, R ) допустимых отношений С/Ш при одиночном и разнесенном приеме сигналов с рэлеевскими (РЗ) и райсовскими (РсЗ) замираниями (см.рисунок 1.8):

3) получения зависимостей параметра Райса от выбора несущей частоты и коэффициент корреляции замираний в антеннах от разноса антенн и частоты согласно выражениям (1.74 – 1.76) Данная графо - аналитическая методика принципиально не позволяет построить требуемую аналитическую зависимость (рисунок 1.7а) коэффициента обусловлено тем, что для общего случая райсовских замираний ( БЗ 0 ) и применения одиночного ( n 1 ) и сдвоенного приема ( n 2 ) сигналов отсутствуют аналитические зависимости от частоты допустимых отношений С/Ш:

hдоп1 Pош доп, БЗ ( f 0 ); hдоп2 [ Pош доп, БЗ ( f 0 ), n 2, RБЗ ( f 0, A )] ; (1.80),(1.81) что принципиально не позволяет получить требуемую аналитическую зависимость коэффициента энергетической скрытности ССС от выбора пониженной несущей частоты 4. Отсутствует методики параметрического синтеза низкочастотных ССС со сдвоенным приемом, позволяющие определить искомую целевую функцию (1.72):

Указанные 4 недостатка известного НМА обуславливают потребность декомпозиции сформулированной выше общей научной задачи на 4 частных научных задачи, для решения которых необходимо получить требуемые научные результаты (ТНР) в виде зависимостей (1.77 – 1.82) и (1.72):

Уточнение математической модели неоднородной ионосферы для повышения достоверности расчета характеристик быстрых замираний в трансионосферном радиоканале.

Методика расчета мощности шума на входе приемника ССС с пониженной несущей частотой.

Методика аналитической оценки энергетической скрытности ССС при использовании пониженных частот и сдвоенного приема.

Методика синтеза параметров технических средств ССС, использующих пониженные частоты и сдвоенный прием, по заданным требованиям и

2. УТОЧНЕННАЯ МОДЕЛЬ НЕОДНОРОДНОЙ ИОНОСФЕРЫ ДЛЯ

ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК

БЫСТРЫХ ЗАМИРАНИЙ В ТРАНСИОНОСФЕРНОМ РАДИОКАНАЛЕ

2.1 Обоснование выбора математической модели неоднородной ионосферы для описания трансионосферного радиоканала Известен [2, 26, 47, 48, 56, 62, 65, 110, 115, 116] ряд математических моделей ионосферы, применяемых для описания процесса распространения радиоволн (РРВ) в различных каналах связи и разработки их математических моделей. Большинство моделей ионосферы ограничивается описанием изменения электронной концентрации ЭК ( N ) по высоте ( h ) в слоях ( D, E, F ) ионосферы (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 Распределение по высоте ( h ) и пространству ( ) средней ЭК в слоях ( D, E, F ) ионосферы и ее неоднородностей N (h, ) Наиболее известной [2, 110] является аппроксимация ЭК по высоте N (h) в различных слоях ионосферы в виде параболической модели где N m N (hm ) максимальное значение ЭК (т.е. средняя ЭК на высоте h hm максимума ионизации), h0 высота нижней границы ионосферы.

Такой модели высотного распределения ЭК N (h) достаточно для запаздывания волны при отражении ее от слоя F ионосферы.

запаздывания волны при РРВ через ионосферу используется математическая модель интегральной ЭК в ионосфере [48, 110, 111] или полного электронного содержания (ПЭС) в столбе сечением 1 м 2 вдоль вертикального пути распространения волны в ионосфере.

Основу построения математической модели ПЭС составляет модель распределения ЭК N (h) по высоте, аналогичная рисунку 1. Однако для случая трансионосферного РРВ распределение ЭК в ионосфере описывается, в отличие от (2.1), как до высоты максимума ионизации h hm, так и выше его и обычно аппроксимируется линейно-экспоненциальным законом вида [2, 110, 111] В соответствии с (2.3) интегральная ЭК (или полное электронное содержание (ПЭС) ) в ионосфере, находится согласно выражению [110, 111] где h 1,7(hm h ) – эквивалентная толщина ионосферы c неизменной по высоте ЭК, равной ее максимальному значению N (h) N m.

В нормальной ионосфере ПЭС может изменяться в широких пределах ( N T =1016 … 1018 эл м 2 ) и существенно зависит от солнечной активности, сезона и времени суток [96, 110] :

- при максимальной солнечной активности днем N T = 7 1017 эл м 2, ночью N T =1,2 1017 эл м 2 ;

- при минимальной солнечной активности днем N T = 4 1017 эл м 2 и ночью N T =1,2 1017 эл м 2.

(0,2...0,5) 1017 эл м 2 ночью в период максимальной солнечной активности среднеширотной ионосферы в [62] принимается N T = 3 1017 эл м 2, а в [111] В нормальной среднеширотной ионосфере максимальное значение ЭК и высоты нижней границы и максимума ионизации (ночью и днем) лежат в широких диапазонах [2, 46, 48, 56, 63, 110, 115]:

Поэтому эквивалентная толщина ионосферы согласно (2.3) составляет соответствует ПЭС N T = 5 1017 эл м 2.

Заметим, что величина группового времени запаздывания сигнала при РРВ с несущей частотой f через ионосферу прямо пропорционально зависит от величины ПЭС [20, 110, 114, 122] Поэтому по результатам измерения группового времени запаздывания сигнала при трансионосферном РРВ в спутниковых радионавигационных системах (СРНС) на двух частотах ( f и f ) представляется возможным реализовать измерение ПЭС ионосферы ( N ) с достаточно высокойT точностью [5 - 7, 13, 87, 122].

точнее, чем измерение максимальной ЭК ионосферы ( N m ~ N ) c помощью T СВИЗ или прямые измерения высотного распределения ЭК в ионосфере N (h) ~ N. Однако до сих пор основным средством измерения параметров ионосферы является СВИЗ, которые определяют критическую частоту отражения волны от ионосферы f = 80,8 N m, по величине которой можно рассчитать N m f KP 80,8 [110]. В нормальной ионосфере типичные значения f =3…12 МГц, что соответствует N m = (0,11…1,8) 10 эл м3. Типичное среднее ее значение составляет f =6 МГц, что соответствует N m = эл м3 [110].

равновеликого по площади интегралу N N (h)dh N m h, со сторонами и N m h, показаны на рисунке 2.3.

Таким образом, для разработки модели спутникового радиоканала с учетом запаздывания волны при РРВ через ионосферу можно использовать модель распределения ЭК N (h) по высоте (рисунок 2.1) и результаты измерения одного ионосферного параметра - максимального значения ЭК в слое F ( N m ) с помощью СВИЗ. Однако для этого можно использовать и модель ионосферы в виде описания полного электронного содержания (т.е.

двухчастотных СРНС.

Рисунок 2.2 Описание интегральной электронной концентрации Недостатком этих моделей ионосферы является то, что они не учитывают:

1) изменение по высоте эффективной частоты соударений электронов (ЭЧСЭ) э (h) горизонтальным координатам x, y ) неоднородностях N (h, ).

Первый из указанных недостатков не позволяет учесть явление принимаемых сигналов при разработке модели спутникового канала связи на пониженных частотах.

2.1.1 Модель ионосферы с учетом изменения по высоте электронной концентрации и эффективной частоты соударений электронов Известно [56, 62, 115], при трансионосферном РРВ на несущих частотах ниже 100 МГц ( f h эЕ >h эD ). Поэтому по физическому смыслу оно В соответствии с (2.17) множитель поглощения волны в ионосфере определяется как Для разработки модели трансионосферного канала связи и оценки ПУ ССС с учетом поглощения волны на пониженных частотах ( f0 100 МГц ) упрощенную модель ионосферы (рисунок 2.4) целесообразно представить в N. и расположенного на его нижней границе бесконечно тонкого слоя, где происходят лишь столкновения электронов с нейтральными молекулами с Рисунок 2.5 – Модель ионосферы в виде толстого ( hэF ) однородного слоя с Таким образом, разработана математическая модель ионосферы с учетом поглощения волны, описывающая интегральное произведение ЭК на ЭЧСЭ увеличенное значение ЭЧСЭ в этом слое.

Эта модель приведена на рисунке 2.5 и позволяет получить расчетную зависимость (2.17) потерь передачи из-за поглощения в ионосфере от выбора несущей частоты ССС ( f0 ), угла возвышения Т и параметров ионосферы:

которое считается достаточно стабильной величиной;

2) интегральной ЭК во всей толще ионосферы ( N N ), которая может TF T изменяться в очень широких пределах ( N =1016 … 1018 эл м 2 ) и может быть измерена с высокой точностью с помощью двухчастотной СРНС.

2.1.2 Математическая модель ионосферы с учетом эффективной концентрации В п. 2.1.1 разработана математическая модель ионосферы (рис. 2.5), Недостатком этой модели ионосферы является то, что она не учитывает мелкомасштабных (со средними размерами ls ~ 102 м ) неоднородностях ионосферы на фоне изменения по высоте средней ЭК N (h) согласно выражению для ЭК в неоднородной ионосфере:

где Наличие флуктуаций ЭК в неоднородностях ионосферы N (h, ) относительно среднего значения N (h) является причиной многолучевого РРВ на пониженных частотах ( f 0 ) в трансионосферных КС, поскольку согласно [62, 77, 82] относительные фазовые сдвиги лучей, приходящих в Очевидно, что модель ионосферы для одновременной оценки многолучевости и поглощения при РРВ должна давать математическое N (h, ) N (h) N (h, ), так и изменение ЭЧСЭ по высоте Э (h) [33, 39].

С этой целью можно усовершенствовать разработанную модель распределения по высоте ЭЧСЭ Э (h) и ЭК N (h) в слоях D, E, F ионосферы (рисунок 2.3) путем замены высотного распределения ЭК N (h) на пространственное распределение ЭК (2.18) N (h, ) :

как показано на рисунке 2.8. Согласно рисунку 2.8 средние значения ЭК по высоте N (h) в пределах слоев D и E остаются неизменными по сравнению с рис. 2.3:

Среднее значение интегральной ЭК в слое F ионосферы определяется аналогично (2.4) где N m N (hm ) максимальное среднее значение ЭК (соответствующее высоте h hm максимума ионизации) в слое F ; hЭF 1,7(hm h0F ) эквивалентная толщина слоя2 F с неизменной по высоте средней ЭК, равной ее максимальному значению N (h) N (hm ) N m.

Рисунок 2.6 – Модели распределения по высоте (h) и пространству ( h, x, y ) среднего значения ЭК N (h), ее флуктуаций N (h, ) и ЭЧСЭ Э (h) в слоях ( D, E, F ) ионосферы При указанных на рисунке 2.6 и рисунке 2.3 значениях hm 3 105 м, h0F 1,5 105 м и N m 2 1012 эл м3, эквивалентная толщина и средняя интегральная ЭК слоя F составляют Тогда выражение для интегрального произведения средней ЭК на ЭЧСЭ в ионосфере можно записать через среднее значение интегральной ЭК в F слое ( N TF ) и увеличенное (на поправочный коэффициент ЭF 1,39 ) значение ЭЧСЭ ( ЭF( ) ) аналогично (2.16):

где Модель распределения в ионосфере интегрального произведения (2.26) N TF ЭF( ) средней интегральной ЭК в слое F на увеличенное значение ЭЧСЭ в этом случае соответствует приведенной на рис.2.4 при равенствах В соответствии с этой моделью и выражением (2.18) при выполнении N (h) N (h), для оценки потерь на поглощение волны в ионосфере можно воспользоваться выражением (2.17) при замене величины N TF на ее среднее значение N TF, которое примерно равно средней интегральной ЭК во всей ионосфере N TF N TF :

В соответствии с (2.27) множитель поглощения волны описывается аналогично (2.17а) После завершения математического описания изменения по высоте h средней ЭК N (h) и ЭЧСЭ Э (h), приведенных на рисунке 2.6, в виде (см.

рис.2.4) их интегрального произведения в F -слое (2.26), необходимо описать флуктуации ЭК N (h, ) в неоднородных ионосферных слоях.

Поскольку ИСЗ в ССС размещаются на высотах ( hисз ~ 103...4 104 км ), превышающих верхнюю границу ионосферу (hв 103 км), то на РРВ в линии ИСЗ ЗС влияет ЭК по всей толщине интегральная ЭК во всех слоях ( D, E и F ) ионосферы. Интегральную ЭК ионосферы с учетом пространственных флуктуаций ЭК в неоднородностях (2.21) можно описать выражением где среднее значение и флуктуации ЭК по всей толщине ( hи ) ионосферы.

Поскольку согласно рисунку 2.6 толщина ионосферы hи hвF h0D простирается от верхней границы слоя F до нижней границы слоя D, то выражение (2.28) можно представить как сумму интегральных ЭК в слое D, E и F:

Здесь интегральные ЭК отдельных слоев N Ti ( ), где i D, E, F, флуктуационной N Ti ( ) составляющих и с учетом (2.22-2.24) описываются выражениями:

TD TD D D TD

TE TE E E TE

Флуктуации интегральной ЭК в F слое определяются согласно рисунку 2.6 по аналогии с (2.24) флуктуациями ЭК на высоте максимума ионизации) NТF (, hm и эквивалентной толщиной слоя F:

Сравнительный анализ средних значений интегральной ЭК в слоях ионосферы, определяемых соотношениями (2.11):

NTF 5,11017 эл м 2 NTE 2,5 1015 эл м 2 NTD 9 1012 эл м 2 (2.34) показывает, что в слое F средняя интегральная ЭК на 2 порядка больше, чем в слое E, и на 4 порядка больше, чем в слое D.

Анализ рисунка 2.6 позволяет сделать аналогичный вывод в отношении и флуктуаций интегральной ЭК (ниже он будет строго обоснован):

флуктуаций интегральной ЭК в слое F ионосферы почти на 2 порядка больше, чем в слое E, и на 4 порядка больше, чем в слое D В силу выполнения соотношений (2.34) и (2.35) математическое описание интегральной ЭК в неоднородной ионосфере N T ( ) можно ограничить рассмотрением только одного слоя F с регулярной N TF и флуктуационной N TF ( ) составляющими (рисунок 2.7). В этом случае выражение (2.29) с учетом (2.32) сводится к виду

Т ТF ТF ТF ЭF ЭF

Согласно полученному выражению (2.36) математическую модель представить (по аналогии с рисунком 2.4) в виде прямоугольника с толщиной h и площадью N h N m, на одну из сторон которого ( N m ) составляющие ЭК на высоте максимума ионизации N (, hm ) и интегральной ЭК в слое F ионосферы N TF ( ) = h N (, hm )..

Рисунок 2.7 – Описание интегральной ЭК в неоднородной ионосфере N T ( ) в виде одного слоя ( F ) с регулярной N TF и флуктуационной N TF ( ) составляющими Для математического описания флуктуаций ЭК в неоднородных характеристики.

В основе математического описания пространственных (т.е. по высоте h и горизонтальным координатам x, y ) флуктуаций ЭК N (h, ) в неоднородной ионосфере лежит экспериментально известный факт [43, 50] слабого изменения флуктуаций ЭК N (h, ) относительно их среднего значения N (h) с изменением высоты (2.19):

Поэтому среднеквадратическое отклонение (СКО) относительных флуктуаций ЭК, называемое интенсивностью ионосферных неоднородностей ( и ), практически не зависит от высоты h (т.е. остается почти неизменной на всех высотах h, включая высоту максимальной ионизации hm ):

знак статистического усреднения случайного процесса x ;

где x x максимума ионизации hm. В нормальной ионосфере значение и 103... и обычно и (3...5) 103 [4, 46].

Поскольку в соответствии с рисунком 2.6 средняя ЭК в ионосфере N (h) с ростом высоты h увеличивается до максимального значения N m в слое F, то согласно (2.37) величина СКО флуктуаций ЭК в неоднородностях ионосферы N (h) и N (h) также будет возрастать (см. рисунок 2.6), достигая максимального значения N на высоте h hm :

Чтобы количественно оценить флуктуации интегральной ЭК в слоях ( i D, E, F ) ионосферы N Ti ( ), введем традиционные допущения [97], что r x, y, h, h ) и изотропное (по направлению r ) случайное поле с нулевым математическим ожиданием и стандартным СКО:

ожидание флуктуаций интегральной ЭК в каждом слое ионосферы N Ti ( ) также равно нулю:

где i D, E, F.

ионосферы определяется аналогично (2.33) NTi ( ) hi Ni (, h) и будет зависеть не только от толщины (эквивалентной) ионосферного слоя ( hi hD, hE, hЭF ) и дисперсии флуктуаций ЭК в этом слое ( N ), но и размеров неоднородностей ls [86 - 89, 97].

пространственные ( r, h ) флуктуации ЭК в неоднородностях каждого гауссовского вида [77, 97]:

ионосферных неоднородностей (который будем полагать одинаковым для всех слоев lsi ls const ).

интегральной ЭК в каждом слое ( i ) ионосферы определяется как [77] где i D, E или F.

Согласно (2.37) и рисунку 2.6 величина СКО флуктуаций ЭК в каждом из слоев ионосферы определяется произведением и const на среднее значение ЭК в слое:

Поэтому с учетом (2.43) выражения (2.42) для дисперсий флуктуаций интегральной ЭК в каждом из слоев ( D, E, F ) ионосферы можно записать в виде:

Сравнительный анализ значений N, определяемых согласно (2. – 2.46) при типовых [4, 22 - 24, 86 - 88] параметрах ионосферных неоднородностей ls 4 102 м, и 3 103 и фоновых параметрах НИ (см.

рисунок 2.6):

указывает на выполнений соотношений

TF TE TD

Согласно (2.48) СКО флуктуаций интегральной ЭК в слое F ионосферы почти на 2 порядка больше, чем в слое E, и на 4 порядка больше, чем в слое D, что подтверждает справедливость соотношений (2.35).

Сравнение моделей ионосферы (рис.2.7 и 2.5), учитывающих (помимо средней интегральной ЭК с слое F ионосферы флуктуации интегральной ЭК N TF ( ) и ЭЧСЭ ЭF показывает, что для ионосферы в виде толстого слоя неоднородной интегральной ЭК (рис.2.7) дополнить тонким слоем ЭЧСЭ, размещенным на его нижней границе (рис.2.8).

Данная модель ионосферы позволяет одновременно учесть и оценить влияние как поглощения в ионосфере, определяемого согласно (2.27) LП N f, так и многолучевого РРВ, определяемого согласно (2.20) величиной i N ( i, h) f 0.

Рисунок 2.8. Модель ионосферы для оценки поглощения и многолучевого РРВ Следует отметить, что приведенный на рис. 2.8 вид модели ионосферы трансионосферного радиоканала и его радиофизической модели, которая базируется на учете флуктуаций фаз ( i ) множества лучей, приходящих в точку приема, и флуктуаций фазового фронта ( ) волны при ее распространении через неоднородности среды в точку приема.

Чтобы наглядно представить совокупное влияние флуктуаций ЭК в неоднородностях ионосферы N (, h hm ) по всей ее эквивалентной толщине hЭ (т.е. влияние флуктуаций интегральной ЭК (2.36) N T ( ) N (, hm )hЭ ) на вертикальное распространение волны от ИСЗ до ЗС, эти неоднородностей, расположенный на нижней границе однородного слоя толщиной hЭ и средней (фоновой) ЭК N m, характеризуемый флуктуациями Таким образом, в соответствии с рис. 2.8 и выражениями (2.36), (2.27) и (2.46) математическую модель распределения ЭК и ЭЧСЭ по высоте h и пространству x, y в неоднородной поглощающей ионосфере можно представить в виде (рисунок 2.9) совокупности:

1) однородного (по высоте h ) слоя F с толщиной hЭ и средней ЭК, равной N (h hm ) N m, которая описывается средней интегральной ЭК 2) расположенного на нижней границе слоя F ионосферы тонкого слоя неоднородностей, который описывается статистическими характеристиками интегральной ЭК слоя F ионосферы N ТF ( ) : а) нулевым средним 3) расположенного на нижней границе слоя F бесконечно тонкого слоя, где происходят лишь столкновения электронов с нейтральными молекулами и ионами, который характеризуется ЭЧСЭ ЭF( ).

Приведенная на рис.2.9 модель ионосферы наиболее полно и наглядно обуславливающих многолучевое РРВ, и потери из-за поглощения в ионосфере ( LП ЭF( ) N TF f 02 ).

Рисунок 2.9 – Математическая модель ионосферы в виде совокупности толстого однородного F слоя, тонкого слоя неоднородностей интегральной ЭК и тонкого слоя соударений электронов Кроме того, в соответствии с соотношениями (2.34) и (2.48) среднее значение и СКО флуктуаций интегральной ЭК в слое F определяют среднее значение и СКО флуктуаций интегральной ЭК во всей ионосфере: N TF N, T N. Эти статистические характеристики неоднородной ионосферы могут быть определены с высокой точностью по результатам измерений

Т ТF ТF ТF

2.1.3 Математическая модель трансионосферного канала связи с учетом поглощения и многолучевого распространения волны Для разработки математической модели трансионосферного КС с поглощением и многолучевостью необходимо на основе математического описания амплитуд A ( i, z, ) и начальных фаз ( i, z, ) лучей, приходящих на вход приемной антенны ССС, получить выражения для описания комплексного сигнала на входе приемника (ПРМ) sr (t ) и его средней мощности Pr (t ).Подробное описание этой модели дано в Приложениях 1 и 2.

Проанализируем сначала простейший случай вертикального ( 0, ионосферный слой, описываемый разработанной выше моделью (рис. 2.9), к точке размещения ЗС ( 0, z ), где z – расстояние по вертикали от ИСЗ до точки приема, причем z h.

В дальнейшем для краткости индекс F в выражениях для ЭК и ЭЧСЭ будем опускать:

Пусть передаваемый с искусственного спутника Земли (ИСЗ) сигнал описывается выражениями [60, 61, 77] общего вида:

st t – комплексный передаваемый сигнал; S t – комплексная огибающая (КО) передаваемого сигнала длительностью Ts. Эту КО можно записать как нормированная КО с условием нормировки его нормированной КО f (t ) ; 0 – отклонения частот спектральных составляющих сигнала относительно несущей 0 в пределах полосы спектра zЭ hЭF N TF Рисунок 2.10 – Процесс вертикального РРВ от ИСЗ к ЗС через неоднородную Для определения выражения для сигнала на входе приемника sr (t ) с учетом поглощения и многолучевости необходимо сначала описать поле волны на входе приемной антенны ur (t, z ) и затем найти сигнал на ее выходе, т. е. sr (t ).

Чтобы описать поле волны на входе приемной антенны ur (t, z ) при ее трансионосферном распространении, следует предварительно описать поле этой волны на входе в ионосферный слой ur (t, z ) и на его выходе ur (t, z ).

При передаче комплексного модулированного сигнала (2.51) в статьях [33, 39] последовательно найдены выражения для комплексного поля волны на входе в неоднородный ионосферный слой ur (t, z ) и на выходе u (t,, z ).

Каждый элементарный участок ( i ) волны на выходе ионосферы порождает i -й луч, который в точке приема описывается комплексным полем Совокупность множества (М) приходящих в точку приема лучей формируют комплексное поле на входе приемной антенны u r (t ) u (t, i, z ). Последнее позволяет определить выражение для комплексного сигнала на входе приемника в следующем виде [33, 39]:

где коэффициент ослабления мощности (энергии) передаваемого сигнала ( Pt ~ Et ) на входе приемника;

множитель ослабления сигнала в свободном пространстве на расстоянии z z0 zЭ z1 от ИСЗ; WП2 множитель ослабления сигнала из-за поглощения в ионосфере, описываемый выражением (2.27);

- нормированный коэффициент передачи трансионосферного многолучевого КС, который по своему физическому смыслу соответствует множителю ослабления волны при распространении через ионосферу, обусловленному проявлением БЗ.

многолучевого КС (2.56) определяется флуктуациями (искажениями) фазового фронта волны в горизонтальной плоскости ( х, y) на выходе неоднородной ионосферы ( z zЭ ), которые обусловлены флуктуациями интегральной ЭК NТ ( ) :

Полученное выражение (2.55) для нормированного коэффициента передачи трансионосферного КС указывает на то, что вн NT ( i ) является комплексной гауссовской случайной величиной.

Анализ полученного выражения (2.52) для комплексного сигнала на входе приемника (выходе приемной антенны) sr (t ) ur (t ) I показывает, что оно отличается от выражения для комплексного поля волны на входе приемной антенны ur (t ) лишь наличием постоянного множителя функции раскрыва приемной антенны I r (при условии согласования направления максимума диаграммы направленности приемной антенны с направлением на ИСЗ). При этом входящий в (2.52) коэффициент ослабления мощности (энергии) Pt ~ Et передаваемого сигнала K ос описывается традиционным выражением (2.53), зависящим от множителей ослабления в свободном Выражение для комплексного поля волны на входе приемной антенны u r (t ) позволяют получить выражение для средней интенсивности I r (z ) поля этой волны. В общем виде оно определяется как составляющие средней интенсивности I r z I p z I фл z комплексного поля с общими замираниями (ОЗ) в точке приема при ее трансионосферном передачи трансионосферного КС определяется согласно (2.55) как где p и 2 в регулярная и флуктуационная составляющие дисперсии (мощности) нормированного коэффициента передачи ( вн ) многолучевого КС.

В соответствии с общим выражением для определения средней мощности принимаемого сигнала 2.58) трансионосферном распространении определяется выражением вида:

Здесь коэффициент ослабления мощности сигнала учитывает согласно (2.53) поглощение в ионосфере а Pp t p и Pфл t 2 в регулярная и флуктуационная составляющие средней мощности принимаемого сигнала Pr t, определяемые согласно Таким образом, модель трансионосферного радиоканала с учетом поглощения и многолучевого РРВ полностью описывается выражениями (2.52–2.56) и (2.60, 2.61) для сигнала на входе приемника sr (t ) и его средней мощности Pr (t ). Последняя зависит от множителя поглощения в ионосфере трансионосферного радиоканала (2.55, 2.59) Следует отметить, что полученная зависимость (2.59) вн трансионосферного КС от флуктуаций ЭК ( N ) в ионосфере и выбора несущей частоты f 0 является качественной и не позволяет определить ее р 2 в2 ), которые должны зависеть от N f 0. Кроме того, полученная зависимость не может объяснить принятие в [90, 95, 113] из физических принимаемого сигнала в КС с поглощением (без многолучевости).

Чтобы установить искомые зависимости E r [ вн ] и вн необходимо воспользоваться (см. Приложение 3) методами статистической радиофизики для описания процесса трансионосферного распространения радиоволн (РРВ) в радиолинии ИСЗ – земная станция (ЗС).

В рамках статистической радиофизики замирания принимаемых сигналов при трансионосферном РРВ объясняют не многолучевостью, а дифракцией волны на неоднородностях ионосферы [23, 53, 77, 97]. Процесс вертикального трансионосферного РРВ с учетом дифракции внутри неоднородного слоя ионосферы толщиной zЭ и за ним в свободном пространстве иллюстрируется на рисунке 2.11.

В Приложении 3 с помощью радиофизических методов получено огибающей поля волны в точке приема при ее трансионосферном составляющих:

где комплексная огибающая (КО) поля принимаемой волны при ее распространении через однородную ионосферу.

Рисунок 2.11 Процесс вертикального РРВ с учетом дифракции волны внутри и за неоднородным ионосферным слоем Анализ полученного выражения (2.62) показывает следующее:

1) возрастание дисперсии флуктуаций фазового фронта на выходе неоднородного ионосферного слоя приводит к уменьшению регулярной составляющей интенсивности поля данной волны в точке приема I р z и увеличению ее флуктуационной составляющей I фл z ;

постоянной U r 0 t, не зависящей от.

Напомним, что флуктуации фазового фронта на выходе неоднородного, zЭ, 0 80,8NТ cf0 и представляют собой гауссовский случайный процесс с нулевым математическим ожиданием Поэтому дисперсия флуктуаций фазового фронта волны на выходе неоднородной ионосферы определяется через дисперсию флуктуаций интегральной ЭК :

В соответствии с установленной ранее взаимосвязью (2.46) N ls h N дисперсию флуктуаций фазового фронта выходной волны (2.64) можно определить как [77] где N ( и N m ) - дисперсия флуктуаций ЭК в неоднородностях ионосферы на высоте максимума h hm ее ионизации (2.38) комплексной огибающей поля принимаемой волны при ее распространении через однородную ионосферу выражение (2.62) для средней интенсивности поля волны в точке приема при ее распространении через неоднородную N f 0 определяется согласно (2.64, 2.65).