СПОСОБ РАДИОСВЯЗИ Российский патент 1997 года по МПК H04B7/22 

Изобретение относится к технике передачи информации и может быть использовано для сохранения или повышения надежности радиотехнических систем, использующих ионосферный радиоканал, в периоды ионосферных возмущений, нарушающих регулярный ионосферный канал радиосвязи на частотах ниже МПЧ (Максимально Применимой Частоты), рассчитываемый по общепринятой методике.

Технический результатом изобретения является сохранение, без увеличения мощности передатчика, работоспособности радиотехнических систем, использующих ионосферный канал, в периоды ионосферных возмущений.

Поставленная цель достигается за счет использования теоретически обнаруженной способности вытянутых вдоль магнитного поля плазменных неоднородностей канализировать медленные волноводные типы колебаний, которые усиливаются при взаимодействии с пучками заряженных частиц, являющимися причиной ионосферного возмущения. Тем самым за счет естественных процессов, сопровождаемых ионосферное возмущение, осуществляется компенсация потерь сигнала на поглощение, которое ухудшает параметры регулярного ионосферного канала во время ионосферного возмущения.

Для достижения результата используют частоты, сигналы на которых могут трансформироваться в волноводные моды, усиливаться за счет взаимодействия с пучком заряженных частиц и распространяться в ионосфере по своей траектории, отличной от траекторий распространения при используемых до настоящего времени способах ионосферной связи.

Существующие средства дальней связи используют ионосферу как пассивную среду, в которой распространяется сигнал, несущий полезную информацию. Применяя при этом технические средства, такие как приемопередающие антенны, а также средства обеспечения надежности и эффективности радиосвязи, методы прогнозирования и расчета частот радиосвязи, мощности излучения, пропускных характеристик канал, исходят из того, что среда распространения является пассивной средой.

Однако в условиях высокоширотных ионосферных возмущений, которые часто нарушают ионосферный канал связи, или при искусственном воздействии на ионосферу с помощью различных факторов, справедливость исходной предпосылки становится под сомнение. Основанием для этого служат экспериментальные данные и измерения, выполненные при излучении энергетических, спектральных и траекторных характеристик сигналов, распространяющихся в ионосферной плазме в периоды как естественных, так и искусственных возмущений.

При организации работы радиотехнических систем, главным образом систем радиосвязи, использующих в качестве среды передачи информации ионосферную плазму, принимают во внимание только следующие механизмы распространения сигнала, для каждого из которых разработаны методики расчета и прогнозирования оптимальных частот, потерь сигнала, ориентации передающих и приемных антенн и необходимой энергетики передатчика. Эти механизмы определяют способы, являющиеся аналогами предлагаемого способа связи.

1. Распространение сигнала с отражением от ионосферного слоя на частотах ниже МПЧ (регулярный ионосферный радиоканал) [1]
2. Ионосферное рассеяние на неоднородностях D-cлоя [2]
3. Рассеяние на метеорных следах [3]
Для условий спокойной ионосферы список перечисленных механизмов распространения и определяемых ими способов радиосвязи является исчерпывающий и обеспечивает функционирование радиотехнических систем, использующих ионосферный радиоканал.

Прототипом заявляемого способа связи является способ связи, основанный на механизме распространения сигнала с отражением от ионосферного слоя на частотах ниже МПЧ (регулярный ионосферный радиоканал), указанном в списке механизмов под номером 1, который широко используется в настоящее время. Однако в условиях высоких широт этот ионосферный канал подвержен частым нарушениям. Сигнал на частотах ниже МПЧ испытывает сильное поглощение, и для сохранения связи используют ионосферное или метеорное рассеяние. Однако эти способы радиосвязи требуют значительных затрат на повышение мощности излучаемого сигнала и строительство узконаправленных антенн.

В условиях как естественных, так и искусственных ионосферных возмущений, когда в качестве возмущающего фактора выступает пучек заряженных частиц в ионосферной плазме, возникают физические условия, которые приводят к формированию альтернативного существующим радикала, который не требует увеличения мощности передатчика. При использовании этого радиоканала компенсация потерь сигнала на поглощение, которое ухудшает параметры регулярного канала во время ионосферного возмущения, в предлагаемом способе радиосвязи происходит за счет естественных процессов, сопровождающих ионосферное возмущение.

Теоретически расчеты показали, что в плазме с вытянутыми вдоль магнитного поля неоднородностями, могут распространяться медленные волноводные моды. Структура поля и частотный диапазон для этих типов волн рассчитан в работе [4] В высокоширотной ионосфере в периоды вторжения в нее пучков заряженных частиц возникают вытянутые вдоль геомагнитного поля плазменные неоднородности, в которых за счет трансформации поперечной волны возбуждаются и распространяются медленные волноводные моды. Как показывает теория, эти моды в отличие от плоских электромагнитных колебаний имеют компоненту электрического поля вдоль направления распространения и, следовательно, могут взаимодействовать с пучком заряженных частиц, двигающимся вдоль геомагнитного поля. Такое взаимодействие приводит к усилению радиосигнала.

Экспериментальные исследования особенностей ионосферного распространения радиоволн в высоких широтах подтверждают факт существования рассмотренного механизма распространения, отличного от ранее известных и широко используемых в практических целях [5] Проведенные эксперименты подтверждают правильность теоретических расчетов параметров волноводных модов.

Hа чертеже показана схема одного из возможных вариантов реализации предложенного способа радиосвязи.

Приемник расположен в высоких широтах, где направление вектора геомагнитного поля составляет с вертикалью угол Φ^° меньший 12 градусов.

Передатчик может находиться в любом месте.

Траектория 1 соответствует распространению сигнала на частотах ниже МПЧ, когда плоская волна отражается от ионосферного слоя (механизм 1).

Траектория 2 соответствует распространению за счет рассеяния на изомерных неоднородностях нижней ионосферы (механизм 2).

Оптимальные условия приема выполняются, когда рассеивающий объем расположен в средней точке трассы. Для обеспечения оптимальных условий связи при использовании 1 и 2 механизмов распространения применяются антенны с прижатой к горизонту диаграммой направленности, соответствующей направлению распространения волны при отражении от ионосферы на частотах, ниже МПЧ, или соответствующей максимальной амплитуде рассеянного сигнала (для механизма 2). Диаграммы направленности антенн для оптимальных условий связи изображены на чертеже пунктирными кривыми.

В случае, когда в результате возмущения в высокоширотной ионосфере образуются полеориентированные неоднородности (ПОH) при одновременном нарушении канала на частотах ниже МПЧ, при приеме появляются сигналы, соответствующие траектории распространения, обозначенной буквой А.

Схематично механизм распространения сигнала в канале А можно представить следующим образом. Поток заряженных частиц, вторгающийся во время ионосферной бури вдоль силовых линий геомагнитного поля в ионосферу, вызывает дополнительную локальную ионизацию. Появившиеся при этом вытянутые вдоль геомагнитного поля ионосферные неоднородности (ПОН) можно рассматривать как открытые плазменные волноводы. Плоская волна от передатчика, падающая на неоднородность, трансформируется в поле собственных колебаний плазменного волновода (волноводные моды). Проведенные в работе [4] расчеты показывают, что спектр собственных колебаний плазменного волновода с магнитным полем, направленным вдоль его оси, расположен в диапазоне частот от f_c до

где f_p плазменная частота волновода;
f_c электронная циклотронная частота;
плазменная частота ионосферного слоя.

При инжекции пучка заряженных частиц вдоль оси волновода медленные волны усиливаются пучком [4] и переизлучаются в свободное пространство либо с открытого конца плазменного волновода, либо за счет появляющейся волны утечки. Поэтому оптимальные условия для приема переизлученного ионосферными неоднородностями усиленного сигнала реализуются, когда максимум диаграммы направленности соответствует направлению переизлучения сигнала, т.е. вдоль направления геомагнитного поля, как показано пунктиром А на чертеже. Hаиболее эффективно в ионосфере будут усиливаться (или возбуждаться) те волноводные моды, фазовые моды, фазовые скорости которых соответствуют скорости вторгающихся заряженных частиц. Частоты этих колебаний, примыкают к значению и f_р, т.е. для условий земной ионосферы располагаются в диапазоне КВ и УКВ.

Проведенные измерения показывают, что рассмотренный механизм распространения радиоволн реализуется на авроральной радиотрассе достаточно часто, и поэтому он может быть использован для осуществления радиосвязи не только при искусственной инжекции в ионосферу пучка заряженных частиц, но и в периоды естественных ионосферных возмущений.

Источники информации
1. Г. H. Горбушина, В.М. Дриацкий, Е.М. Жулина. Инструкция по расчету коротковолновых линий радиосвязи на высоких широтах. М. Hаука, 1969, 108 с.

2. Радиолинии ионосферного рассеяния метровых волн, ред. H.H. Шумская. М. Связь, 1973, 193 с.

3. Курганов Р.А. К теории метеорных радиотрасс и распределения характеристических высот на трассе. в сб. " Метеорное распространение радиоволн", вып. 3 4, Казань, Изд. КГУ, 1963.

4. А. А. Веденов, H.А. Горохов, А.И. Рогашкова, В.Р. Чечеткин. Механизм взаимодействия радиоволн и частиц в ионосфере. В кн. "Влияние мощного радиоизлучения на ионосферу", Изд. АН СССР, Кольский Филиал АН СССР, Апатиты 1979, с. 105-114.

5. Nicolai A. Gorokhov. Auroral precipitation sounding by radiowaves, Symposium on High Latitude Optics, University of Tromso, Norway, 28 June 2 July 1993.

Изобретение относится к технике передачи информации и может быть использовано для сохранения или повышения надежности радиотехнических систем, использующих ионосферный радиоканал, в периоды ионосферных возмущений, нарушающих регулярный ионосферный канал радиосвязи на частотах ниже МПЧ (Максимально Применимой Частоты), рассчитываемый по общепринятой методике. Техническим результатом изобретения является сохранение, без увеличения мощности передатчика, работоспособности радиотехнических систем, использующих ионосферный канал, в периоды ионосферных возмущений. Поставленная цель достигается за счет использования теоретически обнаруженной способности вытянутых вдоль магнитного поля плазменных неоднородностей канализировать медленные типы колебаний, которые усиливаются при взаимодействии с пучками заряженных частиц, являющимися причиной ионосферного возмущения. Тем самым за счет естественных процессов, сопровождаемых ионосферное возмущение, осуществляется компенсация потерь сигнала на поглощение, которое ухудшает параметры регулярного ионосферного канала во время ионосферного возмущения. Для достижения результата используют частоты, сигналы на которых могут трансформироваться в волноводные моды, усиливаться за счет взаимодействия с пучком заряженных частиц и распространяться в ионосфере по своей траектории, отличной от траекторий распространения при используемых до настоящего времени способах ионосферной связи. 1 ил.

Способ радиосвязи, заключающийся в том, что излучают сигнал в направлении ионосферных неоднородностей, отличающийся тем, что излучение сигнала осуществляют на частотах, которые могут трансформироваться в волноводные моды, причем при приеме диаграмму направленности антенны ориентируют вдоль направления силовых линий геомагнитного поля.