Устройство двухчастотного измерения полосы когерентности трансионосферного канала связи

Предлагаемая полезная модель относится к спутниковой радионавигации и спутниковым системам связи и может быть использована в системах мониторинга за состоянием ионосферы и параметров канала связи.

Сущность полезной модели: разработано устройство, в котором на основе величины среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы согласно известному выражению определяются значения полосы когерентност трансионосферного канала связи F_K1 и F_K2 при несущих частотах f₁ и f ₂. Предлагаемое устройство включает в себя: приемную антенну (1), двухчастотный приемник (2), опорный генератор и синтезатор частот (3), аналого-цифровой процессор первичной обработки (4), блок вычисления фазового пути сигнала Д_Ф1,2(t _k)=c_Ф1,2(t_k) блок вычисления полного электронного содержания ионосферы I (6), блок вычисления среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы _I (8), блок вычисления коэффициента, характеризующего нарастание дифракционных эффектов во фронте волны по мере ее распространения на несущей частоте f₁ (9), блок вычисления коэффициента, характеризующего нарастание дифракционных эффектов во фронте волны по мере ее распространения на несущей частоте f₂ (10), блок вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи F_K1 при несущей частоте f₁ (11), блок вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи F_K2 при несущей частоте f₂ (12), устройство вывода информации (7).

П.ф-ы 1. Фиг.2.

Предлагаемая полезная модель относится к спутниковой радионавигации и связи и может быть использована в системах мониторинга за состоянием ионосферы и параметров канала связи.

Как известно, воздействие на ионосферу ряда факторов, вызванных активностью Солнца, таких как ионосферно-магнитные бури и вспышки поглощения, приводят к изменению ее основных параметров, и оказывают существенное влияние на распространение радиоволн [1, 2].

Одним из основных параметров ионосферы, влияющим на распространение радиоволн, является ее полное электронное содержание I, величина которой может измеряться при двухчастотном режиме работы (на несущих частотах f₁ и f₂) систем спутниковой навигации [4]. В общем случае I представляет собой гауссовский случайный процесс и в любой момент времени определяется как сумма (I=+I) среднего значения полного электронного содержания ионосферы и ее флуктуации I относительно . Флуктуации полного электронного содержания ионосферы I характеризуются среднеквадратическим отклонением

Одним из важнейших параметров канала связи является полоса частотной когерентности F_K~1/_I, которая обратно пропорционально зависит от среднеквадратического отклонения флуктуаций полного электронного содержания ионосферы _I [2].

Известно, что на рабочих частотах спутниковых систем связи (f_1,2~1 ГГц) в условиях нормальной ионосферы (когда _I~10¹⁴ эл/м²) полоса частотной когерентности составляет F_K1,2~10 ГГц, а при возмущениях ионосферы (когда _I может достигать ~10¹⁸ эл/м² ) она может сужаться до значений F_K1,2<1 МГц и менее [2]. В этом случае при передаче в спутниковых каналах связи и навигации сигналов с шириной спектра F₀=110 МГц будут выполняться условия (F₀>F_Kl,2) возникновения частотно-селективных замираний принимаемых сигналов.

Целью является разработка устройства, позволяющего определять значения полосы когерентности трансионосферного канала связи F_K1,2 по результатам двухчастотных (на несущих частотах f₁ и f₂) измерений полного электронного содержания ионосферы I=+I.

Технический результат, который может быть получен с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к возможности адаптации ширины спектра сигналов (F₀) спутниковых радионавигационных систем с целью устранения частотно-селективных замираний (F₀<F_K1,2) при возмущениях ионосферы и сужении полосы когерентности трансионосферного канала до F_K1,2<1 МГц.

Известно устройство измерения полного электронного содержания ионосферы I при двухчастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации [4], в состав которого входят: приемная антенна (1), двухчастотный приемник (2), опорный генератор и синтезатор частот (3), аналого-цифровой процессор первичной обработки (4), блок вычисления фазового пути сигнала (5), блок вычисления полного электронного содержания ионосферы (6), устройство вывода информации (7) (фиг.1). Недостаток данного устройства в том, что оно не позволяет оценить полосу когерентности трансионосферного канала связи.

Известное устройство измерения полного электронного содержания ионосферы при двухчастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации работает следующим образом. Приемная антенна (1) принимает электромагнитные колебания, излучаемые навигационными спутниками. С выхода приемной антенны (1) напряжение u_вх(t) поступает на вход двухчастотного приемника (2). С выхода двухчастотного приемника (2) на вход аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) подается вектор оценки цифровых сигналов y(t_j), состоящий из сигналов j=1n видимых навигационных спутников. Опорный генератор и синтезатор частот (3) формирует номиналы рабочих частот f ₁ и f₂ на входы двухчастотного приемника (2), аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) и блока вычисления полного электронного содержания ионосферы I (6). В аналого-цифровом процессоре первичной обработки (4) реализованы схемы поиска и слежения за параметрами сигнала. С выхода аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) оценки фазового времени распространения _Ф1,2(t_k) радиосигнала на несущих частотах f₁ и f₂ поступают на вход блока вычисления фазового пути сигнала (5), реализующего алгоритм Д _Ф1,2(t_k)=c_Ф1,2(t_k) с шагом Т_k=t _k-t_k-1=0,02 с, где Д_Ф1 и Д_ф2 - фазовые пути сигнала (фазовые измерения псевдодальности) на частотах f₁ и f₂ соответственно. Значения Д_ф1,2(t_k) поступают на вход блока вычисления полного электронного содержания ионосферы I (6). С выхода блока вычисления полного электронного содержания ионосферы (6) данные поступают на устройство вывода информации (7).

Реализацию предлагаемого устройства, позволяющего определять значение полосы когерентности трансионосферного канала связи F_K1,2 в зависимости от изменения величины среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы _I позволит осуществить устройство двухчастотного измерения полосы когерентности трансионосферного канала связи, схема которого приведена на Фиг.2. Выражение для расчета полосы когерентности трансионосферного канала связи имеет вид [2]:

где f - несущая частота [Гц];

с=3·10⁸ м/с - скорость света;

_I - среднеквадратическое отклонение флуктуации полного электронного содержания ионосферы в ее мелкомасштабных неоднородностях[эл/м ²];

80,8 - постоянный коэффициент [м ³/с²];

- коэффициент, характеризующий нарастание дифракционных эффектов во фронте волны по мере ее распространения;

l_s - характерный масштаб неоднородностей (l_s=400 м);

h_э - эквивалентная толщина ионосферного слоя (h_Э=5·10⁵ м);

h₁ - расстояние он нижней границы ионосферы до точки приема (h₁=10⁵ м).

Для решения поставленной задачи в известное (Фиг.1) устройство измерения полного электронного содержания ионосферы при двухчастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации [4] добавлены следующие блоки: блок вычисления среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы (8), блок вычисления коэффициента, характеризующего нарастание дифракционных эффектов во фронте волны по мере ее распространения на несущей частоте f₁ (9), блок вычисления коэффициента, характеризующего нарастание дифракционных эффектов во фронте волны по мере ее распространения на несущей частоте f₂ (10), блок вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи при несущей частоте f₁ (11) и блок вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи при несущей частоте f₂ (12).

Т.к. устройство измерения полосы когерентности трансионосферного канала связи, схема которого приведена на Фиг.2, реализовано на двух несущих частотах f₁ и f₂ , то выражения (1) и (2) для несущей частоты f₁ примут вид

для несущей частоты f₂

Предлагаемое устройство (фигура 2) работает следующим образом. Приемная антенна (1) принимает электромагнитные колебания, излучаемые навигационными спутниками. С выхода антенны (1) напряжение u_вх(t) поступает на вход двухчастотного приемника (2), предназначенного для усиления и селекции принятых сигналов. С выхода двухчастотного приемника (2) на вход аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) подается вектор оценки цифровых сигналов y(t_j) состоящий из сигналов j=1n видимых навигационных спутников. Опорный генератор и синтезатор частот (3) формирует номиналы рабочих частот f ₁ и f₂ на входы двухчастотного приемника (2), аналого-цифрового процессора первичной обработки (4), блока вычисления полного электронного содержания ионосферы I (6); номиналы рабочих частот f₁ на входы блока вычисления коэффициента, характеризующего нарастание дифракционных эффектов во фронте волны по мере ее распространения на несущей частоте f₁ (9) и блока вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи F_K1 при несущей частоте f₁ (11); номиналы рабочих частот f₂ на входы блока вычисления коэффициента, характеризующего нарастание дифракционных эффектов во фронте волны по мере ее распространения на несущей частоте f₂ (10) и блока вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи F_K2 при несущей частоте f₂ (12). В аналого-цифровом процессоре первичной обработки (4) реализованы схемы поиска и слежения за параметрами сигнала. С выхода аналого-цифрового процессора (4) на вход блока вычисления фазового пути сигнала (5), реализующего алгоритм Д_Ф1,2(t_k)=c_Ф1,2(t_k) с шагом Т_k=t _k-t_k-1=0,02 с поступают оценки фазового времени распространения _Ф1,2(t_k). С выхода блока вычисления фазового пути сигнала (5) значения Д_Ф1,2(t_k ) поступают на вход блока вычисления полного электронного содержания ионосферы I=+I (6). Далее с выхода блока вычисления полного электронного содержания ионосферы I (6) оценки полного электронного содержания I=+I поступают на вход блока вычисления среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы (8), где происходят операции центрирования, возведения в квадрат, усреднения и извлечения квадратного корня [5]. С выхода блока вычисления среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы _I (8) значения среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы _I поступают на вход блока вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи F_K1 при несущей частоте f₁ (11) и вход блока вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи F_K2 при несущей частоте f₂ (12). На второй вход блока вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи F_K1 при несущей частоте f₁ (11) поступают значения коэффициента, характеризующего нарастание дифракционных эффектов , определяемого в блоке вычисления коэффициента, характеризующего нарастание дифракционных эффектов во фронте волны по мере ее распространения на несущей частоте f₁ (9) согласно выражению (4). На второй вход блока вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи F_K2 при несущей частоте f₂ (12) поступают значения коэффициента, характеризующего нарастание дифракционных эффектов , определяемого в блоке вычисления коэффициента, характеризующего нарастание дифракционных эффектов во фронте волны по мере ее распространения на несущей частоте f₂ (10) согласно выражению (6). В блоке вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи F_K1 при несущей частоте f₁ (11) и блоке вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи F_K2 при несущей частоте f₂ определяются значения полосы когерентности согласно выражениям (3) и (5) соответственно. Рассчитанные значения полосы когерентности F_K1 и F_K2 при несущих частотах f₁ и f ₂ отображаются в устройстве вывода информации (7).

Таким образом, в разработанном устройстве (Фиг.2) на основе величины среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы _I согласно известному [2] выражению (1) оперативно (с шагом Т_k=0,02 с) определяются значения полосы когерентности трансионосферного канала связи по результатам двухчастотных измерений (на несущих частотах f₁ и f₂) полного электронного содержания ионосферы I=+I.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 представлена функциональная схема известного устройства измерения полного электронного содержания ионосферы при двухчастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации [4]; на Фиг.2 представлена функциональная схема предлагаемого устройства двухчастотного измерения полосы когерентности трансионосферного канала связи.

Список использованных источников

1. Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. Учебное пособие для радиотехн. спец. вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. Москва, «Высш. школа», 1975-280 с.

2. Пашинцев В.П., Солчатов М.Э., Гахов Р.П. Влияние ионосферы на характеристики космических систем передачи информации: Монография. - Москва: Физматлит, 2006. - 184 с.

3. Пашинцев В.П. Влияние частотно селективных замираний на измерение времени запаздывания сигналов в системах космической связи // Радиотехника и электроника, 1989 - Том 43 - 4 - с.410-414.

4. Пашинцев В.П., Галушко Ю.И., Спирин A.M., Коваль С.А. Устройство измерения полного электронного содержания ионосферы при двухчастотном режиме работы систем спутниковой радионавигации. Патент на полезную модель 81340 от 10.03.2009 г.

5. Смирнов Н.Н., Федосов В.П., Цветков Ф.В. Измерение характеристик случайных процессов / Под. ред. В.П.Федосова: Учеб. пособие для вузов. - М.: САЙНС-ПРЕСС, 2004. - 64 с.

Устройство двухчастотного измерения полосы когерентности трансионосферного канала связи включает в себя приемную антенну (1), выход которой соединен с первым входом двухчастотного приемника (2); выход двухчастотного приемника соединен с первым входом аналого-цифрового процессора первичной обработки (4); выход аналого-цифрового процессора первичной обработки (4) соединен со входом блока вычисления фазового пути сигнала (5); выход блока вычисления фазового пути сигнала (5) соединен с первым входом блока вычисления полного электронного содержания ионосферы (6); первый выход опорного генератора и синтезатора частот (3) соединен со вторым входом двухчастотного приемника (2), вторым входом аналого-цифрового процессора первичной обработки (4), вторым входом блока вычисления полного электронного содержания ионосферы (6); второй выход опорного генератора и синтезатора частот (3) соединен с третьим входом двухчастотного приемника (2), третьим входом аналого-цифрового процессора первичной обработки (4), третьим входом блока вычисления полного электронного содержания ионосферы (6); выход блока вычисления полного электронного содержания ионосферы (6) соединен со входом устройства вывода информации (7), отличающееся тем, что в устройство введены блок вычисления среднеквадратического отклонения полного электронного содержания ионосферы (8), вход которого соединен с выходом блока вычисления полного электронного содержания ионосферы (6), а выход - с первым входом блока вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи при первой несущей частоте (11) и первым входом блока вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи при второй несущей частоте (12); блок вычисления коэффициента, характеризующего нарастание дифракционных эффектов во фронте волны по мере ее распространения на первой несущей частоте (9), вход которого соединен с первым выходом опорного генератора и синтезатора частот (3), а выход - с вторым входом блока вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи при первой несущей частоте (11); блок вычисления коэффициента, характеризующего нарастание дифракционных эффектов во фронте волны по мере ее распространения на второй несущей частоте (10), вход которого соединен с вторым выходом опорного генератора и синтезатора частот (3), а выход - с вторым входом блока вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи при второй несущей частоте (12); блок вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи при первой несущей частоте (11), третий вход которого соединен с первым выходом опорного генератора и синтезатора частот (3), а выход - с входом устройства вывода информации (7); блок вычисления полосы когерентности трансионосферного канала связи при второй несущей частоте (12), третий вход которого соединен с вторым выходом опорного генератора и синтезатора частот (3), а выход - с входом устройства вывода информации (7).