"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ"  N 5, 2004

оглавление

дискуссия

ЗОНЫ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО ПРИЕМА СИГНАЛА ПРИ СЕЛЕКТИВНОМ ВОЗБУЖДЕНИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ИОНОСФЕРЕ

 

ZONES OF NOISEPROOF RECEPTION OF THE SIGNAL AT SELECTIVE EXCITATION OF ELECTROMAGNETIC WAVES IN THE IONOSPHERE

 

Березин Ю.В., Вылегжанин И.С.

Berezin U.V., Vilegzhanin I.S.

(e-mails: berezin@rad564.phys.msu.su, isv1980@yandex.ru)

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова

 

Получено 17 мая 2004 г.

 

АННОТАЦИЯ

Применение метода селективного возбуждения характеристических волн в ионосферном канале связи позволяет создать на поверхности Земли зоны помехоустойчивого приема сигнала (ЗППС) с площадью порядка нескольких сотен тысяч квадратных километров, внутри которых вероятность ошибки передачи информации составляет Р_err ~ 10^-3 и пропускная способность оценивается величиной, порядка 20 кбит/с.

В данной работе представлены результаты моделирования зон помехоустойчивого приема сигнала при селективном возбуждении электромагнитных волн в ионосфере при различном отношении рабочей частоты к критической и различных геомагнитных широтах пункта излучения.

 

Верхние слои атмосферы Земли, расположенные на высотах более 50 км, ионизируются излучением Солнца, вследствие чего там появляются свободные электроны и положительные ионы. Таким образом, ионосфера занимает область земной атмосферы на высоте от 50-60 км до нескольких тысяч километров от поверхности Земли. Степень ионизации газов, входящих в состав ионосферы, зависит от их плотности, энергии солнечного излучения и космических лучей, а также коэффициента поглощения этой энергии газами. В среднем ионосфера квазинейтральна, т.е. число электронов и отрицательных ионов равно числу положительных ионов. Основными процессами, формирующими состояние ионосферы, являются ионизация, рекомбинация, диффузия плазмы и направленный дрейф заряженных и нейтральных частиц.

К числу основных физических свойств ионосферы относится способность отражать радиоволны декаметрового диапазона.

Установлено, что ионосфера Земли – «слоистая». Существует несколько максимумов концентрации свободных электронов N(z), называемых слоями D, E, F1, F2. Слой D располагается на высоте от 50 до 90 км (может возникать только в дневное время), слой Е – 90^_130 км, слой F – 130-500 км. Определяющую роль в отражении радиоволн от ионосферы играет слой F, который летом в дневное время распадается на два – F1 и F2, причем в слое F2 на высотах 250-300 км достигается максимум средней плотности свободных электронов. Выше области F концентрация электронов медленно спадает с высотой. Наличие свободных электронов в верхних слоях атмосферы определяет существование ионосферного канала связи (ИКС) около Земли.

Электромагнитные волны декаметрового диапазона («короткие» радиоволны), излученные из какого-либо пункта А, расположенного на поверхности Земли, отражаются от ионосферы как при вертикальном (рис. 1), так и при наклонном падении и возвращаются на Землю в некотором пункте В. При наклонном падении радиоволн на ионосферу дальность распространения, даже при однократном отражении волны, лежит в пределах от десятков до 3000 км. Таким образом, создается ионосферный канал связи, который широко используется для различных целей, связанных с передачей информации.

 

Рис.1 Традиционный (неселективный) способ возбуждения волн в ионосфере.

 

Известно, что плазма, находящаяся во внешнем магнитном поле, представляет собой анизотропную среду. При распространении электромагнитных волн эффект анизотропии проявляется в том, что реакция среды на внешнее поле различна в зависимости от направления распространения поля.

Соответствующий анализ задачи о распространении электромагнитных волн был проведен в рамках классической магнитоионной теории [1]. В результате установлено, что в ионосфере по одному направлению могут распространяться две волны, характеризующиеся своими фазовыми скоростями, поглощением и поляризацией. Эти волны принято называть характеристическими (ХВ) (обыкновенной и необыкновенной). При этом, как при наличии, так и отсутствии поглощения обе ХВ поляризованы эллиптически, причем их фазоры не равны. Экспериментальная проверка основных выводов теории о поляризации волн, отраженных от ионосферы показала, что поляризация ХВ действительно эллиптическая, различная и существенно зависит от конкретных физических условий [2]. Поскольку электронная концентрация и частота соударений электронов в ионосферной плазме флуктуируют около своих средних значений, являясь случайными функциями времени, то фазоры ХВ, вообще говоря, также являются случайными функциями. Атмосфера Земли подвержена воздействию многих физических факторов. Вследствие неоднородности ионизации верхних слоев атмосферы излучением Солнца диэлектрическая проницаемость ионосферы является функцией координат и времени. Фаза электромагнитной волны при распространении в такой среде изменяется по закону, связанному с законом изменения диэлектрической проницаемости. В процессе распространения радиоволны в ионосфере происходит смещение ее несущей частоты на некоторую величину. Это явление называется эффектом Доплера в ионосфере. Для двух ХВ показатели преломления ионосферы различны и, следовательно, фазы двух ХВ, также различны. Присутствие в ионосфере движущихся крупномасштабных неоднородностей электронной концентрации [3] обусловливает коррелированное изменение доплеровских частот двух характеристических волн, что приводит к квазипериодическим интерференционным замираниям поля в пространстве и времени.

Рис. 2 Селективный способ возбуждения волн в ионосфере.

 

Известен особый способ возбуждения радиоволн в анизотропной ионосфере Земли – метод селективного возбуждения характеристических волн (СВХВ) (рис. 2) [4]. Различие фазоров двух характеристических волн одной частоты может быть использовано для их селекции и раздельного возбуждения в ионосфере. Экспериментальные и теоретические исследования показали возможность практической реализации метода СВХВ [5, 6].

Метод СВХВ позволяет создать однолучевой канал связи на ионосерной радиотрассе (вертикальной или наклонной) в пределах односкачкового распространения радиоволны. При этом на поверхности Земли наименьшее отношение невозбуждаемой ХВ к возбуждаемой достигается в точке, в которой принимаются электромагнитные волны, излучаемые в ходе поляризационной диагностики. Этот пункт однолучевого канала связи назовем точкой оптимального приема сигнала ОПС.

При удалении от точки ОПС на приемном конце радиолинии будет увеличиваться отношение невозбуждаемой ХВ к возбуждаемой. В некоторой области вокруг точки оптимального приема мощность одной из волн будет меньше мощности другой. Определим границу этой области как линию, на которой отношение мощностей двух ХВ принимает некоторое фиксированное заданное значение Q. Такую область назовем зоной помехоустойчивого приема сигнала (ЗППС).

Цель работы: разработать методы, алгоритмы и программы для ЭВМ, обеспечивающие определение зон помехоустойчивого приема сигнала при СВХВ в ионосфере при различном отношении рабочей частоты к критической и различных геомагнитных широтах пункта излучения, при использовании метода поляризационной диагностики на вертикальной радиотрассе.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие частные задачи:

1) создать относительно простую адекватную математическую модель ионосферы, позволяющую реализовывать различные профили электронной концентрации и эффективной частоты соударений как функции высоты;

2) разработать метод, алгоритм и программу для ЭВМ, обеспечивающую определение траекторий и затухания обыкновенной и необыкновенной компонент в ионосфере;

3) определить отношение Q мощностей двух ХВ на входе в ионосферу при падении зондирующей волны под различными углами (откладываемыми от вертикали, при СВХВ на вертикальной радиотрассе);

4) определить контуры ЗППС вокруг точки ОПС для различных геомагнитных координат передающего пункта.

При решении поставленных частных задач использовались следующие предположения:

– передатчик и устройство определения оптимальной поляризации  излучаемой волны, необходимой для СВХВ, находятся в одной точке пространства (вертикальная радиотрасса), многократные отражения от ионосферы отсутствуют;

– используется сферически симметричная модель ионосферы, концентрация электронов и эффективная частота соударений в ионосфере имеют заданные профили (рис. 3, 4);

 

Рис. 3. Профиль электронной концентрации в ионосфере

Профили электронной концентрации двухслойной модели ионосферы и эффективной частоты соударений построены по экспериментальным данным [7, 8].

 

 

Рис. 4. Профиль эффективной частоты соударений в ионосфере (логарифмический масштаб)

 

– траектории обыкновенной и необыкновенной компонент в ионосфере совпадают с траекторией нормали к волновому фронту;

– мера селективного возбуждения характеристических волн Q предполагается равной отношению мощностей нормальных волн (менее мощной волны к более мощной), на которые разлагается излученная передатчиком волна на входе ионосферного слоя;

– магнитное поле Земли постоянно во всей рассматриваемой области пространства и равно значению на передающем пункте;

– двухканальный передатчик оснащен системой из двух ортогонально расположенных излучающих антенн, ориентированных параллельно земной поверхности; размеры антенн составляют 0,5 используемой длины волны;

– отражение ХВ происходит от слоя Е ионосферы;

– передача информации осуществляется узкополосными сигналами. Свойства отраженных ХВ описываются моделью частично рассеянного поля [9].

Введем следующие обозначения:

 – гирочастота в ионосфере, е, т – заряд и масса электрона, Н⁰ – модуль вектора напряженности магнитного поля в ионосфере, с – скорость света;

 – плазменная частота ионосферы, N – концентрация электронов в ионосфере.

Для решения частной задачи об определении Q на входе в ионосферу необходимо определить т.н. ионосферный базис, т.е. определить фазоры предельной поляризации обыкновенной и необыкновенной волн на входе в ионосферу в ионосферной системе координат [1]:

 

 

(1)

 

где ,  - циклическая рабочая частота,  - угол между вектором магнитного поля Земли  и волновым вектором .

Для определения Q на входе в ионосферу из ионосферного базиса (Р_о, Р_е) выбиралась одна из характеристических волн, которую необходимо было подавить в точке ОПС. При установке фазора выбранной для селективного возбуждения ХВ  на передающей антенне на вертикальной радиотрассе в ионосфере возбуждалась именно эта ХВ (полное подавление одной из ХВ, Q = 0). Однако, при удалении от точки ОПС, возникает другая ХВ и значение  Q становится отличным от нуля (рис. 5).

Рис. 5. К построению зон помехоустойчивого приема сигнала

 

Задача определения траектории и затухания ХВ в ионосфере решалась на основе  системы уравнений:

 

(2)

 

 

где       , r –координаты траектории луча в полярной системе координат с началом в центре Земли, β_Н – угол между нормалью к поверхности Земли и вектором магнитного поля ,  – угол между волновым вектором и нормалью к земной поверхности, ₀ –угол падения волны на ионосферу, r₀ – радиус Земли, – коэффициент преломления волны.

Уравнения для комплексного коэффициента преломления обыкновенной и необыкновенной компонент [1] записывались в следующем виде:

 

(3)

 

 

где знак «+» в знаменателе относится к необыкновенной, а «–» к обыкновенной компоненте, , , где  – эффективная частота соударений электронов с частицами плазмы.

При заданных координатах пунктов излучения и приема решения системы (2) определяют траектории лучей и затухание двух ХВ в ионосфере.

Объединяя решение задачи об определении траекторий и затуханий ХВ с решением задачи об определении Q на входе в ионосферу, определялись искомые зоны помехоустойчивого приема сигнала.

Ниже приведены результаты численного эксперимента  по определению ЗППС при реализации метода СВХВ в ионосфере в слое Е. На рисунках 6–17 изображены ЗППС для обыкновенной ХВ – построены справа и необыкновенной ХВ – построены слева. По осям отложено расстояние от передатчика (0, 0) км до приемника (X, Y) км. Внешние контуры соответствуют значению Q = 1/10, внутренние – 1/20.

Цель численного эксперимента заключалась в исследовании площади и линейных размеров ЗППС в зависимости от некоторых параметров задачи:

1. Отношения  рабочей частоты к критической в слое Е.

2. Изменения ориентации диполей передающей антенны базовой станции по отношению к проекции магнитного поля Земли .

3. Геомагнитной широты, на которой располагается передатчик.

Результаты этих исследований представлены в виде рисунков 6–17, а характерные значения решения задачи сведены в таблицы 1 и 2.

 

На рисунках 6-11 изображены ЗППС для пункта, расположенного на 55⁰ северной магнитной широты, в зависимости от значения .

 

Рис. 6. ЗППС для необыкновенной или обыкновенной ХВ при  = 0,9.

На левом рисунке точками показана проекция магнитного поля на плоскость Земли, сплошными линиями показаны диполи передающей антенны базовой станции.

 

 

 

 

Рис. 7. ЗППС для необыкновенной или обыкновенной ХВ при  = 0,8.

На левом рисунке точками показана проекция магнитного поля на плоскость Земли, сплошными линиями показаны диполи передающей антенны базовой станции.

 

 

 

Рис. 8. ЗППС для необыкновенной или обыкновенной ХВ при  = 0,7.

На левом рисунке точками показана проекция магнитного поля на плоскость Земли, сплошными линиями показаны диполи передающей антенны базовой станции.

 

Рис. 9. ЗППС для необыкновенной или обыкновенной ХВ при  = 0,6.

На левом рисунке точками показана проекция магнитного поля на плоскость Земли, сплошными линиями показаны диполи передающей антенны базовой станции.

 

Рис. 10. ЗППС для необыкновенной или обыкновенной ХВ при  = 0,5.

На левом рисунке точками показана проекция магнитного поля на плоскость Земли, сплошными линиями показаны диполи передающей антенны базовой станции.

 

Рис. 11. ЗППС для необыкновенной или обыкновенной ХВ при  = 0,8.

На левом рисунке показана взаимная ориентация передающей антенны и проекции на поверхность Земли  – угол между ними равен 45⁰.

ЗППС в зависимости от геомагнитной широты передатчика (рис. 12-17) при  = 0,8.  Проекцией на поверхность Земли  сонаправлена одному из диполей передающей антенны. Координаты вектора магнитного поля Земли  даны в координатах Hx, Hy, Hz.

Рис.12. Н_Земли = (0; 0,15; –0,49) эрст. (60⁰ ю.ш. в геомагнитных координатах)

 

Рис.13. Н_Земли = (0; 0,17; –0,48) эрст. (55⁰ ю.ш. в геомагнитных координатах)

Рис.14. Н_Земли = (0; 0,27; –0,43) эрст. (38⁰ ю.ш. в геомагнитных координатах)

 

Рис.15. Н_Земли = (0; 0,37; –0,35) эрст. (27⁰ ю.ш. в геомагнитных координатах)

Рис.16. Н_Земли = (0; 0,51; 0) эрст. Магнитный экватор.

 

 

 

Рис.17. Н_Земли = (0; 0; –0.51) эрст. Магнитный полюс.

 

В таблицах 1 и 2 приведены значения площади и линейных размеров ЗППС в зависимости от значения  и геомагнитной широты при Q = 1/10.

 

Таблица 1 (55⁰ геомагнитной ю.ш.)

Таблица 2 ( = 0,8)

 

Таким образом, в ходе проведенных исследований было установлено, что в случае применения метода СВХВ в ионосфере на вертикальной радиотрассе вокруг точки оптимального приема на поверхности Земли возникает значительная (600 км х 600 км или 300 км х 300 км в зависимости от типа невозбуждаемой ХВ) ЗППС, внутри которой Q меньше 1. При этом двухлучевой ионосферный канал связи превращается в однолучевой, что позволяет за счет уменьшения интерференционных замираний улучшить качество передачи информации – повысить помехоустойчивость и пропускную способность ИКС.

Показано, что площади и линейные размеры ЗППС при невозбуждении обыкновенной ХВ в значительной степени зависят от геомагнитных координат передающего пункта (таблица 2), что связано с изменением угла g между волновым вектором  и  и особенностью распространения волн декаметрового диапазона при  » 90⁰. При приближении передающего пункта к магнитному полюсу наблюдается значительное увеличение линейных размеров и площади зон помехоустойчивого приема. Приближение этого пункта к магнитному экватору приводит к зонам, имеющим очень малые линейные размеры вдоль магнитного меридиана Земли и очень большим (~ 1000 км) размерам вдоль экватора. Площади и линейные размеры ЗППС при невозбуждении необыкновенной ХВ слабо зависят от геомагнитной широты (исключение составляет магнитный экватор).

Площадь и линейные размеры ЗППС слабо зависят от отношения рабочей частоты радиолинии к критической.

Изменение ориентации диполей передающей антенны базовой станции по отношению к магнитному полю Земли приводит к изменению линейных размеров зон помехоустойчивого приема сигнала (что связано с поворотом диаграммы направленности антенны), но сохраняет площади ЗППС.

Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом:

1. Применение метода селективного возбуждения характеристических волн в ионосферном канале связи позволяет создать на поверхности Земли зоны помехоустойчивого приема сигнала с площадью порядка нескольких сотен тысяч квадратных километров, внутри которых вероятность ошибки передачи информации составляет Р_err ~ 10^-3.

2. Площадь и линейные размеры ЗППС в значительной степени зависит от геомагнитной широты передатчика, ориентации ионосферной радиотрассы относительно магнитного меридиана Земли и типа возбуждаемой в ионосфере характеристической волны и в меньшей степени от отношения рабочей частоты.

3. На параметры ЗППС решающее влияние оказывает угол g на входе в ионосферу между волновым вектором  и магнитным полем Земли , равенство  » 90⁰ приводит к особым контурам зон, имеющим очень малые линейные размеры вдоль магнитного меридиана Земли и очень большим размерам вдоль экватора (~ 1000 км).

4. Зоны помехоустойчивого приема сигнала, образующиеся при вертикальном падении волны на ионосферу, позволяют организовать относительно простые по техническому решению сети коротковолновой радиосвязи с однолучевым распространением волн, обеспечивающим высокое качество передачи информации (помехоустойчивость Р_err ~ 10^-3 и пропускная способность с » 20 кбит/с) при ширине полосы сигнала 10 кГц и ОСШ = 4 (для сравнения укажем, что современные средства декаметровой радиосвязи обеспечивают пропускную способность ионосферных линий связи не более 3-7 кбит/с).

 

ЛИТЕРАТУРА:

1.       Гинзбург В.Л., Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука, 1967.

2.      Березин Ю.В. Флуктуации поляризации радиоволн, отраженных от ионосферы. Геомагнетизм и аэрономия, Т. 10, № 6, 1970.

3.      Гусев В.Д., Миркотан С.Ф., Драчев Д.А., Березин Ю.В., Кияновский М.П. Результаты исследований параметров крупномасштабных неоднородностей ионосферы фазовым методом. В кн.: Дрейфы и неоднородности в ионосфере. М.: Изд-во АН СССР, 1959, с. 7-21.

4.      Березин Ю. В., Балинов В. В., Рыжов Д. Е. Способ возбуждения характеристических электромагнитных волн в ионосфере. Патент РФ № 2002276.

5.      Балинов В.В., Березин Ю.В., Полищук С.Е, Рыжов Д.Е. Оптимизация передачи информации на ионосферной линии радиосвязи. Изв. РАН сер. физ., 1997, № 12.

6.      Арефьева Л.Н., Балинов В.В., Березин Ю.В., Полищук С.Е. Новые возможности ионосферного канала связи при использовании метода селективного возбуждения характеристических волн. Радиотехника, 2000, № 1.

7.      Алтенцева В.И., Двинских Н.И., Котович Г.В., Пелех Н.И., Суходольская В.Е.,  Упрощенный вариант полуэмпирической модели ионосферы для расчетов на малых ЭВМ, Ионосферные исследования № 49, М.: 1993, стр. 54-57.

8.      Водолазкин В.И., Денисенко П.Ф., Фаер Ю.Н.,  Простая эмпирическая модель эффективной частоты соударений среднеширотной ионосферы, Ионосферные исследования № 44, М.: 1998, стр. 33-36.

9.      Балинов В.В., Березин Ю.В., Виноградов Ю.Е., Смирнов В.И. Модель частично рассеянного поля с полностью смещенным спектром и помехоустойчивость приема в ионосферном канале связи, Техника средств связи, Сер. СС, 1981, № 2, с. 10-22. 

оглавление

дискуссия