СПОСОБ ТРАНСЭКВАТОРИАЛЬНОЙ РАДИОСВЯЗИ В ДКМВ ДИАПАЗОНЕ Российский патент 2008 года по МПК H04B7/145 

Изобретение относится к области техники радиосвязи, а более конкретно - радиосвязи с использованием пассивных ретрансляторов, и может быть использовано для связи в ДКМВ диапазоне на трансэкваториальных радиолиниях.

Известен способ связи в ДКМВ диапазоне с использованием пространственной (ионосферной) радиоволны, распространяющейся между передатчиком и приемником по кратчайшему расстоянию - дуге большого круга [1]. Качество связи при этом зависит от состояния ионосферы вблизи точек отражения радиоволны, которое в свою очередь зависит от многих факторов, к важнейшим из которых относится освещенность ионосферы солнцем. В результате, максимальные частоты, отражаемые ионосферой, испытывают периодические изменения и зависят от времени суток, года, фазы солнечного цикла и ряда других причин. В ночные часы эти частоты могут стать настолько малы, что связь прерывается. Другой причиной прерывания связи может стать слишком большое поглощение сигнала на трассе распространения сигнала. Для расширения времени устойчивой радиосвязи в течение суток меняют рабочие частоты, отслеживая оптимальную рабочую частоту (ОРЧ), однако не для всех трасс и не всегда это оказывается достаточным и связь прерывается, существуют часы непрохождения. Для обеспечения связи в эти часы обычно используются иные способы связи или активные ретрансляторы, что не всегда технически возможно или экономически оправдано. Поэтому поиск способов расширения времени устойчивой связи в ДКМВ диапазоне является актуальным. Одной из возможностей расширения времени радиосвязи является использование естественных пассивных ретрансляторов, в роли которых может использоваться рассеяние сигналов неровностями земной поверхности в стороне от дуги большого круга [2]. Этот способ связи выбран в качестве прототипа, но он из-за слабости принимаемого сигнала может использоваться только на трассах малой и средней протяженности (до 3-4 тысяч километров) и его использование эффективно при наличии подходящих особенностей окружающего земного рельефа.

Изобретение направлено на увеличение времени связи в ДКМВ диапазоне на трансэкваториальных радиотрассах большой протяженности (3000-20000 кМ) за счет использования аномального механизма распространения сигналов.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе трансэкваториальной связи в ДКМВ диапазоне, включающем участки ионосферного распространения радиоволн между передатчиком и приемником с использованием пассивного ретранслятора, в качестве последнего используют рассеяние радиоволн ионосферными неоднородностями экваториальной зоны, для чего передаваемый радиосигнал излучают в направлении области интенсивного рассеяния сигнала ионосферными неоднородностями экваториальной зоны, не совпадающим с направлением на корреспондента, а приемную антенну ориентируют на ту же область для его приема.

На фиг.1. приведена функциональная схема системы радиосвязи, реализующей предлагаемый способ, где обозначено:

1 - источник информации;

2 - радиопередатчик;

3 - передающая антенна;

4 - среда распространения (ионосферный радиоканал) на пути от передатчика до области рассеяния;

5 - рассеяние областью ионосферных неоднородностей;

6 - среда распространения (ионосферный радиоканал) на пути от области рассеяния до приемника;

7 - приемная антенна;

8 - радиоприемник;

9 - потребитель информации;

10, 11 - управляющие ЭВМ, служащие для отслеживания азимутов излучения и приема.

Отличительными признакам заявляемого способа является то, что для связи используют рассеяние сигнала ионосферными неоднородностями экваториальной зоны в стороне от дуги большого круга, соединяющего передатчик и приемник, для чего передающую и приемную антенны ориентируют в направлении выбранной для данной трассы области рассеяния. Азимуты излучения и приема при этом могут существенно (на несколько десятков градусов) отличаться от направления на корреспондента и постоянно меняются, имея выраженный и устойчивый суточный ход.

О возможности рассеяния радиоволны неоднородностями ионосферы известно давно. Он приводит к таким известным явлениям как F_SPREAD или ракурсное рассеяние [3-5]. Радиолинии, использующие ионосферное рассеяние, работают в высоких широтах. Рассеяние авроральными неоднородностями широко используется радиолюбителями для установления дальних связей в УКВ-диапазоне (144 МГц) [6]. Один из аномальных способов распространения на трансэкваториальных радиотрассах был экспериментально зарегистрирован в измерениях, проведенных на борту научно-исследовательских судов, и исследовался на большом количестве радиотрасс в разных районах мирового океана [7-10]. Было установлено, что сигнал, соответствующий этому способу распространения, наблюдается в широком диапазоне частот и в отдельные моменты времени может многократно превышать сигнал, пришедший по прямой радиотрассе, проходящей вдоль дуги большого круга, связывающей передатчик и приемник. Характерными особенностями этих сигналов, названных экваториальными боковыми сигналами (ЭБС), являются регулярность появления и суточное изменение времени распространения в пределах от времени распространения прямых сигналов до времени распространения сигналов обратного эха (СОЭ) на прямой трассе. Второй характерной особенностью этого типа сигналов является его сильная диффузность (рассеяние по времени распространения). Анализ свойств ЭБС на большом наборе радиотрасс позволил объяснить его появление рассеянием сигнала на неоднородностях экваториальной области, особенно интенсивным в сумеречные часы в области рассеяния, и разработать метод расчета характеристик ЭБС, который может быть использован в практике радиосвязи. Важно, что время появления ЭБС обычно не совпадает с временем наилучшего прохождения сигналов по прямой радиотрассе и нередко регистрировались случаи, когда связь возможна только с использованием ЭБС. Сведения об использовании ЭБС для радиосвязи неизвестны, хотя можно предположить, что в практике радиосвязи он зачастую использовался неосознанно, когда на трансэкваториальных трассах при использовании ненаправленных антенн удавалось установить связь в телеграфном режиме с малыми скоростями передачи (единицы-десятки бит/с).

Существование ЭБС сомнений не вызывает, они неоднократно регистрировались экспериментально. Для получения возможности передачи информации с использованием ЭБС необходимо обеспечение достаточного для работы связной аппаратуры соотношения сигнал/помеха в точке приема, при этом степень диффузности будет ограничивать скорость передачи информации. В случае использования ЭБС для передачи информации существенно, что в случае высоких МПЧ прямой радиотрассы и малого ионосферного поглощения, он будет приниматься одновременно с модами регулярного распространения, которые затрудняют его прием и зачастую делают использование канала ЭБС бессмысленным, поскольку для связи более подходят регулярные моды. Поэтому важно работать на оптимальных для канала ЭБС частотах и ориентировать диаграммы направленности антенн в направлении области рассеяния. Это позволяет увеличить соотношение сигнал/помеха, уменьшить помеху от прямого сигнала и увеличить время радиосвязи.

Способ осуществляют следующим образом.

На основании расчетов или непосредственных измерений выбирают область с ионосферными неоднородностями, рассеяние сигналов которыми позволяет обеспечить радиосвязь на данной радиотрассе в канале ЭБС, в направлении которых ориентируют диаграммы направленности передающей и приемной антенн. Частоты для связи выбирают, исходя из необходимости обеспечения прохождения сигналов на участках трассы передатчик-область рассеяния и область рассеяния-приемник, а также выполнения условий рассеяния. Желательна работа вблизи МПЧ такой трассы, что обеспечивает максимальное соотношение сигнал/шум.

Из изложенного очевидно, что связь с использованием ЭБС требует индивидуального для каждой радиотрассы или группы трасс выбора области рассеяния и ориентации в ее направлении приемной и передающей антенн. Существенно, что вследствие суточного вращения земли направление на область рассеяния и время распространения ЭБС будут постоянно меняться, что требует постоянного отслеживания азимутов излучения и приема.

Возможность использования предлагаемого способа демонстрируется результатами эксперимента по приему сигнала наклонного зондирования на радиотрассе Иркутск-Тихий океан протяженностью около 18000 км в июле 1980 г. [9, 10].

В этом эксперименте был задействован специальный исследовательский радиопередатчик, расположенный вблизи г.Иркутска и работавший в импульсном режиме с длительностью импульса 1 мс на 10 частотах в диапазоне 10-20 МГц. Анализировались измерения, проведенные на двух группах трасс, первая из которых связывает Иркутск с областью вблизи антипода, а вторая - с районом, отстоящим от антипода на 2-2,5 тыс.км. Напомним, что антиподной принято называть область, диаметрально противоположную данной точке на поверхности земного шара. Антипод г.Иркутска находится в океане вблизи южной оконечности Южной Америки. Длина трасс второй группы 17,5-18 тыс.км, угол наклона к плоскости экватора 75°. На трассах обеих групп регистрировалось два основных типа сигналов - прямой сигнал (ПС) и сигнал обратного эха (СОЭ). Экваториальные боковые сигналы регулярно появлялись на второй группе трасс и отсутствовали в антиподе.

На фиг.2 приведен график прохождения сигналов на второй группе трасс в координатах «время суток - задержка». Вертикальными линиями на нем отмечены зарегистрированные сигналы. Экваториальные боковые сигналы уверенно регистрировались на второй группе радиотрасс в интервале задержек между ПС и СОЭ и в среднем мало отличались от них по амплитуде, а в отдельные часы значительно их превосходили. Среднее время распространения ПС в этом районе 64-65 мс, СОЭ - 81 мс. Пунктирными линиями ограничена область появления ЭБС. Ниже, на фиг.2,б, в тех же координатах приведены результаты моделирования канала ЭБС. Толщина линий показывает ожидаемую интенсивность сигнала.

На фиг.3 приведена упрощенная схема, поясняющая геометрию трасс распространения ЭБС, имеющего задержку τ. Так как ионосферные неоднородности существуют ночью вблизи геомагнитного экватора, будем считать, что рассеяние происходит на ночной половине Земли (от 6 до 18 часов LT). Контуры АВС и DEF, рассеяние вблизи которых приводит к появлению сигнала, построены из условия, что сумма расстояний от передатчика Т до любой его точки и от нее до приемника постоянна, т.е. TAR=TBR=...=TFR. Задержка ЭБС, прошедшего этот путь по отношению к прямому сигналу:

τ=(TBR-TR)/c,

где с - скорость распространения сигнала.

В точке R происходит суммирование мощности сигналов рассеянных вблизи этих контуров. Очевидно, что сигналы с задержкой τ будут появляться при условии, что хотя бы часть этих контуров находится на ночной половине Земли. Суммируясь в точке приемника R, сигналы с различными задержками τ формируют ЭБС.

Очевидно, что в области антипода ЭБС регистрироваться не должны, так как в нее сигнал может попасть только вдоль дуги БК, что возможно при рассеянии вперед, но тогда его задержка будет соответствовать задержке ПС, что и было зарегистрировано. Заштрихованы области, где ЭБС появляться не должны, так как оба контура, рассеяние вблизи которых приводит к их появлению, находятся на дневном полушарии.

Результаты расчетов характеристик ЭБС, в которых учитывалось ионосферное поглощение и характеристики рассеяния ионосферными неоднородностями, приведенные на фиг.2,б, соответствуют результатам эксперимента и объясняют свойства этих сигналов, что говорит о возможности прогнозирования их характеристик, таких как время прохождения, азимуты излучения и приема и ожидаемую интенсивность.

Полученные результаты демонстрируют возможность использования ЭБС для связи. Связь с использованием ЭБС целесообразна в часы, когда нет прохождения сигнала по прямой трассе или оно плохое, что позволяет увеличить время связи в ДКМВ-диапазоне. Оценка энергетического потенциала радиолинии, проведенная с использованием результатов экспериментов, показывает, что связь возможна при использовании стандартных связных радиостанций мощностью от нескольких сотен Ватт (например, широко используемая авиационная радиостанция Р-864 [11]) и стандартных связных антенны с коэффициентом усиления 10-25 дБ. Скорость передачи информации при этом вряд ли превысит 4-100 бит/с. Повышение этой скорости, в принципе, возможно, но требует новых технических решений и принципов организации связи [12].

Литература

1. Калинин А.И., Черенкова Е.Л. Распространение радиоволн и работа радиолиний. - М.: Связь, 1971, 482 с.

2. Патент №2273095 Российской Федерации, МПК Н04В 7/22 Способ связи в ДКМВ-диапазоне / Брянцев В.Ф., - Заявл. 19.07.2004. Опубл. 27.03.2006. Бюл. №9. (прототип).

3. Альперт Я.Л. Распространение радиоволн и ионосфера. - М.: Изд. АН СССР, 1960. - 480 С.

4. Гершман Б.Н. и др. Явление F-рассеяния в ионосфере. - М.: Наука, 1984.

5. Aarones Jules. Global morphology of ionospheric scintillations. // Proc. IEEE., 1982. - v.70. - №4. - pp.360-378.

6. Беленький З., Лишинский Э. Любительские антенны коротких и ультракоротких волн. - М.: Радио и связь., 1983.

7. Перехватов Ю.К. Прием KB-сигналов с суточным изменением времени распространения и длительности импульса на сверхдальних трансэкваториальных трассах. - В кн. Вопросы физики и моделирования ионосферы. - М., 1983, с.77-84.

8. Брянцев В.Ф., Букин Г.В., Галкин А.И. и др. Суточные изменения времени распространения сигналов KB-диапазона на трансэкваториальной трассе. В кн. Исследования по геромагнитизму, аэрономии и физике Солнца. - М., 1982, вып.59, с.188-191.

9. Брянцев В.Ф. О причинах появления перемещающихся сигналов на трансэкваториальных трассах. // Изв. вузов. Радиофизика, 1998. - №3, C.395.

10. Брянцев В.Ф. Исследования и испытания каналов радиосвязи с подвижными объектами с использованием радиофизических методов контроля среды распространения радиоволн. Диссертация на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук. Н.Новгород, 2000.

11. Радиостанция Р-864. Техническое описание.

12. Брянцев В.Ф., Стародубровский А.С. Проблемы создания системы диагностики ионосферы для проведения трассовых испытаний. Труды 11 международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC*2005), Воронеж, 2005, с.600-607.

Изобретение относится к области техники радиосвязи, конкретнее - радиосвязи с использованием пассивных ретрансляторов, и может быть использовано для связи в декаметровом (ДКМВ) диапазоне на трансэкваториальных радиолиниях. Технический результат состоит в увеличении времени связи. Для этого в способе трансэкваториальной связи в ДКМВ диапазоне, включающем участки ионосферного распространения радиоволн между передатчиком и приемником с использованием пассивного ретранслятора, на основании расчетов или непосредственных измерений в качестве пассивного ретранслятора выбирают область с ионосферными неоднородностями, в которой рассеиваются экваториальные боковые сигналы (ЭБС), рабочую частоту выбирают исходя из необходимости прохождения сигналов на участках трассы: передатчик-область рассеяния-приемник и требуемой геометрии рассеяния, и ориентируют передающую и приемную антенну на выбранную область пассивного ретранслятора. 3 ил.

Способ трансэкваториальной связи в ДКМВ диапазоне, включающий ионосферное распространение радиоволн между передатчиком и приемником с использованием пассивного ретранслятора, отличающийся тем, что на основании расчетов или непосредственных измерений в качестве пассивного ретранслятора выбирают область с ионосферными неоднородностями, в которой рассеиваются экваториальные боковые сигналы (ЭБС), рабочую частоту выбирают исходя из необходимости прохождения сигналов на участках трассы: передатчик-область рассеяния-приемник и требуемой геометрии рассеяния, и ориентируют передающую и приемную антенну на выбранную область пассивного ретранслятора.