-2-
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
лгв - акустико-фавитационные волны
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика
АР - антенная решетка
ЛЦП - аналого-цифровой преобразователь
АФР - амплитудно-фазовое распределение
ЛЭ - антенный элемент
БПФ - быстрое преобразование Фурье
ВВ - волновые возмущения
ВЗ - вертикальное зондирование
ВН — волна накачки
ВС - время стационарности
ВСВ - вытянутые сфероидальные волновые функции
вч - высокие частоты
ДАСФ - динамическая адаптивная структурно-физическая модель
дкмв - декаметровые волны
дн - диафамма направленности
ДПФ - дискретное преобразование Фурье
дчх - дистанционно-частотная характеристика
иит - искусственная ионосферная турбулентность
ИРИ - источник радиоизлучения
КВ - короткие волны
КС - канал связи
лчм - линейная частотная модуляция
МММ - мелкомасштабные неоднородности
мпч - максимально применимая частота
мси - межсимвольная интерференция
мтм - многооконный метод спектрального анализа
из - наклонное зондирование
-З-
ннч - наименьшая наблюдаемая частота
мнч - максимальная наблюдаемая частота
мо - местоопределение
мпч - максимально применимая частота
УЧХ - угловая-частотная характеристика
ОПФ - обратное преобразование Фурье
ОБПФ - обратное быстрое преобразование Фурье
пив - перемещающиеся ионосферные возмущения
ПК - полоса когерентности
ппк - пространственная полоса когерентности
пч — промежуточная частота
СДУ - стохастические дифференциальные уравнения
снз - системы наклонного зондирования
спс - системы передачи сообщений
сп - системы пеленгования
спм - спектральная плотность мощности
сс - системы связи
СФ - структурно-физическая модель
УОС - устройства обработки сигналов
ФЧХ - фазочастотная характеристика
В-Р - трасса Ветлуга-Ростов-на-Дону
к-нн - трасса Кипр-Нижний Новгород
К-Р - трасса Кипр-Ростов-на-Дону
Ин-Р - трасса Инскип-Ростов-на-Дону
Ир-Р - трасса Иркутск-Ростов-на-Дону
ІІ-Р - трасса Норильск-Ростов-на-Дону
Х-Р — трасса Хабаровск-Ростов-иа-Дону
М-Р - трасса Магадан-Ростов-иа-Дону
-4-
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ............................................................ 9
1. Подходы к описанию ионосферпого радиоканала..................... 34
1.1. Общие принципы описания каналов связи и их классификация.......34
1.2. Математическое описание сигналов на выходе каналов связи.......44
1.2.1. Каналы с детерминированными параметрами..................... 44
1.2.2. Каналы со случайными параметрами и аддитивной помехой....... 45
1.2.3. Радиоканалы со случайной структурой......................... 47
1.2.3.1. Канал с дискретной многолучевостью........................ 48
1.2.3.2. Радиоканал с замираниями селективными по частоте.......... 49
1.2.3.3. Радиоканал с замираниями селективными по времени.......... 51
1.2.4. Представление непрерывных каналов на основе стохастических дифференциальных уравнений......................................... 52
1.2.4.1. Радиоканалы с сосредоточенными параметрами................ 52
1.2.4.2. Описание радиоканалов на основе стохастических дифференциальных уравнений......................................... 53
1.2.4.3. Представление случайных полей в пространственно-временных радиоканалах........................................................54
1.3. Структурно-физическое описание радиоканалов...................56
2. Экспериментальные предпосылки описания ионосферного канала
на основе структурно-физического подхода............................62
2.1. Экспериментазьные данные, полученные различными методами радиозондирования ионосферы........................................ 62
2.1.1. Результаты зондирования широкополосными сигналами........... 62
2.1.2. Результаты комплексных экспериментов........................ 64
2.1.3. Исследования отдельных характеристик распространения........ 66
2.1.4. Исследования особенностей распространения декаметровых радиоволн на основе доплеровских и ЛЧМ-радаров..................... 67
2.1.5. Распределения амплитуд, фаз и углов прихода..................82
2.1.5.1. Некоторые теоретические результаты........................ 82
2.1.5.2. Экспериментальные результаты.............................. 84
2.1.5.3. Изменения фазы............................................ 87
2.2. Волновые возмущения в среднеширотной ионосфере................ 88
2.2.1. Вероятность наблюдения ПИВ.................................. 89
2.2.2. Спектральный состав ВВ...................................... 91
2.2.3. Пространственные характеристики ВВ.......................... 92
2.2.4. Фазовые скорости ПИВ........................................ 94
-5-
2.2.5. Амплитуда вариаций электронной плотности ВВ.................... 95
2.2.6.Рекомсндации по моделированию волновых возмущений............... 96
2.3. Другие возмущения................................................ 97
2.4. Выводы........................................................... 98
3. Динамическая адаптивная структурно-физическая модель ДКМ-канала........................................................... 100
3.1. Основные положения структурно-физической модели ионосферного радиоканала и возможные подходы к ее реализации...................... 100
3.2. Структурно-физическая модель ионосферного канала на основе метода геометрической оптики для нестационарной неоднородной анизотропной ионосферы............................................... 101
3.2.1. Постановка задачи и лучевые уравнения........................ 102
3.2.2. Особенности решения лучевых уравнений для крутопадающих
на ионосферу траекторий............................................. 108
3.2.3. Краткая характеристика алгоритма и программы расчета
лучевых траекторий.................................................. 111
3.2.4. Модель горизонтально-неоднородной нестационарной магнитоактивной ионосферы............................................ 115
3.2.4.1. Пространственное распределение электронной концентрации
в ионосфере.......................................................... 115
3.2.4.2. Частота соударений электронов и затухание декаметровых
волн в ионосфере.................................................... 123
3.2.4.3. Модель геомагнитного поля................................... 129
3.2.4.4. Учет отражений от спорадического слоя Es.................... 129
3.2.5. Решение граничной задачи и способ определения МПЧ трассы 137
3.3. Приближенные методы расчета характеристик распространения 138
3.3.1. Расчет характеристик ионосферного канала на основе эквивалентных траекторий............................................. 138
3.3.2. Построение структурно-физической модели ионосферного канала
на основе методов типа рефракционного инте1рапа...................... 140
3.3.3. Модель канала на основе упрощенного метода характеристик 142
3.3.3.1. Расчет траектории луча...................................... 143
3.3.3.2. Модель горизонтально-неоднородной нестационарной ионосферы............................................................ 145
3.3.3.3. Приближенные методы учета влияния на характеристики распространения геомагнитного поля................................... 146
3.3.3.4. Решение граничной задачи и способ определения МПЧ трассы.... 149
3.4. Расчет частотных и временных характеристик радиоканала......... 150
3.4.1. Представление передаточной характеристики ионосферного
-6-
радиоканала и ее пространственно-частотно-времеииое разложение 150
3.4.2. Подходы к построению компьютерного имитатора КВ-канала 152
3.4.3. Компьютерный имитатор узкополосного ионосферного КВ-канала. 152
3.4.4. Имитационное моделирование узкополосного радиоканала......... 154
3.4.5. Расчет частотных и временных характеристик широкополосного ионосферного канала.................................................. 156
3.4.6. Процесс имитационного моделирования широкополосного канала.. 158
3.5. Область применения ДАСФ-модели ионосферного радиоканала и примеры имитационного моделирования.................................. 161
3.6. Выводы.......................................................... 173
4. Исследование характеристик распространения с использованием динамической адаптивной структу рно-физической модели ионосферного радиоканала............................................ 176
4.1. Влияние дисперсионных свойств и нестационарности
ионосферной плазмы на характеристики радиоканата..................... 176
4.1.1. Полоса когерентности ионосферного канала но частоте.......... 176
4.1.2. Исследование работы и оценка потенциальных возможностей ЛЧМ-ионозонда........................................................ 184
4.1.3. Определение времени стационарности ионосферного радиоканала. 193
4.1.3.1. Спектр передаточной характеристики по медленному времени 193
4.1.3.2. Определение времени стационарности ионосферного радиоканата 196
4.1.3.3. Результаты численного моделирования......................... 199
4.1.4. Определение пространственной полосы когерентности............. 202
4.1.4.1. Пространственный спектр передаточной характеристики..........202
4.1.4.2. Результаты численного моделирования..........................206
4.2. Исследование частотных и корреляционных характеристик ионосферного канала.................................................. 208
4.2.1. Временные вариации характеристик ионосферного канала.......... 209
4.2.2. Пространственные вариации характеристик ионосферного канала.. 227
4.2.3. Оценка радиуса пространственно-временной корреляции........... 228
4.3. Исследование стат истических и корреляционных характеристик
полей декаметровых волн.............................................. 230
4.3.1. Условия моделирования........................................ 231
4.3.2. Методика численного эксперимента............................. 231
4.3.3. Результаты и их анализ........................................ 233
4.4. Способ частотно-временной локализации сигналов.................. 240
4.5. Ошибки решения обратной задачи однопозиционного месгоопределения, обусловленные погрешностями прогнозирования состояния ионосферы.................................................. 248
-7-
4.5.1. Коррекция параметров ионосферной модели по данным однопозициоиного местоопределения реперных источников............... 249
4.5.2. Использование данных радиозондирования ионосферы
в задаче пеленгации................................................. 255
4.5.3. Использование адаптивных моделей ионосферы в задаче пеленгации и однопозиционного местоопределения...................... 262
4.6. Уменьшение влияния многолучевости на точность определения
углов прихода интерферометрическими методами........................ 268
4.7. Выводы......................................................... 273
5. Комплексные экспериментальные исследования и моделирование ионосферного КВ-канала на среднеширотных трассах различной протяженности и ориентации.......................................... 277
5.1. Спектральное оценивание характеристик распространения ионосферных радиоволн............................................... 278
5.1.1. Спектральный метод оценивания параметров ионосферного канала 279
5.1.2. Методика и условия измерений характеристик непрерывных узкополосных сигналов, отраженных от ионосферы...................... 284
5.1.3. Экспериментальное оценивание характеристик сигналов, отраженных от ионосферы............................................. 286
5.1.4. Экспериментальная проверка прогнозирования
энергетических характеристик распространения ДКМВ................... 303
5.1.5. Оценка статистических свойств характеристик сигналов,
отраженных от ионосферы............................................. 318
5.2. Наклонное ЛЧМ-зондирование ионосферы и адаптивное моделирование....................................................... 326
5.2.1. Методы спектрального оценивания разностного сигнала.......... 326
5.2.1.1. Способ оцифровки разностного сигнала....................... 327
5.2.1.2. Многооконный метод оценки спектральной плотности
мощности разностного сигнала........................................ 328
5.2.1.3. Методика выделения мод распространения и очистка
ЛЧМ-ионограмм....................................................... 332
5.2.2. Исследование характеристик КВ-канала на основе наклонного ЛЧМ-зондирования и моделирования.................................... 333
5.2.2.1. Аппаратура и методика обработки данных..................... 333
5.2.2.2. Результаты наблюдений...................................... 334
5.2.2.3. Моделирование и обсуждение................................. 350
5.2.2.4. Эффекты аномальных потерь в окрестности МПЧ магнитоионных
компонент............................................................357
5.3. Исследование угловых характеристик декаметровых радиоволн и
-8-
однопозиционное местоопределение источников радиоизлучения.......... 360
5.3.1. Способ построения широкополосного однопозиционного многоканального пелен гатора-дальномера КБ диапазона.................361
5.3.1.1. Требования к аппаратуре....................................362
5.3.1.2. Алгоритм обнаружения и локализации источников по времени, частоте и в пространстве угловых координат.......................... 362
5.3.1.3. Алгоритм выделения доминирующего луча...................... 368
5.3.1.4. Однопозиционное местоопределение ИРИ.......................36 8
5.3.2. Исследование угловых характеристик декаметровых волн
по результатам комплексных экспериментов............................ 369
5.3.4. Экспериментальная оценка ошибок решения обратной задачи одпопозиционного местоопределения, обусловленных погрешностями прогнозирования состояния ионосферы................................. 379
5.3.4.1. Используемая аппаратура и условия эксперимента............. 380
5.3.4.2. Результаты экспериментальной оценки погрешностей однопозиционного местоопределения................................... 381
5.4. Выводы......................................................... 386
Заключение.......................................................... 389
Литература
394
-9-
ВВЕДЕНИЕ
В современных условиях высоких технологий роль ионосферного КВ-канала непрерывно возрастает [1-3]. Под ионосферными мы имеем ввиду радиоканалы для связи, пеленгации, локации. В связи с огромной изменчивостью радиоканала [4-10), необходимо решение многопараметрической задачи: определение количества мод распространения, учет вариаций амплитуд и фаз каждой из них, тонкой пространственно-временной структуры поля в зоне приема [9-12]. В настоящее время известно достаточно большое количество работ, описывающих ионосферное распространение радиоволн [4-13]. Однако в них глубоко проработаны отдельные аспекты, в частности, учет влияния регулярных вариаций ионосферных параметров на характеристики КВ в основном решена.
Наибольшую трудность представляет учет случайных факторов: перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ), явления Р-рассеяния, случайных естественных и искусственных неоднородностей электронной концентрации. Учет влияния ПИВ может быть осуществлен в геометрооптическом приближении [13]. Задача учета рассеяния на неоднородностях крайне сложна и, как нам представляется, для практической реализации может быть решена в феноменологическом приближении [1,2].
Задача еще болсс усложняется, т.к. в последнее время наблюдается устойчивая тенденция по возрастанию требований к характеристикам систем передачи сообщений (СПС) и устройствам обработки сигналов (УОС), к их надежности и производительности [3]. Наряду с СПС, использующих новые виды сигналов и способы их кодирования, разрабатываются системы связи и системы пеленгации с адаптацией, с пространственно-, частотно-, поляризационно-временной обработкой полей. Наиболее широкое применение они находят при разработке современных цифровых программно-аппаратных комплексов [3,9,10,14-20].
Современное состояние экспериментальной базы, основанной на современных цифровых программно-аппаратных средствах, позволяет провести комплексные исследования [7-10,13]. Подобные экспериментальные целенаправленные исследования дорогостоящи. Поэтому при их планировании необходимо уметь предсказывать, т.е. моделировать ожидаемые результаты.
В общем случае такое моделирование должно объединять в себе прогноз состояния ионосферы, данные о геомагнитном поле, прогноз поля помех, методы расчета максимально применимой частоты (МГТЧ), модовой и лучевой структуры сигнала, возможность определения траекторных и энергетических характеристик отдельных лучей, способов восстановления стати-
-10-
стических, корреляционных, временных, пространственных, поляризационных характеристик интерференционного поля в зоне приема. В итоге модель должна обеспечивать получение амплитудно- и фазочастотных характеристик канала и их динамику в частотно-пространственно-временной области.
Неоценимые данные такая модель способна дать и при интерпретации новых результатов, полученных во время комплексных экспериментальных исследований на основе вертикального (ВЗ) и наклонного зондирования (НЗ) ионосферы узкополосными и широкополосными сигналами в различных ге-лио- и геофизических условиях. В том числе в условиях естественной и искусственной возмущенности ионосферной плазмы на ее основе могут быть разработаны новые методы мониторинга подобных возмущений и оценки их основных частотных, временных, пространственных параметров.
В связи с этим исследования, приведенные в диссертации, преследовали следующие цели:
1. Разработку адаптивного метода расчета пространственно-временных полей ДКМВ, обладающего не только прогностическими возможностями, но и позволяющего определять динамически изменяющиеся квазимгновенные передаточную и импульсную функции ионосферного радиоканала, а также статистические, частотные, пространственные характеристики сигналов, отраженных от ионосферы.
2. Теоретическое исследование свойств пространственно-временных полей ДКМВ в заданной частотно-пространственно-времснной области на среднеширотных трассах различной протяженности и ориентации.
3. Развитие спектральных методов комплексных измерений статистических, частотных, пространственных и временных характеристик сигналов, отраженных от ионосферы.
4. Комплексные экспериментальные исследования характеристик распространения ДКМВ на основе развитого спектрального подхода к оценке характеристик распространения и адаптивного метода расчета полей ДКМВ. Проверка основных положений развитых методов.
5. Разработка методов мониторинга пространственно-временной структуры невозмущенной, естественно и искусственно возмущенной ионосферы на основе комплексных измерений характеристик сигналов и адаптивного метода расчета поля ДКМВ в зоне приема.
Поставленные цели предполагали решить следующие задачи:
1. Выполнить аналитический обзор современных подходов к моделированию ионосферного радиоканала и на этой основе разработать общую классификацию моделей КВ-канала; определить место разрабатываемой модели в общей иерархии.
-11 -
2. Осуществить анализ имеющихся экспериментальных данных по распространению высокочастотных волн (ВЧ волн) в неоднородной магнитоактивной ионосфере и сформулировать основные положения, на которых должна базироваться разрабатываемая модель.
3. На основе сформулированных положений разработать эффективные в вычислительном отношении методы расчета и прогнозирования основных частотных характеристик распространения радиоволн, отраженных от ионосферы, учитывающих трехмерную неоднородность и анизотропию ионосферной плазмы.
4. Развить современные методы цифровой обработки сигналов, отраженных от ионосферы, и создать на их основе программно-аппаратные средства для проведения комплексных экспериментальных исследований статистических, частотных, временных, пространственных, энергетических и угловых характеристик распространения ДКМВ.
5. Провести комплексные экспериментальные исследования характеристик распространения ВЧ волн на среднеширотных трассах различной протяженности и ориентации в условиях спокойной, возмущенной и искусственно возмущенной ионосферы.
6. Разработать динамическую структурно-физическую модель (ДЛСФ-модель) радиоканала и протестировать ее в натурных экспериментах в различных гелио- и геофизических условиях при распространении узкополосных и широкополосных сигналов (без ограничений на их длительность и полосу).
7. Адаптировать ДАСФ-модель для обработки результатов комплексных экспериментов. Разработать на этой основе способы диагностики тонкой неоднородной пространственно-временной структуры ионосферной плазмы путем решения обратных задач методом подгонки.
8. Провести имитационное моделирование статистических, временных, частотных, пространственных характеристик распространения ВЧ волн и на этой основе сформулировать практические рекомендации для новых современных цифровых систем зондирования, связи и пеленгации.
Научная новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами, разработанными методами их решения, впервые полученными результатами и состоит в следующем.
1. Установлено, что на среднеширотных трассах протяженностью от 500 км до 3000 км на частотах меньших 0.95 от МПЧ, дополнительного затухания по отношению к столкновительным потерям нс существует.
2. Применительно к обработке сигналов, отраженных от ионосферы, развит многооконный метод спектрального оценивания основных энергетических, временных, частотных характеристик ВЧ волн. С его помощью про-
-12-
ведена селекция модовой структуры сигнала и для каждой моды исследован параметр мутности ионосферы на наклонных трассах протяженностью до 6500 км. Установлено доминирование зеркальных компонент сигнала над рассеянными.
3. Исследованы угловые характеристики рассеянного поля в естественных невозмущенных условиях и условиях модификации среднеширотной ионосферы нагревным стендом “Сура”. Они позволили установить и интерпретировать объемный эффект рассеяния радиоволн при прохождении солнечного терминатора.
4. На трассах средней протяженности в спокойных ионосферных условиях обнаружен, проанализирован и объяснен эффект модуляции амплитуды лучей Педерсена отдельных магнитоионных компонент влиянием вертикальных расслоений плазмы в области Р. Предложено использовать указанный эффект для диагностики тонкой неоднородной структуры ионосферной плазмы.
5. Разработан новый метод мониторинга перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) по результатам наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы. Его результаты не противоречат традиционным методам диагностики.
6. Для систем с пространственно разнесенным приемом разработаны новые методы корреляционного обнаружения и локализации сигналов в частотно-временной области, для систем пеленгования предложен метод подавления влияния многолучевости на точностные характеристики интерферо-метрических угломерных комплексов. Впервые введены и исследованы не зависящие от свойств зондирующих сигналов понятия полосы когерентности, времени стационарности и пространственной полосы когерентности.
7. На основе теоретических и экспериментальных исследований создана ДАСФ-модель. Она включает два блока. Первый - модель пространственного распределения электронной концентрации на основе 1111-2001, адаптируемая к текущим данным вертикального и наклонного зондирования (ВЗ, НЗ). Второй - геометрооптический метод расчета характеристик распространения радиоволн в неоднородной магнитоактивной ионосфере, свободный от ограничений, которые связаны с особыми точками расширенной системы лучевых уравнений. Модель позволяет учитывать реальные механизмы формирования поля отраженных от ионосферы ВЧ волн и диагностировать радиоканал путем решения обратных задач методом подгонки.
8. Разработана имитационная модель, позволяющая описывать временные, частотные, пространственные вариации радиоканала на основе динамически меняющейся передаточной характеристики.
-13-
Достоверность полученных результатов, научных положений и выводов подтверждается применением современных цифровых методов моделирования и обработки результатов экспериментов, высокой разрешающей способностью разработанных программно-аппаратных средств, комплексностью исследований для различных гелио- и геофизических условий распространения, соответствием результатов экспериментальных и теоретических исследований, а также экспериментальными данными, полученными другими авторами.
Практическая значимость полученных в диссертации результатов объясняется следующими факторами:
1. ДАСФ-модель позволяет в полном объеме реализовать метод цифрового адаптивного моделирования ионосферного радиоканала без ограничения на длительность и полосу сигнально-кодовых комбинаций.
2. Имитационная модель ионосферного радиоканала позволяет проводить исследования систем наклонного зондирования, связи и пеленгации в гслио- и геофизических условиях, максимально приближенных к реальным, и получать еще на стадии разработки исчерпывающую информацию об их свойствах и возможностях. Это позволяет сократить сроки разработки современных программно-аппаратных радиосистем и позволяет уменьшить объем испытаний на реальных радиотрассах.
3. Созданы новые методы и алгоритмы обработки сигналов ЛЧМ-зондирования ионосферы, которые позволяют автоматически формировать в цифровом виде дистанционно-частотные (ДЧХ) и амплитудно-частотные (АЧХ) характеристики отдельных мод и лучей распространения; определять интервалы многолучевости, наименьшую (НПЧ) и максимальную (МНЧ) наблюдаемые частоты отдельных мод; находить спектральную плотность шумов; вычислять вторичные параметры широкополосного и узкополосного радиоканала на контролируемых частотах: полосы когерентности, отношение сигнал-шум, коэффициента мутности, вероятности ошибки связи, надежности связи.
4. Разработаны и доведены до практического использования: методы подавления влияния многолучевости на работу интерферометрических угломерных радиосистем, корреляционный способ обнаружения и локализации сигналов в частотно-временной области, способ построения цифрового программно-аппаратного комплекса для однопозиционного местоопределения источников радиоизлучения (ИРИ) диапазона ДКМВ.
5. ДАСФ и имитационная модели используются в настоящее время при разработке цифровых программно-аппаратных комплексов: многочастотного наклонного зондирования; НЗ сигналами ЛЧМ, включая алгоритмы многоуровневой пороговой очистки, первичной и вторичной обработки
-14-
ЛЧМ-ионограмм; однопозиционыого местоопределения координат ИРИ диапазона ДКМВ.
Реализация результатов работы. Работа выполнена в соответствии с планом госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских тем, проводимых лабораторией распространения радиоволн физического факультета Южного федерального университета и отделом ближнего космоса НИИ физики при ЮФУ в течение 1980-2006 гг. Отдельные разделы работы вошли составной частью хоздоговорных научно-исследовательских тем “Строфа”, ”Чек”, ’’Шарм”, выполненных в ЮФУ но государственным заказам на конкурсной основе. Часть результатов получена в рамках НИР, выполняемых при поддержке РФФИ (гранты № 02-05-64383, №03-05-65137, №02-02-17475, №05-05-08011, № 06-02-16075), гранта СЯОР-КРО-1334-ЫО-92 и гранта 1К-ТАБ №03-51-5583. Некоторые положения работы включены в перечень важнейших научных достижений, полученных по этим темам.
Ряд результатов передан в рамках выполняемых хоздоговорных исследований в соответствующие организации: разработанная модель широкополосного ионосферного радиоканала - в ФГУП “НПП“Полет” (г. Нижний Новгород) и в ФГУП “ГКБ”Связь” (г. Ростов-на-Дону); методы обработки результатов ЛЧМ-зондирования ионосферы с получением дистанционночастотных и амплитудно-частотных характеристик, идентификации мод и вторичной обработки ионограмм - в ФГУП “НШТПолет” (г. Нижний Новгород) и в ФГНУ “НИРФИ” (г. Нижний Новгород); методы спектральной обработки сигналов на основе модифицированного многооконного метода спектрального анализа - в ФГНУ “НИРФИ” (г. Нижний Новгород); результаты теоретических и экспериментальных исследований угловых характеристик ДКМВ, способы построения цифровых программно-аппаратных средств для их измерения и методы однопозиционного местоопределения координат источников излучения на основе разработанной адаптивной модели ионосферного канат - в ФГУП “ГКБ”Связь” (г. Ростов-на-Дону).
Некоторые материалы диссертации используются в учебном процессе физического факультета Южного федерального университета по специальности “Радиофизика” в курсах “Канаты передачи данных”, “Современные методы спектрального оценивания”, “Физика волновых процессов”, а также при выполнении курсовых, дипломных работ и подготовки магистерских диссертаций.
Личный вклад автора. Диссертация обобщает результаты теоретических и экспериментальных исследований, в получении которых участие автора было определяющим, а также в соавторстве, в основном, с сотрудниками ЮФУ и ФГНУ “НИРФИ”. Во всех работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежат постановки задач в части, относящейся к имитационно-
-15-
му адаптивному моделированию и цифровой обработке результатов измерений. Методические, программно-алгоритмические разработки, численное имитационное моделирование, получение, обработка и интерпретация результатов экспериментальных исследований на радиотрассах различной протяженности и ориентации выполнены под руководством и при непосредственном участии автора. Экспериментальные исследования с использованием Российской сети станций наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы были организованы и проведены совместно с В.П. У рядовым (ФИГУ “НИРФИ”), В.И. Куркиным (ИСЗФ СО РАН), В.А. Валовым (ФГУП “НПГГПолет”), исследования с использованием нагревного стенда “Сура” были организованы и проведены совместно с В.П. Урядовым и В.Л. Фроловым (ФНГУ “НИРФИ”).
На защиту выносятся следующие положения.
1. На среднеширотных трассах протяженностью до 3000 км на частотах меньших 0.95 от МГТЧ, дополнительного затухания, вызванного рассеянием на случайных неоднородностях, по отношению к столкновительным потерям не существует. Прогнозирование энергетических потерь в радиоканалах полностью обеспечивается газокинетической моделью эффективной частоты соударений электронов.
2. Многооконный метод спектрального оценивания основных характеристик ВЧ волн при наклонном зондировании ионосферы узкополосными и широкополосными сигналами. Результаты исследований с его помощью статистических, частотных и временных свойств разделенных зеркальных и рассеянных компонент поля в условиях естественной и искусственно модифицированной ионосферы.
3. Интерпретация эффекта модуляции амплитуды лучей Педерсена отдельных магнитоионных компонент в спокойных ионосферных условиях влиянием вертикальных расслоений плазмы в области Г. Использование указанного эффекта для диагностики тонкой неоднородной структуры ионосферной плазмы.
4. Метод мониторинга перемещающихся ионосферных возмущений по данным наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы, основанный на автоматической цифровой регистрации и обработке ионограмм НЗ с последующим решением обратной нелинейной задачи.
5. Методы корреляционного обнаружения и локализации сигналов в частотно-временной области для систем с пространственно разнесенным приемом; метод подавления влияния многолучевости на точностные характеристики интерферометрических угломерных комплексов, которые составили основу способов построения современных цифровых профаммно-аппаратных комплексов однопозиционного местоопределения источников.
-16-
6. Описание пространственно-временных радиоканалов на основе не зависящих от свойств зондирующих сигналов понятий полосы когерентности, времени стационарности и пространственной полосы когерентности. Результаты исследования этих характеристик в различных гелио- и геофизических условиях.
7. Динамическая адаптивная структурно-физическая и имитационная модели, позволяющие учитывать реальные механизмы формирования поля отраженных от ионосферы ВЧ волн и описывать временные, частотные, пространственные вариации характеристик распространения и радиоканала в целом на основе динамически меняющейся передаточной характеристики.
Апробация результатов работы.
Все основные результаты работы и положения, выносимые на защиту, докладывались и обсуждались на:
- Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (XIX -Казань, 1999 г.; ХХ-Нижний Новгород, 2002 г.; XXI-Йошкар-Ола, 2005 г.);
- Международной научно-технической конференции “Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах” (IV - Москва, 1994 г.);
- Международных конференциях и выставках “Цифровая обработка сигналов и ее применение” (3-я - Москва, 2000 г.; 6-я - Москва, 2004г.; 7-я -Москва 2005 г.);
- Международных научных конференциях “Излучение и рассеяние ЭМВ” (ИРЭМВ-2003 - Таганрог, 2003 г.; ИРЭМВ-2005 - Таганрог, 2005 г.);
- Millennium Conference on Antennas & Propagation AP2000 (Давос, Швейцария, 2000 г.);
- 2nd EUROPEAN WORKSHOP ON CONFORMAL ANTENNAS (Нидерланды, 2001 г.);
- (Восьмой) Научной конференции по радиофизике, посвященной 80-летию со дня рождения Б.Н. Гсршмана (Нижний Новгород, 2004 г.);
- (Десятой) Научной конференции по радиофизике, посвященной 90-летию ННГУ и 100-летию со дня рождения Г.С. Горелика (Нижний Новгород, 2006 г.);
- Региональных конференциях по распространению радиоволн (XXII - Санкт-Петербург, 1997 г. ;Х - Санкт-Петербург, 2004 г.);
- COSPAR Scientific Assembly (35th - Париж, 2004 г. 36vh- Китай, 2006 г.);
- VI International Suzdal URSI Symposium “Effects of Artificial Action on the Earth Ionosphere by Powerful Radio Waves” (Москва, 2004 г.);
- 11 International Conference on Antennas and Propagation (ICAP-2001) (Манчестер, Великобритания, 2001 г);
-17-
- Международных научно-технических конференциях ’’Радиолокация Навигация Связь” (V - Воронеж, 1999 г; X - Воронеж, 2004 г; XIII - Воронеж, 2007 г.);
- Второй Всероссийской научной конференции-семинаре “Сверхши-рокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике” (Муром, 2006 г);
- Региональной конференции “Актуальные проблемы моделирования на ЭВМ систем передачи информации” (Новосибирск, 1990 г.);
- Международной конференции “100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники” (Москва, 1995 г.);
- III международной конференции “Солнечно-земные связи и электромагнитные предвестники землетрясений” (ИКИР ДВО РАН, 2004 г.);
- Межвузовской научно-технической конференции “Проблемы развития систем и техники связи” (Новочеркасск, 1999 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 136 печатных работ в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе в журналах “Успехи физических наук”, “Геомагнетизм и аэрономия”, “Математическое моделирование”, “Радиотехника”, ”Изв. вузов. Радиофизика”, “Радиотехника и электроника”, “Изв. вузов. Радиоэлектроника”, “Электромагнитные волны и электронные системы”, “Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки”, “Радиофизика и Радиоастрономия”, “Труды НИИР”, “International Journal of Geomagnetism and Acronomy”, “Annales Gcophysicae” (из них 26 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов докторских диссертаций), получено 9 патентов РФ и 1 свидетельство РФ о регистрации программного обеспечения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 432 страницы текста, 96 рисунков, 5 таблиц, библиографию из 461 названий.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются основные цели работы и приводится ее краткое содержание.
Первая глава диссертации посвящена аналитическому обзору существующих подходов к описанию электромагнитных полей на выходе ионосферного радиоканала, классификации существующих моделей и определению места созданного автором метода в общей классификации. При моделировании каналов связи (КС) возможны два принципиально различных подхода: структурно-физический и формальный или феноменологический.
- 18-
Первый случай предполагает изучение реальных преобразований переданного сигнала в радиоканале, механизмов искажения сигнала и природы помех в среде распространения с учетом ее свойств, отражение в методах расчета структуры этих преобразований с требуемой точностью. Второй подход базируется на представлениях о канале, как о “черном ящике”, внутренняя структура которого не рассматривается. При феноменологическом подходе построение модели преследует цель отобразить с требуемой точностью только процессы, наблюдаемые на выходе системы. Сделан вывод о том, что разрабатываемая модель должна реализовывать математическое подобие реальному объекту, при котором под математической моделью КС понимается указание характеристик его входных и выходных сигналов и их математической взаимосвязи. Показано, что при моделировании большинства реальных каналов необходимо принимать во внимание рассеяние по времени, частоте, а иногда и пространству, и рассматривать их, как некоторые инерционные в общем случае пространственно распределенные динамические системы. В качестве итога выполненного анализа построена классификация, отражающая иерархическую взаимосвязь существующих методов описания связных каналов.
Применительно к моделированию КВ-канала выявлены основные недостатки, присущие рассмотренным моделям. Сделан вывод о том, что феноменологическое представление КС не охватывает весь комплекс задач, возникающих при проектировании и эксплуатации систем наклонного зондирования (СНЗ), связи (СС) и пеленгации (СП).
Проведен анализ современных моделей КВ-канала, которые построены на основе структурно-физического подхода, позволяющего учесть реальные механизмы взаимодействия сигналов со средой распространения, процессы формирования принимаемого поля и причины его пространственно-временных изменений. В итоге метод расчета должен обеспечивать получение амплитудно- (АЧХ) и фазочастотиых (ФЧХ) характеристик канала, их динамику, а также возможность исследования прохождения сигналов с произвольной базой по каналу при возможности его адаптации к реальным ге-лио- и геофизическим условиям распространения ДКМВ. Сделан вывод о том, что в настоящее время в завершенном виде зарубежные и отечественные аналоги таких моделей отсутствуют.
Вторая глава диссертации посвящена выявлению и адекватному описанию физических механизмов, оказывающих определяющее влияние на формирование структуры поля и его динамику в области приема, позволяющих обеспечить достижение необходимых точностных параметров модели минимальными средствами. Основной целью данной главы является формулировка и обоснование основных положений динамической адаптивной
-19-
структурно-физической модели (ДАСФ-модели) радиоканала диапазона
дкмв.
Рассмотрены результаты зондирования ионосферы широкополосными ЛЧМ-сигналами, результаты комплексных экспериментов по ИЗ ионосферы, экспериментатьные данные по отдельным характеристикам распространения, измерения доплеровского смещения частоты, распределения амплитуд, фаз и углов прихода. Эти данные, полученные в процессе исследований отдельных характеристик распространения, часто приводят к диаметрально противоположным выводам и не всегда позволяют составить целостную картину влияния ионосферной плазмы на процессы распространения ВЧ волн. Следовательно, получить целостную картину особенностей распространения ДКМВ в ионосферной плазме возможно только на основе комплексных экспериментальных исследований, охватывающих весь спектр статистических, временных, частотных, пространственных характеристик распространения. Комплексный эксперимент должен сочетаться с адаптивным моделированием исследуемых процессов, отражающим структуру поля в зоне приема.
Современное состояние экспериментальных исследований перемещающихся ионосферных возмущений или волновых возмущений (ВВ) в ионосфере характеризуется отсутствием общепризнанной модели их глобального распространения. Если объем данных о таких характеристиках ВВ, как частотный спектр и направление распространения, можно считать достаточно полным и представления о них устоявшимися, то сведений о пространственных масштабах ВВ и их амплитуде недостаточно. Не хватает публикаций с результатами комплексной обработки данных, при которой одновременно определялись бы все существенные характеристики ВВ: частота и пространственный масштаб, направление и величина фазовой скорости, относительная амплитуда.
Анализируется вопрос о необходимости учета в модели связного ДКМ-канала эффектов рассеяния. Рассмотрен цикл теоретических и экспериментальных работ, посвященных различным аспектам распространения при ВЗ и НЗ (фазовая корреляция, полоса когерентности и др.) в условиях сильно развитых мелко-масштабных неоднородностей. Сделан вывод, что при ВЗ среднеширотной ионосферы могут наблюдаться многообразные флуктуационные и квазирегулярные эффекты, при НЗ декаметровыми волнами флуктуационные явления во время Р-рассеяния проявляются слабо. Отмечается, что модель ионосферного радиоканала должна учитывать эффекты магнитных бурь посредством модели ПИВ с соответствующим выбором их параметров.
Анализ экспериментальных данных, полученных за несколько последних десятилетий, охватывающий структуру и динамику процессов происхо-
-20-
дящих в ионосфере, как каналообразующей среды в диапазоне ДКМВ, позволил сформулировать обобщающие заключения, на основе которых в дальнейшем сформулированы основные положения модели ДКМ-радиоканача.
В третьей главе диссертации излагается опыт построения и эксплуатации программно-ориентированной ДАСФ-модели радиоканала, учитывающей механизмы влияния трехмерно-неоднородной магнитоактивной ионосферной плазмы на формирование, структуру, динамику поля ВЧ волн и природу шумов в зоне приема. При построении ДАСФ-модели предложены и использованы эффективные вычислительные приемы расчета траекторных, угловых и энергетических характеристик ДКМВ. В результате необходимые точностные требования, предъявляемые к методу расчета, достигаются при приемлемых затратах машинног о времени.
Построенная на перечисленных выше положениях модель позволяет, с одной стороны, адекватно описать физические механизмы, оказывающие определяющее влияние на формирование структуры ДКМ поля и его динамику, с другой - достичь необходимые точностные параметры адаптивного имитационного моделирования минимальными средствами. Указываются возможные пути построения ДАСФ -модели, воплощающие сформулированные положения.
ДАСФ-модель радиоканала базируется на основе геометрооптического описания процессов распространения ВЧ волн [21] в трехмернонеоднородной магнитоактивной сферической ионосфере. Показано, что при решении расширенной системы лучевых уравнений в магнитоактивной ионосфере в качестве величины, параметризующей лучевую траекторию, может быть выбран только групповой путь. Решение системы позволяет определять все характеристики распространения волн, отраженных от трехмерно-неоднородной магнитоактивной нестационарной ионосферы. Найдено асимптотическое решение лучевых уравнений в окрестности особой точки, которое позволило сформулировать способ обхода особенностей при численном решении расширенной системы и снять ограничение на начальные данные лучевых уравнений в неоднородной магнитоактивной ионосфере.
Показано, что для целей моделирования ионосферного радиоканала из всех доступных ионосферных моделей в качестве базовой для описания среднего пространственного распределения ионизации следует выбрать Международную Справочную модель 1Ш-2001. С точки зрения оперативности при моделировании канала решающим становится вычислительный аспект. Поэтому был обоснован рациональный подход, при котором пространственно-временное распределение электронной концентрации и ее производные в любой пространственно-временной точке вычисляются на основе четырехмерной сплайн-анпроксимации в заданной пространственно-временной об-
-21 -
ласти при равномерном шаге по пространственным координатам и времени. В целях обеспечения адаптации ионосферной модели к реальным условиям, складывающимся в нижней ионосфере, разработана методика привязки модели к значениям эмпирического поглощения обыкновенной волны при вертикальном распространении на частоте 2.2 МГц. Методика предусматривает коррекцию высотного распределения ионизации в В области ионосферы. Неоднородность ионосферы в окрестности точки излучения и ее временная нестационарность обусловлены движением солнечного терминатора и ВВ, которые моделируются цугом бегущих монохроматических волн. Параметры волновых возмущений не прогнозируются, а задаются в соответствии с рекомендациями, сформулированными на основании обзора отечественной и зарубежной литературы. Такой способ задания параметров ВВ позволяет применять модель к исследованию тонкой структуры ионосферы на основе решения обратной нелинейной задачи методом адаптивного моделирования.
Анализ теоретических работ и экспериментальных данных показал, что для определения поглощения в ионосфере волн декаметрового диапазона достаточно использовать газокинетические оценки эффективной частоты соударений электронов [22]. Они нуждаются в улучшении только в смысле уточнения сечений рассеяния электронов на атмосферных составляющих, моделей их концентраций и электронной температуры. При этом эффекты рассеяния не сказываются существенно на интенсивности излучения при наклонном зондировании на частотах меньших МПЧ. Геомагнитное поле, параметры которого необходимы при решении характеристических уравнений, вычисляется на основе эмпирической модели реального магнитного ноля Земли.
При разработке модели ДКМ-радиоканала невозможно обойти вопрос о способе учета отражений от спорадических образований в ионосфере. В связи с этим при построении ДАСФ-модели радиоканала была принята модель тонкого регулярного £у-слоя, прогноз геометрических параметров которою
обеспечивается глобальной аналитической моделью.
В итоге разработанный метод характеристик для трехмерной неоднородной нестационарной ионосферы, заданной прогностической адаптивной моделью, позволяет поставить и решить граничную задачу. При решении этой задачи определяются все многоскачковые лучевые траектории, попадающие из точки излучения в точку приема, находятся их характеристики, МПЧ отдельных мод распространения и трассы в целом. Как следствие, разработанная модель позволяет трактовать многолучевый ионосферный канал как линейный многополюсник с п входами и одним выходом. В результате ДАСФ-модель позволяет находить не только традиционные характеристики ионосферного радиоканала, используемые при его прогнозировании, но и
-22-
квазимгновенные передаточные и импульсные характеристики, что обеспечивает возможность изучения влияния ионосферной плазмы на прохождение как узкополосных, так и широкополосных сигналов и перспективы их применения для анализа тонкой структуры среды распространения.
Рассмотрены подходы при построении ДАСФ-модели на основе дополнительных упрощающих предположений, которые бы обеспечивали необходимое при адаптивном моделировании существенное уменьшение вычислительных затрат. Учтено, что в большинстве задач адаптивного моделирования радиоканала ДКМВ ионосферная плазма может считаться двухмерно-неоднородной. Часто используемые подходы, в одном из которых лучевая траектория заменяется эквивалентной треугольной с применением теорем эквивалентности [6], а в другом - используется метод рефракционного интеграла, были обосновано отвергнуты. Показано, что учет влияния анизотропии и горизонтальной неоднородности ионосферы на характеристики распространения, определяющие поле в точке приема и его динамику, такие как напряженность поля, углы места, фазовые и групповые задержки, доплеровское смещение частоты, может быть с высокой точностью осуществлен специальными достаточно простыми способами. Вычисление угловых- (УЧХ) и дистанционно-частотных (ДЧХ) характеристик, пространственного ослабления сводится к определению их на основе метода характеристик без учета влияния геомагнитного поля на частотах /„,= /±<^,г (верхний знак отвечает
обыкновенной компоненте, нижний - необыкновенной), где 5[01 задается аппроксимирующим полиномом, как функция длины трассы 5, геомагнитного азимута у и магнитного наклонения /. Коэффициенты полинома определены на основе ДАСФ-модели. Погрешность определения пространственного ослабления минимальна и не превышает 0.5 дБ. Доказана и опробована на моделях модифицированная теорема эквивалентности, позволяющая с погрешностью не более 1% рассчитывать сголкновительные потери в ионосфере двух магнитоионных компонент через поглощение при вертикальном падении. Как следствие, для неоднородной магнитоактивной нестационарной ионосферы обеспечены необходимые теоретические предпосылки построения эффективной в вычислительном отношении упрощенной ДАСФ-модели радиоканала. В результате модель на основе предложенных приближенных методов расчета позволяет находить традиционные характеристики распространения ДКМВ, а также квазимгновенные передаточные и импульсные характеристики, что обеспечивает перспективы ее применения для анализа тонкой структуры среды распространения.
Далее излагаются теоретические основы определения частотных и временных характеристик ДКМ-канала, способ построения имитационной модели ионосферного канала без ограничений на полосу и длительность переда-
-23-
ваемых сигналов на основе динамической передаточной характеристики #Дб>,*,г). Получено разложение передаточной функции ионосферного радиоканала в заданной частотно-пространственно-временной области. Исходя из основных положений ДАСФ-модели, получены аналитические выражения для динамической импульсной характеристики й(г,*,г). Эта функция в любой пространственной точке г для каждого заданного / связана с Н(а>^9 г) по частоте со и быстрому времени г преобразованием Фурье и также зависит от так называемого медленного времени /, по которому разворачиваются изменения характеристик канала за счет вариаций параметров частотновременных лучей, формирующих ноле в точке приема. При имитационном НЗ на первом этапе осуществляется процесс прогнозирования ионосферного радиоканала для выбранных гелио- и геофизических условий. На втором этапе с использованием динамической передаточной (широкополосный радиоканал) или импульсной (узкополосный радиоканал) характеристик обеспечивается пропускание сигналов ДКМВ в реальном или квазиреальном времени. Обработка сигнала производится в частотной области с разбиением обрабатываемой последовательности на группы отсчетов (кадры). Излагаются специально разработанные метод и алгоритм, обеспечивающие непрерывность импульсной характеристики на границах соседних кадров, благодаря чему становится возможным использование метода преобразования Фурье при реализации нестационарного ионосферного фильтра.
В конце главы сформулированы основные возможности разработанной ДАСФ и имитационной моделей применительно к решению задач получения суммарного интерференционного поля в точке приема в координатах время-частота-пространственные координаты. Приведены результаты “прогона” через модель ионосферного радиоканала узкополосного сигнала последовательного КВ-модема с испытательным импульсом, ЛЧМ-сигнала и широкополосного дискретного частотного сигнала с непрерывной фазой.
В четвертой главе диссертации приведены результаты теоретического анализа частотно-пространственно-временных свойств узкополосного и широкополосного ионосферного радиоканала, выполненного на основе разработанной ДАСФ-модели. Вводятся физически обоснованные определения, понятия и характеристики, описывающие ДКМ-канал. На основе численного имитационного моделирования делаются количественные оценки основных характеристик распространения.
В начале главы акцент сделан на определении основных понятий, описывающих частотно-пространственно-временные свойства функций #(<у,/,г) и /г(г,/,г), и количественную оценку' соответствующих этим понятиям характеристик ионосферного канала связи.
-24-
Даны инвариантные относительно зондирующего сигнала определения полосы частотной когерентности, времени стационарности, пространственной полосы когерентности. Получены аналитические соотношения, связывающие эти характеристики с дисперсионными свойствами среды распространения. На основе ДАСФ-модели для трасс 100-9000 км для различных сезонов, уровней солнечной активности, разных часов суток получены основные свойства этих характеристик. Установлено, что полоса когерентности радиоканала варьируется в пределах 40-200 кГц, время стационарности для Е-моды изменяется в интервале 100-200 с, для Б-моды 20-60 с, максимально допустимая апертура антенной решетки в системах с пространственно разнесенным приемом не должна превышать 2.5 км. Местационарность ионосферной плазмы, обусловленная ПИВ при типичных для средних широт параметрах, сопровождается вариациями этих характеристик для Б-моды на ± 40...60% относительно медианных за квазипериод значений.
Разработана математическая модель ионозонда с использованием непрерывных сигналов с ЛЧМ, а также процесса работы зондов такого типа, и на этой основе оценены их предельные потенциальные возможности как инструмента определения параметров передаточной характеристики ионосферного канала. Установлено, что в условиях временного разделения он позволяет определять амплитуды парциальных лучей с погрешностью, не превышающей 10%, групповые задержки с погрешностями около 5 мке, а их фазы с ошибкой не более 15°. Показана принципиальная возможность построения многоканального комплекса наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы, позволяющего наряду с традиционно измеряемыми ДЧХ и АЧХ радиоканала получать УЧХ разделенных парциальных лучей.
Представлены результаты моделирования полей ДКМВ на среднеширотных трассах 100-5000 км в разных сезонных и временных условиях при различных параметрах ПИВ. Получена обобщенная картина изменчивости полей, а также параметров модели канала, заданной в терминах характеристических функций. Исследованы временные и пространственные вариации частотных характеристик канала - амплитудных и фазовых при различных полосах ионосферного канала. Поведение АЧХ и ФЧХ по частоте и их изменения во времени и в пространстве увязано со структурой поля в зоне приема и динамикой парциальных лучей под влиянием движения солнечного терминатора и 11ИВ. Получены аналитические оценки радиусов корреляции передаточной характеристики по пространственным координатам и во времени, подтверждающие результаты имитационного моделирования. Показано, что эти параметры определяются производными безразмерного волнового вектора и доплеровского смещения частоты по рабочей частоте. Структура и параметры лучей на рабочей частоте близкой к 0.8 от МПЧ остаются неизмен-
-25-
ными на временных интервалах 180-360 с на площади 300 км*300 км. Это дает основание экстраполировать параметры парциальных лучей в указанной пространственно-временной области. Установлено, что амплитуда колебаний средних значений АЧХ в интервале времени 10-20 минут может достигать 10-15 дБ. Аналогичные значения колебаний наблюдаются при пространственном разносе до 200 км.
На основе ДАСФ-модели оценено влияние на статистические и корреляционные характеристики ДКМ полей и каналов суточных, сезонных и ге-лиоциклических вариаций ионосферы, прослежена их изменчивость в зависимости от протяженности трассы, рабочей частоты и параметров ПИВ. Результаты получены методом численного эксперимента для среднеширотных трасс. Установлено, что статистические характеристики поля существенно зависят от величины временной выборки. Мри выборке до 40 с функция распределения уровней практически не описывается распределением Релея и, как правило, имеет многомодальную структуру. С увеличением продолжительности сеанса распределение "расширяется” и имеет менее выраженную многомодальность. Количество ситуаций, в которых по статистическим критериям распределение Релея не противоречит статистике флуктуаций амплитуд суммарного поля в точке приема увеличивается не более чем до 50%. Временная автокорреляционная функция флуктуаций уровня поля в точке приема всегда имеет вид затухающей косинусоиды. Распределения фаз при длине выборки болсс 5 минут приближается к равномерному.
Применительно к функционированию современных цифровых радиосистем с пространственно разнесенным приемом, а также цифровых интер-ферометрических систем радиопеленгации введено понятие частотновременной корреляционной функции, найденной пространственным усреднением поля ДКМВ по апертуре антенной решетки. В предположении S-коррелированности шумов и некоррелированности сигнала и шума получено аналитическое выражение для этой функции через динамическую передаточную функцию ионосферного канала. Показано, что отражая свойства ионосферного канала, введенная функция служит основой построения решающего правила для частотно-временной локализации сигнала. Как следствие, сформулирован алгоритм частотно-временной локализации на основе корреляционного порогового критерия угловой близости частотно-временных компонент принимаемого сигнала. Установлено, что метод способен идентифицировать компоненты сигналов, принадлежащих одному источнику в полосе до 2 МГц на интервалах времени до 5 минут.
Проанализированы потенциальные возможности метода однопозиционного местоопределения (МО) источника радиоизлучения (ПРИ) в диапазоне ДКМВ. Рассмотрены основные факторы, ограничивающие точность реше-
-26-
ния обратной задачи однопозиционного МО: ошибки определения углов прихода и ошибки задания профиля ионизации в ионосфере при восстановлении лучевой траектории. Рассмотрены возможные подходы коррекции пространственного распределения электронной концентрации: использование результатов пеленгования реперных ИРИ с высокостабильной частотой, данных ВЗ или НЗ. Предложено в качестве альтернативного подхода для решения обратной задачи однопозиционного МО применять разработанную модель канала с использованием полуэмпирических адаптируемых моделей ионосферы. Установлено, что в этом случае ошибки оценки расстояния, которые могут быть устранены путем текущей коррекции, имеют величину порядка 1% для Е-моды и порядка 10-12% для F-моды.
Проанализирована общая математическая модель угломерных комплексов, работающих по интерферометрическому принципу. Методом асимптотического разложения динамической передаточной характеристики оценены погрешности измерения двухмерных угловых координат ИРИ, обусловленные многолучевым распространением ДКМВ. Предложен способ эффективного (до 10-ти раз) уменьшения влияния многолучевости на качество определения углов прихода путем статистического углового усреднения фаз относительных линейных комбинаций напряжений на антенных элементах решетки интерферометра.
В пятой главе обоснованы способы построения аппаратных средств, методов и алгоритмов цифровой обработки сигналов для комплексной пассивной диагностики ионосферы на основе использования сети постоянно действующих узкополосных и широкополосных передатчиков ДКМВ. В главе представлены результаты регулярных наблюдений условий ионосферного распространения КВ на радиолиниях различной протяженности и ориентации, полученные на базе сети источников с непрерывным узкополосным излучением (станция точного времени РВМ и вещательные радиостанции, около 200 ООО сеансов) и сети ЛЧМ-ионозондов (Кипр, Инскип, Иркутск, Хабаровск, Магадан, Норильск, около 500 000 ионограмм НЗ). В период 2002-2005 гг. получены обширные многомесячные непрерывные данные по амплитудным, угловым, дистанционно-частотным и амплитудно-частотным характеристикам ионосферного KB-канала, регистрация и обработка которых проводилась в автоматическом режиме с помощью разработанных программно-аппаратных комплексов пассивной диагностики характеристик распространения ДКМВ. Показано, что метод комплексного наклонного зондирования с высоким разрешением по углам прихода радиоволн, времени группового запаздывания и частоте позволяет уверенно получать все необходимые характеристики распространения для тестирования моделей ионосферы и ионосферного канала, а также детектировать тонкую пространственно-
-27-
частотно-временную структуру ионосферных возмущений естественного и искусственного происхождения. Результаты адаптивного моделирования условий экспериментов с использованием ДАСФ-модели подтвердили не только достоверность положений, лежащих в ее основе, но и позволили дать объяснение ряду эффектов, обнаруженных впервые.
Для анализа многочисленных экспериментальных результатов реализован спектральный подход получения характеристик ионосферного распространения радиоволн, основанный на модифицированном адаптивном многооконном методе спектрального анализа [22]. Метод основан на разложении спектральной плотности мощности (СПМ) сигнала в ряд по базису, образованному вытянутыми сфероидальными волновыми функциями (ВСВ), которые являются собственными функциями ядра Дирихле. Проверка значимости оценки дискретной компоненты на частоте /0 основано на дисперсионном
отношении, к которому приводит сравнение выделенной непрерывной СПМ с оценкой мощности дискретной составляющей сигнала. Если оценка значима, то форма спектра в окрестности частоты /0 изменяется и имеет вид суммы СПМ зеркальной и рассеянной компонент сигнала. Преимущества этого способа оценивания СПМ состоят в детерминированном выборе спектральных окон, способности работать с короткими временными выборками, дисперсионном анализе дискретных компонент, высоком спектральном разрешении, способности раздельной оценки СПМ дискретных (зеркальных) и непрерывной (рассеянной) компонент сигналов, отраженных от ионосферы. Одновременно в предположении, что цифровая полоса анализа существенно превышает полосу принимаемого сигнала, предложен гистограммный способ оценки СПМ шума, что обеспечивает определение спектральным методом анализа суммарной мощности сигнала, уровня шумов и отношения сигнал-шум.
Для получения экспериментальных данных разработан цифровой автоматический программно-аппаратный комплекс многочастотных измерений квадратурных компонент сигналов, отраженных от ионосферы, но выходу промежуточной частоты (ПЧ) радиоприемных устройств. Для получения комплексного низкочастотного сигнала оцифрованный сигнал ПЧ подвергается операциям переноса на нулевую частоту с получением квадратурных компонент, низкочастотной фильтрации и децимации. Процедуры оцифровки, фильтрации, выделения квадратур сигнала и децимации построены таким образом, что вся предварительная обработка осуществляется автоматически в реальном масштабе времени и позволяет получать записи неограниченной протяженности по времени. Для приема периодических сигналов импульсных передатчиков, обладающих стабильной скважностью и длительностью импульса, предусмотрена цифровая временная синхронизация аппаратуры с
-28-
возможностью оцифровки любой части принимаемого сигнала по нескольким временным меткам. Обработка комплексного низкочастотного сигнала осуществляется в реальном времени на основе развитого спектрального подхода определения характеристик ВЧ сигналов.
Разработанный программно-аппаратный комплекс применен в целях получения спектральных, энергетических, корреляционных и статистических характеристик ВЧ волн от источников излучения с высокостабильной несущей частотой на среднеширотных трассах протяженностью 300-6500 км различной ориентации в период 2002-2005 гг. Комплекс использован также в целях изучения сигналов ракурсного рассеяния в экспериментах по воздействию на ионосферу мощного контролируемого радиоизлучения иагревного стенда “Сура”.
Основными целями этих исследований являлось получение оценок следующих характеристик распространения: динамических спектров мощности комплексного низкочастотного сигнала и изучение их динамики во времени (доплеровских спектров); параметров отдельных лучей распространения, формирующих ноле в точке приема; ширины частотного рассеяния и среднего уровня принимаемого сигнала; плотности спектра мощности шумов в полосе анализа; среднего отношения сигнал-шум в полосе принимаемого низкочастотного комплексного сигнала; коэффициента мутности ионосферы Р
(Р2 - отношение мощности зеркальной компоненты к мощности рассеянной), как интегральной меры тонкой мелкомасштабной структуры ионосферы; оценки статистических свойств указанных характеристик (функций распределения и их моментов); временного радиуса корреляции зеркальной и рассеянной компонент сигнала.
В целях тестирования адекватности (в среднем) модели реальным физическим процессам, происходящим в ионосферной плазме, выполнено сопоставления прогнозируемых и экспериментальных характеристик распространения. Представлены результаты сравнения трехлетних (2003-2005 гг.) круглосуточных измерений среднемесячных значений уровней сигнала на трассе Москва-Ростов-на-Дону с результатами адаптивного имитационного моделирования. Получено достаточно хорошее соответствие измеренных среднемесячных и прогнозируемых значений напряженности поля декамет-ровых волн во все сезоны при всех уровнях солнечной активности, что позволяет рекомендовать ДАСФ-модель для прогнозирования энергетического потенциала радиолиний декаметрового диапазона. Установлено, что процессы в нижней ионосфере (высоты ~50-90 км) являются источником случайных изменений уровня сигналов. Экспериментально подтверждено, что воздействие всплесков рентгеновского и ультрафиолетового излучений на нижнюю ионосферу приводит к внезапному возрастанию электронной концентрации
-29-
(от 10 до 100 раз), поглощения коротких волн (от 40 до 60 дБ) и, как следствие, к случайным значительным изменениям уровня сигналов ВЧ волн.
Результаты круглосуточных многочастотных измерений квадратурных компонент сигнала станции точного времени РВМ в режиме непрерывного излучения в течение 2002-2005 гг. на трассе Москва-Ростов-на-Дону, а так же экспериментальные исследования на трассах Кипр-Ростов-на-Дону и Ха-баровск-Ростов-на-Дону послужили основой оценок статистических характеристик ДКМВ. Приведены оценки всех статистических характеристик, свойства которых на основе имитационного моделирования были исследованы в главе 4. Показано, что полученные экспериментальные оценки статистических параметров амплитудных флуктуаций поля ДКМВ хорошо согласуются с результатами моделирования.
По результатам многочастотных измерений сделаны следующие выводы.
- Частотные и энергетические характеристики распространения несут информацию о среднемасштабиых ионосферных возмущениях типа ПИВ, амплитуда которых может достигать 20-25%.
- Вариации доплеровского смещения частоты в экспериментах на трассах протяженностью 300-6500 км не превышали 2 Гц.
- Диапазон частотного рассеяния минимален для освещенной трассы и не превышает 0.1-0.5 Гц. В заходные часы суток или при неравномерном освещении трассы он возрастает, но никогда не превышает 6 Гц.
- На односкачковых трассах в дневное время наивероятные значения коэффициента мутности Д лежат в диапазоне 2-6, но могут достигать величин на порядок больших. В сумеречные часы суток коэффициент уменьшается до 0.6. Для сигнала ракурсного рассеяния наиболее вероятные значения величины Д близки к 0. Однако в ряде случаев Д может возрастать до величин «0.1, что свидетельствует о присутствии дискретных составляющих в сигнале ракурсного рассеяния.
- В формировании ДКМ-радиоканала доминирующее влияние оказывает небольшое количество (до 3-5) дискретных (зеркальных) компонент сигнала.
- Диапазон частотного рассеяния непрерывной компоненты сигналов минимален для освещенной трассы и не превышает 0.3-0.33 Гц. В заходные часы суток или при неравномерном освещении трассы он возрастает до 0.33-
0.38 Гц.
- Экспериментальные данные, полученные для условий средней и низкой солнечной активности и результаты расчетов с использованием ДАСФ-модели доказали, что современные эмпирические модели пространственного распределения электронной концентрации и эффективных частот со-
-30-
ударений позволяют на среднеширотных трассах решать задачи прогнозирования медианных значений энергетических характеристик ДКМВ.
- Вариации день ото дня уровня сигнала на КВ трассах различной протяженности и ориентации обусловлены влиянием ПИВ, спорадических образований и динамических процессов в нижней ионосфере.
Представлены результаты регулярных наблюдений условий ионосферного распространения КВ на радиолиниях различной протяженности и ориентации, полученные на базе сети ЛЧМ-ионозондов в период 2002-2006 гг.
Развитый спектральный подход на базе модифицированного многооконного метода спектрального анализа положен в основу алгоритмов обработки результатов наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы.
При этом в процессе обработки разностного низкочастотного комплексного сигнала определяются оценки следующих характеристик:
- Спектры мощности комплексного низкочастотного разностного сигнала, причем, с выделением дискретных и рассеянных компонент на основе дисперсионного отношения.
- Параметры отдельных лучей распространения, формирующих поле в точке приема, и в конечном итоге - ДЧХ и АЧХ отдельных лучей распространения.
- Ширины временного рассеяния и уровня принимаемого сигнала.
- Спектральной плотности мощности шумов в полосе приема.
- Среднего отношения мощности сигнала к мощности шума в полосе принимаемого низкочастотного комплексного сигнала.
- Коэффициента мутности ионосферы как интшральной меры тонкой мелкомасштабной структуры ионосферы.
- Ширины временного рассеяния рассеянной компоненты сигнала по каждому разделенному лучу распространения.
11редложен подход получения по параметрам обнаруженных парциальных лучей очищенных цифровых ДЧХ и амплитудно-частотных АЧХ на основе сравнения точек в многомерном пространстве частота-задержка-амплитуда. При этом обеспечивается надежное выделение частотных ветвей отдельных лучей и мод распространения, что позволяет в реальном масштабе времени при ЛЧМ-зондировании осуществлять вторичную обработку с определением интервалов многолучевости, наименьшей и максимальной наблюдаемых частот, полосы когерентности на любой контролируемой частоте.
Приведены результаты экспериментального исследования ДЧХ и АЧХ ионосферного КВ канала, регистрация и обработка которых проводилась в автоматическом режиме с использованием разработанного программноаппаратного комплекса в период 2002-2006 гг. на радиотрассах ЛЧМ зондирования различной протяженности и ориентации. Особый интерес представ-
-31-
ляст оценка коэффициента мутности ионосферы по результатам наклонного ЛЧМ-зондирования. Оказалось, что эта величина может испытывать значительные изменения от сеанса к сеансу на одной и той же частоте, от частоты в пределах одного сеанса, но практически никогда не бывает меньше 1. Наиболее вероятные значения коэффициента при отражении от регулярных ионосферных слоев заключены на интервале 2-6. Для £,-отражений наиболее
вероятные значения этого коэффициента лежат в интервале 10-20.
Для интерпретации полученных экспериментальных результатов и подтверждения высказанных предположений выполнены расчеты с использованием имитационной модели широкополосного ионосферного радиоканала. Установлено, что квазипериодические глубокие флуктуации АЧХ обусловлены интерференцией неразделенных парциальных магнитоионных компонент, причем фазовые соотношения между лучами изменяются регулярно и связаны с разностью групповых задержек. Случайная составляющая фазы каждого луча пренебрежимо мала и не влияет на изменение суммарной амплитуды, по крайней мере, для лучей моды 1Р. Эффект регистрации на ио-нограммах НЗ нескольких верхних лучей в виде “гребенки” обусловлен ква-зирегулярным расслоением электронной концентрации в окрестности максимума Р-слоя с вертикальным масштабом -10-20 км.
Показано, что сравнение рассчитанных частотных характеристик с помощью разработанной адаптивной модели КВ-канала с результатами наклонного ЛЧМ-зондирования позволяет осуществить процедуру идентификации модовой структуры. По итогам сопоставления экспериментальных среднемесячных суточных вариаций МНЧ на трассах различной протяженности и ориентации с рассчитанными но модели МПЧ сделан вывод, что коррекция ДАСФ-модели по эффективному числу солнечных пятен позволяет достичь хорошего согласия модельных значений МПЧ и измеренных МНЧ (с погрешностью не превышающей 12%).
Предложена методика диагностики ПИВ по г-образованиям на следах лучей Педерсена каждой магнитоионной компоненты. На основе сопоставления экспериментальных характеристик наклонного зондирования с результатами адаптивного имитационного моделирования определены динамические параметры волновых возмущений, определяющих г-образные особенности следов верхних лучей на монограммах НЗ. Показано, что ПИВ с относительной амплитудой возмущения 20%, длиной волны 150 км и периодами 15-30 минут, распространяющиеся сверху вниз под углом -60° к горизонту, ответственны за наблюдаемые вариации ДЧХ. Разработана методика оценки спектрального состава ПИВ по результатам автоматических реіулярньїх круглосуточных измерений МНЧ на трассах наклонного ЛЧМ-зондирования. По результатам обработки рядов МНЧ установлено, что наиболее вероятные ква-
-32-
зипериоды на трассах Кипр, Инскии-Ростов-на-Дону сосредоточены на интервале 15-80 минут. Положение максимумов и их количество изменяется от месяца к месяцу.
В спокойных ионосферных условиях экспериментально обнаружен эффект модуляции амплитуды лучей Педерсена каждой магнитоионной компоненты с квазипериодом по частоте 50-300 кГц. Он объясняется расслоением ионосферной плазмы с масштабами вертикальным -200 м, горизонтальным -единицы-десятки километров, и может быть положен в основу диагностики тонкой слоистой структуры ионосферы.
По результатам адаптивного имитационного моделирования установлено, что поведение измеренных АЧХ нижних лучей объясняется интерференцией неразделенных дискретных составляющих, фаза которых не является случайной величиной. Установлено, что различие в уровнях верхнего и нижнего лучей, в основном, обусловлено разницей пространственных ослаблений этих лучей и не связано с эффектами аномального бесстолкновитель-ного поглощения (80% случаев).
Далее рассмотрены вопросы экспериментального изучения угловых характеристик ДКМВ, которые являются мощным источником информации, позволяющим исследовать тонкую структуру ионосферы. Здесь же рассмотрены прикладные проблемы экспериментальной оценки потенциальной точности однопозиционного МО с помощью разработанной ДАСФ-модели ионосферного радиоканала.
Предложена схема построения и алгоритм работы цифрового широко-аппертурного однопозиционного угломерно-дальномерного комплекса диапазона ДКМВ, позволяющего на основе современных методов цифровой спектральной пространственно-временной обработки сигналов определять углы прихода радиоволн в горизонтальной и вертикальной плоскостях. На основе ДАСФ-модели КВ-канала разработана методика однопозиционного МО, корректно учитывающая основные механизмы распространения ДКМВ в средиеширотной ионосфере.
На основе модифицированных соотношений эквивалентности развит способ определения УЧХ по результатам наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы, который может успешно применяться для проверки ионосферных моделей и калибровки подвижных угломерных комплексов во всем декамет-ровом диапазоне радиоволн. Этот способ оценки УЧХ экспериментально проверен прямыми измерениями угловых характеристик ДКМВ.
Экспериментально подтверждена разработанная методика подавления влияния многолучевости на измерения двумерных угловых координат ИРИ ингерферометрическими методами путем углового статистического усреднения в частотно-временной области существования сигнала. Показано, что
-33-
прсдложенный способ подавления влияния многолучевости уменьшает дисперсию угловых координат ИРИ до 10 раз.
На основе измерения углов прихода ДКМВ в заходные часы суток и сопоставления наблюдаемых эффектов с результатами регистрации угловых характеристик сигналов ракурсного рассеяния в условиях искусственного воздействия на ионосферу мощным контролируемым излучением установлены особенности рассеяния сигналов при прохождении терминатора на высотах области ¥. Показано, что сигнал, принимаемый после захода, часто не связан с эффектами рассеяния вперед на ионосферных неоднородностях, а обусловлен эффектами возвратно наклонного рассеяния на неровностях земной поверхности.
Приведены результаты экспериментальных исследований угловых характеристик ДКМВ, выполненных в период 2002-2005 гг. на трассах различной ориентации и протяженностью от 250 км до 6500 км. Обнаружены и измерены девиации пеленга, обусловленные влиянием горизонтальных градиентов электронной концентрации в восходно-заходные часы суток, а также влиянием ПИВ. Показано, что использование ДАСФ-модели ионосферного радиоканата, корректируемой по эффективному индексу солнечной активности, позволяет решить задачу однопозиционного местоопределения координат ИРИ с погрешностью по дальности около 10%. При этом средний азимут ИРИ, найденный на основе траекторных расчетов с учетом коррекции регулярных девиаций пеленга, обусловленных влиянием геомагнитного поля и горизонтальных градиентов электронной концентрации, отклоняется от истинного значения на величину не более 0.1°. Сделан вывод, что экспериментально измеренные УЧХ хорошо согласуются с результатами моделирования на основе ДАСФ-модели и подтверждают корректность выдвинутых и заложенных в ее основу положений.
В заключении приводятся выводы и основные результаты, полученные в диссертации.
-34-
1. ПОДХОДЫ К ОПИСАНИЮ ИОНОСФЕРНОГО РАДИОКАНАЛА
Настоящая глава содержит обзор главным образом теоретических работ по способам представления радиоканалов. В нем делается классификация моделей и подходов к их разработке, а также приводится оценка возможности использования известных представлений для решения задач адаптивной имитации процессов распространения КВ радиоволн в ионосферной плазме.
Необходимым условием успешного развития диагностических и связных радиосистем является создание корректной модели КВ-канала. Таким образом, появляется задача описания канала связи как физического объекта. Это неизбежно приводит к некоторой идеализации КС, отражающей лишь наиболее существенные его свойства. Для лабораторных испытаний в этих целях используются аппаратные имитаторы [24-32], для теоретического анализа - математические модели [33-45].
1.1. Общие принципы описания каналов связи и их классификация
Описание каналов связи основывается на реализации одного из трех типов подобия реальному объекту [24,25].
1. Физическое подобие реализует физическое подобие описываемому объекту. Имитаторы каналов связи, основанные на физическом подобии представляют собой миниатюрные копии реального КС, воспроизводящие в определенном масштабе наиболее существенные физические закономерности, присущие реальному каналу [26].
2. Математическое подобие реализует принцип математического подобия реальному КС. Методика описания здесь заключается в воспроизведении, в основном на ЭВМ, характеристик канала, заданных его математической моделью, вид которой определяется статистическими характеристиками и физическими свойствами моделируемого КС [33-41].
3. Функциональное подобие реализует принцип функционального подобия. При гаком подходе имитируются не физические процессы в реальных КС при распространении сигналов, а результирующие характеристики выходных сигналов, обусловленные этими процессами [1,27-31].
Любой реальный КС характеризуется ансамблем входных и ансамблем выходных сигналов, свойства которых однозначно определяются характеристиками канала. Функциональное моделирование предполагает идентичность входных сигналов канала и имитатора при одновременном выполнении требований к заданной степени адекватности выходных сигналов реального канала и его модели.
Основными элементами имитатора, реализующего принцип функционального описания, являются управляемые элементы, преобразующие вход-
-35-
ной сигнал х(() в выходной путем изменения их параметров с помощью устройства управления по законам, определяемым взаимосвязями между входом и выходом реального КС. Характер этих взаимосвязей, как правило, случаен и определяется свойствами КС, а для их количественного описания применяется математическая модель канала. Имитаторы такого типа могут реализовываться различными методами. В частности, в качестве устройства управления может использоваться ЭВМ [30].
Разработка или выбор математической модели канала основывается на имеющейся совокупности теоретических и экспериментальных данных о канале связи. При любом из перечисленных подходов подобие канала и его модели оценивается двумя путями на основе внутренних и (или) внешних критериев подобия [25].
В первом случае в качестве критерия подобия используется отклонение п -мерного распределения вероятности, соответствующего набору эмпирических данных о характеристиках канала, от «-мерного распределения, следующего из принятой математической модели.
Внешние критерии подобия основываются на некотором функционале, определяемым математической моделью КС и имеющим физический смысл величины, оценивающей качество передачи информации при заданных входных сигналах и способе их обработки на приемной стороне. Тогда подобие канала его математической модели производится путем сравнения оценок этого функционала в процессе экспериментального испытания реальной системы и величины, найденной теоретически в соответствии с принятой математической моделью радиоканала.
Следовательно, не останавливаясь далее на моделях, реализующих физическое подобие реальному объекту, будем далее в более узком смысле под математической моделью КС понимать указание характеристик его входных и выходных сигналов и их математической взаимосвязи. Математическая модель должна быть построена так, чтобы содержать всю информацию о реальном канале, необходимую для разработки обслуживаемой им СНЗ, СС или СП и главное - для выбора оптимальной структуры системы и алгоритма ее работы.
Хотя факторы, действующие в реальных каналах на передаваемые сигналы весьма многообразны, КС можно рассматривать, как многомерную динамическую систему, имеющую п пространственно-сосредоточенных входов и р пространственно-рассредоточенных выходов, в которой отображение
вход-выход задастся оператором [42]:
у(г,г) = Ьхй(/)+£(<,г), (1.1)
где *а(/)еи - множество входных сигналов; ^'(/,г)е У - множество выходных сигналов; £(/,г)е N с У, £(/,?) - поле аддитивных помех.
-36-
Оператор Ь может быть детерминированным или случайным, соответственно различают детерминированное и стохастическое описание радиоканала. Реализации оператора стохастического канала представляют собой выборку из некоторого ансамбля операторов с заданным на нем распределением вероятностей, а выходные сигналы даже при детерминированных сигналах на входе и отсутствии аддитивных помех являются случайными функциями.
Возможны два принципиально различных подхода к описанию КС: структурно-физический и феноменологический [1,24,32,42].
Первый случай предполагает изучение реальных преобразований переданного сигнала в канале, механизмов искажения сигнала и природы помех в среде распространения с учетом ее свойств, отражение структуры этих преобразований с требуемой точностью в модели. Структурные модели строятся по принципу соответствия структуры модели реальному механизму распространения сигналов в средах с изменяющимися физическими свойствами. К моделям этого типа относится описание пространственно-временного (ИВ) радиоканала на основе уравнений Максвелла [20,33-41].
Второй подход базируется на представлениях о канале, как о “черном ящике”, внутренняя структура которого не рассматривается [1]. При феноменологическом подходе построение модели преследует цель отобразить с требуемой точностью только процессы, наблюдаемые на выходе системы. Модель подбирается лишь по принципу подобия наблюдаемых выходных сигналов при заданных сигналах на входе. Здесь вместо того, чтобы учитывать реальные преобразования электромагнитного поля в среде распространения и антеннах, что бывает затруднительно сделать, канат обычно рассматривают как фильтр с определенной передаточной или импульсной характеристикой.
В связи с этим феноменологические модели по способу описания делятся на две большие группы: модели, основанные на использовании аппарата системных функций (как правило, передаточной или импульсной характеристики) [1,27-40,43,44,46-51], и модели, основанные на использовании аппарата линейного предсказания [24,52-60] и аппарата стохастических дифференциальных уравнений [42].
Первая группа моделей предполагает представление канала в виде линейного четырехполюсника, что часто хорошо отвечает его реальным свойствам. Интенсивные исследования радиоканалов ДКМ диапазона привели к разработке феноменологической математической модели данного канала, которая получила название модели Ватерсона [1,27]. Данная феноменологическая модель закреплена в качестве стандарта для имитаторов КВ-радиоканалов [28] и положена в основу большого количества аппаратных имитаторов [29,30], которые в настоящее время реализуются на базе цифровой техники. В этой модели весь высокочастотный тракт (радиопередатчик-
-37-
среда-радиоприемник) заменен его низкочастотным эквивалентом и обработка ведется в частотной области выходного сигнала аппаратуры передачи данных. Типичный представитель имитаторов, построенных на основе модели Ватерсона, описан в работе [30]. Здесь реальный низкочастотный сигнал х(г) с помощью преобразования Г ильберта трансформируется в комплексный аналитический сигнал х(г) = *(*)+« (г), где х(г) - преобразование по Гильберту входного сигнала имитатора. Далее в блоке сдвига частот в сигнал вводится рассогласование путем умножения его на комплексную гармоническую функцию хсд5(г) = х(/)е'2/Рс*(')* # Частотный сдвиг /С(?6.(?) может зависеть
от времени I, что обеспечивает учет доплеровского смещения частоты, возникающего за счет движений в среде распространения и взаимного движения радиосредств. Далее аналитический сигнал хсдб(/) поступает на линию задержки. Сигналы, снимаемые с отводов линии задержки, имитируют поступающие по различным траекториям на приемную антенну копии сигнала. Как следствие, выходной сигнал блока имитации многолучевого ДКМ-канала
I _
имеет вид Хш,(/)= КеХ^/(0^«*в(/”г/)> где ^ ~ количество имитируемых Луги
чей; 77 - задержка; А{(/) - комплексный коэффициент передачи для /-го луча, который можно рассматривать как стационарный случайный процесс.
От предположения линейности канала свободны модели в виде дифференциальных уравнений. Все используемые ныне модели стохастических каналов можно отнести к типу структурно-детерминированных: за основу берется некоторая детерминированная модель, в которой часть параметров или характеристик заменяется соответствующими случайными величинами или функциями [1,30,42,52]. Обобщенная модель канала имеет вид [42,47]:
У(*>?) = Ъ{Ха (*> ?)> ?)}+£(*>*) (1 *2)
где х0(/,г)еи - входной сигнал с информационным параметром а (сообщением); ^,г)еО ~ вектор некоторых случайных характеристик канала; Ь - детерминированное отображение. Это представление позволяет ввести классификацию моделей еще по трем признакам [42]: способу представления оператора Ь; способу представления случайных характеристик канала #(/,?); способу представления случайных помех «(/,?). Заметим, что на моделях случайных помех здесь мы останавливаться не будем.
Оператор может быть представлен в интегральной форме или в форме дифференциальных уравнений (модели на основе стохастических дифференциальных уравнений). Оба представления могут сочетаться. При описании линейных каналов часто переходят от временного к частотному представлению, что позволяет алгебраизировать отображение.
-38-
В математических моделях КС первой группы в качестве системных функций чаще всего равноправно используются случайные, зависящие от времени импульсная h(t,r) и передаточная #(/,/) характеристики, являющиеся взаимными трансформантами Фурье по переменным г и /. При использовании этих системных функций выходной си гнал >(/) ра диоканала находится либо как результат свертки входного сигнала х(/) с импульсной
характеристикой КС:
00
y(t)= \x(t-T)h{t,r)dT, (1.3)
-00
либо как результат обратного преобразования Фурье (ОГ1Ф) от произведения спектра входного сигнала X[f) на передаточную характеристику
y(j)- ]x{f)H{/,f¥2*df. (1.4)
-СО
Анализ последних двух соотношений убеждает в том, что формальные модели канала также имеют простое физическое толкование, отражающее реальные закономерности формирования сигнала на выходе КС в условиях непрерывной многолучевости. А именно, первое инте]ральное равенство (1.3) отвечает многолучевому распространению при непрерывном множестве лучей, различающихся временными сдвигами г и характером преобразования сигнала в КС, заданным импульсной характеристикой Л(/,г), которая определяет амплитуды интерферирующих лучей. Аналогичной интерпретации только в спектральной области поддается и второе соотношение (1.4).
Часто в рассмотрение вводится третья системная функция (функция рассеяния) К(/,г), подразумевающая интерпретацию выходного сигнала как
предела суммы задержанных и сдвинутых по частоте откликов, обусловленных, в общем случае, множеством перемещающихся независимых рассеивателей, причем отклик, имеющий задержку в интервале (г, г + dr) и доплеров-ский сдвиг в интервале (/,/ + tÿ") появляются на выходе канала с комплексной амплитудой V(t,T)dzdf :
со
y{t)= \x(t-T)v{f,Ty,2^dfdT. (1.5)
-00
Иными словами, при описании, основанном на функции рассеяния К(/,г), допустима физическая интерпретация КС как непрерывномноголучевого с различными временными г и доплеровскими f сдвигами по каждому лучу и законами преобразования сигнала в лучах распространения, определяемыми видом функции рассеяния.
Случайный характер выходного сигнала канала ;;(/) задается случайным характером системных функций и, следовательно, для моделирования
-39-
КС практическое использование аппарата системных функций возможно только при наличии их статистического описания.
Другая группа формальных математических моделей линейных каналов со случайными параметрами строится на основе дискретного представления выходного сигнала в виде авторегрессионной модели со скользящим средним [53,61,62] (АРСС модель):
уп = акУп-к (1 -6)
к=I 1=0
где уп - п -е дискретное значение выходного сигнала; х„_/ - дискретное значение входного сигнала, отстоящее от «-го на /, и ^,6, - случайные коэффициенты, характеризующие канал. Па практике используются более частные случаи такого представления, а именно: модель скользящего среднею (СС модель), имеющая только нули (ак =0, к = 1,...,/?), и авторегрессионная модель (АР модель), имеющая только полюсы (6, = 0, / = 1,...,£/). Все эти модели, в свою очередь, полностью определяются системными функциями канала [53,61,62]. Следовательно, наличие информации о статистических свойствах системных функций определяет возможность практического построения модели на основе линейного предсказания так же, как и моделей, основанных непосредственно на аппарате системных функций.
Относительно моделей случайных параметров канала достаточно в широком смысле указать класс или вид статистик, которым принадлежат соответствующие случайные процессы или поля. Именно в таком смысле говорят о гауссовских или Марковских моделях канала. В более узком смысле под моделью случайного процесса или поля понимают алгоритм формирования его реализаций, обеспечивающий получения заданных вероятностных характеристик.
Вернемся к обобщенной модели (1.2). Каждому процессу можно поставить в соответствие некоторые характеристики ()а = сс -хуу. В
связи с этим существуют два подхода [52] к описанию стохастических систем (1.2): прямой, устанавливающий связь между входными и выходными сигналами, и косвенный, связывающий характеристики этих сигналов.
Прямое моделирование предполагает получение реализаций сигнала ха((,г) с известными статхарактеристиками Qx и пропускание его через модель канала (1.2). Характеристики Qv = процесса у(/,г) могут быть
выражены через ()х, где - оператор, описывающий преобразование характеристик сигнала при его прохождении КС. Различие между Ь и состоит в том, что Ъд описывает наблюдаемый результат воздействия КС на сигназ, а Ь выполняет определенные действия над процессом ха, приводя-
-40-
щие к этому результату. Связь между Ь и Ь0 не взаимно однозначна. Сто-
хастичность детерминированного отображения Ь сохраняется введением в его структуру случайных элементов, генерирующих реализации случайных процессов или полей 0(г,г), характеристики которых зависят от случайных
величин или функций. Примером оператора, описывающего стохастический линейный канал, является свертка (1.3). Системные характеристики в этом случае представляются реализациями случайного процесса или поля. Описаны также и специальные подходы [63], когда в качестве реализаций системных функций используются записи характеристик реального канала.
Косвенное моделирование КС состоит в получении реализаций наблюдаемых выходных сигналов у(г,г) по их вероятностным характеристикам ()у, т.е. эта возможность связана с непосредственной генерацией у(/,г):
у{*>г) = С\ха(‘’Г\ду\- О-7)
Здесь в - векторный генератор, производящий реализации процесса .у(/,г) по его статистическим характеристикам £>у. Такое моделирование используется в тех случаях, когда сигналы рассматриваются как случайные процессы, и нет необходимости отображать структуру сигнала, которая зависит от воздействия среды распространения, способа кодирования и модуляции передаваемого сообщения. Здесь возможны программные и аппаратные построения генераторов, использование записей реализаций реальных сигналов [49].
Реальные многолучевые каналы, рассматриваемые на значительных временных, частотных или пространственных интервалах, как правило, нестационарные, поэтому адекватным аппаратом для их описания является многомерный статистический анализ. Однако применение этого аппарата часто неоправданно, усложняет модель и делает ее мало пригодной для практического применения. Поэтому используются различные допущения, существенно упрощающие математическое моделирование КС. Наиболее распространенное из них - предположение о квазистационарности (локальной стационарности) системных функций и (или) выходных сигналов с переменными случайными параметрами. Тогда на интервалах времени, частоты или пространства, в переделах которых системные функции можно считать стационарными, КС достаточно описывать в рамках аппарата корреляционной теории стационарных случайных процессов [64].
Конкретные значения интервалов локальной стационарности зависят от физической природы КС и видов передаваемых по ним сигналов. Как правило, каналы можно считать стационарными на интервалах времени, значительно превосходящих длительность предаваемых сигналов, и, соответственно, на частотных промежутках, превышающих ширину спектра используемых сигналов, что оправдывает применимость предположения о локальной
стационарности реальных КС. Когда требуется описать поведение КС на интервалах, значительно превышающих интервал стационарности канала, то обычно ограничиваются указанием законов изменения одномерных распределений и корреляционных характеристик системных функций [24,42,65].
Основой для классификации квазисгационарных моделей КС становятся, в свою очередь, спектрально-корреляционные свойства флуктуаций системных функций или определяемых ими функций выходных сигналов во времени по частоте или в пространстве [24,42,65]. При этом учитывается, что обработка принимаемого поля у(г,г) с целью извлечения из него информации осуществляется в конечной области Л = [0,Гв]х[0,^]х Я, где Та = Т5 + Л/тах - длина временного интервала анализа поля в месте приема; Тх - длительность элемента передаваемого сигнала; Д^тах - интервал рассеяния сигнала во времени (память канала), обусловленный неидеальностью частотных характеристик или отличием импульсной характеристики от дельта-функции; Га = + Д/тах - длина частотного и нтервала анализа поля в
месте приема; Р5 - полоса частот передаваемого сигнала; Д/пах - интервал рассеяния сигнала по частоте, обусловленный изменением параметров канала во времени или взаимным перемещением областей формирования и приема сигнала; Ы - область анализа принимаемого поля в пространстве, определяемая в декартовой системе координат равенством Я = [-^/2,Ха/2]х[-7„/2,Ув/2]х[-га/2,2в/2].
Модель канала называют с общими замираниями, если выполнены ус-ловия Т$ « ткорр, у; « А/корр, где ткорр и А/корр - интервалы корреляций за-
мираний по времени и частоте. Такие каналы называют также неселективными по времени и по частоте. Формы сигналов на входе и выходе КС с этими свойствами с овпадают, а случайны только параметры выходного сигнала: амплитуда, фаза, время запаздывания и в некоторых случаях - частота.
Наиболее распространенным способом математического описания канала с общими замираниями считается модель, определяемая [24]:
- одномерными плотностями распределения амплитуд, фаз и времени запаздывания выходных сигналов (или, что эквивалентно, значениями комплексной передаточной функции КС для любой частоты из интервала, соответствующего спектру передаваемого сигнала);
- автокорреляционными функциями (спектром мощности) флуктуаций указанных параметров, рассматриваемых во времени;
- формой и параметрами передаточной функции КС (граничными частотами полосы пропускания канала).
Если одно или оба неравенства нарушены, то такой КС называют каналом с время-, частотно- или врсмя-частотно селективными замираниями [24].
- Київ+380960830922