Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ АДАПТАЦИИ КОРОТКОВОЛНОВЫХ РАДИОЛИНИЙ, РАБОТАЮЩИХ ИОНОСФЕРНЫМИ ВОЛНАМИ (ВАРИАНТЫ)

Изобретения относятся к области радиосвязи, а именно к коротковолновым (KB) радиолиниям, использующим отраженные от ионосферы радиоволны, и, в частности, к радиолиниям, обеспечивающим более устойчивую работу в условиях поляризационных замираний сигнала в точке приема, обусловленных магнитоионным расщеплением отраженной от ионосферы волны.

Известны способы поляризационной адаптации KB радиолиний ионосферных волн за счет пространственного разноса антенн (см., например, кн. Антенны. Часть 1./ Под. ред. Ю.К.Муравьева. - Л.: ВКАС, 1963, - с.393-396). Способ заключается в выборе взаимного расположения и расстояния между, по крайне мере двумя антеннами. Причем места установки антенн выбирают таким образом, чтобы корреляция замираний поля в местах установки антенн была предельно малой. В KB диапазоне такой разнос составляет несколько сот метров. Принятые каждой из антенн сигналы суммируют и передают в нагрузку.

Недостатком данного способа адаптации KB радиолиний с использованием пространственного разноса является необходимость использования значительных площадей, необходимых для установки антенн, что чаще всего экономически нецелесообразно.

Известен также способ поляризационной адаптации KB радиолиний с использованием антенн с поляризационным разносом (см. в указанной выше книге «Антенны» на с.367-369).

В месте приема ионосферной волны устанавливают вертикально и горизонтально поляризованные антенны. Корреляция между значениями амплитуд двух взаимно ортогональных компонент поля обычно составляет 0,2-0,3. Принятые каждой антенной сигналы суммируют, что снижает флуктуацию общего сигнала.

Недостатком данного способа все же является высокий уровень изменения амплитуды сигнала, приводящий к неустойчивости работы радиоканала.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленным является способ адаптации KB радиолиний, основанный на возбуждении характеристических электромагнитных волн (ЭВМ) в ионосфере по патенту РФ №2002276, МПК G01S 13/100 опубл. 30.01.1993. Бюл. №39-40.

Ближайший аналог (прототип) включает следующую совокупность действий:

на передающем и приемном концах радиолинии устанавливают турникетные антенны, выполненные с возможностью изменения их поляризаций;

зондируют ионосферу сигналами в виде радиоимпульсов различной частоты поочередно двумя линейно поляризованными волнами;

принимают отраженные от ионосферы магнитоионные компоненты сигнала;

измеряют синхронно и запоминают комплексные амплитуды излученных и принятых магнитоионных компонент сигнала;

вычисляют комплексное число, зависящее от отношения комплексных амплитуд магнитоионных компонент;

возбуждают в ионосфере только одну из магнитоионных компонент, тем самым повышая уровень сигнала в точке приема.

Недостатком ближайшего аналога является все тот же высокий уровень поляризационных замираний в точке приема, вызванный тем, что физические условия существования ионосферы Земли обеспечивают «неизбежное возникновение двух характеристических волн при облучении ионосферы электромагнитным полем с произвольной поляризацией», что отмечено на с.5 описания патента №2002276. Следовательно, при любой поляризационной структуре волны, падающей на ионосферу, после ее отражения всегда будут существовать две поляризационно независимые компоненты, приводящие в точке приема к глубоким амплитудно-поляризационным замираниям.

Техническим результатом от использования заявленных вариантов способа является снижение уровня поляризационных замираний сигнала в точке приема путем поляризационной адаптации приемной антенны, учитывающей как поляризацию передающей антенны, так и поляризационную структуру сигнала в точке приема, определяемую магнитоионными компонентами ЭМВ, отраженной от ионосферы.

В первом варианте способа технический результат достигается тем, что

в известном способе поляризационной адаптации KB радиолиний, работающих ионосферными волнами, заключающемся в том, что в KB радиолинии, снабженной турникетными приемной и передающей антеннами, выполненными с возможностью изменения их поляризации (Под поляризацией антенны понимают поляризацию излученной антенной электромагнитной волны. См., например, Чернолес В.П. Параметры трактов распространения радиоволн и антенных устройств. - Л.: ВАС, 1986. - c.41), зондируют ионосферу сигналами, принимают отраженные от ионосферы сигналы, измеряют параметры и по результатам измерений выбирают поляризацию приемной и передающей антенн, зондируют ионосферу сигналами фиксированной частоты в точке отражения сигналов рабочей радиолинии. Затем N раз через заданные равные временные интервалы T_n, где n=1, 2, 3 …, N, изменяют поляризацию передающей антенны. В пределах каждого временного интервала T_n M раз с равными временными интервалами T_m, где m=1, 2, …, M, изменяют Р раз через равные временные интервалы T_p, где p=1, 2, …, Р, поляризацию приемной антенны.

Измеряют уровни сигналов , принятых во временных интервалах Т_р в пределах временного интервала T_nm, принадлежащего временному интервалу T_n. Затем вычисляют и запоминают превышение принятых сигналов над уровнем помех U_П в месте их приема. После чего вычисляют средние значения превышения сигналов принятых в каждом временном интервале во всех M временных интервалах T_m, принадлежащих каждому n-му временному интервалу T_n. Из всех вычисленных значений выбирают наибольшее значение , причем поляризацию приемной антенны для работы радиолинии выбирают соответствующую наибольшему значению , а поляризацию передающей антенны выбирают соответствующую ее поляризации во временном интервале T_n, которому принадлежит наибольшее значение . Управляющий сигнал на выбор поляризации передающей антенны передают от приемного на передающий конец радиолинии по каналу обратной связи.

Число N изменений поляризации передающей антенны выбирают в пределах N=15-30, а временной интервал T_n выбирают в пределах T_n=(40-60) с.

Число М выбирают в пределах 15-20, а число Р изменений поляризации приемной антенны в каждом временном интервале T_nm выбирают в пределах Р=15-20.

Поляризацию передающей и приемной турникетных антенн изменяют путем введения фазового сдвига между возбуждающими ЭДС, подводимыми к ортогональным плечам соответствующей турникетной антенны.

Во втором варианте способа технический результат достигается тем, что в известном способе поляризационной адаптации KB радиолиний, работающих ионосферными волнами, заключающемся в том, что в KB радиолинии, снабженной турникетными приемной и передающей антеннами, выполненными с возможностью изменения их поляризаций, зондируют ионосферу изменяющимися по частоте сигналами, принимают отраженные от ионосферы сигналы, измеряют их параметры и по результатам измерений выбирают поляризацию приемной и передающей антенн для работы радиолинии, зондируют ионосферу в точке отражения сигналов рабочей радиолинии. Затем N раз через заданные равные временные интервалы T_n, где n=1, 2, …, N, изменяют синхронно частоту зондирующих сигналов и частоту настройки приемника. В пределах каждого временного интервала T_n M циклов раз с равными временными интервалами T_m, где m=1, 2, …, M, изменяют Р раз через равные временные интервалы T_p, где p=1, 2, …, P, поляризацию приемной антенны. Измеряют уровни сигналов , принятых во временных интервалах T_p в пределах временного интервала T_nm, принадлежащего временному интервалу T_n. Затем вычисляют и запоминают превышение принятых сигналов над уровнем помех U_П в месте их приема. После чего вычисляют средние значения превышения сигналов , принятых в каждом временном интервале T_p во всех временных интервалах T_m, принадлежащих каждому n-му временному интервалу T_n. Из всех вычисленных значений выбирают наибольшее значение Причем поляризацию приемной антенны для работы радиолинии выбирают соответствующую наибольшему значению, а рабочую частоту передатчика и приемника выбирают соответствующую частоте передатчика во временном интервале T_n, которому принадлежит наибольшее значение Управляющий сигнал на выбор рабочей частоты передатчика передают от приемного на передающий конец радиолинии по каналу обратной связи. Число N частот зондирующих сигналов выбирают в пределах N=15-30 из разрешенного для работы радиолинии частотного диапазона и пригодных по условиям их отражения от ионосферы, а временной интервал T_n выбирают в пределах T_n=(40-60) с. Число циклов М выбирают в пределах М=15-20, а число Р изменений поляризации приемной антенны в каждом временном интервале T_m выбирают в интервале Р=15-20.

Возбуждающую ЭДС с выхода передатчика на одну из пар плеч турникетного излучателя подают через частотнозависимую линию задержки, а на другую пару - непосредственно.

Поляризацию передающей и приемной турникетных антенн изменяют путем введения фазового сдвига между возбуждающими ЭДС, подводимыми к ортогональным плечам соответствующей турникетной антенны.

Благодаря перечисленной новой совокупности существенных признаков по варианту 1 и 2, в заявленном способе обеспечивается динамическая и независимая адаптация поляризаций передающей и приемной антенн, учитывающая непрерывно меняющуюся поляризационную структуру двух магнитоионных компонент, отраженных от ионосферы, при которых в точке приема достигается наивысшее превышение сигнала над помехой в условиях существующих более сглаженных поляризационных замираний, тем самым достигается сформулированный технический результат.

Заявленные технические решения поясняются чертежами, на которых показаны:

На фиг.1 - рисунок, поясняющий механизм отражения волны в ионосфере;

на фиг.2 - вариант обеспечения фазового сдвига между ортогональными плечами антенн;

на фиг.3 - рисунок, поясняющий циклы поляризационной адаптации;

на фиг.4 - результаты измерений уровней сигнала в процессе поляризационной адаптации;

на фиг.5 - результаты вычислений уровней превышения сигналов над помехами;

на фиг.6 - результаты определения средних значений превышения сигналов над помехами;

на фиг.7 - результаты моделирования.

Реализация заявленного способа по первому варианту заключается в следующем. Известно, что при любой поляризационной структуре излученной на ионосферу электромагнитной волны (ЭМВ) в точке отражения (т.о.) (см. фиг.1) происходит ее преломление. В силу существования геомагнитного поля одновременно с преломлением происходит магнитоионное расщепление падающего луча на две характеристические волны (в литературе их также называют «обыкновенной» и «необыкновенной» магнитоионными компонентами - МИК). Обе МИК после преломления в ионосфере поляризованы эллиптически с отличающимися и постоянно изменяющимися коэффициентами поляризации. Это приводит к тому, что в точке приема В суммарная ЭМВ подвержена сильным поляризационным и амплитудным изменениям.

В то же время известно (см., например, статью «Поляризационное тестирование ионосферы на ближней радиотрассе».// Вопросы расчета и проектирования антенн и радиолиний./ Под ред. В.П.Серкова. - ВАС, 1986. - С.43-47 или в книге: Родимов А.П., Поповский В.В. «Статистическая теория поляризационно-временной обработки сигналов и помех».-М.: Радио и связь, 1984. - С.145-157), что при фактическом состоянии ионосферы существуют условия, при которых выбором поляризации передающей антенны и поляризации приемной антенны, в общем случае отличающихся между собой, суммарная ЭМВ, обусловленная суперпозицией МИК в точке приема, обеспечивает на входе приемника относительно стабильное состояние в существенном временном интервале (до десятков минут). В этих условиях достигается более высокое качество работы KB радиолинии ионосферных волн.

Использование первого варианта заявленного способа предпочтительно в случае ограниченного числа частот, разрешенных для работы радиолинии. В предельном случае допускается работа только на одной рабочей частоте.

В этом случае последовательность действий, реализующий способ, следующая.

На передающем конце радиолинии (точка A на фиг.1) устанавливают KB передатчик (Прд) 1, снабженный турникетной антенной 2 с возможностью изменения ее поляризации. В частности, изменение поляризации передающей антенны может быть достигнуто путем введения фазового сдвига между возбуждающими ЭДС, подводимыми к ортогональным плечам антенны 2в-2в и 2г-2г (см. фиг.2а). Фазовый сдвиг может быть обеспечен применением частотно зависимой линии задержки (ЛЗ) 5, выполненной на коммутируемых отрезках коаксиального кабеля.

На приемном конце радиолинии (точка В на фиг.1) устанавливают KB приемник (Прм) 3, также снабженный турникетной антенной 4 с возможностью изменения ее поляризации. Дополнительно в состав KB радиолинии введен канал обратной связи (КОС), в общем случае содержащий на приемном конце дополнительный передатчик 6 с антенной и на передающем конце приемник 7 с антенной. КОС предназначен для передач от приемного к передающему концу KB радиолинии управляющих команд на установку поляризации передающей антенны 2 (в первом варианте способа) и установку рабочей частоты передатчика 1 (во втором варианте способа).

Затем по установленному предварительно расписанию на фиксированной частоте N раз с равными временными интервалами T_n изменяют поляризацию предающей антенны 2. В каждый временной интервал T_n M циклов каждый с временным интервалом T_m по Р раз с временным интервалом T_n изменяют поляризацию приемной антенны (см. фиг.3).

При этом измеряют уровни сигналов , принятых во временных интервалах T_p в пределах временного интервала T_nm, принадлежащего временному интервалу T_n (фиг.4).

По измеренным данным вычисляют превышение сигналов над уровнем помех в месте их приема (фиг.5). Уровень помех U_П в месте приема расчитывают по среднестатистическим данным, полученным в ходе предварительных измерений помеховой обстановки.

Затем вычисляют средние значения превышения сигналов принятых в каждом временном интервале T_p во всех временных интервалах T_m, принадлежащих каждому n-му временному интервалу. Из всех вычисленных значений выбирают наибольшее значение . На фиг.6 в качестве примера показано, что соответствует шестому временному интервалу T_p (p=6) и первому временному интервалу T_n (n=1), т.е. максимальным является среднее превышение .

После завершения всех циклов по N, M и Р и определения по каналу обратной связи передают управляющий сигнал на установку поляризации передающей антенны, соответствующей n=1. Одновременно фиксируют для приемной антенны поляризацию, соответствующую p=6.

Число циклов перестройки поляризации передающей антенны N и приемной антенны Р реализуют соответствующим числом сдвига фаз Δφ возбуждающей ЭДС между ортогональными плечами турникетных антенн (фиг.2б).

После установки поляризаций приемной и передающей антенн осуществляется рабочий режим работы радиолинии. В случае снижения качества связи ниже допустимого уровня повторяют полный цикл поляризационной адаптации.

Второй вариант заявленного способа целесообразно использовать при возможности широкого маневра рабочими частотами. Отличие второго варианта от первого заключается в следующем.

Передающую антенну последовательно N раз с временным интервалом T_n возбуждают на отличающихся частотах: f₁, f₂, … f_n, …, f_N. При этом установленная в такте возбуждения одного из плеч турникетной антенны частотозависимая линия задержки будет автоматически обеспечивать фазовый сдвиг между ортогональными плечами антенны и, следовательно, изменять ее поляризацию.

Перестройка передатчика и приемника на новую частоту синхронизирована, например, с использованием системы сигналов точного времени.

Другим отличием второго варианта заявленного способа от первого является то, что после выбора наибольшего значения поляризацию приемной антенны для радиолинии в рабочем режиме выбирают соответствующей наибольшему значению. Рабочую частоту передатчика и приемника назначают соответствующей частоте передатчика во временном интервале T_n, которому принадлежит наибольшее значение . Управляющий сигнал на выбор рабочей частоты передатчика передают от приемного на передающий конец радиолинии по каналу обратной связи.

Формирование управляющего сигнала, передаваемого по каналу обратной связи, может заключаться в передаче в первом и втором вариантах способа цифры n, соответствующей интервалу T_n, которому принадлежит .

Интервалы значений чисел N, M и Р, а также величины T_n, T_m и T_p были определены в процессе машинного моделирования и составили N=15-30; M=15-20; Р=15-20; T_n=(40-60) с; T_m=T_n/M; T_p=T_m/P. Указанные значения позволяют получить объективные результаты тестирования состояния ионосферы в точке приема, выбрать совместимые поляризационные характеристики приемной и передающей антенн, при которых сохраняется в наибольшем временном промежутке допустимое снижение уровня принимаемого сигнала.

Оценка степени достижения результата проводилась с помощью математического моделирования по показателю вероятности приема с заданной достоверностью Р_пр(р_ош≤р_{ош. доп}) по критерию Р_пр(р_ош≤р_{ош. доп})≥Р_пр.доп. При моделировании полученные значения показателя достоверности приема сравнивались со значениями прототипа. Результаты моделирования, приведенные на фиг.7, дают основания для следующих выводов: при цикле адаптации T_n с общим временем, не превышающем Т=15·T_n=15 мин и установке поляризаций приемной и передающей антенн, соответствующих максимальному превышению , обеспечивается изменение вероятности приема с заданной достоверностью выше допустимого значения, например, Р_пр.доп=0,85, что соответствует требуемому качеству состояния радиоканала в интервале Т_{треб.кач}≈35 мин, в то время как у прототипа этот показатель не превышает 5÷8 мин.