автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.01, диссертация на тему:Исследование фазовой невзаимности и нестабильности метеорного радиоканала

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КУРГАНОВ Александр Ростиславович

ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗОВОЙ НЕВЗАИМНОСТИ И НЕСТАБИЛЬНОСТИ МЕТЕОРНОГО РАДИОКАНАЛА

05. 12. 01 - теоретические основы

Авто реферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

радиотехники

КАЗАНЬ - 1994

Работа выполнена в Проблемной радиофизической лаборато -рии при кафедре радиофизики Казанского государственного уни -вереитета

Научные руководители : доктор физико-математических наук,

профессор В,В. Сидоров

кандидат физико-математических наук, в.н.с. А.В.Карпов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Ведущая организация - С.-Петербургский российский институт

Защита состоится 31 марта 1994 г. в 14 часов в ауд.210 физического факультета на заседании специализированного совета Д 053.29.36 по специальности 05.12.01 - теоретические основы радиотехники в Казанском государственном университете

Адрес: 420008, Казань, ул.Ленина, 18

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке имени Н.И.Лобачевского Казанского государственного университета .

Автореферат разослан__февраля 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

профессор Насыров A.M.

кандидат физико-математических наук, доцент Михайлов Б.К.

радионавигации и времени

канд. тех. наук

Бухмин В.С,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы определяется йозрастапщим значением повы-ения точности сличения разнесенных временных шкал, с которым свя-ан радиотехнический и научный прогресс в службе единого времени, осмических исследованиях и цифровых системах связи. Метеорная ра-иотехника в последнее десятилетие выходит на новый уровень точ-остных и оперативных характеристик благодаря появлении персональна высокоскоростных ЭВМ, твердотельных передатчиков, развитию ин-эгральных схем и сборок, новым методам радиотехнической сбработ-и сигналов и адаптации к условиям распространения радиоволн в ме-еорном канале. К традиционным достоинствам метеорной радиосвязи -аправленностя излучения и приема, работе на одной частоте, устой-ивости к ионосферным возмущениям - добавились новые - высокая на-рзность, оперативность, небольшая стоимость аппаратуры, что приело к появлению кустовых радиотехнических систем связи и второму оадениш метеорных информационных радиотрасс в США, Канада, Европе, ндии и ЕВной-Африке.

В Робсии традиционно развивались радиотехнические системы шхронизащи разнесенных временных шкал через метеорный канал, :оторые с применением персональных ЭВМ и цифровых каналов обработ-я сигналов могут выйти на новый порядок точности. Это будет воз-южно с переходом на фазовые радиотехнические методы сличения шкал ¡ремэви. Однако в метеорном квнале существует фазовая невзаимность ютречных радиоволн из-за резонансных эффектов и других причин не-яабильности метеорного радиоканала (МРК).- Это сделало актуальной гатребность экспериментально и модально оценить пределы фазовой ©взаимности и нестабильности канала метеорного распространения ¡адиоволн (МРР).

В настоящее время в России, как и в других странах с протя-сенными территориями, начинается разработка кустовых радиотех-гаческих систем связи. Сейчас актуальной является оценка стати-¡тических характеристик метеорных радиотрасс для оптимального вы-(ора параметров проектируемой радиотехнической аппаратуры путем юделирования на имитационной модели МРК. Это- безусловно экономи-[ески выгодней, чем использовать экспериментальное продвижение к яггимальным характеристикам радиотехнической аппаратуры трасс путем альтернативных аппаратурных разработок. Для повышения же точ-юсти прогноза имитационной модели МРК прежде всего актуален учет ¡ффекта фэдингования отражений из-за многоцентровости метеорных ;ледов, т.к. ни в одной из существупцих имитационных моделей МРК ю производится моделирование федингующих метеорных отражений,

реально составляющих от 20 до 50% от общей численности для метеорных радиотрасс.

Цель работы - исследование фазочастотной невзаимности и нестабильности метеорного радиоквнвла с получением оценки потенциально достижимой точности метеорной синхронизации эталонов времени. Для достижения цели требуется провести исследование механизмов фазовой невзаимности и нестабильности метеорного радиоканала, проведение экспериментов по измерению относительной фазовой невзаимности МРК, моделирование статистических характеристик абсолютной фазовой невзаимности МРК при учете федингования метеорных следов.

Научная новизна работы заклинается в том, что:

1. Впервые были измерены пределы относительной фазовой невзаимности метеорного радиоканала. Получено экспериментальное подтверждение сохранения разностной фазы встречных радиоволн от отражения к отражению в метеорном канале, что является доказательством высокого уровня стабильности и взаимности сигналов МРР.

2. Впервые произведено моделирование статистических характеристик многолучевости-МРК из-за многоцентровости метеорных сле--дов, введен блок федингования метеорных радиоотражений в статистическую имитационную модель МРК и сделан учет ограничений полосы пропускания МРК из-за многоцентровости метеорных следов.

3. Впервые проведено моделирование статистических характеристик фазовой невзаимности сигнала МРР из-за резонансных эффектов

и неодновременности облучения метеорных следов при учете многолучевости метеорных радиоотражений, рассчитаны статистические характеристики точности сличения временных шкал через МРК и пределы потенциальной точности радиоканала из-за фазоневзаимных эффектов распространения радиоволн.

Достоверность результатов определяется тем, что:

1. Полученные автором экспериментальные оценки наносекундной точности метеорного радиоканала подтверждены последующими экспериментальными работами других авторов.

2. Достоверность моделирования статистических параметров фазовой невзаимности и нестабильности метеорного радиоканала подтверждается сличением модельных и экспериментальных распределений по фазовой ветровой нестабильности и по относительной фазовой невзаимности МРК.

3. Модельные результаты по статистическим характеристикам многолучевости хорошо совпадают с экспериментальными результатами, полученными другими авторами.

Практическая значимость исследований - в теоретическом и экс-гериментальном доказательстве наносекундного уровня потенциальной точности сличения временных шкал через метеорный радиоканал, что юзволяет обосновать принципиальную возможность создания наносе-сундной техники дистанционных частотно-временных измерений и синхронизации вынесенных позиций радиотехнических систем навигации, голенгации и радиосвязи. Разработанная имитационная фазочастотная юдоль многолучевого метеорного радиоканала позволяет повысить «ачество и возможности оценки работоспособности проектируемых метеорных радиотехнических систем.

Результаты работы использованы в хоздоговорных темах "Тропа", 'Конус", "Радиоволны", "Ливр", "Третиор", получены акты о внедре-ши модели МРК с блоком федингования для расчета параметров метенных трасс в ЗНИРС (г. Запорожье, Украина) и в ВНИРС (г. Воронеж, 'оссия). В будущем результаты работы могут бить использованы в 5ИНВ и в объединении "Нептун" ( оба - г. Санкт-Петербург), ХШ (г. Сарьков, Украина), а также на предприятиях Министерства связи и 1ромышленности, использующих метеорную радиосвязь.

На защиту выносятся: [. Методика измерений фазочастотной нестабильности и невзаимности МРК на комплексе радиотехнической аппаратуры, в создании которого участвовал автор. }. Полученные экспериментальные результаты по измерению фазовой нестабильности и относительной фазовой невзаимности метеорного радиоканала.

}. Экспериментальное доказательство возможности слежения через метеорный канал за разностной фазой стандартов частоты разнесенных шкал времени. I. Методика модельного расчета статистики фазовой невзаимности метеорного канала из-за резонансных эффектов и неодновременности облучения метеорных следов. >. Методика модельного расчета на имитационной модели МРК статистических характеристик многолучевых радиоотражений от многоцентровых метеорных следов. 5. Имитационная модель МРК расчета погрешности сличения временных шкал по метеорному радиоканалу, учитывающая одновременное действие эффекта Фарадея на путях распространения радиоволн в ионосфере, эффектов резонансного рассеяния радиоволн метеорными следами и аффектов многолуч е во с ти, возникающих при разрушении метеорных следов.

Апробация работы. Материалы, изложенные в. диссертации, док-

яадавались на Всесоюзной конференции по точному времени (Москва,. 1983) , на XIII, XIV, XV, XVI Всесоюзных конференциях по распространению радиоволн (Горький 1981, Ленинград 1984, Алма-Ата 1987. Харьков 1990) и на XVII Всероссийской конференции по распространению радиоволн (Ульяновск 1993), а также на 14 Итоговых научных конференциях Казанского государственного университета в 1979-93 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 научных статьях и 10 отчетах по научно-исследовательской работе.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трэх глав, заключения, списка используемой литературы из 154 наименований и приложения; содержит 132 страницы машинописного текста и 41 страницу рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность работы, ее цель, научная новизна, практическая ценность полученных результатов. Приведено краткое описание работы, а также формулируются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится современное состояние знаний по источникам фазовой нестабильности, механизмам фазовой нэвзаимности и многолучевости сигналов МРР. Основной, доминйрущей причиной фазовой нестабильности МРК является ветровой снос метеорных следов. Вклад резонансных эффектов незначителен в фазовую нестабильность канала МРР из-за малой скорости резонансного изменения фазы, но да фазовой невзаимности встречных радиоволн вклад резонансных эффекте является первостепенным. Дифракционные явления при формировании метеорных следов вызывают наибольшую фазовую нестабильность, и также связанную с ней фазовую невзаимность при даодновременности облучения следа встречными радиоволнами, но только до момента формирования Главной зоны Френеля, По этой причине сверки временных шкал малоперспективно начинать на передаем фронте радиоотражений. Вклад в фазовую нестабильность и невзаимность диффузионного расширения переуплотненных следов невелик из-за ограниченной скорости расширения таких следов. Дробление метеорных частиц приводит главным образом к сглаживанию дифракционной картинки ФВХ (только в случае дробления-"вспышки" наблюдается одномоментный "скачок" фазы на 20°+ 40°), потому вклад эффекта дробления незначителен как в фазовую нестабильность, так и в фазовую невзаимность МРК. Величины фазовой невзаимности МРР из-за релятивистского аф!©кта и эффекта "предельной поляризации" уступают на полтора - два порядка приведенным выше механизмам невзаимности и не влияют на общий уровень

фазовой невзаимности МРК.

В §1.5 рассмотрены существушсиэ вида многолучевого распространения радиоволн в метеорном радиоканале. Многолучевость из-за многоцентровости метеорных следов является постоянно действующим механизмом для метеорных радиотрасс произвольной конфигурации и энергетики. Случаи многолучевости совместного или только неметеорного характера достаточно редки и проявляются на трассах специфического применения (субполярных и др.).

Исходя из рассмотренных механизмов фазовой нестабильности и невзаимности МРК, южно сделать вывод, что доминирущее влияние на уровень суммарной фазовой невзаимности МРК имеет только три фактора. Это резонансные эффекты отражения от следов высокой электронной плотности (переходного и переуплотненного тагов), неодновременность облучения при ветровом сносе метеорных следов, фединг многоцентрозых следов.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям фазовой нестабильности и невзаимности сигнала метеорного распространения радиоволн. В §2.1 рассматривается блок-схема и технические характеристики метеорного исследовательского фазоизмерительного комплекса. Основные характеристики комплекса: импульсная мощность 40 кВт, несущая частота радиоимпульсов 57 МГц, частота зондирования 50 Гц, радиосигнал временно-импульсного кодирования (ВИК) состоит из 5 радиоимпульсов, длительность каждого радиоимпульса 26 мкс, радиоимпульс имеет бинарную фазовую манипуляцию 13-злементным кодом Взркера с длительностью элемента 2 мкс.

В §2.2 описывается работа аппаратуры логической обработки радиосигналов, входящей в состав экспериментального фазоизмери-телъного комплекса.

В 52.3 приводится расчет аппаратурной и общей ошибки измерения фазы фазоизмерительного комплекса. Аппаратурная ошибка слагается из ошибок, вносимых ВЧ каскадами приемника, фззовым детектором, квазиоптимальным фильтром, АЦП и дает результирующее значение ЗКО 6°. В предположении, что распределение фаз помех соответствует нормальному закону, получена оценка СКО общей ошибки о? отягощения сигнал-тпум на входе приемника: так при отношении с-тп > 3 эбщая ошибка равна значению 6°, при отп = 1.5 величина ошиб-

ся 8*, а при схш = 1.0 достигает уже 15°. Поэтому все измерения разовой невзаимности МРК проводились при отношении суш е 3+5; из-шрэшя фазовой нестабильности могли производиться и при отп г 1.5.

§2.4 посвящен методике обработки полученных фазо-гмгтлитудных югастраций метеорных отражений эксперимента 1979 года на трассе

1200. км Казань-Леншград: I) нахождение типа следа по форме АВХ, 2) определение скорости изменения разности фаз d^dt, 3) построение распределения NCdP/'dt3 для каждого типа АВХ (недоуплотненный, переуплотненный, федангущий), 4) определение разностной фазы ect5=tpict5-*>2ct3j^e встречных отражений, 5) построение распределений NtdexdtD скорости изменения разностной фазы, 6) классификация типов временной зависимости acts, 7) селекция невзаимных метеорных отражений по модулю разности нормированных амплитуд ¿а -= (Л^О/'АГс'СГ-А CtD-zT^Ct:) | , либо ПО ТИПУ АВХ, ЛИбО ПО УрОВШ) cde^dtD^^. Среднее значение скорости изменения фазы радкоотражз-ний d^sdt составило 4.2п рад-'с, максимальное значение 16п рад-'с; эти данные описывает фазовую нестабильность МРК. Среднее значение скорости изменения разностной фазы ЗеТЗГ = i.On рад/с, максимальное значение З.Оя рад^с, эти данные описывают относительную фазовую невзаимность МРК. Как видно, скорости изменения aesdi значительно меныле скоростей фазовых изменений dpsat за счет ветрового сноса, но однако намного больше фазовых изменений из-за дрейфа фазы опорных стандартов частоты 41-50-(порядка 0.05т рад-'с).

В §2.5 приведены использованные критерии селекции фазоневза-имыых метеорных отражений. За первый критерий взята абсолютная величина раЗЦОСТИ НОрМИрОВаННЫХ аМПЛИТУД «SA^A^ti-^Cti-A^tiyA^tJ | т.к. фазоневзаимные метеорные отражения имеют также и невзаимность в формах амплитуды. Среднее значение SeTSt = 0.64п рад/с для совпадающих АБХ встречных отражений и 1.46л рад-'с для несовпадающих. За второй критерий взят тип АВХ, т.к. резонансные аффекты, приводящие к фазовой невзаимности не должны проявляться для недоуплот-ненных следов (доя них получено значение 5575? = о.77п раду с), и проявляются для переуплотненных без фединга- (1.17п радус) и фе-дингуюцих следов (I.8Ch рад-'с.). Оба критерия дали сходные результаты - ими можно отобрать отражения с deydt < I.On радус, но это но даот полных гарантий фазовой взаимности. Рассмотрен был и иной, третий критерий селекции - по величине максимальной скорости cdtwo^ изменения невзаимной разности фаз. К взаимным были отнесены все отражения (32%), у которых изменение разности фаз за время существования было на уровне аппаратурных ошибок <зшт -для них aSTdt = о.57п рад-'с, у оставшихся - 1.52л радус, Этот критерий дал чуть лучший результат, чем предыдущие два, еерш исходить из того, что величина абсолютной фазовой невзаимности пропорциональна величине регистрируемой относительной фазовой невзаимности, измеряемой как aesdt.

В §2.6 показывается экспериментальная проверка сохранения

фазы встречных радиоволн в метеорном канале от отражения к отражению, которая была проведена на трассе 1200 км Казань-Ленинград в 1980 г. Стандарты частоты 41-50, работавшие на пунктах радиотрассы, имеют относительную фазовую нестабильность не хуже, чем 2.0 * »Ю-11, что приводит к дрейфу разностной фазы стандартов не выше л -1.0*10"". Однозначность отсчетов будет на интервале времен нэ более At - & ^-сэео*1 *й э - 3 мин 40 с, где э i 180° - макси-

О ст

мальная разность фаз, при которой сохраняется однозначность отсчетов, fo - несущая частота 57 МГц. Было зарегистрировано 220 пар встречных радиоотражений, из которых выделено 20 регистрации из трех и 6 регистрация из четырех последовательных отражений, с интервалами мевду отражениями не более 3 мин.40 с. По всем обработанным регистрациям получено среднее значение ухода разностной фазы стандартов, равное 2.08*10~", что хорошо согласуется с величиной относительной нестабильности двух стандартов частоты 41-50 ¿с1< У2~'*2*10"11. Тем самым, в ходе эксперимента 1980 г. было получено экспериментальное доказательство возможности слежения за ходом разности фаз стандартов частоты через метеорный канал.

Следующий эксперимент по слежению за разностью фаз разнесенных стандартов частоты через метеорный канал был проведен на трассе Москва-Ленинград в 1988 г.", автор принял участие в обработке полученных экспериментальных данных, которые рассмотрены в §2.7. Длина трассы составила 600 км, частота излучения была также 57 МГц, точность измерения фазы составляла 4°. Всего было получено 836 пар встречных метеорных отражений при часовой численности 20+30 метеоров, что позволило наблюдать изменение разностной фазы в от метеора к метеору в течение всех сеансов. Значения ухода разностной фазы стандартов, полученные после обработки всех метеорных регистрации, лежали в пределах 0.5+2.5*10"", что также соответствовало, как и в эксперименте 1980 г., величине относительной нестабильности двух стандартов 41-50. Среднее значение скорости разностной фазы 5ё73Г на метеорных отражениях составило 0.5бгс рад'с, а максимальное 4.От рад^с, что близко к соответствующим значениям (1.0п рад^с и 3.0л рад'с) эксперимента 1979 г. Все регистрации были разделены на три группы со слабой (0.4+ +0.6), средней (0.6+0.8) и сильной (0.8+1.0) корреляцией кА встречных АВХ. Наблвдается по группам уменьшение дисперсии распределений NCcieydo , что связано с уменьшением доли невзаимных отражений при росте значений коэффициента корреляции кдвстречных АВХ.

В §2.7 также проведено качественное объяснение различия срз-дних значений Яётаг, полученных в экспериментах 1979 и 1988 гг.

Частота проявления случаев фазовой невзаимности в эксперименте 1979 года должна оыть выше, т.к. почти в два раса больше длина траектории распространения радиоволн в ионосфере. Критическая частота слоя е в I97S году была на 16% выше, что дает в 1.3 раза большее значение ионосферной электронной концентрации. Величина продольной компоненты геомагнитного поля трассы Казань-Ленинград (1979 г.) относительно трассы Москва-Ленинград (1988 г.) отличалась в 0.75 раза. Соответственно для более длинной трасс-ы Казань-Ленинград величины углов поворота плоскостей поляризации радиоволн были большими в 2*1.3*0.75 ~ 2 раза, что вызвало большую частоту регистрации фазоневзвимных отражений. Дополнительной"причиной различия средних значений ae^dt явилась большая погрешность измерения фазы на трассе Казань-Ленинград (6+8°) по отношению к трассе Москва -Ленинград (4°). По итогам экспериментальных исследований установлено, что относительная фазовая невзаимность метеорного канала невелика; однако статистику абсолютной фазовой невзаимности, определяющую предел точности сличения шкал времени через метеорный канал, требуется оценить, используя имитационную модель МРК.

Третья глава посвящона моделированию статистических характеристик фазовой невзаимности и многолучевости метеорного радиока- ' нала.

В §3.1 представлен обзор математических моделей МРК. Рассмотрено два основных подхода: метод объемной плотности и метод статистических испытаний. В i960 г. К. Каррара и П.Ф. Чекасси предложили метод суммирования вкладов метеорных отражений с элементарных объемов трассы в виде конусов. Такой нетрадиционный выбор формы объемов позволил преодолеть все погрешности цилиндрической модели К.О. Хайнса и Р.Н. Пью. Действующая программная модель МРК была осуществлена P.A. Кургановым при использовании таблиц распределения плотности радиантов D.A. Пупышева, В 1977 г. К.В. Костылевым предложен статистический алгоритм прогнозирования метеорных отражений для локатора. В этом алгоритме.происходит генерация точки появления и массы метеорных частиц вероятностным образом по распределению масс и радиантов спорадических частиц. В 1980 г. A.B. Карповым была реализована имитационная модель МРК метода статистических испытаний для трасс произвольной длины. В данной работе модельные оценки (фазовой ветровой нестабильности и относительной фазовой невзаимности) сделаны на модели МРК объемной плотности. Более сложные расчеты статистических характеристик фазовой невзаимности -и многоцентровости метеорных следов, требующие рассмотрения АВХ и ФВХ радаоотраханий, сделаны па модели МРК метода статкс-

тических испытаний.

В §3.2 приведены результаты прогнозирования фазбвсй нестабильности метеорного радиоканала. Допплеровскив отстройки частота ^ в ар/си отраженного сигнала определяются величиной радиальной составляющей ветрового сноса. В модели турбулентная составлявшая ветра и генерируется по методу Монте-Карло для нормального распределения <зу = 20*30 м'с. Модельные распределения скоростей а^уль изменения фазы метеорных отражений для трассы Казань-Ленинград совпадают с экспериментальными распределениями как для 1979 г., так и для 1980 г. Наилучшее совпадение достигается при 25 ыус, этот параметр взят для дальнейшего моделирования ветровых движений метеорной зоны.

В §3.3 описывается моделирование статистики Фэзоеой невзаимности МРК из-за резонансных эффектов. Амплитуды А1гСт:1, Аг1<т:> и фазы р12Стэ, р21стэ принимаемых радиосигналов в первом и втором пунктах трассы зависят как от коэффициентов отражений

АнСтЗ*ехр^»£>нСтЭ5 , А^С т!) »ехрС тЭ Э ПРОДОЛЬНОЙ И ПЗрПвНДЗКуЛЯр—

ной составляющих падающих радиоволн по отношению к оси следа, так и от углов поворота 2 плоскостей поляризации радиоволн в ионосфере и от углов г> между плоскостями поляризации антенн и плоскостью, перпендикулярной оси следа. Так как "классическое решение" задачи определения мощности отраженного сигнала не позволяет решать подобные задачи, то автором были использованы данные строгого решения задачи рассеивания радиоволн на следэх высокой электронной плотности Р.Г. Хузяшева, которые оформлены в массив значений комплексной амплитуда по модулям а? и фазам у? для различных значений линейной электронной плотности, углов падения и отражения. Для корректного использования этих данных была сделана модификация модели МРК, переработанная в части геометрии и физики отражения радиоволн. Для сравнения полученных модельных результатов с экспериментальными данными производилось вычисление модельных значений ¿е'<и скоростей изменения разностной фазы встречных радиоволн, характеризующей относительную фазовую невзаимность МРК. Получено, что для расчетных значений скоростей изменения разнос-'' тной Др-'Д! фазы при Д1 <= 0.2-4-0.4 с и при СКО погрешности 6+8° наблюдается соответствие модельных гистограмм мс де-лм.) с экспериментальными результатами ысс^лю как для эксперимента 1979 г., так и для эксперимента 1980 г. на трассе Казань-Ленинград.

В §3.4 показывается влияние неодновременности облучения встречными радиоволнами метеорных следов на фазовую невзаимность МРК - даже в случав одновременного излучения передатчиками пунктов

радиотрассы встречные радиоволны достигают метеорного следа с временной разницей д-гр- с^-к^ус, зависящей от координат этого следа. Каждый метеорный след сносится ветром, и за время Дтр длина фазового пути радиоволны увеличивается по фазе де - 2*^*^* дТр. Модельная гистограмма рсдеэ имеет форму, близкую к нормальной, при этом большинство отражений имеет величину фазовой невзаимности не более ±2°. Однако 656 радиоотражений несут погрешности больше, чем 4°, что уже может сказаться на суммарной величине фазовой невзаимности МЕК. Максимально величина такой фазовой невзаимности достигла 11° для трассы 1200 км.

В 53.5 приводится описание механизма формирования дополнительного центра отражения метеорного следа из-за действия ветра метеорной зоны. При действии турбулентного ветра метеорные следы деформируются, и существует вероятность разворота участка следа вне Главной зоны Френеля для зеркального отражения на трассе. Приняв, что в метеорной зоне высот 85+105 км существуют турбулентные движения с вертикальным масштабом 3.3 км и горизонтальный ветер со случайной составлявдей, распределенной по нормальному закону с ©у= 25 м'с, рассчитываем вероятность искривления траектории метеорного следа на основе рассмотрения глубины искажения профиля следа с высотой хск> - исю»^ при росте времени существования ^ следа. На основе представленного механизма реализована вероятностная модель появления дополнительных отражающих центров на метеорных следах.

В 53.6 рассматривается моделирование статистических параметров многоцентровых следов и дож многолучевых следов в общей численности. Среднее время появления дополнительного центра составило 0.28+0.56 с в течение суток на радиотрассах 900+1400 км. Суточный ход общей численности и численности и^ радиоотражений от многолучевых метеорных следов имеет закономерный рост доли многоцентровых следов в час вечернего минимума из-за увеличения средней длительности отражений в этот час. Зависимость средней длительности ы многолучевых отражений от длины трассы показывает, что с ростом длины трассы возрастает доля многолучевых отражений (при этом снижается среднее время образования допрлнительных центров). Этот эффект объясняется увеличением степени вытянутости зеркального эллипсоида вдоль оси трассы при росте ее длины - поэтому на более длинной трассе требуется меньший угол разворота турбулентным ветром удаленного от зеркальной точки участка следа для выполнения условия зеркальности отражения.

§3.7 посвящен моделированию ограничения полосы пропускания

- 13 - .

МРК из-за многолучевых искажений от миогоцвнтровых метеорных следов. Для кавдого модельного многоцентрового следа определяются

■_• * * •

координаты ОСНОВНОГО М^х, у, гЭ И дополнительного М2Сх , у, г) центров и время между компонентами радиоотражения дтр» т1р- т2р, как разница времен распространения от каждого центра. Получив модельное распределение ксдт^э времен запаздывания, оценим вероятность работы радаосистемы по многолучевому каналу из-за много-пентрогости метеорных следов. Для радиосистемы с полосой пропускания м искажаются радиосигналы, приходящие только с таких многоцентровых следов, у которых дтр> 0.5'дг, и только после образования дополнительного отражающего центра. Существующие ограничения полосы пропускания МРК являются малозначительными для систем передачи информации, использующих полосу частот в доли МГц, но для систем сличения временных шкал, использующих полосу пропускания 0.5*1.0 МГц, эти ограничения являются заметными. В §3.7 также приведены результаты моделирования частоты фединга метеорных отражений; в течение суток средняя частота фединга менялась в пределах 1.96 + 2.74 Гц, что соответствует экспериментальным данным других авторов.

' В §3.8 рассматривается моделирование ошибок сверки временных шкал, вызванных эффектами фазовой невзаимности МРК. Моделируются все три существенных механизма - фазовая невзаимность при отражении от следов высокой электронной плотности, фазовая невзаимность из-за. неодновременности облучения следа встречными волнами, фазовая невзаимность при отражении радиоволн от многоцентровых следов.

Максимальная погрешность из-за фазовой невзаимности МРК составила 4.12 не; 50% сверок имели погрешность не хуже 0.24 не (усредненная по всем трассам величина). В полдень среднее абсолютное значение | 0.94 не, что значительно выше ночного значения 0.42 не (это связано с том, что днем электронная плотность ионосферы для слоя е на 1+2 порядка выше, чем ночью); для 6 утра и 18 вечера значения | близки друг к другу - 0.56 не и 0.63 не. Величина средней абсолютной ошибки растет с увеличением длины трассы: 0.542 - 0.587 - 0.619 - 0.744 не соответственно для трасс длиной 500 - 900 - 1200 - 1600 км. Поэтому вероятность получения ошибки, большей I не, на отдельном метеорном слеДе' для трассы 500 км составляет 12%, для трассы 900 км - 15%, для трасс длиной 1200 и 1600 км - соответственно 15% и 17%. Если рассмотреть усредненную по всем длинам трасс величину, то вероятность того, что сверка будет иметь фазоневзаимную ошибку, меньшую I не, составляет 87%, не хуже 2 не - эта вероятность увеличивается до 95Ж и т.д.. График вероятности р сд*. э показывает, что МРК способен обеспечивать

точность фазовой привязки временных шкал не хуже 0.5 не, если производить селекцию поступавших сверок с отдельных метеорных отражений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты, содержащиеся в работе, можно сформулировать следующим образом.

1. Создан экспериментальный комплекс из 2-х комплектов фазовой аппаратуры для измерения точностных характеристик метеорного радиоканала. Автор принял участие в создании этого комплекса -блоков фазометров, коммуникации и сопряжения мини-ЭВМ и ее программного обеспечения. Оценка погрешности измерения фазы и стендовые испытания показали точность измерения фазы комплексом на уровне 6°+8° в зависимости от отношения сигнал^шум.

2. Проведены эксперименты по измерениям фазы и разностной фазы на метеорных отражениях для трассы Казань - Ленинград в 1979 и 1980 г.г. Показано, что ветровая нестабильность МРК не хуже 16п р^с, а средний уход фазы порядка 4л р^с на отдельном метеорном следе. Уровень относительной фазовой невзаимности характеризовался скоростью изменения разностной фезы лег&\., составившей для этой трассы 1.0 " р'с . Обработка эксперимента показала, что существует селекция относительной фазовой нестабильности по типу АВХ (недоушютненные 0,77л р^с, федингувдие 1,80л р^с, переуплотненные 1,17п р^с), либо во группам совпадавших

( 0,64л рхс) и несовпадающих ( 1,46л р/с) встречных АВХ.

3. Эксперимент по слежению за ходом разностной фазы по группам метеорных отражений 1980 г. показал, что значения разностной фезы на группах метеорных отражений сохраняются, и среднее значение ухода разностной фазы не превышает ухода фаз разнесенных стандартов частоты. Обработка же результатов длительного контроля хода разностной фазы разнесенных шкал времени 1988 г. показала, что существует явная корреляция между случаями невзаимности встречных АВХ и ФВХ метеорных отражений.

4. Оценена многолучевость метеорного канала из-за многоцент-ровости части метеорных следов, приводящая к потере оперативности сверок временных шкал и снижению коэффициента заполнения трасс из-за фединга метеорных отражений. Показано, что среднее время образования дополнительных отражающих центров 0.3+0.6 с, и что 20+30 % отражений на средних и длинных трассах становятся много-центрошми.

5. Проведен учет ограничения полосы пропускания МРК из-за многолучевости от многоцентровых следов; показано, что вероятность повреждения радиосигналов полосы менее 0.2 МГц мала, а ШП сигналы полосы 1+4 МГц с.вероятностью 5-15$ могут быть повреждены метеорным радиоканалом. Что касается сверок временных жал, то дата ограничение сверок длительностью до 0.4 с не является защитой от многоцентровой многолучевости - и в этом случае 10+20% сверок будут нести ошибки из-за многоцентровости метеорных следов.

6. При помощи имитационного моделирования определена статистика фазовой невзаимности метеорного канала, включающая все весомые компоненты фазовой невзаимности. Это резонансные эффекты, неодновременность облучения при ветровом сносе следов, фединг многоцентровых следов высокой электронной плотности. Для встречного фазового метода сличения шкал через МРК моделирование показало, что 5055 сверок имели погрешность не выше 0,624 не, а максимальная величина составила 4.12 не по времени из-за эффектов фазовой невзаимности МРК. Это позволяет для трасс 500*1600 км имэть оценку потенциальной точности МРК нв хуже I не на уровне 875? вероятности, что обеспечивает точность фазовой привязки шкал времени через МРК не хуже 0.5 не при соответствующей весовой обработке поступающих сверок с отдельных радиоотражений. Для повышения потенциальной точности МРК до 0.25 не потребуется и селекция фазонввзаимных отражений по корреляции встречных АВХ.

В приложении дается список основных терминов метеорной радиосвязи, сокращений и условных обозначений.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Сидоров В.В., Курганов А.Р., Плеухов А.Н. и др. Экспериментальные исследования фазовой нестабильности и относительной фазовой невзаимности при метеорном и Es-распространении радиоволн // Метеорное распространение радиоволн. -Казань: Изд -во КГУ, 1981. - Вып. 17. -С. 30-39.

2. Курганов А.Р., Овчинников В.В.. Сидоров В.В., Хузяшов Р.Г. Метеорный ветровой автомат с использованием сложного сигнала при наклонном зондировании // Метеорное распространение радиоволн. - Казань: Езд-во КГУ, 1983.' - Вып. 18. -

С. 95-106.

3. Курганов А.Р., Сидоров В.В., Плеухов А.Н. и др. Экспериментальное исследование взаимности и точности метеорных средств сверки шкал времени // Тез. докл. Всесоюзной конф. • по точному времени. Москва, 1983. - С. 165-166.

4. Курганов А.Р., Хузяшев Р.Г. Прогнозирование статистики фазовой невзаимности радаоотражеиий при метеорном распространении радиоволн // Тез. докл. ХУ Всесоюзной конф. по распространению радиоволн. Алма-Ата, 1987. - С. 65.

5. Курганов А.Р., Сидоров В.В. Влияние неодновременности облучения встречными радиоволнами метеорных следов на фазовую невзаимность метеорного радиоканала V Материалы научной конф. Казанского университета за 1987 г. Казань, 1989. - С. 65-67.

6. Курганов А.Р., Карпов A.B., Сидоров В.В. Модельный расчет численности сверок шкал времени при учете радиоотражений от многоцентровых следов // Материалы научной конф. Казанского университета за 1988 г. Казань, 1990. - С. 55 - 58.

7. Курганов А.Р., Сидоров В.В. Многолучевость радаоотражеиий с многоцентровых метеорных следов при моделировании метеорного радиоканала // Тез. докл. ХУ1 Всесоюзной конф. по распространению радиоволн. Харьков, 1990. - С. 83.

8. Базлов А.Е., Курганов А.Р., Мерзакреев Р.Р. и др. Статистические характеристики фазовой невзаимности метеорных радаоотражений // Тез. докл. ХУ1 Всесоюзной конф. по распространению радиоволн. Харьков, 1990. - С. 82.

9. Курганов А.Р., Сидоров В.В. Моделирование многоцентровости метеорных следов и ограничения полосы пропускания метеорного радиоканала // Метеорное распространение радиоволн. -Казань: Изд -во КГУ, 1991. - Вып. 22. - С. 55-65.

10. Базлов А.Е.р Казакова Т.В., Курганов А.Р. и др. Результаты исследования невзаимности метеорного радиоканала // Изв. вузов. Сер. Радиофизика, 1992. - Т.35, * I. - С. 94-96.

11. Карпов A.B., Курганов А.Р., Терешин С.Н. Поведение средней длительности метеорных отражений разных типов АВХ в зависимости от уровня регистрации // Тез. докл. ХУ11 Всесоюзной конф. по распространению радиоволн. Ульяновск, 1993. --T.I - С. 45.

12. Карпов A.B., Курганов А.Р., Терешин С.Н. Моделирование пропускной способности метеорного радиоканала // Тез. докл. ХУ11 Всесоюзной конф. по распространению радиоволн. Ульяновск, 1993. - T.I - С. 46.

13. Курганов А.Р., Сидоров В.В. Моделирование абсолютной фазовой невзаимности сверок шкал времени через метеорный канал // Тез. докл. ХУ11 Всесоюзой конф. по распространению радиоволн. Ульяновск, 1993. - T.I - С. 49.