Разработка и исследование алгоритмов автоматической синхронизации комплексов панорамного радиозондирования ионосферы непрерывным лчм сигналом
на правах рукописи
ЧЕРНОВ Андрей Алексеевич РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ КОМПЛЕКСОВ ПАНОРАМНОГО РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ НЕПРЕРЫВНЫМ ЛЧМ СИГНАЛОМ 05.12.04 - Радиотехника, в том числе Специальность:
системы и устройства телевидения 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
г. Владимир – 2013 2
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный техно логический университет» д-р физ.-мат. наук, профессор
Научный консультант:
Иванов Владимир Алексеевич Поволжский государственный технологи ческий университет, г. Йошкар-Ола д-р техн. наук, профессор
Официальные оппоненты:
Орлов Игорь Яковлевич Нижегородский государственный универ ситет им. Н.И. Лобачевского, г. Нижний Новгород канд. физ.-мат. наук, доцент Насыров Игорь Альбертович Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань Московский технический университет
Ведущая организация:
cвязи и информатики
Защита состоится «02» июля 2013 года в 16.00 на заседании диссертаци онного совета Д.212.025.04 при Владимирском государственном универси тете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ВлГУ, ауд. 301.
Отзывы, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 600000, г.
Владимир, ул. Горького, д.87, ВлГУ, ФРЭМТ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского го сударственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых - ВлГУ.
Автореферат разослан «31» мая 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д.212.025. доктор технических наук, профессор А.Г. Самойлов
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Коротковолновая радиосвязь (по международной классификации высокочастотная (ВЧ) радиосвязь) продолжает играть важную роль при передаче информации на дальние и сверхдальние расстояния как гражданскими, так и военными пользователями. Из-за отражения сигналов от ионосферы ВЧ связь обладает еще одним важным достоинством. Она позволяет осуществлять связь на короткие расстояния (до 400км) в регионах со сложным рельефом местности. Эти факторы привели к тому, что в последнее время стали создаваться сети автоматизированной ВЧ связи.
Проблемы ВЧ связи связаны со средой распространения радиосигнала – ионосферой, которая испытывает во времени и пространстве вариации различных масштабов, а также приводит к флуктуирующей многолучевости и частотной дисперсии, разрушающей радиосигналы с полосой более ~100кГц.
ВЧ каналу распространения свойственен достаточно высокий уровень помех, основными из которых являются сигналы от посторонних радиостанций.
Кроме того, ионосфера обеспечивает прохождение от передатчика к приемнику сигналов из ограниченного диапазона частот (от НПЧ до МПЧ), зависящего от длины трассы и состояния ионосферы, в силу этого в нем можно организовать только J частотных радиоканалов (J=(МПЧ-НПЧ)/B, где B - полоса частот парциального радиоканала). Поэтому одной из важнейших проблем функционирования ВЧ систем является повышение эффективности их работы, предполагающее адаптацию информационно-технических характеристик систем к постоянно изменяющимся параметрам ионосферного распространения и выбор наилучшего парциального канала для передачи информации. Адаптация основана на применении данных предсеансового панорамного зондирования ионосферы на линии связи. Зондирование позволяет извлечь из принимаемого сигнала информацию о состоянии ионосферной радиолинии и скорректировать информационно-технические характеристики системы на актуальные значения. В различное время вклад в решение вопросов зондирования ионосферы внесли Н.А. Арманд, Н.П.
Данилкин, Л.М. Ерухимов, В.А. Иванов, Д.В. Иванов, А.С Крюковский, В.Е.
Куницын, В.И. Куркин, Л.А. Лобачевский, Д.С. Лукин, И.Я. Орлов, А.П.
Потехин, Н.В. Рябова, В.П. Урядов, Ю.Н. Черкашин. Было показано, что для решения задач зондирования наилучшим образом подходят непрерывные сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), обладающие сверхбольшой базой. За счет поэлементного сжатия в частотной области они обеспечивают значительное снижение отношения сигнал/шум и позволяют создать малогабаритные мобильные устройства.
В настоящее время автоматизация и сетевой подход в организации современных систем ВЧ связи требуют создания автоматических, автономных систем радиозондирования. Однако в этом случае возникает научная задача обеспечении синхронной работы приемного и передающего терминалов системы зондирования. Анализ показывает, что решение задачи требует проведения теоретических и экспериментальных исследований для выделения параметров системы зондирования, которые требуется синхронизировать с учетом специфики ее работы (в том числе протяженности трассы), а также научного обоснования, разработки и исследования алгоритма автоматической синхронизации.
Фундаментальные проблемы синхронизации радиотехнических устройств исследовались в работах ученых: D.W. Allan, S. Bregni, P. S. Cannon, G. Chen, N. C. Davies, W.C Lindsey, B. W. Reinisch, G.M.R. Winkler, M. Yao, Z.
Zhao, В.И. Борисов, Л.Е. Варакин, Б. Гипо, Р.К. Диксон, В.П. Дьяков, С.В.
Журавлев, А.А Ляховкин, Е.Г. Момот, К. Одуан, А.В.Пестряков, О.А.
Пушкарев, Д.Д. Стиффлер, А.И. Фомин, Б.И. Шахтарин, В.В. Шахгильдян.
Однако научная задача автоматической синхронизации ЛЧМ ионозондов в них не рассматривалась. Таким образом, с одной стороны существует острая необходимость в получении новых знаний об устройствах автоматической синхронизации со спецификой ионозонда для расширенного использования в сетях ВЧ радиосвязи современных, отвечающих мировому уровню, отечественных систем панорамного зондирования;
с другой стороны такому использованию препятствует недостаточный уровень изученности научной задачи автоматической синхронизации с учетом специфики работы ЛЧМ ионозонда.
Цель диссертационной работы: разработка, научное обоснование и ис следование алгоритмов автоматической синхронизации терминалов ЛЧМ ио нозонда с учетом особенностей среды распространения, специфики его работы и сжатия ЛЧМ сигнала в частотной области, их программная реализация.
Задачами данной работы являются:
1. Обоснование актуальности и практической значимости систем зонди рования ВЧ радиоканалов для повышения эффективности дальней радиосвязи через ионосферу земли на основе применения сверхширокополосных сигналов с ЛЧМ и их поэлементного сжатия в частотной области. Анализ необходимо сти обеспечения автоматической синхронизации разнесенных терминалов ио нозонда из-за медленных вариаций параметров канала с учетом его многомер ности.
2. Выделение и анализ обобщенных характеристик множества зондируе мых парциальных ВЧ радиоканалов на основе радиотехнического подхода в задаче ионосферного распространения ВЧ радиосигналов, позволяющего вве сти и использовать понятие многомерного канала. Обоснование и исследова ние алгоритма автоматического вхождения в синхронизм с учетом задержки и ее рассеяния импульсной характеристики многомерного ВЧ канала.
3. Обоснование и исследования алгоритма автоматического поддержания синхронизма на основе создания и применения новых методик определения рассеяния по задержке, полосы прозрачности многомерного ВЧ радиоканала, по результатам его наклонного ЛЧМ зондирования.
4. Создание программно-аппаратной реализация устройства, на основе нового алгоритма автоматической синхронизации терминалов зондирования многомерного ВЧ радиоканала и его апробация в натурных экспериментах на трассах мегаметровой протяженности.
Методы исследований. Для решения поставленных задач и получения основных научно-практических результатов использованы методы математи ческого анализа, вычислительной математики, вариационного исчисления и теории распространения радиоволн в ионосфере. Кроме того, в рамках работы были использованы методы численного моделирования с использованием ли цензированных пакетов прикладных программ, разработанных с использова нием Mathcad и Си++. Для научного обоснования алгоритмов в задаче ионо сферного распространения радиосигналов был применен современный подход замены физической среды распространения эквивалентным четырехполюсни ком с одним выходом и числом входов по числу принимаемых лучей. Для ее описания были использованы стохастические импульсная (ИХ) и частотная (ЧХ) характеристики, а для всего множества каналов - статистически устойчи вые характеристики: интегральный профиль задержки (ИПЗ) и частотный профиль полной энергии ИХ. Результаты натурных экспериментов получены с использованием современного метода наклонного зондирования на радиоли ниях: Йошкар-Ола – Яльчик;
Иркутск – Йошкар-Ола;
Кипр – Йошкар-Ола.
При обработке результатов вычислительных и натурных экспериментов были использованы методы теории вероятности и математической статистики.
Объект исследования: радиотехническая система автоматической син хронизации терминалов ЛЧМ ионозонда, предназначенного для диагностики изменяющегося многомерного ВЧ радиоканала и использующая сжатие зон дирующего сигнала в частотной области.
Предмет исследования: новые научные знания об основных параметрах многомерного ВЧ радиоканала, о влиянии на них медленных вариаций пара метров и его размерности, об обобщенном алгоритме автоматической синхро низации панорамного ионозонда с непрерывным ЛЧМ сигналом с учетом влияния условий его распространения в канале и протяженности трассы.
Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертацион ной работы определяются использованием адекватного математического аппа рата, статистически достаточным набором экспериментальных данных и их репрезентативностью. Кроме того, она обеспечивается соответствием резуль татов, полученных путем имитационного моделирования с результатами экс периментальных исследований, выполненных в рамках данной работы, а также проверкой на соответствие независимым выводам других авторов;
повторяе мостью результатов на больших объемах экспериментальных данных.
Положения, выносимые на защиту:
1. Алгоритмы: расчета интегрального профиля задержки (ИПЗ) и полосы пропускания многомерного ионосферного ВЧ радиоканала;
анализа много мерного ВЧ радиоканала с помощью ИПЗ;
определения координат контроль ных точек зондирования (КТЗ) трассы по координатам передающего и прием ного терминалов ионозонда;
расчета профилей общей энергии ИХ парциаль ных каналов.
2. Алгоритмы вхождения в синхронизм и подержания синхронизма терми налов устройства панорамного ЛЧМ зондирования многомерного стохастиче ского ВЧ радиоканала.
3. Созданные новые пакеты прикладных программ, позволяющие реализо вать разработанные алгоритмы с целью повышения эффективности работы аппаратно-программного комплекса ЛЧМ ионозонда в части решения задач исследования особенностей наклонного распространения радиоволн.
4. Результаты вычислительных и натурных экспериментов по исследова нию областей априорной неопределенности параметров синхронизации систем наклонного зондирования многомерного стохастического ВЧ радиоканала для трасс различной протяженности и географической ориентации с целью разра ботки рекомендаций по их использованию.
Научная новизна работы 1. Разработаны алгоритмы вычислительного и натурного экспериментов по исследованию статистически устойчивых характеристик ионосферного распространения ВЧ радиосигналов с различными средними частотами спек тра. Получены формулы для расчета:
- координат контрольных точек зондирования (КТЗ) трассы по координа там передающего и приемного терминалов ионозонда для определения основ ных характеристик многомерного ВЧ радиоканала;
- частотного профиля общей энергии ИХ для многомерного канала, поло сы пропускания многомерного канала и его параметров;
- интегрального профиля задержки (ИПЗ) многомерного канала и его па раметров.
2. Сформулированы требования к точности и временной стабильности частот тактовых генераторов терминалов ионозонда, влияющих на величину скорости изменения частоты их ЛЧМ синтезаторов, построенных по методу прямого цифрового синтеза.
3. Предложены адаптивные алгоритмы автоматического вхождения в синхронизм и поддержания синхронизма терминалов ЛЧМ ионозонда, осно ванные на разработанных методиках и предназначенные для работы в сети зондирования многомерных стохастических ВЧ радиоканалов. Создан пакет прикладных программ, реализующий разработанные радиотехнические алго ритмы автоматического вхождения и поддержания синхронизма при сетевой работе ЛЧМ ионозонда.
4. Получены новые результаты вычислительных и натурных экспериментов по исследованию параметров синхронизации при наклонном распространении в различное время суток и соответствующих всем сезонам на трассах с различной географической ориентацией и протяженностью, что позволило:
- сопоставить теоретические и экспериментальные зависимости математического ожидания с доверительными интервалами средней задержки и интервала задержки за год средней солнечной активности от времени суток;
- получить трехмерные распределения профиля общей энергии импульсной характеристики от частоты и долгосрочного интегрального профиля задержки;
- получить значения основных параметров синхронизации для среднеширотных радиолиний различной протяженности и географической ориентации;
- разработать рекомендации по созданию запасов при задании параметров многомерного канала для надежного обнаружения и измерения зондирующих сигналов во всех парциальных каналах из полосы частот от НПЧ до МПЧ.
Практическая ценность и реализация результатов работы 1. Основные практические результаты диссертационной работы связаны с повышением эффективности работы радиотехнических систем ВЧ радиосвязи путем сокращения от 10 до 80% времени работы подсистемы радиозондирова ния многомерных высокочастотных радиоканалов.
2. Разработанные методики и алгоритмы являются базой для создания ав томатизированных систем синхронизации в адаптивных системах ВЧ радио связи и в ионосферных исследованиях.
3. На основе анализа трехмерных распределений профилей общей энергии импульсной характеристики и долгосрочных интегральных профилей задерж ки разработаны рекомендации по использованию полученных параметров для автоматической синхронизации систем зондирования ВЧ диапазона.
4. Результаты, полученные автором, использованы при выполнении НИР в следующих организациях: ОАО Концерн «Созвездие», ФГУП НПЦ «Дельта», ОАО Концерн ПВО «Алмаз-Антей», Управление Федеральной службы по над зору в сфере связи и массовых коммуникаций по Республике Марий Эл, По волжский государственный технологический университет, а также внедрены в учебный процесс в Поволжском государственном технологическом универси тете при подготовке бакалавров и магистров по направлениям: 210700 – «Ин фокоммуникационные технологии и системы связи»;
210400 – «Телекоммуни кации».
Личный творческий вклад автора. В работах [1, 4, 9, 13, 18] автором проведено научное обоснование и разработка новых радиотехнических алго ритмов расчета статистически устойчивых характеристик многомерного ионо сферного ВЧ радиоканала. В работах [2, 5, 8, 10, 12, 17] проведено теоретиче ское обоснование, исследование и разработка алгоритмов вхождения в син хронизм и поддержания синхронизации терминалов устройства наклонного зондирования многомерного стохастического ВЧ радиоканала. В работах [5, 6, 7, 16] представлены созданные новые пакеты прикладных программ. В работах [3, 11, 14, 15, 19] представлены результаты вычислительных и натурных экс периментов по исследованию параметров синхронизации систем наклонного зондирования многомерного стохастического ВЧ радиоканала. Автором полу чены все выносимые на защиту положения, сформулированы научные выводы.
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, были представлены на Всероссийском научно-техническом семинаре «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания» (Нижний Новгород, 2010), Международном научно техническом семинаре «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания» (Одесса, 2011);
Международном научно техническом семинаре «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в телекоммуникациях (Йошкар-Ола, 2012);
LXV научной сессия, посвященной Дню радио (Москва, 2010);
III Всероссийской научной конференции «Всероссийские радиофизические научные чтения-конференция памяти Н.А.Арманда» (Муром, 2010, 2012);
XVI, XVII международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2010, 2011, 2012);
51, 52 научных конференциях МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (2008, Москва-Долгопрудный);
международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» (2011, Казань);
16, Международных научно-технических конференциях «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»(2010, 2011, Москва);
международной Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике (2011, Иркутск), международных молодежных научных конференциях по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу – творчество молодых» (2009-2012, Йошкар-Ола).
Автором получено 4 диплома первой степени и 3 золотые медали всерос сийских и международных конференций и выставок.
Публикации. По материалам диссертации опубликована 21 работа, в том числе: 6 в журналах, рекомендованных ВАК, 2 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, че тырех глав, заключения. Она содержит 159 страницу основного текста, 63 ил люстрации, 14 таблиц, список цитируемой литературы из 133 наименований.
Основное содержание диссертации Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирова ны цель и задачи исследований. Указана научная новизна, практическая цен ность и реализация результатов исследований. Обоснованы выбранные методы исследования. Сформулированы положения, выносимые на защиту и обосно вана степень достоверности выполненных исследований, указана апробация результатов работы.
В первой главе представлен анализ задачи автоматической синхрониза ции пространственно разнесенных на дальние расстояния устройств наклонно го зондирования многомерного ионосферного ВЧ радиоканала, состоящего из J парциальных (одномерных) стохастических каналов в диапазоне частот от НПЧ до МПЧ. Показано, что основной научно-технической задачей синхрони зации является согласование информационно-технических характеристик (ИТХ) сигналов РТС с параметрами радиоканала. Для решения данной задачи требуется создание математического аппарата и оптимальных алгоритмов, обеспечивающих требуемую точность согласования.
Проведен анализ параметров парциальных каналов, оказывающих влияние на синхронизацию. Показано, что для многолучевых каналов такими параметрами являются: средняя задержка, изменение несущей из-за доплеровского смещения частоты сигнала, рассеяние по задержке, рассеяние по частоте, а для множества последовательных парциальных каналов - общая полоса пропускания. Для исследования множества таких радиоканалов в диссертации предложено использовать радиотехнический подход, когда канал заменяется эквивалентным четырехполюсником с одним выходом, а числом входов равным числу принимаемых лучей. При этом ИХ и ЧХ каналов изменяются по быстрому и по медленному времени, что является причиной рассогласования. Высказана гипотеза о том, что ИХ и ЧХ испытывают изме нения в «медленном» времени подобные вариациям электронной концентра ции ионосферы, в результате чего система синхронизации РТС зондирования должна иметь в своем составе подсистему поддержания синхронизма. Показа но, что для ЛЧМ ионозонда рассогласованием частоты излученного и приня того сигнала из-за доплеровского смещения при распространении в ионосфере можно пренебречь. Проведенный анализ позволил заключить, что научно техническая задача автоматической синхронизации параметров системы зон дирования к параметрам ВЧ канала с учетом его многомерности исследована недостаточно. Это противоречие позволило сформулировать цель и задачи диссертационного исследования.
Вторая глава посвящена обоснованию, исследованию и разработке алгоритма вхождения в синхронизм терминалов устройства панорамного зондирования многомерного стохастического ВЧ радиоканала. Этот алгоритм является оптимальным по критериям минимизации областей априорной неопределенности по задержке и полосе пропускания многомерного канала и адаптивным ввиду предусмотренной возможности автоматической работы на заранее неизвестных трассах различной протяженности и географической ориентации. Теоретической базой данного алгоритма является радиотехнический подход. При переходе от физической модели распространения ВЧ сигналов к радиотехнической для оценки параметров четырехполюсника использован лучевой подход в задаче распространения зондирующего сигнала в ионосфере и международная модель ионосферы IRI, применяемая для контрольных точек зондирования (КТЗ).
Проведенные на основе радиотехнического подхода теоретические исследования задачи распространения позволили получить формулы для ИХ парциальных каналов, с различными средними частотами. Было показано, что профиль задержки мощности (ПЗМ) произвольного канала можно оценивать по формуле:
K P ( f, ) k ( f, ) ( k ), (1) k где f - рабочая частота канала, k ( f, ) - средняя мощность импульсной ха рактеристики (ИХ) k - ого парциального луча.
Для характеристики рассеяния по быстрому времени в многомерном сто хастическом радиоканале введено понятие ИПЗ многомерного радиоканала, который равен:
J Pj ( ) P ( ) (2) j Получены формулы, позволяющие на основе ИПЗ оценивать среднюю за держку ( ) и интервал задержек ( I ) для многомерного канала.
Для оценки расчетным путем ИПЗ и полосы пропускания многомерного ионосферного ВЧ радиоканала в задаче вхождения в синхронизм терминалов ЛЧМ ионозонда были научно обоснованы и разработаны следующие алгорит мы: определения с высокой степенью точности координат контрольных точек зондирования (КТЗ) трассы по координатам передающего и приемного терми налов ионозонда, определения непрерывного профиля электронной концен трации в КТЗ с использованием международной модели ионосферы IRI-2012 и квазипараболической модели профиля электронной концентрации в ионосфе ре;
расчета ПЗМ множества парциальных каналов.
Первый алгоритм, обеспечивающий высокую точность (порядка десятков метров) позволяет рассчитывать расстояние между передатчиком и приемни ком на основе формулы Винсенти, а также с учетом рекомендаций МСЭ Р.533 11 (02/2012) - координаты контрольной точки зондирования (КТЗ):
m atan 2 sinT sin R, cos(T ) B x 2 B y (3) m T atan 2( B y ;
cos( T ) B x ) Bx cos R cosR T, где m и m -широта и долгота точки М, By cosR sinR T.
Второй разработанный алгоритм позволяет для КТЗ с помощью модели ионосферы IRI-2012 определять дискретный профиль электронной концентра ции, а по нему на основе многослойной квазипараболической аппроксимации рассчитывать непрерывный профиль. Это позволило решить задачу распро странения в интегралах и получить данные о профилях задержки мощности парциальных радиоканалов в виде:
K P ( f, ) ( k ( f )). (4) k Третий алгоритм позволяет рассчитывать ИПЗ в виде гистограмм, пример которых для трассы протяженностью 1000 км представлен на рисунке 1 (n частота попаданий).
С помощью проведенных на основе разработанных алгоритмов вычисли тельных экспериментов получены параметры ИПЗ среднеширотных трасс раз личной протяженности и географической ориентации. Установлено, что для них интервал задержек ИПЗ не превышает 5 мс, а его величина возрастает при переходе ото дня к ночи.
а) б) Рисунок 1 – Синтезированные ИПЗ для дневного и ночного времени суток Отличительная особенность ЛЧМ ионозонда заключается в том, что при сжатии сигнала в частотной области получаем не задержки, а значения разностных частот, прямо пропорциональных задержкам F f. При этом коэффициент пропорциональности равен скорости изменения частоты зондирующего сигнала. Поэтому синхронизм по задержке (быстрому времени) сводится к синхронизму терминалов по разностной частоте, а ИПЗ – к интегральному профилю разностной частоты (ИПРЧ). На основе проведенного анализа впервые получены аналитические зависимости, описывающие условия синхронизма терминалов ионозонда по разностной частоте:
F f R fTR F0 f ( ) при f ( ) F, (5) F I F 2F, (6) где F - частота разностного сигнала, f R - частота принимаемого сигнала, f TR - частота гетеродина ЛЧМ приемника, F - полоса пропускания ЛЧМ приемника с серединой на частоте F0, f - скорость перестройки частоты, F - заданная погрешность оценки, совпадающая с запасом для области априорной неопределенности средней разностной частоты и рассеяния по разностной частоте.
Разработан и теоретически обоснован новый обобщенный алгоритм вхождения в синхронизм терминалов ЛЧМ ионозонда, в основе которого лежит определение и минимизация областей априорной неопределенности параметров задержки, полосы разностных частот и полосы пропускания многомерного ВЧ радиоканала путем использования результатов теоретических расчетов параметров этих характеристик. Алгоритм минимизирует области априорной неопределенности параметров многомерного ВЧ радиоканала. Блок – схема данного алгоритма представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Блок-схема обобщенного алгоритма вхождения в синхронизм терминалов ЛЧМ ионозонда Третья глава посвящена обоснованию, исследованию и разработке алго ритмов обработки зондирующих ЛЧМ сигналов, обеспечивающих работу обобщенного алгоритма работы системы синхронизации терминалов ионозон да в режиме поддержания синхронизма.
В результате теоретического анализа выявлены причины необходимости и обоснован способ поддержания синхронизма тактовых частот терминалов зон да. В частности получено, что для обеспечения синхронизма по скорости из менения частот ЛЧМ генераторов передатчика и приемника для реализации метода сжатия в частотной области рассогласование тактовых частот не долж но превышать значения 10-8. Предложено осуществлять задание равных значе ний тактовых частот и поддержание частот во времени с помощью технологии ГЛОНАСС/GPS.
Теоретически обоснован и разработан алгоритм обработки зондирующего сигнала для решения задачи поддержания синхронизма, включающий алго ритм «очистки» ионограмм от шумовых составляющих, получения профиля общей энергии ИХ по частоте (рисунок 3) и оценки по нему НПЧ, МПЧ и по лосы прозрачности линии связи.
Рисунок 3 – Профиль общей энергии ИХ по частоте Для расчета профиля общей энергии ИХ многомерного канала от частоты получена формула:
E f ( f ) P ( f1, ), P2 ( f 2, )... PJ ( f J, ), (7) 1 1 где f m - НПЧ, f M - МПЧ, f1 f m,...f j f m jTЭ,...f J f M, P j ( f j, ) – общая энергия произвольного одномерного канала.
Полосу пропускания (полоса прозрачности) многомерного канала предложено оценивать как диапазон средних частот одномерных каналов, для которых компоненты вектора общей энергии ИХ первый и последний раз превышают заданный уровень. В этом случае границы диапазона будут совпадать с НПЧ и МПЧ радиолинии.
Для использования ионозонда в сети требуется определить минимальное время работы приемника ЛЧМ ионозонда. Показано, что параметры временных интервалов работы приемника ионозонда могут быть оценены f m НПЧ и f M =МПЧ с использованием формул:
значениям f fm f f t M t tm m t0 ;
t M M t0 t0.
и (8) 2f f f В задаче автоматического адаптивного поддержания синхронизма был разработан алгоритм автоматического измерения ИПЗ на основе результатов зондирования многомерного ВЧ радиоканала и данных о скорости изменения частоты ЛЧМ сигнала. В его основу был положен метод гистограмм для оцен ки по экспериментальным данным краткосрочных и долгосрочных ПЗМ пар циальных каналов с различными средними частотами.
На рисунке 4а представлен пример последовательности долгосрочных ПЗМ парциальных каналов в виде гистограмм, а на рисунке 4б долгосрочный ИПЗ многомерного канала.
а) б) Рисунок 4 – Долгосрочные ПЗМ (а) и ИПЗ (б) каналов на радиолинии г. Иркутск – г. Йошкар-Ола На основе проведенных исследований разработан алгоритм автоматическо го поддержания синхронизма по разностной частоте сжатого в частотной об ласти ЛЧМ сигнала на основе экспериментального определения профиля об щей энергии ИХ по частоте и долгосрочного ИПЗ многомерного ВЧ радиока нала, представленный в виде блок – схемы на рисунке. 5.
На основе обобщенных алгоритмов вхождения в синхронизм и поддержа ния синхронизма разработан алгоритм работы системы автоматической син хронизации в составе системы наклонного зондирования ионосферы.
В четвертой главе представлена техника и условия проведения натурных экспериментов по определению эффективности разработанных алгоритмов и программ автоматической синхронизации на трассах различной протяженно сти и географической ориентации: оз. Яльчик – г. Йошкар-Ола (72 км), о. Кипр – г. Йошкар-Ола (2620 км), г.
Иркутск – г. Йошкар-Ола Начало (3500 км).
Представлена модерни Получение зированная автором в про ионограммы граммной части эксперимен Очистка принятой тальная установка, которая ионограммы была использована в натур ных экспериментах по иссле Расчет профилей мощности по частоте дованию разработанных ал горитмов автоматической Определение полосы синхронизации (см. рисунок прозрачности 6).
Выборка полученных в Расчет ПЗМ парциальных каналов работе экспериментальных ионограмм составила Расчет интегрального ПЗМ ионограмм, соответствующих всем сезонам, в результате Определение средней математического анализа задержки и окна задержки сделан вывод, что объем экс В программе периментальных данных, на Корректировка управления значений работой ионозонда основе которых в диссерта ции сделаны выводы и за Конец ключения, с точки зрения математической статистики Рисунок 5 – Блок-схема обобщенного алго ритма автоматического поддержания синхро- является репрезентативным.
низма Аналого-цифровое Функции, реализуемые ПО Обработка Первичная обработка преобразование и приемного комплекса ЛЧМ экспериментальных формирование разностного сигнала ионозонда данных временного ряда БПФ и формирование спектра разностного Хранение результатов в сигнала БД Формирование и визуализация ионограмм Обработка ионограмм Очистка ионограмм Управление Расчет параметров зондированием вхождения в синхронизм Расчет радиотехнических параметров радиолини Управление синтезатором гетеродина согласно Расчет параметров расписанию поддержания синхронизма Управление АЦП и первичной цифровой обработкой разностного сигнала Рисунок 6 – Функциональная схема ПО комплекса панорамного ЛЧМ ионозонда На основе представленных во второй главе разработанных алгоритмов было проведено методом вычислительного эксперимента с использованием модели ионосферы IRI исследование алгоритмов и параметров синхронизации для трех радиолиний. Примеры графиков математического ожидания с дове рительными интервалами средней задержки (а) и интервала задержки (б) за год при средней солнечной активности представлены на рисунке 7.
I, мс, мс t, ч t, ч а) б) Рисунок 7 – Зависимости математического ожидания и доверительного интер вала средней задержки (а) и интервала задержки (б) для трассы Иркутск-Йошкар-Ола Установлено, что увеличение протяженности трассы приводит к увеличе нию средней задержки, при этом наибольшее влияние оказывают суточные вариации параметров ионосферы.
В натурных экспериментах на основе разработанных в ПГТУ программ Ionogram Explorer, Logviewer и среды Matlab автором создан новый алгоритм расчета трехмерных распределений профиля общей энергии ИХ по частоте и долгосрочного ИПЗ. Данный подход позволил проанализировать большой объем данных круглосуточных натурных экспериментов по исследованию об ластей априорной неопределенности параметров синхронизации при панорам ном зондировании ионосферы непрерывным ЛЧМ сигналом, проведенных на трех трассах. На рисунке 8 представлены такие распределения с наложенными на них результатами вычислительных экспериментов для зимнего сезона на радиолиниях о. Кипр – г. Йошкар-Ола и г. Иркутск – г. Йошкар-Ола.
а) б) Рисунок 8 – 3D распределений долгосрочного ИПЗ на трассах о. Кипр – г.
Йошкар-Ола (а) и г. Иркутск – г. Йошкар-Ола Результаты исследования суточных вариаций профиля общей энергии ИХ для тех же условий представлены на рисунке 9.
а) б) Рисунок 9 – 3D распределений профиля общей энергии ИХ на трассах о. Кипр – г. Йошкар-Ола (а) и г. Иркутск – г. Йошкар-Ола В результате исследований были получены оценки областей априорной неопределенности основных параметров синхронизации, представленные в таблице 1.
Таблица 1 – Области априорной неопределенности параметров синхрони зации Параметр син- Средн. min max Радиолиния хронизации знач. знач. знач.
оз. Яльчик – г. Йошкар-Ола 2,5 2 5, Полоса про о. Кипр – г. Йошкар-Ола 11,8 3 зрачности, МГц г. Иркутск – г. Йошкар-Ола 8 3 оз. Яльчик – г. Йошкар-Ола 1,9 1,7 2, Средняя за о. Кипр – г. Йошкар-Ола 9,2 10,4 8, держка, мс г. Иркутск – г. Йошкар-Ола 11 10,4 11, оз. Яльчик – г. Йошкар-Ола 2,4 2 3, Интервал за о. Кипр – г. Йошкар-Ола 2,1 1,5 3, держки, мс г. Иркутск – г. Йошкар-Ола 3,5 2,4 4, В результате анализа полученных данных сформулированы рекомендации по заданию запаса в областях априорной неопределенности изменяющихся параметров для реализации оптимальной автоматической синхронизации про странственно разнесенных терминалов систем ЛЧМ зондирования ионосфер ного многомерного ВЧ радиоканала.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
1. Предложена и теоретически обоснована для анализа многомерного ВЧ канала статистически устойчивая новая характеристика – интегральный профиль задержки (ИПЗ), позволяющая определять параметры рассеяния задержки многомерного ВЧ радиоканала. Получены формулы для оценки по ней средней задержки и интервала задержек такого канала.
2. Теоретически обоснован и разработан алгоритм расчета ИПЗ и полосы пропускания многомерного ионосферного ВЧ радиоканала, включающий:
• алгоритм определения с высокой степенью точности координат контрольных точек зондирования (КТЗ) трассы по координатам передающего и приемного терминалов ионозонда;
• алгоритм определения непрерывного профиля электронной концентрации в КТЗ с использованием международной модели ионосферы IRI-2012 и квазипараболической модели ионосферы;
• алгоритм расчета множества дифференциальных профилей задержки мощности (ПЗМ);
аналитические зависимости, описывающие условия синхронизации терминалов ионозонда по задержке.
3. Разработан и теоретически обоснован новый обобщенный алгоритм вхождения в синхронизм терминалов ЛЧМ ионозонда, в основе которого лежит определение и минимизация параметров задержки и полосы пропускания путем использования результатов теоретических расчетов параметров ИПЗ и полосы пропускания многомерного ВЧ канала по разработанным методикам.
4. Теоретически обоснованы и разработаны методики автоматического измерения профиля общей энергии ИХ по частоте и долгосрочного ИПЗ многомерного ВЧ радиоканала. На основе разработанных частных алгоритмов разработан алгоритм автоматического поддержания синхронизма по быстрому времени.
5. Представлены результаты вычислительных и натурных экспериментов по исследованию параметров синхронизации, на основе которых разработаны рекомендации по заданию запаса для реализации оптимальной автоматической синхронизации пространственно разнесенных терминалов систем ЛЧМ зондирования ионосферного многомерного ВЧ радиоканала.
Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях Публикации в изданиях из перечня ВАК 1. Иванов, В.А. Развитие теории синхронизации РТС декаметровой связи и панорамного зондирования ионосферы / В.А. Иванов, А.А. Чернов // Телекоммуникации. – 2012. – №2. – С.16-23.
2. Иванов, В.А. Устройство и алгоритмы синхронизации радиотехнических систем связи и зондирования ионосферных высокочастотных радиоканалов / В.А.
Иванов, Е.В. Катков, А.А. Чернов // Вестник МарГТУ (в наст. вр. ПГТУ):
Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. – 2010. – №2. – С. 114 -126.
3. Иванов, В.А. Определение основных параметров многомерного коротковолнового радиоканала с использованием панорамного ионозонда / В.А.
Иванов, Н.В. Рябова, Д.В. Иванов, М.И. Рябова, А.Р. Лащевский, А.А. Чернов, Р.Р.
Бельгибаев, А.А. Елсуков, В.В. Павлов // Вестник МарГТУ (в наст. вр. ПГТУ) – Сер.:
Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. – 2011. – Т.12. – №2. – С. 15 23.
4. Иванов, В.А. Канальные параметры рассеяния для среднеширотной ионосферы / В.А. Иванов, Е.В. Катков, М.И. Рябова, А.А. Чернов // Вестник МарГТУ (в наст. вр.
ПГТУ). Сер.: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. – 2011. – Т. 13. – № 3. – С. 93-101.
5. Иванов, Д.В. Теоретические основы метода прямого цифрового синтеза радио сигналов для цифровых систем связи / Д.В. Иванов, В.А. Иванов, А.А. Чернов // Вест ник ПГТУ. Сер.: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. – 2012. – № 1.
– С. 3-34.
6. Чернов, А.А. Обобщенный алгоритм синхронизации терминалов ЛЧМ ионо зонда / А.А. Чернов // Вестник ПГТУ. Сер.: Радиотехнические и инфокоммуникацион ные системы. – 2013. – № 1 (17). – С. 13-23.
Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ 7. Иванов, В.А. Программа синтеза ионограмм наклонного зондирования ионо сферы с учетом геофизических факторов v.1.0. / В.А. Иванов, Н.В. Рябова, А.А. Чернов // Свидетельство на программу для ЭВМ № 2011611601 17.02.2011. Роспатент. – М., 2011.
8. Иванов, В.А. Программа управления расписанием работы ЛЧМ ионозонда / В.А. Иванов, Д.В. Иванов, Н.В. Рябова, А.А. Чернов // Свидетельство на программу для ЭВМ № 2011616611 23.06.2012. Роспатент. – М., 2012.
Публикации в других изданиях 9. Иванов, В.А. Разработка алгоритма определения абсолютного времени распро странения сигналов на ионосферных линиях ВЧ связи / В.А. Иванов, А.А. Чернов // Сборник статей Всерос. н-тех. сем. «Системы синхронизации, формирования и обра ботки сигналов для связи и вещания». – 2010. – С. 161-163.
10. Иванов, В.А. Способ синхронизации с высокой точностью систем декаметро вой радиосвязи / В.А. Иванов, Н.В. Рябова, А.А. Чернов // Сборник статей Межд. н-тех.
сем. «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и веща ния». – 2011. – С. 64-65.
11. Иванов, В.А. Исследование времени прихода различных мод ВЧ-сигнала в ши рокой полосе частот и влияния на него направленности используемых антенн / В.А. Иванов, Н.В. Рябова, А.А. Чернов // Сборник статей III Всероссийской научной конференции «Всероссийские радиофизические научные чтения-конференция памяти Н.А.Арманда». – 2010. – С. 150-154.
12. Иванов, В.А. Синхронизация радиотехнических систем связи и зондирования ионосферных высокочастотных радиоканалов / В.А. Иванов, Н.В. Рябова, А.А. Чернов // Сборник статей XVII межд. н-тех. конф. «Радиолокация, навигация, связь». – 2011. – Т.2. – С. 1135-1146.
13. Бастракова, М.И. Определения диапазонов оптимальных рабочих частот сред неширотных радиолиний по данным наклонного зондирования ионосферы. / М.И. Ба стракова, М.И. Рябова, П.Е. Сарафанников, А.А. Чернов // Сб. статей 52-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук».
– 2009. – Часть 8. – С. 41-44.
14. Иванов, В.А. Исследование диапазонов задержек принимаемых мод сигналов на ионосферных линиях ВЧ связи различной протяженности в задаче синхронизации / В.А. Иванов, А.А. Чернов // Сборник статей XVI межд. н-тех. конф. «Радиолокация, навигация, связь». – 2010. – Т.2. – С. 1077-1082.
15. Иванов, В.А. Исследование влияния нестабильности ионосферы на частоту коррекции шкал времени для решения задачи поддержания синхронизма / В.А. Иванов, Н.В. Рябова, А.А.Чернов // Сб. докл межд. н-тех конф. «Проблемы техники и техноло гий телекоммуникаций». – 2011. – С. 403-405.
16. Рябова, М.И. Моделирование распространения электромагнитного поля ионо сферной волны в среде LabView. / М.И. Рябова, П.Е. Сарафанников, А.А. Чернов // 51 я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и приклад ных наук». – 2008. – Часть 8. – С. 64-68.
17. Чернов, А.А. Синхронизация передатчика и приемника ЛЧМ-ионозонда / А.А.
Чернов, Н.В. Рябова, М.И. Рябова // Сборник тезисов 16й Межд н-тех. конф. «Радио электроника, электротехника и энергетика». – 2010. – Т.1. – С. 53-54.
18. Иванов, В.А. Исследование вопросов синхронизации при распространении в ионосфере сложных зондирующих сигналов / В.А. Иванов, А.А. Чернов // Сборник тезисов 17й Межд н-тех. конф. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». – 2011. – Т.1. – С. 56-57.
19. Иванов, В.А. Влияние эффектов распространения коротких радиоволн в ионо сфере на синхронизацию систем связи и зондирования / В.А. Иванов, Д.В. Иванов, А.А. Чернов // Сборник тезисов БШФФ 2011. – 2011. – С. 83-84.
20. Иванов, В.А. Исследование времени распространения ВЧ сигналов в ионосфере в задаче синхронизации /В.А. Иванов, Н.В. Рябова, А.А. Чернов /Сб. трудов межд. сем.
«Синхроинфо 2012». – 2012. – С. 119- 21. Иванов, В.А. Оценка параметров рассеяния в ионосферном радиоканале /В.А.
Иванов, Д.В. Иванов, Е.В. Катков, М.И. Рябова, А.А. Чернов / Сб. трудов межд. сем.
«Синхроинфо 2012». – 2012. – С. 116-119.
Усл. печ. л. 1,0. Заказ № 4780. Тираж 100 экз.