автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.01, диссертация на тему:Компьютерная модель метеорного радиоканала

На и ранах рукописи

КАРПОВ АРКАДИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ МЕТЕОРНОГО РАДИОКАНАЛА

Специальность 05.12.01-теоретнческис основы радиотехники

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

УДК 621.37/.39 : 519.876.5

Казань - 1998

Работа выполнена па кафедре радиофизики Казпиского государст-н с т I о го у к и в е р с и тега.

Консультант доктор физ-мат. наук, профессор Сидоров В.В.

Официальные оппоненты. Доктор физико-математических наук, профессор Доктор физико-математических паук, профессор Доктор технических наук, профессор

Лукин Д.С ,

1>елькович О.И.,

11есошпп 13.А.

Ведущая организация - Российский институт радионавигации и времени (г. Санкт-Петербург).

Защита состоится «24» декабря 1998 г., н 14 часов в аул. 2-ой физической главного корпуса па заседании диссертационного совета Д 053.29.05 по специальности 05.12.01 - теоретические основы радиотехники в Казанском государственном университете

Адрес: 420008, Казань, ул. Кремлевская, 18.

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

Автореферат разослан « 14 » ноября 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного сонета,

кандидат технических наук,/ """-- ^ Бухмин В.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Компьютерное моделирование радиосистем представляет одно in самых молодых и бурно распинающихся направлений теоретической радиотехники. С одной стороны формирование этого направления стимулируется мощным развитием вычислительной техники, а с другой использование в достаточной степени адекватной компьютерной модели позволяет значительно расширить спектр прикладных задач и ловысить информативность исследований по разработке методов адаптации к неизвестным и переменным свойствам среды распространения.

Последние достижения в микроэлектронике (появление компактных твердотельных передатчиков, дешевых процессоров и надежных малогабаритных источников питания) позволили некогда экзотическому виду связи - метеорной радиосвязи реализоваться в виде прикладных проектов систем связи и мониторинга окружающей среды. Наиболее известными из них являются SNOTEL и AMBCS в США и Канаде. Сущест вуют подобные системы в Аргентине, Индонезии, Египте и ряде других стран. В России и на Украине метеорные радиосистемы традиционно применяются для синхронизации разнесенных шкал времени.

Построение модели является основным этапом исследования или проектирования любой радиотехнической системы. В настоящее время термины имитационный и компьютерный стали практически синонимами. Компьютерное (имитационное) моделирование - метод построения модели системы и проведения на ней экспериментов для того, чтобы понять как работает система, оценить различные стратегии ее функционирования и прогнозировать ее работу. В гносеологическом аспекте под моделью будем понимать синтез знаний об объекте, приведенных в некоторую систему. Модель эквивалентна формализованным современным научным представлениям об объекте исследования.

Огромный вклад и развитие компьютерной модели метеорного радиоканала был сделан и работах Дж.Пирса, Л.Маннинга, В.Эшлимапа, Р.Пыо, М.Микса и Д.Джсймса, К.Хайнса, Н.Каррара, К.В.Костылева, Р.Л.Курганова, Д.Брауна, Д.Вейцена, Р. Маври и Л. Бродхоста, Л.Лкрама и П.Кашюпа и других. В этих работах основной упор делается на прогностическую функцию модели. Вопросам интерпретации экспериментальных данных с применением компьютерного моделирования уделено большое внимание в работах К.В. Костылева, Ю.И. Волощука, Б.Л. Ка-щеева, В.Л. Нечитайленко, Д.Вейцена и др.

Метеорный радиоканал (МРК) является уникальным объектом, функционирование которого определяется большим количеством факторов, имеющих совершенно различную природу. Адекватная модель метеорного радиоканала должна отражать широкий спектр достижений в различных областях знаний, от астрономии до теоретической радиотехники. В гоже время модель должна сочетать в себе большое число прикладных алгоритмов. Соответствующий набор прикладных алгоритмов позволяет реализоваться модели в качестве инструмента исследования.

Анализ моделей МРК показывает, что их развитие шло в ногу с развитием вычислительной техники. При ограниченных ресурсах быстродействия ЭВМ конкретная модель реализуется как некоторое компромиссное решение, отражающее современное состояние достижений в метеорной астрономии и радиосвязи. Каждая последующая модель создавалась с учетом основных достоинств своих предшественников. На первом этапе развития моделей МРК в работах Д. Пирса, Л. Маннинга, В.Эшлимана, Р. Пыо. К.Хайнса, Н.Каррары основное внимание уделялось разработке и совершенствованию элементов геометрической селекции в рамках детерминированного подхода. Создание в Канаде, США, Великобритании, России и на Украине эмпирических распределений притока метеорного вещества

сместило акцепты » строну исследования влияния астрономических и физических факторов, а также развития методов прогноза абсолютных значений характеристик распространения радиоволн. Эти тенденции особенно четко прослеживаются и работах Р.А.Курганова, К.В.Костылева, Д.Всйцена. Современный этап характеризуется работой и двух направлениях: расширение функциональных возможностей компьютерной модели МРК (Д.Вейцеи, Р. Дезордис), а также развитие и уточнение экспериментальной астрономической базы (Д.Браун, А.Акрам, П.Каннон).

Ни одна из моделей не решает в полной мере всего комплекса задач. По-прежнему актуальной является задача построения компьютерной модели МРК, которая представляла бы собой надежный и удобный в работе инструмент для решения следующих вопросов:

» построение модели метеорного комплекса в окрестностях орбиты Земли;

• исследование свойств метеорного распространения радиоволн;

в исследование, разработка и совершенствование методов регистрации радиоволн;

• исследование, разработка и совершенствование методов адаптации к неизвестным и переменным свойствам среды распространения;

• оптимизация параметров систем метеорной радиосвязи различного применения.

Цель работы: Создание статистической компьютерной модели метеорного радиоканала, основанной на надежных экспериментальных данных по притоку метеорного вещества; разработка и реализация новых эффективных подходов, обеспечивающих точность моделирования, достаточную для практических приложений, повышение скорости реализации программного алгоритма и значительное расширение функциональных (прикладных) возможностей модели; проведение модельных исследований

условий метеорного распространения радиоволн с целью оптимизации параметров сисгем метеорной радиосвязи и разработки методов адап тации к свойствам среды распространения.

Объектами и задачами нсслсдокаинн иилшотся:

Создание компьютерной модели МРК, сочетающей в себе основные достижения в построении отдельных компонентов модели.

Проверка адекватности модели.

Проведение исследований направленных свойств метеорного распространения радиоволн в широком диапазоне изменения значений длины радиолинии.

Проведение модельных исследований по разработке методов адаптации к свойствам среды распространения.

Интерпретация экспериментальных данных.

Решение отмеченных задач составляет важную научно-техническую проблему. Работа выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских работ Казанского госуниверситета (№ГР. 01860120677), но программе министерства общего и профессионального образования Российской Федерации РТ 101. « Университеты России» проект « Распространение радиоволн в околоземном пространстве» (1992-1997г.г.), в период с 1980 г. по 1994 г. в рамках НИР, выполнявшихся по правительственным постановлениям, а также грантам и заказам других организаций.

Научная новизна: Впервые при моделировании характеристик МРК реализован гибридный подход, в котором сочетаются элементы статистического имитационного моделирования и аналитического моделирования. Разработаны оригинальные процедуры, такие как «контура зеркальности» и « минимальная генерируемая масса», позволившие значительно уменьшить дисперсию результатов моделирования, и при сохранении точности

и функциональной гибкости статистического подхода, более чем на два порядка повысить быстродействие реализации модели на ЭВМ.

Впервые проведены комплексные исследования характеристик метеорного распространения радиоволн на коротких радиолиниях длиной менее 500 км. В ходе длительных циклов экспериментальных наблюдений па радиолиниях длиной 240 км и 100 км и полномасштабного имитационного компьютерного эксперимента обоснован оригинальный метод «слежения за областью максимума метеорной активности», позволяющий значительно повысить пропускную способность метеорного радиоканала.

Предложен оригинальный метод исследования тонкой пространственной структуры распределения частиц в сечении метеорного потока. Метод основан на предварительном выделении потоковых метеоров и обработки потока регистрации с помощью статистического у - критерия. На основе радиолокационных данных впервые получена информация о тонкой пространственной структуре метеорного потока Геминнд. Показано наличие группирований на фоне неструктурированного потока частиц.

Впервые реализована компьютерная модель на основе экспериментальной радиотомографической астрономической базы данных. Впервые в модели МРК реализован учет влияния эффекта Фарадея. проведены модельные исследования данного эффекта и сделаны оценки влияния его на метеорную радиосвязь. Моделирование информационных характеристик проведено с учетом физических механизмов, определяющих длительность метеорных радиоотражений, таких как рекомбинация, турбулентная диффузия и многолучевое распространение радиоволн. Учет этих факторов увеличил точность моделирования информационных характеристик метеорного радиоканала и тем самым повысил практическую значимость предложенной модели.

Практическая значимость определяется созданием комплекса моделей, позволяющих решать широкий круг научных и прикладных задач. Разработка новых компьютерных моделей позволяет существенно повысить качественные показатели, расширить области применения и ускорить внедрение радиотехнических устройств и систем.

Предложенная формализация понятия отражающей области позволила перейти к стандартным статистическим методам при решении задачи выбора диаграммы направленности антенны, согласованной с размерами отражающей области. Статистические характеристики отражающей области рассчитаны с учетом сезона, времени суток и ориентации радиолинии. Впервые реализовано решение вопроса моделирования характеристик отражающей области в виде удобном для прикладной интерпретации с учетом асимметрии положения самой отражающей области. Моделирование размеров отражающей области реализовано в виде рекомендаций по выбор}- антенных систем в зависимости от длины радиолинии.

Предложенный метод « слежения за максимумом метеорной активности» представляется перспективным при разработке недорогих систем мониторинга. Реализация этого метода в многоабонентской кустовой системе метеорной радиосвязи позволит на 2-2.5 дБ сократить время обслуживания, по сравнению с традиционными методами реализации таких систем.

В работе представлен модельный банк данных по выбору оптимальной скорости передачи информации при заданных характеристиках метеорной радиолинии. Выполнено моделирование метеорной радиосистемы с адаптацией по скорости передачи данных. Определены оптимальные значения набора скоростей, обеспечивающие максимальную пропускную способность метеорного радиоканала. Проведено моделирование многоканальной системы метеорной радиосвязи. Показано, что реализация трех-

канальной системы, с использованием активных выносных пунктов, может повысит!» производительность на 9 дБ. Представленные в шестом разделе результаты моделирования демонстрируют эффективные пути повышения пропускной способности метеорного радиоканала и могут быть использованы при разработке конкурентоспособных систем ¡агоризонтной связи.

Практическое использование модели началось с конца семидесятых и осуществлялось в целях прогнозирования и интерпретации экспериментальных исследований, проводимых в области синхронизации шкал времени сотрудниками проблемной радиоастрономической лаборатории КГУ. С середины восьмидесятых начались исследования условий метеорной радиосвязи. В период с 1988 г. по 1994 г. было выполнено большое количество НИР совместно с коллективами, специализировавшимися в области радиосвязи. Разработка и развитие модели составляли основу технических заданий. Автор был научным руководителем этих работ. Конечным итогом тгих исследований стала модификация компьютерной модели «KÄMET». В той или иной модификации модель была использована (внедрена) в НИИ Радио (г. Москва), РИРВ (г. Санкт-Петербург), НИИРС (г. Запорожье), НИИС (г. Воронеж), НПО «Нептун» (г. Санкт-Петербург), в Харьковском государственном техническом университете радиоэлектроники (ХТУРЭ), в государственном университете телекоммуникаций им. VI.А. Бонч - Бруевича (г.Санкт-Петербург), в институте астрофизики Таджикистана (г. Душанбе) и других. При работе над этими проектами было уделено большое внимание сервису программ и на данный момент компьютерная модель «KÄMET» реализована как современный программный комплекс, функционирующий в диалоговом режиме, в котором предусмотрены режимы обучения.

Достоверность результатов моделирования подтверждена пу тем их сопоставления с экспериментальными результатами и результатами моде-

лировапия, полученными другими авторами. Для сравнительного анализа привлечены результаты, полученные в КГУ и в других коллективах, опубликованные в печати.

Автор выносит на защиту : •гибридную компьютерную модель «KÄMET» как инструмент моделирования систем метеорной радиосвязи различного применения; •результаты моделирования метеорного распространения радиоволн; »положение о том, что компьютерная модель «KÄMET» адекватно отражает свойства метеорного радиоканала и позволяет точнее оценивать приток метеорного вещества по сравнению с зарубежными аналогами; •метод исследования тонкой пространственной структуры метеорного комплекса, основанный на последовательном применении процедур «корреляционного метода обнаружения метеорных потоков» и «расчет статистической у (А'Г) - функции потока регистрацйй» к экспериментальным данным радиолокационных наблюдений;

•формализацию определения отражающей области и результаты моделирования статистических характеристик отражающей области;

• метод организации кустовой сети связи с линейными размерами до 600 км, основанный на слежении за максимумом метеорной активности;

• концепцию использования модели для интерпретации результатов косвенных измерений свойств падающего потока метеоров и свойств метеорного распространения радиоволн на основе проведения экспериментов на компьютерной модели.

Апробации работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XII Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (1978г.. Томск), на XIII Всесоюзной конференции но распространению радиоволн (1981г., Нижний Новгород), на Всесоюзном симпозиуме

«Метеорное распространение радиоволн и ионосферные неоднородности» (1982г., Бельцы), на Всесоюзной конференции по фишке и динамике малых тел солнечной системы ( !982г., Душанбе ), на XIV Всесоюзной конференции по распространению радиоволн ( 1984г., Санкт-Петербург), на II Всесоюзной школе-симпозиуме по распространению волн в атмосфере (J986г., Фрунзе), на XV Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (1987г., Алма-Ата), на III - отраслевой научно-технической конференции по проблемам радиоканалов систем передачи и обработки информации (1989г., Москва), на XVI Всесоюзной конференции по распространению радиоволн ( 1990г., Харьков), на Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости ( 1993г., Санкт-Петербург), па Международной конференции IF.EE MILCOM (1993, октябрь, Сап Диего, США ), на XVII Всероссийской конференции по распространению радиоволн (1993г., Ульяновск ), на XVIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн (1996г., Санкт-Петербург ), на VIII Ionospheric Effects Symposium (1996г., Вирджиния, США), на Международной конференции "Метеорш частки в атмосфер! Земли (1996г., Харьков), на II Республиканской конференции молодых ученых и специалистов (1996г., Казань), на 22 General Assembly of European Geophysical Society (1997г., Вена, Австрия), на III Международной научно-технической конференции «Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи ICARSM97» (1997г. Воронеж), на Третьей Всероссийской научно-технической конференции « Актуальные проблемы и перспективы развития систем и средств САЗО» (1998г. Казань), на международной конференции «Физика ионосферы и атмосферы Земли» (1998г. Иркутск), на ежегодных отчетных научно-технических конференциях КГУ, а также на других конференциях, семинарах и совещаниях.

Публикации. Результаты выполненной работы опубликованы в центральных российских и зарубежных изданиях и тематических сборниках, всего в 63 научных работах, в журналах «Астрономический вестник», «Изв.ВУЗов, Радиофизика», « Геомагнетизм и Аэрономия» и др.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 256 наименований, и приложения Текст диссертации содержит 414 страниц, из которых текст приложения составляет 66 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе представлен обзор отечественных и зарубежных работ, посвященных моделированию характеристик метеорного распространения радиоволн. На примере более двух десятков моделей представлена структура компьютерных моделей метеорного радиоканала и рассмотрены основные компоненты модели МРК:

• Астрономическая модель притока метеорного вещества в атмосферу Земли.

• Блок геометрической селекции.

• Физическая модель.

• Электродинамическая модель.

• Блок энергетической селекции и математическая модель приемопередающей аппаратуры.

• Блок оценки точности и надежности результатов моделирования.

• Блок прикладных программ.

Показано принципиальное различие в реализации 1-ой и 2-ой компоненты модели. Ключевые работы по моделированию МРР (модели К.В.Костылева, Р.А.Курганова, Д.Брауна, Д.Вейцена,. Р.Маври и А. Брод-

хоста, А.Акрама и П.Капнона, Р.Дезордиса, Ю.И.Волощука, Б.Л.Кащеева и др.) основаны па эмпирической астрономической компоненте притока метеорного вещества. Равномерное распределение притока метеорного вещества использовалось в пионерских работах по моделированию (Д.Пирс, Л.Маннипг, В.Эшлиман, Р.Пыо, К.Хайнс, Н.Каррара), основное внимание в которых уделялось развитию геометрической части метода «объемной плотности» и физической компоненты модели. В реализации геометрической компоненты модели превалируют два подхода: детерминированный и стохастический. При имитационном подходе более точно определена геометрическая часть расчетов. Такой подход является более гибким и позволяет учитывать статистические факторы, что в методе «объемной плотности» часто приводит к неразрешимым вычислительным проблемам.

Разработана оригинальная классификация моделей МРК. Предлагаемая автором модель относится к классу эмпирических имитационных моделей. Последние версии модели «KÄMET» и «КАМЕТ-Т» относятся к классу эмпирических гибридных моделей.

Во втором разделе представлена имитационная статистическая модель метеорного радиоканала, позволяющая прогнозировать характеристики системы метеорной радиосвязи с учетом большого числа макропараметров радиоканала. Рассмотрены и обоснованы основные компоненты статистической модели МРК.

В разделе 2.1 представлена астрономическая компонента, основанная на многолетних экспериментальных радиолокационных наблюдениях, проводимых на метеорном радаре Казанского университета. В процессе настоящей работы использовалось две астрономических модели: статистическая азимутальная (в модификации «KÄMET») и радиотомографическая (в модификации «КАМЕТ-Т»), Переход к радиотомографической модели соответствует основной тенденции развития компьютерных моделей

МРК - повышению разрешающей способности астрономической базы данных.

В геометрической части модели (раздел 2.2) реализован имитационный подход генерации траекторий отдельных метеорных следов, определения координат отражающей точки и селекции незеркальных траекторий.

В блоке «физическая модель» реализованы современные представления о физике метеора и ионосферы. Конкретный набор выражений выбирается на основе принципа «соответствия физических моделей». Модификация «KÄMET», основанная на статистической азимутальной компоненте притока метеорного вещества, базируется на физической модели, основные положения которой были разработаны в 50- 60-х г.г. Е.Эпиком, Дж.Гринхау, Б.Л.Кащеевым и В.Н.Лебединцом и др. В томографической модификации «КАМЕТ-Т» физическая компонента реализована в соответствии с физическими представлениями, разработанными в 70-80-х г.г. К.В.Костылевым, В.Н.Лебединцом, О.И.Бельковичем, B.C. Тохтасьевым, В.Л.Бронштэном и др.

Электродинамическая компонента модели (раздел.2.4) реализована в двух вариантах. Первый вариант реализует традиционный « классический подход», в котором используется приближенное решение задачи дифракции волн на метеорном следе (приближение Борна для недоуплотненных следов и приближение металлизации для переуплотненных следов). В.А.Пермяков, В.В.Сидоров и Р.Г.Хузяшев предложили численный метод расчета дифракции при наклонном падении плоской радиоволны на неоднородный по радиусу цилиндр. Данный метод в отличии от приближенных методов, позволяет моделировать фазу отраженной радиоволны и повышает точность вычисления амплитуды в переходной области.

Длительность метеорных радиоогражений рассчитывается с учетом амбиполярной диффузии, прилипания электронов к ней тральным молеку-

лам и атомам, рекомбинации и турбулентной диффузии. В рамках двуцен-тровой модели реализован расчет амплитуды сигнала отраженного от следа, деформированного турбулентным ветром.

На основании результатов имитационных экспериментов сделаны следующие выводы по обоснованию компонентов модели длительности метеорного радиоотражения:

•Основное влияние на длительность недоуплотненных следов оказывает амбиполярная диффузия.

• Вклад турбулентной диффузии в механизм ограничения длительности крайне незначителен. Учет этого механизма приводит к увеличению средней длительности не более чем на 6%.

• Основными механизмами, ограничивающими длительность, являются рекомбинация с электронной стабилизацией и федингование радиоотражения за счет многолучевого распространения радиоволн. Учет этих факторов позволяет адекватно моделировать самые длительные радиоотражения, доля которых составляет 16 % от общего числа.

Впервые в модели МРК реализован учет влияния эффекта поворота плоскости поляризации в магнитоактивной плазме (эффекта Фарадея), проведены модельные исследования данного эффекта и сделаны оценки влияния его на метеорную радиосвязь. Потери в производительности МРК, при работе с антеннами линейной поляризации, днем достигают 22% -48%, вечером потери значительно ниже и не превышают 15%.

В разделе 2.6 представлена математическая модель приемопередающей аппаратуры. Компьютерная модель «KÄMET» позволяет прогнозировать характеристики системы метеорной радиосвязи с учетом большого числа макропараметров радиоканала: мощность излучения; частота излучения; полоса частот, вид модуляции ; диаграмма направленности и по-

ляризация антенных систем. В процессе моделирования возможно изменение параметров и определение их оптимальных значений.

В разделах 3.1 -3.2 приведены результаты оптимизации отдельных элементов модели и всей модели в целом. При использовании метода "Монте-Карло" выбор области генерации является одним из ключевых. В методах уменьшения дисперсии используется априорная информация о структуре модели и свойствах ее входов. В литературе, посвященной методу Монте-Карло ( в работах Л.А.Бахвалова, Н.П.Бусленко, С.М. Ермакова, Т.Нейлора Ю.Г.Полляка Р.Шеннона и др.) уделяется большое внимание методам понижения дисперсии. Использование традиционных методов оптимизации осуществить не удалось ввиду сложного вида функциональных зависимостей влияния случайных величин (массы, скорости, координат и др.) на численность и длительность метеорных радиоотражений.

Оптимальный выбор области генерации был осуществлен путем реализации оригинальных процедур, основными из которых стали «контура зеркальности» и «выбор минимальной генерируемой массы». Использование «контуров зеркальности» позволило значительно сузить «зону обстрела» случайными траекториями конкретного радианта. Проведенная проверка (сопоставление расчетов с применением контуров зеркальности и без них) в 10 тестовых вариантах показали 100% точность процедуры. Быстродействие в отдельных вариантах увеличивалось в 15 раз.

В разделе 3.2 приведен вывод выражения «минимальной генерируемой массы» для данного радианта. Сама процедура вывода не зависит от принятой физической модели. От выбора физической модели зависит конкретная величина т«. Ниже приведено выражение, определяющее величину т<, при использовании «классической» физической компоненты модели

.111 27

(За+1)',

(I)

9,

где а = у.

т,

; 111| - масса частицы радианта, для которой максимум

ионизации находится на высоте зеркальной точки И; пъ - минимальная масса частицы данного радианта, вычисленная без учета распределения электронной плотности вдоль следа, определяющаяся энергетикой канала, диаграммой направленности антенны и другими характеристиками канала.

В разделе 3.3 рассмотрена структура модели, даны краткие характеристики основным компонентам модели и представлены основные модификации, действующие и потенциальные приложения. Структура модели МРК представлена на рис.1.

Астрономическая модель

Геометрическая селекция

контура зеркатносшу

Физическая модель

Г

"Строгое решение" задачи дифракции

Модель приемопередающей аппаратуры

"Классическое решение1 з адачи дифр акции

С

Расчет информационные характеристик

гОптимзгзац}!* антг] систем

Рис.1. Структура модели МРК В разделе 3.4 представлены результаты проверки модели. Приведены сопоставления с экспериментальными данными на радиолиниях, а

также с результатами моделирования, выполненными на моделях, разработанных Р. Дезордиеом («SA1C METEOR - LINK»), Д.Брауном («CSC METEOR»), А.Лкрамом и П.Канноном («АК») и др.

Сопоставление с экспериментом по численности метеорных радиоотражений дало следующие результаты. По среднесуточному часовому числу отклонения составляют 0.2 дБ - 1.5 дБ. Максимальные отклонения часовой численности не превышают 3.5 дБ. Хорошо прогнозируется и форма суточных вариаций. Коэффициент корреляции результатов моделирования с данными натурного эксперимента R=0.803±0.17. Сопоставление с моделями "SAIC METEOR - LINK", "CSC METEOR" и «AK» показало, что «KÄMET» осуществляет более точный прогноз.

Четвертый раздел посвящен вопросам исследования характеристик отражающей области метеорной радиолинии. Наиболее актуальными задачами моделирования МРК являются моделирование характеристик отражающей области и определение на основе результатов моделирования оптимальных характеристик антенных систем. Идея повышения производительности канала заключается в использовании априорной информации о размерах и положении отражающей области. Улучшение характеристик антенных систем эквивалентно увеличению излучаемой мощности и приводит к увеличению потенциально полезных метеорных следов. В вопросах использования «горячего пятна» («hot spot») метеорной радиолинии можно выделить работы Р.Маври, Д.Вейцена, А.Акрама и П.Каннона и др. При анализе этих работ выясняется, что само понятие «hot spot» интуитивно очевидное не формализовано. И одной из проблем, вставшей перед процессом моделирования, стала задача формализации этого понятия.

В метеорной радиосвязи выбор антенн из чисто технической проблемы переходит в плоскость оптимального согласования антенн пунктов радиолинии с угловыми размерами отражающей области. Поэтому даль-

иейший анализ проведен и форме удобной для прикладной интерпретации. Введено определение отражающей области - объем минимального размера, в котором сосредоточено 70 % отражающих точек. Такое определение позволяет выделить область, имеющую наивысшую концентрацию отражающих точек, с которой требуется согласовывать антенны приемного и передающего пунктов. В работе учтено асимметричное расположение отражающей области.

В разделе 4.2 рассмотрены специальные вопросы тестирования модели МРК «KÄMET». При сопоставлении с экспериментами, проведенными в России и Великобритании установлено, что «KÄMET» позволяет моделировать структуру отражающей области с погрешностью в 0.38 д1>.

В разделе 4.3 рассчитаны распределения размеров отражающей области для радиолиний длиной 800км, 1000км, 1200км, 1400км и 1600км. Для каждой длины радиолинии распределения рассчитаны по 128 выборочным точкам (4сезона х 4орнентации х 8часовых точек ), что позволило рассмотреть достаточно разнообразный спектр конфигураций отражающей области и учесть влияние на них астрономических факторов. Для любой длины радиолинии распределения имеют двухмодальный вид. Первый максимум всегда значительно больше второго. В течение суток отражающая область сосредоточена на одной из сторон радиолинии. Переходное состояние (наличие двуевязной области) процесс достаточно кратковременный.

Распределение по углу места в значительной степени определяется влиянием местного горизонта (так при L = 1600 км угловые размеры отражающей области в вертикальной плоскости практически определяются экранирующим действием местного горизонта) и в меньшей степени, чем в случае азимутального распределения, определяется астрономическими

факторами. Интегральные результаты полномасштабного имитационного эксперимента приведены в таблице.

Таблица

Длина радиолинии /ЦЛ град. А0°' град. А»|/° град.

800 72.0 26.2 67.6

1000 68.0 23.7 65.0

1200 48.0 14.4 35.2

1400 40.0 8.9 29.0

1600 32.0 5.8 21.5

В первом столбце приведена длина метеорной радиолинии (в км), в двух следующих - угловые размеры отражающей области в горизонтальной (Д\|/°) и вертикальной (Д0°) плоскостях, в последнем - угловые размеры отражающей области в горизонтальной (А\(/°), вычисленные традиционным способом без учета асимметрии расположения отражающей области. С увеличением длины радиолинии возрастает различие между результатами полученными с учетом и без учета асимметрии отражающей области. Если для радиолиний длиной 800 км это различие составляет 6%, то для радиолиний в 1600 км оно доходит до 37%.

Разделы 4.4 и 4.5 посвящены вопросам выбора оптимальной диаграммы антенны и моделированию режимов согласования диаграммы антенны с размерами отражающей области. Показано, что при переключении два раза в сутки направления максимума диаграммы и сужении диаграммы в данном случае до 30 эффективность радиоканала повышается более чем на 4 дБ. Осуществлен выбор оптимальных характеристик антенных систем и режимов связи, обеспечивающих максимальную производительность метеорного радиоканала.

Раздел 4.6 посвящен экспериментальному и модельному исследованию характеристик метеорного распространения радиоволн для радиоли-

пий длиной менее 600 км. Экспериментальные исследования были проведены на радиолиниях длиной 250 км и 100 км. Общий объем наблюдений составил 1820 часов. Эксперимент показал, что распространение радиоволн на коротких радиолиниях имеет специфические особенности но сравнению с распространением па протяженных метеорных радиолиниях. Получены интегральные оценки преимущества бокового распространения радиоволи по сравнению с традиционной ориентацией антенн вдоль оси радиолинии. В модельном эксперименте было рассмотрено значительно большее число вариантов организации связи. Было показано, что производительность метеорного радиоканала повышается при переходе от использования ненаправленных антенн (полуволновой вибратор) к использованию направленных антенн. Далее, был проведен имитационный компьютерный эксперимент по определению наиболее оптимального режима связи с использованием направленных антенн. Были рассмотрены режимы связи, представляющие четыре варианта ориентации антенн:

1. традиционный вариант связи;

2. боковое распространение радиоволн;

3. антенны направлены вслед друг другу;

4. вариант слежения за областью максимальной метеорной активности, полученной из анализа данных радиолокатора, находящегося в центре радиолинии.

Режим бокового распространения проверен экспериментально и на основании этих экспериментов была выбрана ориентация отворота антенн от линии связи £,=^=+70° как наиболее эффективная. В модельном эксперименте производилось усреднение по двум ориентациям £,,=£,2=+70о и Третий вариант предложен Д.Вейценом. При этом диаграммы антенн перекрываются в област и, расположенной за одним из пунктов ра-

диолинии (^]=0° 80° или ^:=180о В этом варианте также про-

изводилось усреднение по двум возможным ориентациям.

1.2

| 0,8 Ь

а> в

" 0,6

£ 0,4

0 100 200 300 400 500 600

длина линии связи(км)

Рис.2. Относительная эффективность различных ориентаций антенн.

Модельный эксперимент (рис.2) дал следующие результаты. На интервале длин радиолинии 50- 200 км значительное преимущество имеет режим «слежения» - выигрыш составляет 100 % по сравнению с традиционным, 50 % по сравнению с вариантом Вейцена и 20 % по сравнению с боковым (ориентация антенн под углом 70 ) распространением радиоволн. На линиях связи от 200 до 300 км вариант «слежения» уступает до 5% варианту бокового распространения. При увеличении длины линии связи на расстояние более 300 км наиболее эффективным становится традиционный режим. Для точки Ь=250 км, соответствующей длине экспериментальной радиолинии, различия между ориентацией £1=£2=±70о и традиционным режимом составили 22%, что достаточно хорошо совпадает с экспериментальными данными.

На основе результатов моделирования предложен оригинальный метод организации кустовой сети связи с линейными размерами до 600 км,

основанный на слежении за максимумом метеорной активности. В этом случае антенны центрального и периферийных пунктов ориентируются таким образом, чтобы диаграммы направленности перекрывались в области максимума метеорной активности, полученной из данных локатора в центральном пункте. При реализации в сети преимущество варианта «слежения» перед традиционным составляет 2.3 дБ.

Пятый раздел посвящен вопросам интерпретации экспериментальных результатов. В разделе 5.1 приведена оригинальная методика исследований тонкой пространственной структуры метеорных потоков. Метеорная материя распределена в околоземном пространстве Солнечной системы крайне неравномерно. Обзор экспериментальных работ показывает отсутствие единой точки зрения по данному вопросу. Сложность интерпретации экспериментальных данных заключается в том, что о структуре распределения метеорного вещества можно судить только по данным потока регистрации, которые подвержены сильной селекции, обусловленной спецификой геометрии отражения метеорного радиосигнала и энергетикой канала. Одна из основных причин несостоятельности существующих методов идентификации параметров входного потока заключается в отсутствии модели, связывающей входной поток метеоров с выходным потоком.

Рассмотрим статистический критерий, предложенный И.Н. Володиным

-(3)

к,=1п, к, (к,-.)

|-| Р

п, - число регистрации, полученных за время АТ;

р - число интервалов наблюдений длиной ДТ.

Большие (по абсолютной величине) значения у ( I у 1> 3) указывают на значимые отклонения свойств потока регистрации от пуассоновского.

Методами имитационного моделирования было показано, что для группирований со средней длиной Т() у(ЛТ) - функция принимает максимальное значение при ДТ = Т0.

Основу предлагаемого метода идентификации тонкой пространственной структуры составляют последовательное применение процедур «корреляционного метода обнаружения метеорных потоков» и « расчет статистической у (ДТ) - функции потока регистрации» к экспериментальным данным угломерных наблюдений. Информативность исследований повышается в случае измерения амплитуд каждого радиоотражения и обработки экспериментальных результатов на различных уровнях регистрации.

Обработка таким методом экспериментальных данных для потока Геминиды 1988 года дала следующие результаты. Из 26 пятнадцатиминутных интервалов в 10 отмечены значимые отклонения свойств потока регистрации радиоэхо от свойств неструктурированного потока. Наблюдается высокая корреляция между значениями у - критерия и параметра Херста, что позволяет выдвинуть гипотезу о фрактальной структуре распределения вещества в метеорных потоках. Пример характерных реализаций функции у(ДТ) представлен на рисунке 3. Значительные пики величины у (ДТ) демонстрируют наличие группирований в регистрациях метеоров. Приведенные графики реализаций функции у(ДТ) указывают также на крупномасштабные закономерности в структуре роя Геминид - имеющиеся максимумы в своеобразном спектре у(ДТ) смещаются от 150-200 сек (7 декабря) к 200-300 сек (12 декабря) и к 120 сек (14 декабря).

12 декабря. 22 h 15 m - 2 2h 30n1 "г t N = 80 метеоров

4T(C )

Рис.3. Статистическая функция у(АТ) по данным регистрации потока Ге-

минид.

Представленный метод можно использовать в различных приложениях теории массового обслуживания, предъявляющих повышенные требования к определению и моделированию свойств потока событий.

Шестой раздел носит прикладной характер и посвящен решению вопросов моделирования информационных характеристик и разработке методов адаптации к переменным свойствам среды распространения, а также оптимизации параметров системы метеорной радиосвязи.

В компьютерной модели «KÄMET» разработан блок расчета информационных характеристик метеорного канала (раздел 6.1). В отличие от подобных моделей Д.Брауна, Д.Вейцена, Д.Хемптона, Р.Дезордиса, Д.Якобсвемера, в «KÄMET» предусмотрена реализация трех форм АВХ (другие модели позволяют реализовать только 1 - 2 формы) и реализован учет факторов, ограничивающих длительность радиоотражений. Не реализована возможность моделирования только для поворотной формы, представляющей 4% всех радиоотражений.

В разделе 6.2 приведены результаты сопоставления моделирования с экспериментальными данными. Для радиолинии Туле-Сондрестрем различие между экспериментальными данными и результатами моделирования (с усреднением по 24 часовым точкам) составляет 0.63 дБ для f = 45 МГц и -0.8 дБ для f = 65 МГц. Максимальные отклонения составляют соответственно 1.75 дБ (в 20 часов) и -3.2 дБ (в 0 часов). Для радиолинии длиной 1260 км получены зависимости пропускной способности от скорости передачи данных. Обе кривые (модельная и экспериментальная) близки по форме, максимальные значения пропускной способности практически совпадают. Данные проверки работы имитационной модели «KÄMET» демонстрируют точность модельных расчетов информационных характеристик метеорных радиосистем, работающих на различных частотах и при произвольной длине радиолинии. На основе результатов моделирования был разработан банк данных - оптимальных режимов работы радиолинии. Рассмотрены вариации по следующим параметрам: излучаемая мощность, частота, полоса и длина радиолинии. Представлены характерные результаты, демонстрирующие основные тенденции изменения пропускной способности метеорного радиоканала при изменении некоторых макропараметров радиоканала.

Проведено моделирование метеорной радиосистемы с адаптацией по скорости передачи данных (раздел 6.3). Сопоставление с экспериментальными данными дало хорошее согласие. Получены оптимальные значения набора скоростей, обеспечивающие максимальную пропускную способность метеорного радиоканала. Отмечено насыщение роста W при росте числа скоростей п, начиная с набора из 6-и скоростей, прибавление еще одной скорости увеличивает величину W меньше, чем на 1%. Оптимальное значение п лежит в интервале Зн-5. Это также близко к результатам экспериментальной работы Д.Смита и др.

Раздел 6.4 посвящен моделированию многоканальных систем метеорной радиосвязи, основанных на специфических свойствах зеркальности отражения радиоволн от метеорных следов. Показано, что реализация трехканальной системы, с использованием активных выносных пунктов, может повысить производительность на 9 дБ.

Сделана комплексная оценка относительного выигрыша использования оптимальных режимов связи. Двукратное переключение луча направленной диаграммы обеспечит выигрыш в 5 дБ. Использование режима адаптации по скорости добавит еще 3 дБ, а предложенная трехканальная система 9 дБ. Суммарный эффект только рассмотренных режимов составляет 17 дБ. Для обычной метеорной радиолинии, обеспечивающей V/ = 50 бит/с утром и 10 бит/с вечером оптимизация трех режимов позволит достичь утром V/ =2.5 кбит/с и 0.5 кбит/с вечером. Представленные в разделе 6 результаты прикладных исследований не претендуют на полноту решения рассмотренных оптимизационных задач и демонстрируют функциональные возможности модели и спектр потенциально реализуемых задач.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

1. На основе анализа и классификации перспективных компьютерных моделей метеорного радиоканала показано, что для решения таких задач, как исследование притока метеорного вещества, исследование метеорного распространения радиоволн, разработка метеорных измерительных средств и систем, моделирование и синтез метеорных систем радиосвязи и высокоточной синхронизации, а также методов их адаптации к условиям распространения, более всего подходит универсальная статистическая модель, имитирующая основные физические процессы реального метеорного явления и информационные процессы в метеорных радиосистемах.

2. Впервые разработана и реализована в виде программного комплекса гибридная компьютерная модель метеорного радиоканала «KÄMET», которая позволяет прогнозировать характеристики системы метеорной радиосвязи с учетом большого числа параметров радиоканала. Реализована возможность определения оптимальных значений параметров систем метеорной радиосвязи различного применения.

Астрономическая компонента модели основана на многолетних экспериментальных радиолокационных наблюдениях проводимых на метеорном радаре Казанского университета. В процессе настоящей работы использовалось две астрономических компоненты модели: статистическая азимутальная (в модификации «KÄMET») и радиотомографическая (в модификации «КАМЕТ-Т»).

Впервые в модели «KÄMET» реализована возможность производить расчет информационных характеристик для всех основных форм АВХ метеорных радиоотражений: «недоуплотненной», «переуплотненной» и «федингующей», с учетом амбиполярной и турбулентной диффузии, прилипания, рекомбинации и замираний амплитуды сигнала отраженного от следа, деформированного турбулентным ветром. При расчете АВХ и ФВХ используются результаты численного решения задачи дифракции радиоволны на плазме метеорного следа. Реализован учет влияния поворота плоскости поляризации в магнитоактивной плазме, проведены модельные исследования данного эффекта и даны оценки влияния его на метеорную радиосвязь.

3. Проведено многопараметрическое тестирование модели. Адекватность модели проверена в широком спектре характеристик метеорного радиоканала. Сопоставление по численности метеорных радиоотражений дало следующие результаты. По среднесуточному часовому числу отклонения составляют 0.2 дБ - 1.5 дБ. Максимальные отклонения часовой чис-

ленности не превышают 3.5 д!>. Хорошо прогнозируется форма суточных вариаций (R=0.87±0.17). Сопоставление с моделями, разработанными в США ("SA1C METEOR - LINK", "CSC METEOR") и Великобритании, показало, что «KÄMET» осуществляет более точный прогноз. Показано, что «KÄMET» позволяет моделировать структуру отражающей области с погрешностью, не превышающей 0.38дБ. Зависимости пропускной способности от скорости передачи данных (модельная и экспериментальная) близки по форме, максимальные значения пропускной способности практически совпадают. Анализ результатов показывает, что модель «KÄMET» адекватно отражает свойства метеорного радиоканала и позволяет с точностью, достаточной для практических приложений, прогнозировать характеристики систем метеорной связи.

4. Выполнена работа по оптимизации отдельных компонент имитационной модели метеорного радиоканала. Оптимальный выбор области генерации осуществлен путем реализации ряда оригинальных процедур, основными из которых являются «контура зеркальности» и «выбор минимальной генерируемой массы». Гибридная модель МРК «KÄMET» сочетает быстродействие детерминированных моделей с функциональной гибкостью и точностью имитационных моделей. Решение оптимизационных задач и удовлетворительные результаты тестирования модели позволили подойти к реализации концепции использования модели для интерпретации результатов косвенных измерений свойств падающего потока метеоров и свойств метеорного распространения радиоволн на основе экспериментирования с компьютерной моделью.

5. С использованием компьютерной модели «KÄMET» проведены модельные исследования характеристик отражающей области метеорной радиолинии. Осуществлен выбор оптимальных характеристик антенных систем и режимов связи, обеспечивающих максимальную производитель-

ность метеорного радиоканала. Формализовано понятие отражающей области. Статистические характеристики отражающей области рассчитаны с учетом сезона, времени суток и ориентации радиолинии.

6. Проведены экспериментальные и модельные исследования характеристик метеорного распространения радиоволн для радиолиний длиной менее 600 км. Экспериментальные исследования выполнены на радиолиниях длиной 250 км и 100 км. Общий объем экспериментальных наблюдений составил 1820 часов. Получены интегральные оценки преимущества бокового распространения радиоволн по сравнению с традиционной ориентацией антенн по оси радиолинии. В модельном эксперименте для интервала длин радиолинии 50- 300 км выявлен наиболее оптимальный режим организации связи - режим «слежения». На основе результатов моделирования предложен оригинальный метод организации кустовой сети связи с линейными размерами до 600 км, основанный на слежении за максимумом метеорной активности. При реализации в сети преимущество варианта «слежения» перед традиционным достигает 2- 2.5 дБ.

7. Предложен оригинальный метод исследования тонкой пространственной структуры распределения метеорного вещества. Его основу составляют последовательное применение процедур «корреляционного метода обнаружения метеорных потоков» и « расчет статистической у (АТ) -функции потока регистрацию) к экспериментальным данным угломерных наблюдений. Для потока Геминиды 1988 года отмечены значимые отклонения свойств потока регистраций радиоэхо от свойств неструктурированного потока.

8. Проведены исследования по выбору оптимальных режимов системы метеорной радиосвязи. Рассмотрены варианты работы с фиксированной и переменной скоростью передачи информации. Сделаны оценки относительного выигрыша использования оптимальных режимов связи.

Создан модельный банк данных по выбору оптимальной скорости передачи данных при заданных характеристиках метеорной радиолинии.

Осуществлено моделирование метеорной радиосистемы с адаптацией по скорости передачи данных. Выбраны оптимальные значения набора скоростей, обеспечивающие максимальную величину пропускной способности метеорного радиоканала.

Результаты работы в целом вносят значительный вклад в развитие крупного научного направления, имеющего важное народнохозяйственное значение - создание комплекса компьютерных моделей радиоканала, позволяющих существенно повысить показатели, расширить области применения и ускорить внедрение радиотехнических устройств и систем.

В приложении приводятся документы, подтверждающие внедрение результатов работы и программа одной из модификаций модели «КАМЕТ-26».

Основное содержание диссертации публиковано в следующих работах:

1. Карпов A.B., Сидоров В.В. Вариант статистического моделирования распространения радиоволн для трасс произвольной длины // Тезисы докладов XII Всесоюзной конференции по распространению радиоволн. Ч II. М.: Наука,- J 978,-С.256-259.

2. Карпов A.B., Сидоров В.В. Расчет основных параметров метеорного распространения радиоволн методом статистических испытаний для метеорных радиотрасс произвольной длины // Метеорное распространение радиоволн. Казань,- 1980.- Вып. 15.- С.52-61.

3. Карпов A.B. Решение некоторых задач оптимизации алгоритма прогнозирования волн метеорного распространения радиоволн // Метеорное распространение радиоволн -1980.- Вып. 16.- С. 10-13.

4. Карпов A.B., Сидоров В.В. Моделирование ветровой фазовой нестабильности метеорного канала // Метеорное распространение радиоволн.-1980.-Вып. 16.- С.48-51.

5. Карпов A.B., Сидоров В.В. Имитационное моделирование условий метеорного распространения радиоволн для антенн произвольной ориентации // Метеорное распространение радиоволн.- 1981- Вып. 17,- С. 14-23.

6. Карпов A.B. Исследование влияния некоторых физических факторов на численность метеорных радиоотражений на длинных трассах // Метеорное распространение радиоволн.- 1981.- Вып. 17,- С. 24-29.

7. Казакова Т.В., Карпов A.B., Сидоров В.В. Имитационный метод изучения характеристик группирований исходного метеорного потока по потоку регистрации // Тезисы докладов Всесоюзной конференции по физике и динамике малых тел солнечной системы. Душанбе,- 1982.- С.37-38.

8. Карпов A.B., Сидоров, Степанов A.M. Характеристики группирования потоков Квадрантид и Геминид // Тезисы докладов Всесоюзной конференции по физике и динамике малых тел солнечной системы. Душанбе,-1982.- С.24-25.

9. Казакова Т.В., Кардоник Г.С., Карпов A.B. Расчет численности метеорных радиоотражений с учетом параметров системы помехозащиты в устройстве регистрации // Метеорное распространение радиоволн.- 1983.-Вып.18.- С. 80-94.

10. Карпов A.B., Сидоров В.В., Степанов A.M. Исследование свойств потока метео ров методами статистического моделирования // Астрономический вестник,- 1984,- Т. 17. №1.- С.44-51.

11. Карпов A.B., Кодиров А.К., Рубцов Л.Н., Мирджамолов K.M. Боковое распространение радиоволн на метеорной радиотрассе Душанбе -Ленинабад// Радиофизика. Изв.ВУЗов,- 1987.- Т.ЗО,- С.343-345.

12. Асири Т.С., Карпов A.B., Кодиров А.К., Латипов Д.Л., Попов В.И., Рубцов Л.Н., Шарипов М.Ш. Боковое распространение радиоволн на коротких метеорных радиотрассах // Радиофизика. Изв. ВУЗов- 1989,- Т.32,-№7. С.912-913.

13. Ишмуратов P.A., Карпов A.B. Развитие имитационной модели метеорных явлений // Метеорные явления.Москва.- 1987.- №13,- С.79-83.

14. Карпов A.B., Казакова Т.В. Хузяшев Р.Г. Использование строгого решения задачи дифракции волн на метеорном следе при прогнозировании метеорного распространения радиоволн // Тезисы докладов XV Всесоюзной конференции по распространению радиоволн. М.: Наука.- 1987,- С.50.

15. Бойков В.И., Казакова Т.В., Карпов A.B. Спектр сигналов при метеорном распространении радиоволн // Тезисы докладов XV Все союзной конференции по распространению радиоволн. М.:Наука,- 1987.- С.51.

16. Асири Т.С., Карпов A.B., Кодиров А.К., Латипов Д.Л., Попов В.И., Рубцов Л.Н. Результаты экспериментального исследования условий распространения радиоволн на коротких метеорных радиотрассах в условиях горной местности среднеазиатского региона в период 1984-1987 г.г. // Тезисы докладов XV Всесоюзной конференции по распространению радиоволн,- 1987,- С.52.

17. Бойков В.И., Казакова. Т.В., Карпов A.B., Кацевман. М.М. Энергетические спектры метеорных следов // Геомагнетизм и Аэрономия.- Т.ЗО,-1990.-2.-С.292-296.

18. Карпов A.B., Кащеев Б.Л., Сидоров В.В. Исследование, моделирование и прикладное использование метеорных радиоотражений // Тезисы докла-

дов XVI Всесоюзной конференции по распространению радиоволн. Ч I. М.: Наука.-1990,- С.75-78.

19. Карпов А.В., Кодиров А.К. Результаты экспериментального исследований и моделирования условий метеорного распространения радиоволн на коротких радиотрассах // Тезисы докладов XVI Всесоюзной конференции по распространению радиоволн. Ч I. М.: Наука.- 1990,- с. 80.

20. Карпов А.В. Рассим Амир Али, Степанов A.M. Исследование пространственной структуры метеорного потока Геминид // Метеорное распространение радиоволн.- 1991,- Вып.22,- С.72-78.

21. Карпов А.В., Кодиров А.К. Моделирование условий метеорного распространения радиоволн на коротких радиотрассах // Изв. АН Тадж., Серия физ., мат., хим. и геолог, наук,- Душанбе: Изд-во Дониш.- 1990,- N 3(117), С.33-37.

22. Карпов А.В., Кодиров А.К. Результаты моделирования численности метеорных радиоотражений для трассы Душанбе-Ленинабад // Изв. АН Тадж., Серия физ., мат., хим. и геолог, наук.- Душанбе: Изд-во Дониш.-1990.- N 4(118), С.75-77.

23. Карпов А.В., Хузяшев Р.Г., Сидоров В.В., Терешин С.Н. Обслуживание абонентов метеорной радиосети, расположенных на произвольной дальности от головной станции // Сб. докладов Международного симпозиума по электромагнитной совместимости. Ч. 1 .Санкт-Петербург.- 1993,- С. 14-20.

24. Desourdis R.J., Sidorov V.V.,Karpov A.V.,Huziashev R.G., Epiktetov L.A.,Brown D.W. A Russian burst communication experiment and measurement prediction comparison // IEEE MILCOM 1993 Conference Proceedings.-1993,- P. 32-36.

25. Карпов А.В., Жибрик О.H., Терешин С.Н. Имитационная статистическая модель метеорного радиоканала // Тезисы докладов XVII конференции по распространению радиоволн.- 1993,- С. 43.

26.Карпов Л.В., Курганов А.Р., Терешин С.Н. Поведение средней длительности метеорных отражений разных типов АВХ в зависимости от уровня регистрации // Тезисы докладов XVII конференции по распространению радиоволн. Ульяновск.- 1993. С. 45.

27. Карпов A.B., Курганов А.Р., Терешин С.Н. Моделирование пропускной способности метеорного радиоканала // Тезисы докладов XVII конференции по распространению радиоволн. 1993.- С. 46.

28. Базлов А.Е., Карпов A.B., Сидоров В.В., Терешин С.Н., Хузяшев Р.Г. Выбор антенных систем для универсальной кустовой сети метеорной связи // Тезисы докладов XVII конференции по распространению радиоволн.-1993.-С. 48.

29.Карпов A.B., Сидоров В.В., Терешин С.Н. Моделирование радиометеоров// Астрономический вестник,- 1995,- Т.29.- N 6.- С.556-562.

30. Карпов A.B. Компьютерная модель метеорного радиоканала // Изв. Вузов. Сер. Радиофизика.- 1995.- т.38,- №12,- С.1177-1186.

31. Карпов A.B., Кодиров А.К., Наумов A.B., Терешин С.Н. Особенности распространения радиоволн на коротких радиолиниях // Тезисы докладов XVIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн. С.Петербург.- 1996,- С.505-506

32. Карпов A.B., Курганов А.Р., Терешин С.Н. Электронный классификатор метеорных радиоотражений // Тезисы докладов XVIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн. С.Петербург.- 1996,- С.5190

33. Базлов А.Е., Карпов A.B., Сидоров В.В., Киселев В.В. Увеличение пропускной способности за счет оптимизации параметров радиоканала и адаптации к условиям метеорного распространения // Тезисы докладов XVIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн. С. Петербург,- 1996. - С.519-520.

34. Карпов A.B., Наумов A.B., Терешин С.Н. Моделирование условий метеорной радиосвязи на коротких метеорных радиолиниях // Информационный бюллетень бюро Украинской астрономической ассоциации.- 1996.-N9,- С.56-57.

35.Karpov A.V.,Kurganov A.R.,Sidorov V.V.,Tereshin S.N. The simulation of the meteor reflection region II Proc.VIII Ionospheric Effects Symposium, Technology for Comm.Inter.- 1996,- P.92 - 95.

36. Карпов A.B., Кодиров A.K., Наумов A.B., Сидоров B.B., Терешин С.Н. Распространение радиоволн на коротких метеорных радиолиниях // Радиофизика. Изв.ВУЗов,- 1997,- Т. 40.- С.693 - 703.

37. Карпов A.B., Наумов A.B., 'Гаюрский А.Г. Антенные системы в метеорных сетях коммуникаций // сборник трудов 3 Международной научно-технической конференции «Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи ICARSM97» Воронеж. ВГУ,- 1997,- Т.2.- С.203-207.

38. Карпов A.B., Сидоров В.В. Терешин С.Н. Влияние распределения радиантов и скоростей метеоров на характеристики отражающей области при наклонном радиозондировании //Астрономический вестник.- 1998.-T.32.-N1.-C. 89-93.

39. Карпов A.B., Степанов A.M., Казаков М.В. Тонкая структура метеорного роя Геминид по радарным наблюдениям 1988 года //Астрономический вестник.- 1998,- Т.32,- №2.- С.166-170.

Автор выражает благодарность научным сотрудникам ПРАЛ КГУ Степанову A.M., Базлову А.Е., Владимирову Л.В., Логашину A.B., Мер-закрееву P.P. и Эпиктетову Л.А. за предоставленный оригинальный экспериментальный материал.

Л«

(У/ с/

о V'

г /

/ /

Г

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

¿5? ? о

На правах рукописи

КАРПОВ Аркадий Васильевич

Ц ПрвзиАхуТвАК

г'тг!сние от "лЧ» г-\ т

ПрисУАалученуюгтлг"" 621.37/.39 : 519.876.5

/ нуюсыденьдоктор?Г £>

ЯачальАшк уг,:даМПЬ-1ОТ^НАЯ^0ДЕЛЬ

—-'^яВАКРоссии Ц

ОКАНАЛА

Специализация 05-12-01 - Теоретические основы радиотехники Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Консультант проф. Сидоров В.В.

Казань -1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение...........................................................................................................6

1. Компьютерные модели метеорного радиоканала......................................19

1.1. Структура моделей МРК............................................................................19

1.1.1. Обзор литературы....................................................................................19

1.1.2. Классификация моделей МРК................................................................38

1.2. Общие вопросы методологии моделирования МРК...............................47

1.2.1. Методология прямого моделирования..................................................47

1.2.2. Основные этапы процесса имитации...................................................50

Комментарии к разделу....................................................................................56

2. Описание имитационной модели метеорного радиоканала.....................58

2.1. Астрономическая компонента модели МРК..........................................58

2.1.1. Статистический азимутальный метод расчета РПРСМ......................59

2.1.2. Радиотомографический метод расчета РПРСМ...................................63

2.1.3. Реализация астрономической компоненты в модели МРК................69

2.2. Блок геометрической селекции................................................................72

2.3. Физическая компонента модели МРК.....................................................78

2.3.1. Вычисление величины линейной электронной плотности

в зеркальной точке............................................................................................78

2.3.2. Принцип соответствия физических моделей........................................85

2.4. Электродинамическая компонента модели МРК...................................90

2.4.1. Классический подход..............................................................................90

2.4.2. Строгое решение задачи дифракции волн на метеорном следе.........92

2.4.3. Моделирование длительности метеорного радиоотражения.............99

2.4.4. Учет влияния многоцентрового распространения радиоволн..........109

2.4.5. Результаты модельного эксперимента по исследования влияния ограничивающих факторов на среднюю длительность

метеорного радиоотражения.........................................................................118

2.5. Моделирование влияния магнитного поля земли на условия метеорного распространения радиоволн......................................................123

2.6. Математическая модель приемопередающей аппаратуры..................133

2.7. Моделирование стохастических переменных.......................................138

2.7.1. Генераторы псевдослучайных чисел...................................................138

2.7.2. Моделирование случайной величины

с обратно-степенным видом закона распределения................................144

2.7.3. Моделирование скорости метеорной частицы

на основе экспериментального распределения.......................................145

2.7.4. Определение размера выборки.............................................................147

Комментарии к разделу...................................................................................150

3. Гибридная модель метеорного радиоканала: Оптимизация

и диагностика...................................................................................................153

3.1. Контура зеркальности..............................................................................155

3.1.1. Расчет контуров зеркальности.............................................................155

3.1.2. Работа с контурами зеркальности........................................................158

3.2 . Выбор минимальной генерируемой массы............................................159

3.3. Основные модификации модели МРК и области их применения......166

3.4. Оценка адекватности модели..................................................................172

3.4.1. Диагностика модели на основе данных радиолокатора....................174

3.4.2. Диагностика модели на протяженных радиолиниях.........................176

3.4.3. Диагностика модели на коротких радиолиниях................................181

3.4.4. Проверка модели по результатам совместного

российско-американского эксперимента.....................................................187

Комментарии к разделу..................................................................................196

4. Исследование характеристик отражающей области..............................199

4.1. Постановка задачи...................................................................................202

4.2. Тестирование модели МРК.....................................................................203

4.3. Моделирование характеристик отражающей области.........................206

4.3.1. Алгоритм расчета характеристик отражающей области..................207

4.3.2. Результаты моделирования размеров отражающей области............208

4.4. Выбор оптимальной диаграммы антенны в зависимости.

от длины радиолинии.....................................................................................214

4.5. Моделирование режимов согласования диаграммы антенны

с размерами отражающей области................................................................219

4.6. Исследование условий метеорного распространения радиоволн

на коротких радиолиниях.............................................................................230

4.6.1. Эксперимент на коротких радиолиниях.............................................231

4.6.2. Результаты моделирования..................................................................234

4.6.3. Организация метеорной кустовой связи.............................................243

Комментарии к разделу...................................................................................245

5. Применение модели МРК для интерпретации экспериментальных результатов...............................................................248

5.1. Исследование тонкой пространственной структуры

метеорных потоков........................................................................................248

5.1.1. Обзор исследований по тонкой пространственной структуре

метеорных потоков.........................................................................................248

5.1.2. Метод исследования тонкой пространственной структуры

на основе статистического у - критерия.......................................................253

5.1.3. Развитие метода исследования тонкой пространственной структуры метеорного комплекса.................................................................258

5.1.4. Результаты радиолокационного эксперимента 1988 года...............262

5.2. Моделирование энергетических спектров метеорных следов............269

Комментарии к разделу...................................................................................274

6. Моделирование оптимальных режимов метеорной радиосвязи............277

6.1. Описание информационной компоненты компьютерной модели.......277

6.2. Моделирование информационных характеристик

метеорного радиоканала.................................................................................285

6.3. Моделирование метеорной радиосистемы с адаптацией

по скорости передачи данных........................................................................293

6.4. Моделирование многоканальной линии связи......................................297

6.4.1. Постановка задачи.................................................................................297

6.4.2. Описание динамических моделей.......................................................301

6.4.3. Результаты моделирования работы трехканальной линии связи.....305

Комментарии к разделу...................................................................................310

Заключение.......................................................................................................312

Литература........................................................................................................320

Приложение......................................................................................................349

ВВЕДЕНИЕ

Компьютерное моделирование радиосистем представляет одно из самых молодых и бурно развивающихся направлений теоретической радиотехники. С одной стороны формирование этого направления стимулируется мощным развитием вычислительной техники, а с другой использование в достаточной степени адекватной компьютерной модели позволяет значительно расширить спектр прикладных задач и повысить информативность исследований по разработке методов адаптации к неизвестным и переменным свойствам среды распространения.

Последние достижения в микроэлектронике (появление компактных твердотельных передатчиков, дешевых процессоров и надежных малогабаритных источников питания) позволили некогда экзотическому виду связи - метеорной радиосвязи реализоваться в виде прикладных проектов систем связи и мониторинга окружающей среды. Наиболее известными из них являются SNOTEL и AMBCS [1,2] в США и Канаде. Существуют подобные системы в Аргентине, Индонезии, Египте и ряде других стран. В России и на Украине метеорные радиосистемы традиционно применяются для синхронизации разнесенных шкал времени [3,4].

Для исследования метеорный канал представляет собой довольно сложный объект: метеор является случайным явлением, как во времени, так и в пространстве; метеорная связь носит прерывистый характер; динамический диапазон изменения амплитуд может составлять десятки децибел как от метеора к метеору, так и в течение одного метеорного радиоотражения. Исследование характеристик системы метеорной связи (CMC) подходит под тот класс задач, для решения которых становится целесообразным создание компьютерной модели.

Информационные характеристики CMC зависят от большого числа технических характеристик (параметров приемо-передающей аппаратуры и антенных систем), а также имеют значительные вариации, которые определяются астрономическими факторами и зависят от времени и сезона проведения натурного эксперимента.

Под каналом метеорной радиосвязи, согласно [175], будем понимать совокупность средств, обеспечивающих передачу информации от некоторой точки (источника информации) до другой точки (приемника информации). Модель метеорного радиоканала (МРК) включает в себя модель линии радиосвязи (модель среды распространения и модель приемопередающей аппаратуры), а также модель притока метеорного вещества в атмосферу Земли.

Построение модели является основным этапом исследования или проектирования любой радиотехнической системы. В настоящее время термины имитационный и компьютерный стали практически синонимами. Компьютерное (имитационное) моделирование - метод построения модели системы [5-9] (в том числе радиотехнической системы) и проведения на ней экспериментов для того, чтобы понять как работает система, оценить различные стратегии ее функционирования и прогнозировать ее работу. В гносеологическом аспекте под моделью будем понимать синтез знаний об объекте, приведенных в некоторую систему. Модель эквивалентна формализованным современным научным представлениям об объекте исследования.

В прикладном плане лучше всего духу данной работы соответствует определение компьютерной модели, данное JI.A. Бахваловым [9]: «... отдельная программа, совокупность программ, программный комплекс, позволяющий с помощью последовательности вычислений и графического отображения их ре-

зультатов воспроизводить ( имитировать ) процессы функционирования объекта, системы объектов при условии воздействия на объект различных, как правило, случайных факторов».

Огромный вклад в развитие компьютерной модели метеорного радиоканала был сделан в работах Дж. Пирса [11], Л. Маннинга [12], В.Эшлимана [27] Р. Пью [28], М. Микса и Д. Джеймса [29], К. Хайнса [30,32], Н. Каррара [34], К.В. Костылева [45], Р.А. Курганова [40], Д.Брауна [48,49], Д. Вейцена [51],. Р. Маври и А. Бродхоста [56], А.Акрама и П.Каннона [10] и других. В этих работах основной упор делается на прогностическую функцию модели. Вопросам интерпретации экспериментальных данных с применением компьютерного моделирования уделено большое внимание в работах К.В. Костылева [44], Ю.И. Волощука, Б.Л. Кащеева, В.А. Нечитайленко и др. [62,220,225].

Метеорный радиоканал является уникальным объектом, функционирование которого определяется большим числом факторов, имеющих совершенно различную природу. Адекватная модель метеорного радиоканала должна отражать широкий спектр достижений в различных областях знаний, от астрономии до теоретической радиотехники. Результаты астрономических и радиофизических исследований явления метеоров, оптимальные методы обработки, адаптивные к случайным характеристикам канала, и многое другое составляют основу компонентов компьютерной модели МРК. В тоже время модель должна сочетать в себе большое число прикладных алгоритмов. Соответствующий набор прикладных алгоритмов позволяет реализоваться модели в качестве инструмента исследования.

По мнению А. Акрама и П. Каннона [10] оптимизация характеристик антенных систем и приемопередающей аппаратуры может значительно повысить

пропускную способность метеорного радиоканала и сделать его вполне конкурентоспособным с учетом относительно низкой стоимости развертывания и эксплуатации канала.

Анализ моделей МРК [10-12,27-30,32,34,40,45,48,51,56] показывает, что их развитие шло в ногу с развитием вычислительной техники. При ограниченных ресурсах быстродействия ЭВМ конкретная модель реализуется как некоторое компромиссное решение, отражающее современное состояние достижений в метеорной астрономии и радиосвязи. Каждая последующая модель вбирала в себя основные достоинства своих предшественников. На первом этапе развития моделей МРК в работах Д. Пирса, Л. Маннинга, В.Эшлимана, Р.Пью, К.Хайнса, Н.Каррары основное внимание уделялось разработке элементов геометрической селекции в рамках детерминированного подхода. Создание эмпирических распределений притока метеорного вещества [15,16,24,26] сместило акценты в сторону исследования влияния астрономических и физических факторов, а также развития методов прогноза абсолютных значений характеристик распространения радиоволн. Эти тенденции особенно четко просматриваются в работах Р.А.Курганова, К.В.Костылева, Д.Вейцена. Современный этап характеризуется работой в двух направлениях: расширение функциональных возможностей компьютерной модели МРК (Д.Вейцен, Р. Дезордис) и развитие и уточнение экспериментальной астрономической базы (Д.Браун, А.Акрам, П.Каннон).

Ни одна из моделей не решает в полной мере всего комплекса задач. По-прежнему актуальной является задача построения компьютерной модели МРК, которая представляла бы собой надежный и удобный в работе инструмент для решения следующих вопросов:

• построение модели метеорного комплекса в окрестностях орбиты Земли;

• исследование свойств метеорного распространения радиоволн;

• исследование, разработка и совершенствование методов регистрации радиоволн;

• исследование, разработка и совершенствование методов адаптации к неизвестным и переменным свойствам среды распространения;

• оптимизация параметров систем метеорной радиосвязи различного применения.

Цель работы: Создание статистической компьютерной модели метеорного радиоканала, основанной на надежных экспериментальных данных по притоку метеорного вещества; разработка и реализация новых эффективных подходов, обеспечивающих точность моделирования, достаточную для практических приложений, повышение скорости реализации программного алгоритма и значительное расширение функциональных (прикладных) возможностей модели; проведение модельных исследований условий метеорного распространения радиоволн с целью оптимизации параметров систем метеорной радиосвязи и разработки методов адаптации к свойствам среды распространения. Объектами и задачами исследований являются:

Создание компьютерной модели МРК, сочетающей в себе основные достижения в построении отдельных компонентов модели. Проверка адекватности модели.

Проведение исследований направленных свойств метеорного распространения радиоволн в широком диапазоне изменения значений длины радиолинии.

Проведение модельных исследований по разработке методов адаптации к свойствам среды распространения.

Интерпретация экспериментальных данных.

Решение отмеченных задач составляет важную научно-техническую проблему. Работа выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских работ Казанского госуниверситета (№ГР. 01860120677), по программе министерства общего и профессионального образования Российской Федерации РТ 101. « Университеты России» проект « Распространение радиоволн в околоземном пространстве» (1992-1997г.г.), в период с 1980 г. по 1994 г. в рамках НИР, выполнявшихся по правительственным постановлениям, а также грантам и заказам других организаций.

Научная новизна: Впервые при моделировании характеристик МРК реализован гибридный подход, в котором сочетаются элементы статистического имитационного моделирования и аналитического моделирования. Разработаны оригинальные процедуры, такие как «контура зеркальности» и « минимальная генерируемая масса», позволившие значительно уменьшить дисперсию результатов моделирования, и при сохранении точности и функциональной гибкости статистического подхода, более чем на два порядка повысить быстродействие реализации модели на ЭВМ.

Впервые проведены комплексные исследования характеристик метеорного распространения радиоволн на коротких радиолиниях длиной менее 500 км. В ходе длительных циклов экспериментальных наблюдений на радиолиниях длиной 240 км и 100 км и полномасштабного имитационного компьютерного эксперимента обоснован оригинальный метод «слежения за областью максимума метеорной активности», позволяющий значительно повысить пропускную способность метеорного радиоканала.

Предложен оригина�