СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КВ И УКВ РАДИОСВЯЗИ В УСЛОВИЯХ СИЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ РАДИОСИГНАЛА Российский патент 2013 года по МПК H04B7/00 

Изобретение относится к области радиосвязи с помощью ионосферных радиоканалов и может быть использовано для обеспечения KB- и УКВ-радиосвязи в том случае, когда прием сигнала оказывается невозможным в связи с тем, что радиотрасса передатчик-приемник проходит через зону сильного поглощения радиосигнала, в частности, это может иметь место в условиях противодействия противника с помощью воздушных ядерных взрывов [Физика ядерного взрыва, т.1, с.593. М., Физматлит, 2009].

Известен способ создания искусственного плазменного зеркала с возможностью управления углом его наклона относительно Земли (патент на изобретение США №5041834). В данном способе используется эффект пробоя воздуха атмосферы под воздействием СВЧ-излучения, в результате чего образуются свободные электроны, которые и создают управляемый плазменный слой, отражающий радиоволны ВЧ-диапазона. Основным недостатком данного способа является то, что воздействие осуществляется на воздушную среду, что не позволяет создавать отражающий слой на высотах более 60 км.

Известен способ формирования облаков искусственной ионизации над Землей с помощью антенных систем (патент на изобретение США №4999637). Данный способ может использоваться для организации загоризонтной связи и обнаружения воздушных целей путем отражения радиосигнала от возмущенной области. Недостатком данного способа является то, что отражающее облако образуется на относительно небольшой высоте (до 90 км), что позволяет осуществлять только загоризонтную радиосвязь и радиолокацию в ДВ- и СВ-диапазонах радиоволн.

Известен способ управления распространением коротких радиоволн в ионосферном волноводе (патент РФ на изобретение №2413363). Данный способ используется для повышения надежности дальней КВ-радиосвязи. Способ предполагает использование нагревного стенда для управления распространением радиоволн путем модификации ионосферы и создания внутри ионосферного волновода искусственных мелкомасштабных магнитно-ориентированных неоднородностей.

Этот способ выбран в качестве прототипа.

Основным недостатком данного способа является использование ионосферного волновода, состояние которого зависит от таких факторов, как: солнечная активность, текущее состояние ионосферы вдоль создаваемой радиотрассы, состояние магнитосферы Земли и т.д. В условиях создания противником зоны сильного поглощения радиосигнала с помощью воздушных ядерных взрывов также происходит значительное изменение концентрации заряженных частиц ионосферы [Физика ядерного взрыва, т.1, с.642. М., Физматлит, 2009], что приводит к существенной деформации ионосферного волновода в данной области и делает невозможным прохождение по нему радиосигнала.

Решаемая техническая задача состоит в разработке способа создания канала KB- и УКВ-радиосвязи в условиях сильного поглощения сигнала на прямой радиотрассе.

Технический результат заключается в обеспечении KB- и УКВ-радиосвязи в том случае, когда ориентация антенны радиоприемного устройства в направлении передатчика оказывается неэффективной вследствие сильного поглощения радиосигнала.

Достижение технического результата обеспечивается тем, что создается радиотрасса в обход зоны сильного поглощения радиосигнала. Для этого антенна радиоприемного устройства направляется на ионосферную область искусственных неоднородностей электронной концентрации, расположенную вне зоны сильного поглощения радиосигнала. Область неоднородностей концентрации электронов формируется при нагреве F-слоя ионосферы коротковолновым радиоизлучением стенда [Фролов В.Л., Бахметьева Н.В., Беликович В.В. и др. Модификация ионосферы Земли мощным коротковолновым радиоизлучением // УФН, 2007, т.177, №3, с.330-340]. Вследствие замагниченности ионосферной плазмы эти неоднородности вытянуты вдоль силовых линии геомагнитного поля. Характерный поперечный размер неоднородностей составляет 7-10 м. Кроме этого, неоднородности объединены в группу с поперечным размером 100-200 м и в большие зоны радиусом 1-3 км [Гуревич А.В. Нелинейные явления в ионосфере // УФН, 2007, т.177, №11, с.1145-1177].

В результате в ионосфере возникает набор «зеркал», что приводит к рассеянию радиоволн, которое называется ракурсным рассеянием. Как показали проведенные экспериментальные исследования, сечение ракурсного рассеяния в диапазоне частот 20-100 МГц весьма значительно и достигает 10⁸ м² [Rao P.B., Thome G.D. Scattering models // Radio Sci., 1974, v.9, №11, p.985-989]. Поэтому интенсивность рассеянного сигнала оказывается достаточной для приема на больших расстояниях. Например, при ориентации антенны радиоприемника в г.Санкт-Петербурге на область искусственных неоднородностей, созданную в районе г.Нижний Новгород с помощью стенда "Сура", принимались KB радиосигналы от передатчиков в г.Киеве и в г.Краснодаре [Благовещенская Н.Ф. Геофизические эффекты активных воздействий в околоземном космическом пространстве, с.54. С-Пб., Гидрометеоиздат, 2001].

Волновые векторы рассеянных волн сосредоточены вблизи поверхности конуса с осью, направленной вдоль геомагнитного поля, с углом раствора, равным углу между вектором геомагнитного поля Земли и волновым вектором падающей радиоволны, а вершина этого конуса находится в месте расположения неоднородностей [Гершман Б.Н., Ерухимов Л.М., Яшин Ю.Я. Волновые явления в ионосфере и космической плазме, с.370. М., Наука, 1984]. Поэтому для заданного расположения радиопередатчиков и приемников рассеиваемые на ионосферных неоднородностях сигналы попадут на антенну радиоприемного устройства, если нагревной стенд находится в соответствующей точке земной поверхности, которая определяется из геометрии рассматриваемой задачи. В связи с этим для практического применения предлагаемого способа следует использовать мобильные стенды.

Мелкомасштабные неоднородности электронной концентрации возникают в F-слое ионосферы, если эффективная излучаемая мощность стенда составляет ~3-5 МВт [Благовещенская Н.Ф. Геофизические эффекты активных воздействий в околоземном космическом пространстве, с.48. С-Пб., Гидрометеоиздат, 2001]. Эффективная излучаемая мощность стенда W равна: W=GP, где Р - суммарная мощность радиопередатчиков стенда, G - коэффициент усиления его антенны. Как показывают расчеты, антенна из четырех скрещенных диполей с высотой подвеса диполей ~20 м, расстоянием между диполями ~50 м и длиной диполя ~48 м имеет на частоте ~5 МГц коэффициент усиления G ~20. Поэтому четырех радиопередатчиков с мощностью ~50 кВт каждый будет достаточно для обеспечения требуемой интенсивности нагрева ионосферы, т.е. техническая реализуемость мобильного нагревного стенда не вызывает сомнения и в США уже ведутся работы по созданию таких стендов.

В подтверждение критерия "промышленная применимость" рассмотрим пример осуществления заявляемого способа.

На фиг.1 представлен способ создания канала космической радиосвязи в обход зоны сильного поглощения радиосигнала с помощью эффекта гигантского ракурсного рассеяния.

На фиг.1:

1 - сигнал связи;

2 - передающая антенна;

3 - космический аппарат;

4 - зона сильного поглощения радиосигнала;

5 - нагревной стенд;

6 - коротковолновое радиоизлучение нагревного стенда;

7 - неоднородности электронной концентрации;

8 - силовые линии магнитного поля Земли;

9 - конус ракурсного рассеяния радиоволн;

10 - отраженный сигнал связи.

Сигнал космической связи 1, излучаемый антенной 2 по прямой радиотрассе передатчик-приемник, не может быть зарегистрирован на космическом аппарате 3, т.к. эта радиотрасса проходит через созданную противником область повышенной ионизации 4, которая является зоной сильного поглощения радиосигнала. Для формирования нового радиоканала с помощью коротковолнового радиоизлучения 5 нагревного стенда 6, находящегося вне зоны сильного поглощения радиосигнала, создаются неоднородности электронной концентрации 7, вытянутые вдоль силовых линий магнитного поля Земли 8. Радиосигнал KB- (УКВ-) диапазона 1, излучаемый антенной 2 в направлении неоднородностей электронной концентрации 7, рассеивается на неоднородностях. Местоположение стенда 6 выбрано таким образом, что космический аппарат 3 находится на конусе ракурсного рассеяния 9. Антенна радиоприемного устройства ориентирована в направлении неоднородностей электронной концентрации 7, поэтому рассеянный сигнал 10 принимается на космическом аппарате 3, т.е. радиосвязь осуществляется в обход создаваемой противником зоны сильного поглощения радиосигнала 4.

Изобретение относится к области радиосвязи с помощью ионосферных радиотрасс. Техническим результатом является создание каналов KB- и УКВ-радиосвязи в обход зоны сильного поглощения радиосигнала. В предлагаемом способе используется эффект гигантского ракурсного рассеяния излучаемых KB- и УКВ-радиоволн на мелкомасштабных неоднородностях электронной концентрации. Эти неоднородности создаются в ионосфере с помощью коротковолнового радиоизлучения мобильного нагревного стенда.

Способ обеспечения KB и УКВ радиосвязи в условиях сильного поглощения радиосигнала, заключающийся в создании области неоднородностей концентрации ионосферных электронов с помощью нагревного стенда, отличающийся тем, что для создания радиотрассы в обход зоны сильного радиопоглощения неоднородности электронной концентрации создают вне зоны сильного поглощения радиосигнала, при этом местоположение нагревного стенда выбирают таким образом, чтобы сигналы радиопередатчиков KB и УКВ диапазона, рассеиваемые на создаваемых стендом неоднородностях электронной концентрации, попадали на антенну радиоприемного устройства.