close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ В УСЛОВИЯХ АКТИВНЫХ ПОМЕХ И ОГРАНИЧЕНИЯ ПОЛОСЫ КОГЕРЕНТНОСТИ ТРАНСИОНОСФЕРНОГО РАДИОКАНАЛА.

код для вставкиСкачать
КОРОТКОВ СЕРГЕЙ ЮРЬЕВИЧ
ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
В УСЛОВИЯХ АКТИВНЫХ ПОМЕХ И ОГРАНИЧЕНИЯ ПОЛОСЫ КОГЕРЕНТНОСТИ
ТРАНСИОНОСФЕРНОГО РАДИОКАНАЛА
Специальность: 05.12.13 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Владимир 2013
Работа выполнена в МОУ «Институт инженерной физики» (г. Серпухов)
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
заслуженный работник высшей школы РФ,
ведущий научный сотрудник МОУ «ИИФ»
Пашинцев Владимир Петрович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
профессор кафедры организации и технологии защиты
информации Северо-Кавказского федерального университета
Копытов Владимир Вячеславович
кандидат технических наук, профессор, ведущий специалист ОАО «НПО «Ангстрем», г. Москва, Зеленоград
Киселёв Владимир Николаевич
Ведущая организация: ЗАО «Научно-исследовательский внедренческий центр автоматизированных систем (НИВЦ АС)», г. Москва.
Защита состоится «27» декабря 2013 года в 14.00 на заседании диссертационного
совета ДС 212.025.04 при Владимирском государственном университете имени
Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000,
г. Владимир, ул. Горького, д.87, ВлГУ.
Отзывы, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д.87, ВлГУ, ФРЭМТ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича
Столетовых - ВлГУ
Автореферат разослан «25» ноября 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.025.04
доктор технических наук, профессор
2
А.Г. Самойлов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации. Информационное пространство современного развитого государства является одной из важных составляющих его промышленного и оборонного потенциала. Ядром такого информационного пространства
является телекоммуникационная система государства, которая в нашей стране
представлена Единой Сетью Электросвязи РФ (ЕСЭ РФ). В свою очередь, ЕСЭ РФ
представлена взаимоувязанной сетью многих операторов связи и включает в свой
состав как наземную проводную составляющую (в основном волоконнооптическую), так и радийную компоненту, включающую в том числе и системы
спутниковой связи (ССС).
ССС в РФ решают ряд важных телекоммуникационных задач: связь территориально распределенных стационарных объектов различного назначения в регионах с низкой плотностью населения (фиксированная спутниковая служба) и связь
различных мобильных объектов между собой (подвижная спутниковая служба). В
разработке и создании комплексов ССС принимают участие: Государственный
оператор «Космическая связь», Красноярский НПО/ПМ им. Решетнева и компания
Alcatel (создание трех спутников нового поколения «Экспресс А»), НИИР, ЦНИИС, ООО
«Гипросвязь», ГСП РТВ, ОАО «Ростелеком», ЗАО «НИВЦ АС» и др.
Спецификой функционирования ССС является прохождение радиосигналов в
радиолиниях «снизу-вверх» и «сверху-вниз» через ионосферу. Именно поэтому каналы спутниковой связи называют трансионосферными радиоканалами. Высокая
плотность размещения спутников-ретрансляторов (СР) на геостационарной орбите,
значительная насыщенность низкоорбитального пространства космическими аппаратами (КА) связи, а также недостаточная координация работы радиочастотных
служб различных государств приводит к значительным активным помехам (АП) в
трансионосферных радиоканалах. Снижение влияния АП в ССС реализуется путем
применения в них широкополосных сигналов (ШПС) с большой базой. При этом
все абоненты такой ССС реализуют кодовый многостанционный доступ (CDMA) к
пропускной способности СР.
Состояние ионосферы оказывает существенное влияние на прохождение радиосигналов (в том числе и ШПС) в трансионосферном радиоканале. Повышенная
солнечная активность, радионагрев отдельных участков ионосферы мощным излучением источниками типа HAARP, распыление бария в ионосфере и др. приводят к
появлению мелкомасштабных неоднородностей в ионосфере, которые называют
возмущениями ионосферы (ВИ). Последние приводят к сужению полосы когерентности трансионосферного радиоканала и к появлению в нем частотно-селективных
замираний (ЧСЗ) ШПС.
Таким образом, для обеспечения заданной помехоустойчивости по вероятности ошибки на элементарный символ в трансионосферном радиоканале ССС с
ШПС в условиях ВИ и АП необходимо изменять полосу частот используемых сигналов.
3
Вопросам построения ССС с ШПС большое внимание уделено в школах таких
ученых как Калашников Н.И., Фортушенко А.Д., Кантор Л.Я., Петрович Н.Т., Зубарев
Ю.Б., Тузов Г.И., Камнев Е.Ф., Камнев В.Е., Черкасов В.В., Чернявский Г.М., Чечин
Г.В., Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С., Аболиц А.И., Акимов А.А.,
Белов А.С., Спилкер Дж., Степанов С.Н., Тепляков И.М., Машбиц Л.М., Эйнджел
Дж., Пашинцев В.П., Цимбал В.А., Шиманов С.Н. и другие. Однако вопрос оптимизации используемой полосы ШПС сигнала в трансионосферном радиоканале в условиях воздействия ВИ и АП остается открытым.
В связи с изложенным, возникает следующее противоречие: с одной стороны,
для повышения помехоустойчивости трансионосферного канала в присутствии АП
необходимо расширять полосу частот ШПС, с другой стороны в условиях ВИ в
трансионосферном канале возникают ЧСЗ, что требует сужать полосу частот ШПС.
Разрешение этого противоречия заключается в разработке аналитической методики оценки помехоустойчивости CCC в условиях воздействия АП, характеризуемых
отношением помеха/шум, ( hп2 ) и ограниченной полосы когерентности ( Fк ) трансионосферного канала с частотно-селективными замираниями.
Исходя из изложенного, актуальной является тема диссертационной работы
«Помехоустойчивость широкополосных систем спутниковой связи в условиях активных помех и ограничения полосы когерентности трансионосферного радиоканала».
Цель работы: Разработка практических рекомендаций по обеспечению требуемой помехоустойчивости системы спутниковой связи, использующих широкополосные сигналы, в условиях одновременного воздействия активных помех (АП) и сужения
полосы когерентности радиоканала на основе выбора частотных параметров передаваемых сигналов и применения способов трансионосферного зондирования.
Объект исследования: системы спутниковой связи, использующие широкополосные сигналы.
Предмет исследования: влияние АП и частотно-селективных замираний принимаемых сигналов при возмущениях ионосферы в слое F на помехоустойчивость
ССС с ШПС.
Научная задача: разработка аналитической методики оценки помехоустойчивости CCC в условиях воздействия АП ( hп2 ) и ограниченной полосы когерентности ( Fк )
трансионосферного канала с частотно-селективными замираниями.
В ходе решения научной задачи были сформированы следующие результаты,
представляемые к защите:
1. Методика оценки помехоустойчивости широкополосных ССС при заданной
степени ЧСЗ и влияния АП, позволяющая определить оптимальную полосу спектра
ШПС сигналов по критерию минимальной вероятности ошибки.
2. Методика оценки помехоустойчивости разнесенного приема сигналов на несколько антенн при пространственной корреляции замираний в условиях ЧСЗ и
АП.
3. Методика оценки полосы когерентности трансионосферного канала на основе результатов зондирования полного электронного содержания неоднородной
ионосферы с помощью спутниковых радионавигационных систем (СРНС).
4
Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что:
1. Методика оценки помехоустойчивости широкополосных ССС при заданной степени ЧСЗ и влияния АП, позволяющая определить оптимальную
полосу спектра ШПС сигналов по критерию минимальной вероятности
ошибки, в отличие от известных методик, учитывает одновременное влияние
АП и степени ЧСЗ принимаемых сигналов на энергетические потери при обработке сигналов..
2. Научная новизна второго результата заключается в том, что произведено теоретическое обобщение методики оценки помехоустойчивости строенного приема сигналов с релеевскими замираниями на случай приема сигналов с частотно-селективными замираниями и одновременного воздействия
активных помех.
3. Методика оценки полосы когерентности трансионосферного канала
на основе результатов зондирования полного электронного содержания неоднородной ионосферы с помощью спутниковых радионавигационных систем (СРНС), в отличие от известных, базируется на результатах не вертикального, а трансионосферного зондирования ВИ с помощью СРНС.
Достоверность и обоснованность научных и практических результатов подтверждается: применением современных научных методов; непротиворечивостью
представленных научных результатов известным результатам в данной области знаний;
сходимостью к известным результатам при введении ограничений и допущений; результатами экспериментальных исследований, проведенных с применением методов
математического и полунатурного моделирования.
Практическая значимость полученных результатов заключается в прогнозировании помехоустойчивости широкополосных ССС при различной степени возмущения
ионосферы и мощности воздействующих активных помех, а также в разработке
устройства определения полосы когерентности трансионосферного канала с помощью
двухчастотного приемника спутниковой радионавигационной системы.
Личный вклад соискателя в получение результатов. Все исследования, изложенные в диссертационной работе, проведены лично соискателем в процессе научной
деятельности в рамках выполнения плановых ОКР. Ему принадлежит основная идея
диссертационной работы, её формализация в виде частных научных задач, результаты
их решения и экспериментов, публикации и апробация результатов.
Результаты работы реализованы:
1. В МОУ «ИИФ» при обосновании полосы ШПС трансионосферного радиоканала специальной ССС в рамках ОКР «Жасмин-Д-ИИФ» (акт о реализации МОУ
«ИИФ» от 08.10.2013 г.).
2. В Военной академии РВСН имени Петра Великого (филиал в г. Серпухов Московской области) в учебном процессе по кафедре «Автоматизированные системы управления» (в ходе дипломного проектирования и при изучении дисциплины «Информационные сети и телекоммуникации») (акт о реализации ФВА РВСН от 17.09.2013 г.).
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: 10 НТК различного уровня, в том числе 3
5
Международного уровня, 7 Всероссийского уровня. Опубликованы в 21 работе, из
них: 17 статей в научно-технических сборниках и журналах, из которых четыре опубликованы в журнале из перечня ВАК, 2 отчета об ОКР, 2 патента на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов,
заключения, списка научных источников и приложения. Список научных источников
содержит 116 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы
противоречие, цель, научная задача, а также основные научные результаты, представляемые к защите. Показаны научная новизна, практическая значимость, реализация и достоверность научных исследований.
В первом разделе проведен анализ существующих ССС, использующих как
узкополосные, так и широкополосные сигналы. Приведены требования к помехоустойчивости каналов ССС по вероятности ошибки на элементарный символ. Дана
характеристика активных помех в трансионосферных каналах ССС, указаны основные способы возмущений ионосферы, приводящих к возникновению искусственных
ионосферных образований, которые приводят, в свою очередь, к снижению полосы
когерентности радиоканала и к возникновению ЧСЗ.
Анализ основных характеристик современных и перспективных широкополосных ССС показывает, что основные тенденции развития таких ССС направлены
на увеличение: 1) несущей частоты передаваемых с космического аппарата сигналов с f 0  1 ГГц до f 0  20 ГГц ; 2) полосы спектра передаваемых спутникомретранслятором фазоманипулированных широкополосных сигналов (ФМ ШПС) с
F0  2 МГц до F0  20 МГц и более.
Однако указанные тенденции развития ССС позволяют обеспечить требуемую
помехоустойчивость приема (т.е. вероятность ошибки Pош  104  105 при отноше-
нии сигнал/шум (С/Ш) h02  23 дБ , и Pош  103 при h02  23 дБ и превышении мощности помехи над мощностью сигнала Pr п / Pr  10  30 дБ ) только в нормальном состоянии ионосферы.
Состояние
ионосферы
3
N m (эл/м )
Параметры слоя F ионосферы

 N   Nm (эл/м 3 )
1. НИ (ночь)
2,4 1011
102
2,4 109
2. НИ (день)
1,4 1012
3  103
4,2 109
3. ВИ (слабые)
1013
5  101
51012
4. ВИ (сильные)
51013
1
51013
Таблица 1 Параметры слоя F нормальной ионосферы (НИ) и ВИ
При возмущениях ионосферы (ВИ) на высотах слоя F (например, в результате ее
радионагрева комплексом HAARP или инжекции легкоионизирующихся химических
веществ) происходит существенное изменение распределения электронной концентрации в ионосфере (как показано на рисунке 1).
6
Согласно данным таблицы 1, при ВИ среднеквадратическое отклонение
(СКО) электронной концентрации (ЭК) в неоднородностях ионосферы (  N ), имеющих волокнистый характер, может возрастать на 3…4 порядка.
Рисунок1. Распределение электронной концентрации в нормальной и возмущенной ионосфере
Увеличение СКО флуктуаций ЭК (  N ) вызывает рост СКО флуктуаций фазового фронта волны с частотой f 0 на выходе ионосферы
   80,8  / c (  ls hэ sec  ) 0,5   N / f 0 , [ рад ] .
(1)
Возрастание   вызывает многолучевое распространение радиоволн (РРВ) и рост
относительных фазовых сдвигов и времени запаздывания лучей, приходящих в
точку приема:
(2)
i  0  i ~   N / f 0 .
Как показано на рисунке 2, это вызовет сужение полосы когерентности трансионосферного канала связи (КС)
Рисунок 2. Возникновение многолучевости при трансионосферном РРВ при ВИ
Fк  f 0 /  ( 2  d12 ) 1 / 2 ,
7
[Гц].
(3)
Согласно выражениям (1-3) и рисунку 2, увеличение СКО флуктуаций ЭК (  N )
вызывает рост СКО флуктуаций фазового фронта волны на выходе ионосферы (  ),
многолучевое РРВ и сужение полосы когерентности ( Fк ) трансионосферного канала
связи (КС) до 100 кГц и менее.
В трансионосферном КС с полосой Fк  100 кГц при передаче типовых ШПС
( F0  2  20 МГц ) выполняются условия отсутствия межсимвольной интерференции
(МСИ) и возникновения ЧСЗ :
(4)
Ts Fк  1 ;
(5)
Fк / F0  1 .
При невыполнении условий (4,5) возникают общие замирания (ОЗ) и ЧСЗ
принимаемых сигналов. При отсутствии ОЗ и АП вероятность ошибки в некогерентном приеме элементарного символа для узкополосных сигналов типа ОФТ
имеет известный вид:
 E 
1
 h2  1
Pош  exp     exp   r 
2
 2 2
 N0 
(6)
где Er  Pr Ts - энергия принимаемого сигнала; N - спектральная плотность мощ0
ности шума
При отсутствии ОЗ и воздействии АП
1
 h 2 ап 
Pош  exp  

2
2

;
1
(7)
1


Pп 
hп2 
   1 

ап   1 
N 0 F0 
F0Ts 


,
(8)
2
где hп  PпTs / N0
При наличии релеевских ОЗ и АП вероятность ошибки в приеме элементарного символа для узкополосных сигналов типа ОФТ имеет вид:
1
Pош 
2  h 2 ап
(9)
2  b2 E E r
2
где h 
= h 2 .- среднее отношение сигнал/шум (с/ш), равное отно
N0
N0
шению с/ш в канале без замираний.
При наличии ЧСЗ и АП вероятность ошибки в приеме элементарного символа для узкополосных сигналов типа ОФТ имеет вид:
Pош 
1
2  h 2ч
8
(10)

ч   1 
4 F02
 Fk2





1
2

где
- коэффициент энергетических потерь при обработке сигнала из-за ЧСЗ
(11)
На графиках рисунка 3 представлены искомые зависимости вероятности
ошибки для рассмотренных выше случаев.
Анализ влияния замираний общих и частотно-селективных при воздействии
только АП (а) и только ЧСЗ (б) на помехоустойчивость приема ШПС показал следующее:
1) согласно выражениям (6-9) и рисунку 3 (а), при воздействии АП на вход
приемника по мере расширения полосы спектра ШПС ( F0 ) помехоустойчивость их
приема улучшается;
2) согласно выражениям (10-11) и рисунку 3 (б), при ограниченной полосе когерентности ( Fк ) канала связи по мере расширения полосы спектра ШПС ( F0 ) степень их ЧСЗ возрастает ( Fк / F0  1) и помехоустойчивость их приема ухудшается.
0 1
1
10
2
10
10
2
40 h , дБ
30
20
0
1
10
2
10
Рл З
P 1.h1 1
10
20
30
40
2
50 h , дБ
ч  0,1
ч  0, 01
Fк /F 0  
P 1 h1 .3
3
10
P 1 h1 .1
P 2 h1 1
1
3
10
P 2 h1 .1
ап  1
Рл З
4
10
4
10
ап  0,1
5
10
Fк /F 0  
ч  1
h1
а
5
б
10
Pош
Рисунок 3 Анализ влияния замираний и АП на вероятность ошибки
Таким образом, возникает противоречие в практике: расширение полосы спекPош
тра ( F0 ) ШПС, применяемых для повышения помехоустойчивости
ССС в условиях АП,
приведет к снижению помехоустойчивости широкополосных ССС в условиях сужения
полосы когерентности ( Fк ) вследствие увеличения степени возникающих ЧСЗ
( Fк / F0  1) .
Разрешение данного противоречия требует решения следующей научной задачи: разработка аналитической методики оценки помехоустойчивости CCC в условиях
воздействия АП ( hп2 ) и ограниченной полосы когерентности ( Fк ) трансионосферного
канала с частотно-селективными замираниями:
Pош   ( h02 , Fк / F0 , hп2 )
9
(12)
Решение общей научной задачи требует решения, соответственно, частных
научных задач разработки:
1. Методики оценки помехоустойчивости широкополосных ССС при заданной
степени ЧСЗ ( Fк / F0 ) и влияния АП ( hп2 / Ts F0 ) , позволяющей определить оптимальную полосу ( Fopt ) спектра ШПС сигналов по критерию минимальной вероятности
ошибки ( Pош ):
Pош   ( h02 , Fк / F0 , hп2 / Ts F0 ) ;
(13)
(14)
Fopt  ( Fк , hп2 / Ts )  min Pош .
2. Методики оценка помехоустойчивости разнесенного приема сигналов на несколько ( n  3) антенн при пространственной корреляции замираний ( | R |  0 ) в условиях ЧСЗ и АП:
Pош   ( h02 , Fк / F0 , hп2 / Ts F0 , | R | ) .
(15)
3. Методики оценки полосы когерентности ( Fк ) трансионосферного канала на
основе результатов зондирования полного электронного содержания (ПЭС) неоднородной ионосферы с помощью спутниковых радионавигационных систем (СРНС):
(16)
Fк   ( N T ,  N , f 0 ) .
Во втором разделе приведены результаты решения первой и второй частных
научных задач. Решение первой частной научной задачи - разработки методики оценки
помехоустойчивости широкополосных ССС при заданной степени ЧСЗ ( Fк / F0 ) и влияT
ния АП ( hп2 / Ts F0 ) , позволяющей определить оптимальную полосу ( F0  Fopt ) спектра
ШПС по критерию минимальной вероятности ошибки ( min Pош ) произведено так.
Вначале приводится анализ известной методики оценки помехоустойчивости
некогерентной схемы приема сигналов (рисунок 4) в каналах связи с ЧСЗ
D( L1 )
L
1
СФ 1
КДО
X r (t )  Sr (t )  n (t )
момент
t = Ts
W
РУ
D( L0 )
L2
СФ 2
1
КДО
Рисунок 4 - Схема некогерентного (НК) приема сигналов на согласованный фильтр (СФ) и квадратурный детектор огибающей (КДО)
Данная методика включает этапы определения
1) Комплексной огибающей (КО) принимаемого сигнала с ЧСЗ
10
Pош
0
Sr (t ) 

 S (t     )b( )d 


 S (t    )b( )d ,
(17)

где b( ) - импульсная функция КС с рассеянием по  ; t   t   .
2) Откликов на выходах СФ1,0 в момент t   Ts (т. е. t    Ts )
L1 
Ts
*
 X r (t )  S1(t)dt ;
L0 
Ts
*
 X r (t )  S0 (t)dt
(18)
0
0
3) Статистических характеристик L1 и L2 на выходе КДО:
2
L1  D( L1 ) ;
L0
2
 D( L0 ) ;
*
L1 L0  0
(19)
4) Отношения С/Ш на выходе схемы обработки и Pош :
W  [ D( L1 )  D( L0 )] / D( L0 )  h2ч ;
(20)
Pош  (2  W ) 1  (2  h 2ч ) 1 ,
(21)
где ч  1 - коэффициент уменьшения h 2 (энергетических потерь) из-за ЧСЗ.
Методика оценки помехоустойчивости широкополосных ССС при заданной
степени ЧСЗ и влияния АП, позволяющей определить оптимальную полосу спектра
ШПС сигналов по критерию минимальной вероятности ошибки разработана в 2
этапа. На первом этапе была разработана методика получения аналитической зависимости (13)
Pош   ( h02 , Fк / F0 , hп2 / Ts F0 ) вероятности ошибочного приема ШПС
при заданной степени ЧСЗ ( Fк / F0 ) и влияния АП ( hп2 / Ts F0 ).
На вход ПРМ (рисунок 4) поступает аддитивная смесь принимаемого ШПС с
ЧСЗ (17), гауссовского белого шума (ГБШ) и узкополосной АП:
X r (t )  Sr1 (t )  n (t )  Sr п (t ) ,
(22)
где Sr п (t ) – КО принимаемой АП (сосредоточенной по спектру и незамирающей) с
энергией Er п .
На основе (22) и выражений (17-21) получена формула
Pош  1 / ( 2  h02 ч п ) ,
где
(23)
ч  (1  4 F02 /  Fк2 ) 1 / 2 ;
п  (1  hп2 / Ts F0 ) 1 ,
(24)
(25)
- коэффициенты энергетических потерь (т.е. уменьшения h02 ) при обработке сигналов
из-за ЧСЗ и воздействия АП. Согласно (24,25), формулу (23)можно записать как:
1


h02
1
Pош 

2


 ,
2  h02 / qч п 
(1  4 F02 /  Fк2 )1 / 2 (1  hп2 / Ts F0 ) 
11
(26)
где
qч п  ( ч п ) 1  (1  4 F02 /  Fк2 )1/ 2 (1  hп2 / Ts F0 )
(27)
– общий энергетический проигрыш при обработке сигналов из-за ЧСЗ и АП.
На рисунке 5 приведен график зависимости Pош от выбора полосы спектра ШПС
( F0 ) при Fк  100 кГц и hп2 / Ts  104 , 105 , 106 .
Pош
1
hп2  40 дБ
hп2 / Ts  106
0,1
hп2  30 дБ
hп2 / Ts  105
10
2
hп2  20 дБ
hп2 / Ts  104
10
10 2
10 3
1
F0 , кГц
Рисунок 5. Зависимость помехоустойчивости ССС от полосы спектра ШПС
На втором этапе осуществляется определение оптимальной полосы ( Fopt )
спектра ШПС сигналов по критерию минимальной вероятности ошибки (14):
Fopt  ( Fк , hп2 / Ts )  min Pош .
Находим производную от qч п по F0 и, приравняв ее к нулю, решаем уравнение
qч п ( F0 )  0 . В результате получим искомое выражение (14) в виде:

Fopt  (  Fк / 4 )( hп2 / Ts )

1/ 3
.
(28)
Решение второй частной научной задачи - разработки методики оценки помехоустойчивости разнесенного приема сигналов на несколько ( n  3) антенн при пространственной корреляции замираний ( | R |  0 ) в условиях ЧСЗ и АП осуществлено так.
На 1-м этапе произведена оценка помехоустойчивости строенного ( n  3 )
приема сигналов при пространственной корреляции замираний в антеннах
( | R |  0 ) в условиях отсутствия ЧСЗ ( Fк / F0   ) и АП ( hп2  0 ) , когда наблюдаются только релеевские общие замирания (Рл.ОЗ). Выражения для оценки помехоустойчивости получены в виде совокупности формул
12
Pош
где
41 ( 2  1)( 3  1) 42 (1  1)( 3  1) 43 (1  1)( 2  1)
,



(1  2)a b
( 2  2)a c
( 3  2)cb
(29)
a  (1   2 )(1   2  1 2 ) ; b  (1  3 )(1  3  13 ) ;
c  ( 2  3 )( 2  3   23 ) ;
(30)
1  h02  2 r cos( / 3) ;  2  h02  2 r cos[(  ) / 3] ; 3  h02  2 r cos[(  ) / 3] ; (31)
1/ 2
1 |2  | R 2 |2  | R3 |2 
|
R
2

r  h0 

3


;   arccos
3 3 ( | R1 || R 2 || R3 |)
.
( | R1 |2  | R 2 |2  | R3 |2 )3 / 2
(32)
На 2-м этапе произведено обобщение результатов (29 – 32) на случай приема сигналов с различной степенью ЧСЗ ( Fк / F0 ) и влияния АП ( hп2 / Ts F0 ) в виде
выражений:
 2  h02 / qч п  2 rч п cos[(  ) / 3] ; (33)
1  h02 / qч п  2 rч п cos( / 3) ;
1/ 2
3  h02
/ qч п  2 rч п cos[(  ) / 3] ; rч п
h02  | R1 |2  | R 2 |2  | R3 |2 


qч п 
3

, (34)
где qч п  ( Fк / F0 , hп2 / Ts F0 ) определяется согласно (27).
Pош 1
| R |  0,5
Pош 1
10-1
10-1
Fк / F0  0,01
2
hп  40 дБ
10-2
10-2
Fк / F0 
 0,1
10-3
Fк / F0  0,5
10-4
10
2
hп  30 дБ
10-3
10-4
2
Рл.ОЗ
-5
10
Fк / F0  
1
10
20
30
hп  20 дБ
-5
1
2
h0 , дБ
10
102
103
б
а
F0 , кГц
2.22.27
Рисунок 6 - графики для оценки помехоустойчивости ССС при строенном
(n  3) приеме ШПС с различной степенью ЧСЗ ( Fк / F0  0,5; 0,1; 0,01) в отсутствие
АП (а) и при наличии АП (б).
13
В результате зависимость (15) получена в виде выражений (29, 30, 33, 34).
На рисунках 6 а) и 6 б) приведены графики для оценки помехоустойчивости
ССС при строенном (n  3) приеме ШПС с различной степенью ЧСЗ
( Fк / F0  0,5; 0,1; 0,01) в отсутствие АП и при наличии АП с различной мощностью ( hп2  20...40 дБ ) .
Из графиков следует: 1) с увеличением степени ЧСЗ вероятность ошибки существенно повышается при сужении полосы когерентности; 2) при фиксированной
энергетике помехи, воздействующей на ШПС в канале с ЧСЗ, имеется оптимум по
полосе когерентности, обеспечивающем минимум вероятности ошибки, что подтверждает исходные посылки при постановке задачи.
В третьем разделе разработана методика оценки полосы когерентности трансионосферного канала на основе результатов зондирования полного электронного
содержания неоднородной ионосферы с помощью СРНС.
В настоящее время для оценки полосы когерентности трансионосферного КС
(3) используется ее зависимость от СКО флуктуаций фазового фронта волны на
выходе неоднородного слоя   и параметров ионосферы:
Fк 
f0

2  (1  d12 / 2)1 / 2
f0
2  Д1

f 02 с
.
80,8 5 / 4 (2ls z э sec 0 )1 / 2  N m Д 1
(35)
Недостаток определения полосы когерентности согласно (35) состоит в необходимости проведения измерений среднего значения максимальной электронной
концентрации (ЭК) в ионосфере ( N m ) и интенсивности неоднородностей (  ) с помощью станции вертикального зондирования ионосферы (ВЗИ), размещаемой в
точке, которая может находиться на расстоянии ~ 1000…2000 км от приемника
ССС.
Анализ особенностей определения полного электронного содержания (ПЭС)
NT (  ,  ) в неоднородной ионосфере двухчастотным приемником (ДЧ ПРМ) СРНС
при вертикальном (а) и при наклонном (б) РРВ (рисунок 7) показал следующее:
НКА
НКА
N (h)
N (h)
N (ρ, h)
N (ρ, h)
а)
б)
ДЧ ПРМ
  90    0
NT ρ,   NT ( )  NT ρ, 
N T ρ  N T  N T ρ
ДЧ ПРМ
Рисунок 7 Определение полного электронного содержания в неоднородной
ионосфере двухчастотным ПРМ при вертикальном 0  0 (а) и при наклонном
0  0 (б) распространении радиоволн.
СКО флуктуаций фазы во фронте волны можно определить как
14
  ( 0 ) N Т ( 0 )
ls
 80,8 


f0
 с  zэ sec 0 
 80,8  ls   N Т 
= 4 
,

 с  z э 0  f 0 
  4  

 

NT (0 )  NT (0 )  N m hэ sec0  NT sec0 ,
где
- среднее значение ПЭС в ионосфере при наклонной трассе РРВ;
 N ( 0 )  hэ sec  0 


 ( 0 ) 
N T ( 0 )   lS 
T
(36)
(37)
0,5
(38)
- интенсивность ионосферных неоднородностей при наклонном РРВ.
Величину СКО флуктуаций фазового фронта волны на выходе ионосферы
можно определить согласно выражениям (36-38) по редультатам измерений среднего значения ( N T (0 ) и СКО (  N (0 ) ) флуктуаций ПЭС в ионосфере при 0  0
наклонной трассе РРВ.
Достоинством такой методики определения полосы когерентности
( Fк ) f 0 /   трансионосферного канала является возможность проведения измереT
ний среднего значения ПЭС NT (0 ) и интенсивности неоднородностей  (0 ) в
подионосферной точке трассы РРВ с помощью двухчастотного приемника СРНС,
размещаемого рядом с приемником ССС.
Приведены практические рекомендации по обеспечению требуемой помехоустойчивости широкополосных ССС в условиях возмущений ионосферы (ВИ) в слое F и
АП
Основными рекомендациями являются:
1) Выбор по возможности наиболее высоких несущих частот f 0 (например, не 1 или 4
ГГц, а 11 или 20 ГГц) и наименьших углов 0 наклона РРВ (например, путем использования спутника-ретранслятора на высокоэллиптических орбитах, а не геостационарных), что способствует расширению полосы когерентности трансионосферного канала ( Fк ).
2) Выбор разноса антенн (  ) при использовании строенного приема в соответствии с
условием обеспечения допустимой пространственной корреляции замираний
( | R |  0,5 ) при заданном значении их интервала корреляции ( к  ls /  ), где
СКО фазового фронта волны на выходе ионосферы определится как (36).
3) Выбор оптимальной полосы спектра передаваемых ШПС в соответствии с выражением (28) Fopt  [ (  Fк / 4 )( hп2 / Ts ) ] 1 / 3 , что обеспечивает min Pош в КС с заданной
полосой когерентности ( Fк ) и мощностью помехи ( h п2 ).
Поскольку выбор оптимальной полосы спектра передаваемых ШПС в ССС определяется полосой когерентности ( Fк ) трансионосферного КС, в работе обоснованы способ и устройства измерения статических характеристик ПЭС с помощью двухчастотного приемника СРНС. В частности, обоснованы структуры построения блока
измерения среднего значения ПЭС и интенсивности ионосферных неоднородно15
стей и блока измерения полосы когерентности трансионосферного канала связи,
приведенных на рисунках 8 и 9.
NТ
БВМО
Двухчастотный
ПРМ СРНС
N T (ti )
NТ
B

БВСКО

БВИНИ
 N
T
Рисунок 8 - Блок измерения среднего значения ПЭС и интенсивности ВИ
БИСХ ПЭС
NТ
БВМО
Двухчастотный
ПРМ СРНС
N T (ti )
БИПК
B
БВСКО
БВИНИ
 N

A
БВСКО
Ф

T
f0

d
Fк
БВПК1
ИЧК

f0
Рисунок 9 - Блок измерения полосы когерентности трансионосферного КС.
Здесь: БВМО - блок вычисления математического ожидания; БВСКО - блок
вычисления СКО; БВИНИ - блок вычисления интенсивности неоднородностей
ионосферы; БВПК - блок вычисления полосы когерентности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной диссертационной работе разрешено важное противоречие в практике
построения ССС с ШПС для условий наличия в трансионосферном канале ЧСЗ сигналов, вызванных ВИ, и воздействием АП: расширение полосы спектра F0 ШПС, применяемых для повышения помехоустойчивости ССС в условиях АП, приведет к снижению
помехоустойчивости широкополосных ССС в условиях сужения Fк вследствие увеличения степени возникающих ЧСЗ ( Fк / F0  1) . Разрешение данного противоречия осуществлено путем решения задачи разработки аналитической методики оценки помехоустойчивости CCC в условиях воздействия АП ( hп2 ) и ограниченной полосы когерентности ( Fк ) трансионосферного канала с частотно-селективными замираниями.
Результаты решения данной научной задачи позволят:
– на стадии проектирования и эксплуатации закладывать в аппаратнопрограммные средства земных станций и спутника-ретранслятора программное обеспечение, реализующее адаптацию полосы ШПС в соответствии с оптимальной полосой, найденной согласно разработанному научно-методическому аппарату, учитывающему воздействие ЧСЗ и активных помех;
– сравнительно просто осуществлять зондирование ионосферы по сигналам СРНС в
точке приема двухчастотным приемником по предложенной методике.
16
Использование разработанного научно-методического аппарата применительно к трансионосферному каналу ССС типа VSAT для типовых условий функционирования при АП ( =17 дБ) и ВИ (Fk/F0=0,1) позволит при строенном приеме получить выигрыш помехоустойчивости в 8 дБ по отношению к варианту без АП и
ВИ.
Дальнейшие исследования целесообразно продолжить в следующих направлениях:
– решение задачи обоснования минимально необходимого числа космических
аппаратов СРНС, нужных для покрытия заданной подспутниковой зоны связи в
интересах зондирования ионосферы;
– синтеза адаптивного приемо-передающего комплекса системы спутниковой
связи, реализующего в реальном масштабе времени адаптацию своих аппаратнопрограммных средств под оптимальную частоту, найденную зондированием ионосферы по сигналам СРНС, в рамках сетевых соединений типа «точка-точка» и «точка-многоточка».
СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
В изданиях из перечня ВАК:
1. Коротков, С.Ю. Пеленгация искусственного ионосферного образования с
помощью навигационного космического аппарата / С.Ю. Коротков, В.П. Пашинцев, В.И. Стрекозов // Известия института инженерной физики. – Серпухов, 2013. –
№4. – С. 88-94.
2. Коротков, С.Ю. Помехоустойчивость спутниковой связи при активных помехах и ограниченной полосе когерентности канала / С.Ю. Коротков, В.П. Пашинцев, М.Э. Солчатов // Инфокоммуникационные технологии. - Самара, 2013. - №4. С. 35-38.
3. Коротков, С.Ю. Адаптивная алгоритмическая компенсация канальных искажений при демодуляции сигналов OFDM / С.Ю. Коротков, А.Д. Поздняков, В.А.
Поздняков, Д.С. Коробов // Известия института инженерной физики. – Серпухов,
2012. –№3. – С. 90-95.
4. Коротков, С.Ю. Концептуальные основы построения системы электронного
мониторинга подконтрольных лиц / С.Ю. Коротков, Е.П. Зараменских // Известия
института инженерной физики. – Серпухов, 2011. –№3. – С. 33-37.
В других изданиях:
5. Коротков, С.Ю. Методика определения требуемого коммутационного ресурса для абонентов сети межкомпьютерного обмена стандарта IEEE 802.16/ С.Ю.
Коротков, С.Е. Потапов, А.М. Деркач // Труды Российского научно-технического
общества радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова. Серия: Научная
сессия, посвященная Дню радио. Вып. LXVII. М.: «Информпресс-94», 2012. С. 291293с.
6. Коротков, С.Ю. О необходимости применения ортогональных в усиленном
смысле сигналов для коротковолновых систем радиосвязи/ С.Ю. Коротков, С.В.
Ярёмченко, С.С. Манаенко// Труды Российского научно-технического общества
радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова. Серия: Научная сессия, посвященная Дню радио. Вып. LXVIII. М.: «Информпресс-94», 2013. С. 255-257с.
7. Коротков, С.Ю. Математическая модель процесса обработки многопакетных сегментов в узле коммутации сети передачи данных / С.Ю. Коротков, С.В.
Ярёмченко, А.М. Деркач // Сб. тр. X Российской научно-технической конференции
«Новые информационные технологии в системах связи и управления». – Калуга:
КНИИТМУ, 2011. – С. 68-73.
17
8. Коротков, С.Ю. Проблема выбора параметров технических средств спутниковой связи при использовании пониженных частот и сдвоенного приема сигналов
/ С.Ю. Коротков, С.В. Ярёмченко, В.П. Пашинцев, А.Ф. Чипига // Сб. тр. XII Российской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в
системах связи и управления». – Калуга: КНИИТМУ, 2013. – С. 125-128.
9. Коротков, С.Ю. Методика системного анализа проблемы выбора параметров технических средств спутниковой связи при использовании пониженных частот и сдвоенного приема / С.Ю. Коротков // Сб. тр. XII Российской научнотехнической конференции «Новые информационные технологии в системах связи
и управления». – Калуга: КНИИТМУ, 2013. – С. 129-134.
10. Коротков, С.Ю. Применение численного метода вращений к оценке помехоустойчивости резонансного приема сигналов / С.Ю. Коротков, С.В. Ярёмченко //
Сб. тр. VII Международной научно-практической конференции «Информационные
технологии в образовании, науке и производстве». – Протвино, 2013. – С. 665-667.
11. Коротков, С.Ю. Подход к расчету поглощения спутниковых радиоизлучений в ионосфере / С.Ю. Коротков // Сб. тр. VII Международной научнопрактической конференции «Информационные технологии в образовании, науке и
производстве». – Протвино, 2013. – С. 679-683.
12. Коротков, С.Ю. Методика синтеза систем дискретных квазиортогональных
сигналов / С.Ю. Коротков, С.В. Ярёмченко, Д.В. Гайдук, А.В. Белоконь // Сб. тр.
XXX Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы эффективности
и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем». – Серпухов: СВИ РВ, 2011. – Т. 4. – С. 103-108.
13. Коротков, С.Ю. Синтез оптимальных оценок параметров мультипликативной помехи для трансионосферного канала связи / С.Ю. Коротков // Сб. тр. VIII
Российской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в системах связи и управления». – Калуга: КНИИТМУ, 2009. – С. 151-157.
14. Коротков, С.Ю. Оптимизация величины скользящего окна транспортного
протокола IP-сети / С.Ю. Коротков, С.В. Ярёмченко, С.В. Чайка // Сб. тр. VI Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в
образовании, науке и производстве». – Протвино, 2012. – С. 241-243.
15. Коротков, С.Ю. Специфика применения способа синдромного декодирования в системе спутниковой связи / С.Ю. Коротков,С.В. Ярёмченко, А.Д. Белов,
С.С. Манаенко // Сб. тр. V Международной научно-практической конференции
«Информационные технологии в образовании, науке и производстве». – Протвино,
2011. – С. 122-125.
16. Коротков, С.Ю. Методика расчета мощности шума на входе приемника
системы спутниковой связи с пониженной несущей частотой / С.Ю. Коротков, С.В.
Ярёмченко, А.Ф. Чипига, Э.Х. Дагаев // Сб. тр. XXXII Всероссийской научнотехнической конференции «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем». – Серпухов: ФВА,
2013. – Т. 5. – С. 350-352.
17. Коротков, С.Ю. Научно-методическое обеспечение выбора параметров
технических средств спутниковой связи при использовании пониженных частот и
сдвоенного приема сигналов / С.Ю. Коротков, А.Ф. Чипига, В.П. Пашинцев // Сб.
тр. XXXII Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем». – Серпухов: ФВА, 2013. – Т. 5. – С. 301-308.
18. Патент РФ на полезную модель №2474960 Опубл. 10.02.2013. Бюл.№28.
Адаптивная система радиосвязи / Коротков С.Ю., Пашинцев В.П., Цимбал В.А.,
18
Шиманов С.Н.,
19. Патент РФ на полезную модель №110501 от 20.11.2011. Бюл. №32.
Устройство двухчастотного измерения полосы когерентности трансионосферного
канала связи / Коротков С.Ю., Пашинцев В.П., Цимбал В.А., Шиманов С.Н.
20. Жасмин-Д-ИИФ»: эскизный проект ОКР / МОУ «Институт инженерной
физики»; гл. конструктор В.А. Цимбал. – Серпухов: МОУ «ИИФ», 2010. – С. 80-95.
21. «Жасмин-Д-ИИФ»: технический проект ОКР / МОУ «Институт инженерной физики»; гл. конструктор В.А. Цимбал. – Серпухов: МОУ «ИИФ», 2011. – С. 6588.
Усл. печ. л. 1,0. Заказ № 125. Тираж 100 экз.
Редакционно-издательский центр
Филиала военной академии РВСМ им. Петра Великого
142210, г. Серпухов, Моск. обл., ул. Бригадная, 17.
19
20
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа