Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2025, № 12 · RADIO ENGINEERING

Prediction of noise immunity of P-band satellite communication system at strong disturbances of ionosphere

V.P. Pashintsev1, M.V. Peskov1, D.A. Mikhailov1, P.A. Diptan1

1 North Caucasian Federal University, Stavropol, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2025.12.7 UDC 621.391.01 EDN SYPJUO

Abstract

The structure of the construction and algorithm of the complex for predicting the noise immunity of P-band satellite communications systems in conditions of strong ionospheric disturbances has been developed based on the simulation of the results of GPS-monitoring of the total electronic content of the ionosphere, causing dispersion distortions, fading and intersymbol interference of received signals. The basis for solving this problem is the development of a methodology for determining the dependence of the probability of erroneous reception of satellite communications signals on the average signal-to-noise ratio at the receiver input, the parameters of the transmitted signals, the results of GPS-monitoring of the average value and small-scale fluctuations in the total electronic content of the ionosphere and the propagation angles of radio waves in satellite communications and navigation systems. In accordance with the stages of the methodology, the structure of the construction and the algorithm of the complex for predicting the noise immunity of satellite communication systems in the P-frequency range during strong disturbances of the ionosphere, which are accompanied by the occurrence of frequency-selective fading, intersymbol interference and dispersion distortions of the received signals, have been developed. Experimental results are presented for predicting the noise immunity of a P-band satellite communications system based on GPS-monitoring of the ionosphere using a GPStation-6 receiver and simulating strong ionospheric disturbances by increasing the average value and fluctuations of the total electronic content by 1...2 orders of magnitude.

  • noise immunity
  • satellite communication systems
  • ionosphere disturbances
  • GPS-monitoring
  • small-scale inhomogeneities
  • total electronic content
  • frequency-selective fading
  • intersymbol interference
  • dispersion distortions
Аннотация (на русском)

Прогнозирование помехоустойчивости системы спутниковой связи P-диапазона при сильных возмущениях ионосферы

Разработана структура построения и алгоритм работы комплекса прогнозирования помехоустойчивости систем спутниковой связи P -диапазона частот в условиях сильных ионосферных возмущений на основе имитации результатов GPS-мониторинга полного электронного содержания ионосферы, вызывающих дисперсионные искажения, замирания и межсимвольную интерференцию принимаемых сигналов. Основу решения этой задачи составляет разработка методики определения зависимости вероятности ошибочного приема сигналов систем спутниковой связи от среднего отношения сигнал/шум на входе приемника, параметров передаваемых сигналов, результатов GPS-мониторинга среднего значения и мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания ионосферы и углов распространения радиоволн в системах спутниковой связи и навигации. В соответствии с этапами методики разработана структура построения и алгоритм работы комплекса прогноза помехоустойчивости систем спутниковой связи в Р -частотном диапазоне во время сильных возмущений ионосферы, которые сопровождаются возникновением частотно-селективных замираний, межсимвольной интерференции и дисперсионных искажений принимаемых сигналов. Приведены экспериментальные результаты прогноза помехоустойчивости системы спутниковой связи P -диапазона частот по данным GPS-мониторинга ионосферы с помощью приемника GPStation-6 и имитации сильных возмущений ионосферы путем увеличения среднего значения и флуктуаций полного электронного содержания на 1…2 порядка.

For citation

Pashintsev V.P., Peskov M.V., Mikhailov D.A., Diptan P.A. Prediction of noise immunity of P-band satellite communication system at strong disturbances of ionosphere // Journal of Radio Electronics. – 2025. – No. 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.12.7

References

  1. Крейн Р.К. Мерцания радиоволн в ионосфере // ТИИЭР. - 1977. - Т.65. - №2. - С. 5 - 29.
  2. Ааронс Дж. Глобальная морфология ионосферных мерцаний // ТИИЭР. - 1982. - Т. 70, - № 4, - С. 45 - 66.
  3. Groves К. Monitoring ionospheric scintillation with GPS // Colloquium on atmospheric remote sensing using the Global Positioning System. 2004. P. 1-59.
  4. Rino C.L. The Theory of Scintillation with Applications in Remote Sensing. John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, 2011. 244 p. http://dx.doi.org/10.1002/9781118010211
  5. Нэпп Д.Л. Расчет временных характеристик стохастических волн методом фазовых экранов // ТИИЭР. - 1983. - Т. 71. - № 6. - C. 40 - 58
  6. Beniguel Y., Hamel P.A. Global ionosphere scintillation propagation model for equatorial regions // Journal of Space Weather and Space Climate. 2011. Vol. 1. №. 1. http://dx.doi.org/10.1051/swsc/2011004
  7. Rino C.L., Owen J. The time structure of transionospheric radio wave scintillation // Radio Science. 1980. Vol. 15. №. 3. P. 479-489. https://doi.org/10.1029/RS015i003p00479
  8. Гундзе Е., Чжаохань Л. Мерцания радиоволн в ионосфере // ТИИЭР. - 1982. - Т. 70. - № 4. - С. 5 - 45.
  9. Богуш Р.Л., Гильяно Ф.У., Непп Д.Л. Влияние частотно-селективных эффектов распространения радиоволн на автоматическое слежение за сигналом в приемниках широкополосных систем связи // ТИИЭР. - 1981. - Т. 69. - № 7. - С. 21 - 32.
  10. Богуш Р.Л., Джульяно Ф.У., Непп Д.Л. Частотно-селективные замирания и их коррекция методом решающей обратной связи в высокоскоростных цифровых спутниковых каналах связи // ТИИЭР. - 1983. - Т. 71. - № 6. - С. 78 - 94.
  11. Secan J.A., Nickisch L.J., Knepp D.L., Snyder A.L., Kennedy E.J. Investigation of Plasma Phenomena in the Ionosphere Under Natural Conditions and Under Conditions Artificially Perturbed by HAARP // Air Force Research Laboratory. 2008. 122 p.
  12. Маслов О.Н., Пашинцев В.П. Модели трансионосферных радиоканалов и помехоустойчивость систем космической связи // Инфокоммуникационные технологии (приложение к журналу). Самара: ПГАТИ. - 2006. - № 4. - 357 с.
  13. Bedrosian E. Transionospheric propagation of FM signals // IEEE Transactions on Communication Technology. 1970. Vol. 18. №. 2 P. 102-109. https://doi.org/10.1109/TCOM.1970.1090338
  14. Рыжкина Т.Е., Федорова Л.В. Исследование статистических и спектральных характеристик трансатмосферных радиосигналов УКВ-СВЧ диапазона // Журнал радиоэлектроники. 2001. №. 2. http://jre.cplire.ru/win/feb01/3/text.html
  15. Ionospheric propagation data and prediction methods required for the design of satellite services and systems. Recommendation ITU-R P.531-11. Electronic Publication, Geneva, 2012. 24 p.
  16. Fremouw E.J., Secan J.A. Modeling and scientific application of scintillation results // Radio Sci. 1984. Vol. 19. №. 3. P. 687-694. https://doi.org/10.1029/RS019i003p00687
  17. Пашинцев В.П., Копытов В.В., Михайлов Д.А., Бойченко И.А., Диптан П.А. Прогнозирование помехоустойчивости спутниковой системы Коспас-Сарсат на основе результатов GPS-мониторинга мелкомасштабных возмущений ионосферы // Журнал радиоэлектроники. - 2024. - №. 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.12.1
  18. Hinks J.C., Humphreys T.E., O'Hanlon B., Psiaki M.L., Kintner P.M.Jr. Evaluating GPS Receiver Robustness to Ionospheric Scintillation // Proceedings of the 21st International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS 2008). Savannah, GA, 2008. P. 309-320.
  19. Pashintsev V.P., Peskov M.V., Kalmykov I.A., Zhuk A.P., Toiskin V.E. Method for forecasting of interference immunity of low frequency satellite communication systems // AD ALTA-Journal of interdisciplinary research. 2020. Vol. 10. №. 1. P. 367-375. https://doi.org/10.33543/1001
  20. Cannon P.S., Groves K., Fraser D.J., Donnelly W.J., Perrier K. Signal distortion on VHF/UHF transionospheric paths: First results from the Wideband Ionospheric Distortion Experiment // Radio Science. 2006. Vol. 41. №. 5. https://doi.org/10.1029/2005RS003369
  21. Пашинцев В.П., Песков М.В., Михайлов Д.А. Киселев Н.В. Оценка влияния дисперсионных и дифракционных свойств ионосферы на ширину полосы пропускания трансионосферного канала // Геомагнетизм и аэрономия. - 2024. - Т. 64. - № 8. - С. 248 - 263. https://doi.org/10.1134/S0016793223601059
  22. Pashintsev V.P., Peskov M.V., Tsimbal V.A. Analysis of the causes of energy losses during processing of signals with frequency-selective fading and intersymbol interference // Proceedings of the 22th International Conference on Digital Signal Processing and its Applications (DSPA). 2020. P. 1-5. https://doi.org/10.1109/DSPA48919.2020.9213288
  23. Колосов М.А., Арманд Н., Яковлев О.И. Распространение радиоволн при космической связи.М.: Связь. - 1969. - 155 c.
  24. Pashintsev V.P., Linets G.I., Slyusarev G.V., Peskov M.V., Melnikov S.V. GPS monitoring of small-scale fluctuations of total electron content of ionosphere // International Journal of Advanced Research in Engineering and Technology. 2020. Vol. 11. №. 5. P. 341-352. https://doi.org/10.34218/IJARET.11.5.2020.035
  25. Pashintsev V.P., Peskov M.V., Mikhailov D.A., Senokosov M., Solomonov D. Method for GPS-Monitoring of Small-Scale Fluctuations of the Total Electron Content of the Ionosphere for Predicting the Noise Immunity of Satellite Communications. In: Chemin DY-HH (ed) Ionosphere - New Perspectives.IntechOpen, Rijeka, 2023. P. 13-33. https://doi.org/10.5772/intechopen.1001520
  26. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику.Ч. 2. Случайные поля.М.: Наука. - 1978. - 463 с.
  27. Баканов Д.В., Мороз Н.В., Пухов Г.Г., Салюк Д.В., Тимчук А.А. Применение многофункциональной системы персональной спутниковой связи "Гонец- Д1М" для обеспечения информационного взаимодействия между удаленными абонентами // Техника средств связи. 2018. №. 2 (142). С. 63-67.
  28. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Издательство "Советское радио". - 1970. - 728 с.
  29. Simon M.K., Alouini M-S. Digital communication over fading channels: a unified approach to performance Analysis. John Wiley & Sons, Inc. 2000. 546 p. ISBN 0-471-20069-7.
  30. Назаров Л.Е., Антонов Д.В., Батанов В.В., Зудилин А.С., Смирнов В.М. Модели сцинтилляции сигналов при распространении по ионосферным спутниковым радиолиниям // Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. - 2019. - Т. 11. - №. 1. - С. 57-64. https://doi.org/10.17725/rensit.2019.11.057
  31. Назаров Л.Е., Смирнов В.М. Вероятностные характеристики приема сигналов с замиранием при распространении по спутниковым ионосферным радиолиниям // Физические основы приборостроения. - 2020. - Т. 9. - №. 4. - С. 18-23. https://doi.org/10.25210/jfop-2004-018023
  32. Назаров Л.Е., Смирнов В.М. Оценивание вероятностных характеристик приема сигналов с использованием моделей замираний при распространении по трансионосферным линиям // Журнал радиоэлектроники. - 2020. - №. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.11.7
  33. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск: Институт солнечно-земной физики СО РАН. - 2006. - 479 с. ISBN 5-98277-033-7.
  34. Carrano C.S., Groves K.M. The GPS segment of the AFRL-SCINDA global network and the challenges of real-time TEC estimation in the equatorial ionosphere // Proceedings of the 2006 National Technical Meeting of The Institute of Navigation. 2006. P. 1036-1047.
  35. Novatel Inc. GPStation-6. GNSS Ionospheric Scintillation and TEC Monitor (GISTM) Receiver User Manual. 2012. 89 p. [Интернет]. Доступно на https://hexagondownloads.blob.core.windows.net/public/Novatel/assets/Documents/Manuals/om-20000132/om-20000132.pdf
  36. Fremouw E.J., Leadabrand R.L., Livingston R.C., Cousins M.D., Rino C.L., Fair B.C., Long R.A. Early results from the DNA Wideband satellite experiment-Complex-signal scintillation // Radio Science. 1978. Vol. 13. №. 1. P. 167-187. https://doi.org/10.1029/RS013i001p00167
  37. Matassa C.K.Comparing the capabilities and performance of the ultra high frequency follow-on system with the mobile user objective system. PhD Thesis, Monterey, California. Naval Postgraduate School, 2011. 72 p.