автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Помехоустойчивость широкополосных систем спутниковой связи в условиях активных помех и ограничения полосы когерентности трансионосферного радиоканала

На правах рукописи

КОРОТКОВ СЕРГЕИ ЮРЬЕВИЧ

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

Специальность: 05.12.13 Системы, сети и устройства телекоммуникаций

1 9 ДЕК 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005544138

Владимир 2013

005544138

Работа выполнена в МОУ «Институт инженерной физики» (г. Серпухов)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

заслуженный работник высшей школы РФ, ведущий научный сотрудник МОУ «ИИФ» Пашинцев Владимир Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

профессор кафедры организации и технологии защиты информации Северо-Кавказского федерального университета

Копытов Владимир Вячеславович

кандидат технических наук, профессор, ведущий специалист ОАО «НПО «Ангстрем», г. Москва, Зеленоград Киселёв Владимир Николаевич

Ведущая организация: ЗАО «Научно-исследовательский внедренческий центр автоматизированных систем (НИВЦ АС)», г. Москва.

Защита состоится «27» декабря 2013 года в 14.00 на заседании диссертационного совета ДС 212.025.04 при Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д.87, ВлГУ.

Отзывы, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д.87, ВлГУ, ФРЭМТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых - ВлГУ

Автореферат разослан «25» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.025.04 доктор технических наук, профессор

А.Г. Самойлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Информационное пространство современного развитого государства является одной из важных составляющих его промышленного и оборонного потенциала. Ядром такого информационного пространства является телекоммуникационная система государства, которая в нашей стране представлена Единой Сетью Электросвязи РФ (ЕСЭ РФ). В свою очередь, ЕСЭ РФ представлена взаимоувязанной сетью многих операторов связи и включает в свой состав как наземную проводную составляющую (в основном волоконно-оптическую), так и радийную компоненту, включающую в том числе и системы спутниковой связи (ССС).

ССС в РФ решают ряд важных телекоммуникационных задач: связь территориально распределенных стационарных объектов различного назначения в регионах с низкой плотностью населения (фиксированная спутниковая служба) и связь различных мобильных объектов между собой (подвижная спутниковая служба). В разработке и создании комплексов ССС принимают участие: Государственный оператор «Космическая связь», Красноярский НПО/ПМ им. Решетнева и компания Alcatel (создание трех спутников нового поколения «Экспресс А»), НИИР, ЦНИИС, ООО «Гипросвязь», ГСП РТВ, ОАО «Ростелеком», ЗАО «НИВЦ АС» и др.

Спецификой функционирования ССС является прохождение радиосигналов в радиолиниях «снизу-вверх» и «сверху-вниз» через ионосферу. Именно поэтому каналы спутниковой связи называют трансионосферными радиоканалами. Высокая плотность размещения спутников-ретрансляторов (CP) на геостационарной орбите, значительная насыщенность низкоорбитального пространства космическими аппаратами (КА) связи, а также недостаточная координация работы радиочастотных служб различных государств приводит к значительным активным помехам (АП) в трансионосферных радиоканалах. Снижение влияния АП в ССС реализуется путем применения в них широкополосных сигналов (ШПС) с большой базой. При этом все абоненты такой ССС реализуют кодовый многостанционный доступ (CDMA) к пропускной способности СР.

Состояние ионосферы оказывает существенное влияние на прохождение радиосигналов (в том числе и ШПС) в трансионосферном радиоканале. Повышенная солнечная активность, радионагрев отдельных участков ионосферы мощным излучением источниками типа HAARP, распыление бария в ионосфере и др. приводят к появлению мелкомасштабных неоднородностей в ионосфере, которые называют возмущениями ионосферы (ВИ). Последние приводят к сужению полосы когерентности трансионосферного радиоканала и к появлению в нем частотно-селективных замираний (ЧСЗ) ШПС.

Таким образом, для обеспечения заданной помехоустойчивости по вероятности ошибки на элементарный символ в трансионосферном радиоканале ССС с ШПС в условиях ВИ и АП необходимо изменять полосу частот используемых сигналов.

Вопросам построения ССС с ШПС большое внимание уделено в школах таких ученых как Калашников Н.И., Фортушенко А.Д., Кантор Л.Я., Петрович Н.Т., Зубарев Ю.Б., Тузов Г.И., Камнев Е.Ф., Камнев В.Е., Черкасов В.В., Чернявский Г.М., Чечин Г.В., Волков JI.H., Немировский М.С., Шинаков Ю.С., Аболиц А.И., Акимов A.A., Белов A.C., Спилкер Дж., Степанов С.Н., Тепляков И.М., Машбиц JI.M., Эйнджел Дж., Пашинцев В.П., Цимбал В.А., Шиманов С.Н. и другие. Однако вопрос оптимизации используемой полосы ШПС сигнала в трансионосферном радиоканале в условиях воздействия ВИ и АП остается открытым.

В связи с изложенным, возникает следующее противоречие: с одной стороны, для повышения помехоустойчивости трансионосферного канала в присутствии АП необходимо расширять полосу частот ШПС, с другой стороны в условиях ВИ в трансионосферном канале возникают ЧСЗ, что требует сужать полосу частот ШПС.

Разрешение этого противоречия заключается в разработке аналитической методики оценки помехоустойчивости ССС в условиях воздействия АП, характеризуемых отношением помеха/шум, ( h^ ) и ограниченной полосы когерентности (FK) трансионосферного канала с частотно-селективными замираниями.

Исходя из изложенного, актуальной является тема диссертационной работы «Помехоустойчивость широкополосных систем спутниковой связи в условиях активных помех и ограничения полосы когерентности трансионосферного радиоканала».

Цель работы: Разработка практических рекомендаций по обеспечению требуемой помехоустойчивости системы спутниковой связи, использующих широкополосные сигналы, в условиях одновременного воздействия активных помех (АП) и сужения полосы когерентности радиоканала на основе выбора частотных параметров передаваемых сигналов и применения способов трансионосферного зондирования.

Объект исследования: системы спутниковой связи, использующие широкополосные сигналы.

Предмет исследования: влияние АП и частотно-селективных замираний принимаемых сигналов при возмущениях ионосферы в слое F на помехоустойчивость ССС с ШПС.

Научная задача: разработка аналитической методики оценки помехоустойчивости ССС в условиях воздействия АП (h^ ) и ограниченной полосы когерентности (FK) трансионосферного канала с частотно-селективными замираниями.

В ходе решения научной задачи были сформированы следующие результаты, представляемые к защите:

1. Методика оценки помехоустойчивости широкополосных ССС при заданной степени ЧСЗ и влияния АП, позволяющая определить оптимальную полосу спектра ШПС сигналов по критерию минимальной вероятности ошибки.

2. Методика оценки помехоустойчивости разнесенного приема сигналов на несколько антенн при пространственной корреляции замираний в условиях ЧСЗ и АП.

3. Методика оценки полосы когерентности трансионосферного канала на основе результатов зондирования полного электронного содержания неоднородной ионосферы с помощью спутниковых радионавигационных систем (СРНС).

Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что:

1. Методика оценки помехоустойчивости широкополосных ССС при заданной степени ЧСЗ и влияния АП, позволяющая определить оптимальную полосу спектра ШПС сигналов по критерию минимальной вероятности ошибки, в отличие от известных методик, учитывает одновременное влияние АП и степени ЧСЗ принимаемых сигналов на энергетические потери при обработке сигналов..

2. Научная новизна второго результата заключается в том, что произведено теоретическое обобщение методики оценки помехоустойчивости строенного приема сигналов с релеевскими замираниями на случай приема сигналов с частотно-селективными замираниями и одновременного воздействия активных помех.

3. Методика оценки полосы когерентности трансионосферного канала на основе результатов зондирования полного электронного содержания неоднородной ионосферы с помощью спутниковых радионавигационных систем (СРНС), в отличие от известных, базируется на результатах не вертикального, а трансионосферного зондирования ВИ с помощью СРНС. Достоверность н обоснованность научных и практических результатов подтверждается: применением современных научных методов; непротиворечивостью представленных научных результатов известным результатам в данной области знаний; сходимостью к известным результатам при введении ограничений и допущений; результатами экспериментальных исследований, проведенных с применением методов математического и полунатурного моделирования.

Практическая значимость полученных результатов заключается в прогнозировании помехоустойчивости широкополосных ССС при различной степени возмущения ионосферы и мощности воздействующих активных помех, а также в разработке устройства определения полосы когерентности трансионосферного канала с помощью двухчастотного приемника спутниковой радионавигационной системы.

Личный вклад соискателя в получение результатов. Все исследования, изложенные в диссертационной работе, проведены лично соискателем в процессе научной деятельности в рамках выполнения плановых ОКР. Ему принадлежит основная идея диссертационной работы, её формализация в виде частных научных задач, результаты их решения и экспериментов, публикации и апробация результатов.

Результаты работы реализованы:

1. В МОУ «ИИФ» при обосновании полосы ШПС трансионосферного радиоканала специальной ССС в рамках ОКР «Жасмин-Д-ИИФ» (акт о реализации МОУ «ИИФ» от 08.10.2013 г.).

2. В Военной академии РВСН имени Петра Великого (филиал в г. Серпухов Московской области) в учебном процессе по кафедре «Автоматизированные системы управления» (в ходе дипломного проектирования и при изучении дисциплины «Информационные сети и телекоммуникации») (акт о реализации ФВА РВСН от 17.09.2013 г.).

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: 10 НТК различного уровня, в том числе 3

5

Международного уровня, 7 Всероссийского уровня. Опубликованы в 21 работе, из них: 17 статей в научно-технических сборниках и журналах, из которых четыре опубликованы в журнале из перечня ВАК, 2 отчета об ОКР, 2 патента на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка научных источников и приложения. Список научных источников содержит 116 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы противоречие, цель, научная задача, а также основные научные результаты, представляемые к защите. Показаны научная новизна, практическая значимость, реализация и достоверность научных исследований.

В первом разделе проведен анализ существующих ССС, использующих как узкополосные, так и широкополосные сигналы. Приведены требования к помехоустойчивости каналов ССС по вероятности ошибки на элементарный символ. Дана характеристика активных помех в трансионосферных каналах ССС, указаны основные способы возмущений ионосферы, приводящих к возникновению искусственных ионосферных образований, которые приводят, в свою очередь, к снижению полосы когерентности радиоканала и к возникновению ЧСЗ.

Анализ основных характеристик современных и перспективных широкополосных ССС показывает, что основные тенденции развития таких ССС направлены на увеличение: 1) несущей частоты передаваемых с космического аппарата сигналов с f® œ 1 ГГц д0 /о ~ 20 ГГц. 2) полосы спектра передаваемых спутником-ретранслятором фазоманипулированных широкополосных сигналов (ФМ 1ППС) с ^о = 2 МГц до Fq = 20 МГц и более

Однако указанные тенденции развития ССС позволяют обеспечить требуемую помехоустойчивость приема (т.е. вероятность ошибки Рош <10~4-И0~5 при отношении сигнал/шум (С/Ш) < 23 дБ, и Рош < 10-3 при h\ < 23 дБ и превышении мощности помехи над мощностью сигнала Ргп1 Рг = 10-^30 дБ) только в нормальном состоянии ионосферы.

Состояние Параметры слоя F ионосферы

ионосферы Nm (эл/м3) Р aAN = Р<4» (ЭЛ/М3)

1. НИ (ночь) 2,4 ■ 1011 1(Г2 2,4-109

2. НИ (день) 1,4 -1012 3-10"3 4,2-109

3. ВИ (слабые) 10" 5-1СГ' 5-Ю'2

4. ВИ (сильные) 5-10" 1 5-10"

Таблица 1 Параметры слоя F нормальной ионосферы (НИ) и ВИ

При возмущениях ионосферы (ВИ) на высотах слоя Р (например, в результате ее радионагрева комплексом НААЯР или инжекции легкоионизирующихся химических веществ) происходит существенное изменение распределения электронной концентрации в ионосфере (как показано на рисунке 1).

Согласно данным таблицы 1, при ВИ среднеквадратическое отклонение (СКО) электронной концентрации (ЭК) в неоднородностях ионосферы (сг4Д_),

имеющих волокнистый характер, может возрастать на 3...4 порядка.

/5

(КМ) ■

есо

500

400 300 200 1С0

о

! ни ВИ \

нт Ч—— 10й...1014) ап/и*

фт— £

В п ........................Г..........................1............................1......... 1 • ! ^ } $ -!-г- < / !/ .................!"' « 54 О13 Ш*1? -1-_—,—у

1С?

1С?'

10

1(Г 10,г «Г5

Рисунок1. Распределение электронной концентрации в нормальной и возмущенной ионосфере

Увеличение СКО флуктуаций ЭК (<тл ч ) вызывает рост СКО флуктуации фазового фронта волны с частотой /0 на выходе ионосферы

« 80,8 ж / с 1гэ зес 0 )0 5 <тд Л, / /0 , [ рад ]. (1)

Возрастание о~Г1 вызывает многолучевое распространение радиоволн (РРВ) и рост относительных фазовых сдвигов и времени запаздывания лучей, приходящих в точку приема:

Ар, = ш0Дг,~сгЛЛ,//0. (2)

Как показано на рисунке 2, это вызовет сужение полосы когерентности трансионосферного канала связи (КС)

111 11 А 1 .1.1

волокнистые

неоднородносп и->—' <--—• средняя ЭК(Я)'---С^Э-'''_ _

рассеяние волн (многолучевость)

Л ~Л.Г41 1 Дг, — А.М, /

//////// / / // // // // // Рисунок 2. Возникновение многолучевости при трансионосферном РРВ при ВИ

2 ч 1/2

[Гц].

(3)

Согласно выражениям (1-3) и рисунку 2, увеличение СКО флуктуаций ЭК (аА%.) вызывает рост СКО флуктуаций фазового фронта волны на выходе ионосферы (сгД многолучевое РРВ и сужение полосы когерентности (1\) трансионосферного канала связи (КС) до 100 кГц и менее.

В трансионосферном КС с полосой <100 кГц при передаче типовых ШПС =2-г-20МГц) выполняются условия отсутствия межсимвольной интерференции (МСИ) и возникновения ЧСЗ:

тл» 1; (4)

^/^„<1- (5)

При невыполнении условий (4,5) возникают общие замирания (ОЗ) и ЧСЗ принимаемых сигналов. При отсутствии ОЗ и АП вероятность ошибки в некогерентном приеме элементарного символа для узкополосных сигналов типа ОФТ имеет известный вид:

^=М-тНехр

N.

о /

где Ег

РГТЯ

(6)

г ' энергия принимаемого сигнала; N0 - спектральная плотность мощности шума

При отсутствии ОЗ и воздействии АП

р.:

1+-

1 ЪгП. \

~-ехр -

2 2 / 1

Г Л ( А2 >

= 1 + л_

кл) \ РТ

л2

где п

(7)

(8)

Р^з/А/о

При наличии релеевских ОЗ и АП вероятность ошибки в приеме элементарного символа для узкополосных сигналов типа ОФТ имеет вид:

1

2 + /Г7/ц,

(9)

где

Л/п

N0

= /г2.- среднее отношение сигнал/шум (с/ш), равное отно-

шению с/ш в канале без замираний.

При наличии ЧСЗ и АП вероятность ошибки в приеме элементарного символа для узкополосных сигналов типа ОФТ имеет вид:

Р =. ' ош

1

2 + /Г77ч

(10)

Чч

АР1 1+ 0

1

Л~2

где 4 -ну . коэффициент энергетических потерь при обработке сиг-

нала из-за ЧСЗ (11)

На графиках рисунка 3 представлены искомые зависимости вероятности ошибки для рассмотренных выше случаев.

Анализ влияния замираний общих и частотно-селективных при воздействии только АП (а) и только ЧСЗ (б) на помехоустойчивость приема ШПС показал следующее:

1) согласно выражениям (6-9) и рисунку 3 (а), при воздействии АП на вход приемника по мере расширения полосы спектра ШПС () помехоустойчивость их приема улучшается;

2) согласно выражениям (10-11) и рисунку 3 (б), при ограниченной полосе когерентности (Гк) канала связи по мере расширения полосы спектра ШПС () степень их ЧСЗ возрастает ([\ / Г,, < 1) и помехоустойчивость их приема ухудшается.

40 К2, дБ

о 10й 10 !

10

10 20 30 40 50 И\лБ

10'

ш ^ 1 0,1 ;

^ 7ч = 0,0

\

Рг ■ 3 V 1

0-»сс

Рисунок 3 Анализ влияния замираний и АП на вероятность ошибки Таким образом, возникает противоречие в практике: расширение полосы спек-

гр

тра ( 0) ШПС, применяемых для повышения помехоустойчивости ССС в условиях АП, приведет к снижению помехоустойчивости широкополосных ССС в условиях сужения

г

полосы когерентности ( к) вследствие увеличения степени возникающих ЧСЗ

Разрешение данного противоречия требует решения следующей научной задачи: разработка аналитической методики оценки помехоустойчивости ССС в условиях воздействия АП ( И^) и ограниченной полосы когерентности (/гк) трансионосферного канала с частотно-селективными замираниями:

Решение общей научной задачи требует решения, соответственно, частных научных задач разработки:

1. Методики оценки помехоустойчивости широкополосных ССС при заданной степени ЧСЗ (Гк / ) и влияния АН (Л„ /Т^о), позволяющей определить оптимальную полосу (^ор,) спектра ШПС сигналов по критерию минимальной вероятности ошибки (Рпт):

= W{hl,FJF0,hllTFJ ; .2

(13)

= . (14)

2. Методики оценка помехоустойчивости разнесенного приема сигналов на несколько (п= 3) антенн при пространственной корреляции замираний | ф 0) в условиях ЧСЗ и АП:

(15)

3. Методики оценки полосы когерентности (FK) трансионосферного канала на основе результатов зондирования полного электронного содержания (ПЭС) неоднородной ионосферы с помощью спутниковых радионавигационных систем (СРНС):

F^ = v(N~T,c7iVr,/0). (16)

Во втором разделе приведены результаты решения первой и второй частных научных задач. Решение первой частной научной задачи - разработки методики оценки помехоустойчивости широкополосных ССС при заданной степени ЧСЗ (F / Fn) и влияния АП (h2n /TSF0), позволяющей определить оптимальную полосу (F0= F0pt) спектра ШПС по критерию минимальной вероятности ошибки ( min Рош) произведено так.

Вначале приводится анализ известной методики оценки помехоустойчивости некогерентной схемы приема сигналов (рисунок 4) в каналах связи с ЧСЗ

ОЩ)

Xr{t) = Sr{t) + h(t)

h

СФ 1 КДО

СФ 2 КДО

Рисунок 4 - Схема некогерентного (НК) приема сигналов на согласованный фильтр (СФ) и квадратурный детектор огибающей (КДО) Данная методика включает этапы определения 1) Комплексной огибающей (КО) принимаемого сигнала с ЧСЗ

5Д0= \Б{1-Т-т)Ь{т)(1т= \8{1'-т)Ь(т)с1т, (17)

-00 -СО

где ¿(г) - импульсная функция КС с рассеянием по т; I1 ~ 1-х ^

2) Откликов на выходах СФ, 0 в момент /' = ТА, (т. е. / = т + Тх)

* *

= 4 = (18)

о о

3) Статистических характеристик ¿] и /2 на выходе КДО:

и2\ = £(!,); (¡¿0|2\ = О(4); (цц\ = 0 (19)

4) Отношения С/Ш на выходе схемы обработки и Рош :

W=[D{Ll)-D{LQ)УD(L0) = h2тlч■ (20)

/>ош=(2 + Г)-1=(2 + ЛЧ)"1, (21)

где г)ч<1 - коэффициент уменьшения /г2 (энергетических потерь) из-за ЧСЗ.

Методика оценки помехоустойчивости широкополосных ССС при заданной степени ЧСЗ и влияния АП, позволяющей определить оптимальную полосу спектра ШПС сигналов по критерию минимальной вероятности ошибки разработана в 2 этапа. На первом этапе была разработана методика получения аналитической зависимости (13) ='//(/;,-, Рк/Гв, /7) вероятности ошибочного приема ШПС

при заданной степени ЧСЗ (/^ / ) и влияния АП (И] / ).

На вход ПРМ (рисунок 4) поступает аддитивная смесь принимаемого ШПС с ЧСЗ (17), гауссовского белого шума (ГБШ) и узкополосной АП:

ХД0 = 5Г1(0 + Й(0 + 5ГП(0, (22)

где ¿Гп (/) - КО принимаемой АП (сосредоточенной по спектру и незамирающей) с энергией ЕГп.

На основе (22) и выражений (17-21) получена формула

=1/(2 + /^ ЛмЛп), (23)

где Г1Ч «(1 + 4^02/я^к2)"1/2; (24)

Пп=(1 + И2П/Т^0Г\ (25)

- коэффициенты энергетических потерь (т.е. уменьшения /г(2) при обработке сигналов из-за ЧСЗ и воздействия АП. Согласно (24,25), формулу (23)можно записать как:

Р =- 1

(26)

где

9» = (7, Г' = (1+4)"2(1 + К/ТЛ) (27)

- общий энергетический проигрыш при обработке сигналов из-за ЧСЗ и АП.

На рисунке 5 приведен график зависимости Рош от выбора полосы спектра ШПС

(Г0 ) при Рк =100 кГц и И^!Т3 =104, 105, 106.

Рисунок 5. Зависимость помехоустойчивости ССС от полосы спектра ШПС

На втором этапе осуществляется определение оптимальной полосы (Fopt) спектра ШПС сигналов по критерию минимальной вероятности ошибки (14):

Находим производную от q,ln по F0 и, приравняв ее к нулю, решаем уравнение д,', п ( Fq ) = 0. В результате получим искомое выражение (14) в виде:

Fopt=[(7iFK/4)(/^/7;)],/3. (28)

Решение второй частной научной задачи - разработки методики оценки помехоустойчивости разнесенного приема сигналов на несколько (п- 3) антенн при пространственной корреляции замираний (| R | Ф 0) в условиях ЧСЗ и АП осуществлено так.

На 1-м этапе произведена оценка помехоустойчивости строенного {п = 3) приема сигналов при пространственной корреляции замираний в антеннах (\R |*0) в условиях отсутствия ЧСЗ (FK /F0 со) и АП (h^ =0), когда наблюдаются только релеевские общие замирания (Рл.ОЗ). Выражения для оценки помехоустойчивости получены в виде совокупности формул

12

>?(я.2+1)(я.3+1) 4(^1+1)^3+1), 4(^+1)^2+1)

(Я., + 2 )аЬ

(к2 +2 )ас

(Х3 +2 )сЬ

(29)

где

а = -Л.2ХЛ, +Х2 + Я,Х2); Ь = (Я., + А.3 + /ЦЯ3);

с = (Я2+Я3+Я2Я3); (30)

X, =/гь2 +2гсоз(ф/3); Х2 = $ -2гсоз[(7г-ф)/3]; А,3 =1$ -2/-соз[(7Г + ф)/3]; (31)

|2

; ф = агссо5 , 2\ • (32)

(|Л,|2+|/?2|2+|Л3!2)3/2

На 2- й этапе произведено обобщение результатов (29 - 32) на случай приема сигналов с различной степенью ЧСЗ (/^/^о) и влияния АП (/¡¡¡/ГЛо)в виде выражений:

= Ло /<7чп+2гчпсо5(ф/3); Х2 =/гЬ2/^чп-2л-чпсоз[(я-ф)/3] ; (33)

^•з = Аз /<7чп -2гчпсо5[(тс + ф)/3]; гчп

<7чп

где с/,,,, = ч/(//г0,Л2 ) определяется согласно (27).

^ОШ 1 : - - - /'ош 5 _

0д,|2+|Я2|2+|Я31

\1/2

, (34)

10"

10"

10"

кг

10"

? = 40 дБ

\ А

уЛ2 = з 0 дБ /

- 20 дБ Й ■

10 20 а

зо и;, дБ

10 10^ 10 Р0, кГц

б

Рисунок 6 - графики для оценки помехоустойчивости ССС при строенном (п = 3) приеме ШПС с различной степенью ЧСЗ (Гк /=0,5;0,1;0,01)в отсутствие АП (а) и при наличии АП (б).

В результате зависимость (15) получена в виде выражений (29,30,33,34).

На рисунках 6 а) и 6 б) приведены графики для оценки помехоустойчивости ССС при строенном (и = 3) приеме ШПС с различной степенью ЧСЗ (Рк / = 0,5; 0,1; 0,01) в отсутствие АП и при наличии АП с различной мощностью^2 =20...40дБ).

Из графиков следует: 1) с увеличением степени ЧСЗ вероятность ошибки существенно повышается при сужении полосы когерентности; 2) при фиксированной энергетике помехи, воздействующей на ШПС в канапе с ЧСЗ, имеется оптимум по полосе когерентности, обеспечивающем минимум вероятности ошибки, что подтверждает исходные посылки при постановке задачи.

В третьем разделе разработана методика оценки полосы когерентности трансионосферного канала на основе результатов зондирования полного электронного содержания неоднородной ионосферы с помощью СРНС.

В настоящее время для оценки полосы когерентности трансионосферного КС (3) используется ее зависимость от СКО флуктуации фазового фронта волны на выходе неоднородного слоя а и параметров ионосферы:

/. __ Уо ___/о С

Г =-

(35)

л/2<7Д1 + 42/2)"2 л/2<г,Д, 8O,8;r5'4(2/,z,sec0o)"2/?^ Д," Недостаток определения полосы когерентности согласно (35) состоит в необходимости проведения измерений среднего значения максимальной электронной концентрации (ЭК) в ионосфере (Nm) и интенсивности неоднородностей (/?) с помощью станции вертикального зондирования ионосферы (ВЗИ), размещаемой в точке, которая может находиться на расстоянии ~ 1000...2000 км от приемника ССС.

Анализ особенностей определения полного электронного содержания (ПЭС) NT(p,À) в неоднородной ионосфере двухчастотным приемником (ДЧ ПРМ) СРНС

при вертикальном (а) и при наклонном (б) РРВ (рисунок 7) покдзалхледующее: ^ НКА ТЖА^Г

-{.Щ /.. . /{т)

■VK,'1)

Д'т(р)={ЛГг)+Д(У1(р)

а = 90 • - <?„

Ц(р,а)=(Ыт(а))+Щ(р,а)

////////// ///'////'/// Рисунок 7- Определение полного электронного содержания в неоднородной ионосфере двухчастотным ПРМ при вертикальном в0 = 0 (а) и при наклонном 0О > 0 (б) распространении радиоволн.

СКО флуктуаций фазы во фронте волны можно определить как

I is (ß{e0)NTjßa) yz,sec0o{ f0 80,8яЛ \C(ßNA

С Л2эо1 /о J

f

\

3 0V Jo /

где

Мт(в0) = (NM)) = (Nm)h3se c6> = (NT)sec0o

(37)

- среднее значение ПЭС в ионосфере при наклонной трассе РРВ;

(38)

- интенсивность ионосферных неоднородностей при наклонном РРВ.

Величину СКО флуктуаций фазового фронта волны на выходе ионосферы можно определить согласно выражениям (36-38) по редультатам измерений среднего значения (N¡(0,,) и СКО (<т№1(#0)) флуктуаций ПЭС в ионосфере при 0О >0

наклонной трассе РРВ.

Достоинством такой методики определения полосы когерентности (/^) □ $01сг трансионосферного канала является возможность проведения измерений среднего значения ПЭС 0\гт(во)) и интенсивности неоднородностей [3 (0(1) в подионосферной точке трассы РРВ с помощью двухчастотного приемника СРНС, размещаемого рядом с приемником ССС.

Приведены практические рекомендации по обеспечению требуемой помехоустойчивости широкополосных ССС в условиях возмущений ионосферы (ВИ) в слое Р и

Основными рекомендациями являются:

1) Выбор по возможности наиболее высоких несущих частот /0 (например, не 1 или 4 ГГц, а 11 или 20 ГТц) и наименьших углов 0О наклона РРВ (например, путем использования спутника-ретранслятора на высокоэллиптических орбитах, а не геостационарных), что способствует расширению полосы когерентности трансионосферного канала (FK).

2) Выбор разноса антенн (Ар) при использовании строенного приема в соответствии с условием обеспечения допустимой пространственной корреляции замираний (|Я |<0,5) при заданном значении их интервала корреляции (Арк = /v / аф), где СКО фазового фронта волны на выходе ионосферы определится как (36).

3) Выбор оптимальной полосы спектра передаваемых ШПС в соответствии с выражением (28) F = \(л FJA)(h4 Ts)] "\ что обеспечивает min Рош в КС с заданной

полосой когерентности (FK) и мощностью помехи (h\).

Поскольку выбор оптимальной полосы спектра передаваемых ШПС в ССС определяется полосой когерентности (FK ) трансионосферного КС, в работе обоснованы способ и устройства измерения статических характеристик ПЭС с помощью двухчастотного приемника СРНС. В частности, обоснованы структуры построения блока измерения среднего значения ПЭС и интенсивности ионосферных неоднородно-

АП

стей и блока измерения полосы когерентности трансионосферного канала связи, приведенных на рисунках 8 и 9.

Рисунок 8 - Блок измерения среднего значения ПЭС и интенсивности ВИ

шсх гас бит ос

Рисунок 9 - Блок измерения полосы когерентности трансионосферного КС.

Здесь: БВМО - блок вычисления математического ожидания; БВСКО - блок вычисления СКО; БВИНИ - блок вычисления интенсивности неоднородностей ионосферы; БВПК - блок вычисления полосы когерентности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной диссертационной работе разрешено важное противоречие в практике построения ССС с ШПС для условий наличия в трансионосферном канале ЧСЗ сигналов, вызванных ВИ, и воздействием АП: расширение полосы спектра ШПС, применяемых для повышения помехоустойчивости ССС в условиях АП, приведет к снижению помехоустойчивости широкополосных ССС в условиях сужения Кк вследствие увеличения степени возникающих ЧСЗ (/ < 1) Разрешение данного противоречия осуществлено путем решения задачи разработки аналитической методики оценки помехоустойчивости ССС в условиях воздействия АП () и ограниченной полосы когерентности (Ff.) трансионосферного канала с частотно-селективными замираниями.

Результаты решения данной научной задачи позволят:

- на стадии проектирования и эксплуатации закладывать в аппаратно-программные средства земных станций и спутника-ретранслятора программное обеспечение, реализующее адаптацию полосы ШПС в соответствии с оптимальной полосой, найденной согласно разработанному научно-методическому аппарату, учитывающему воздействие ЧСЗ и активных помех;

- сравнительно просто осуществлять зондирование ионосферы по сигналам СРНС в точке приема двухчастотным приемником по предложенной методике.

Использование разработанного научно-методического аппарата применительно к трансионосферному каналу ССС типа VSAT для типовых условий функционирования при АП (/î^=17 дБ) и ВИ (Fk/F0=0,l) позволит при строенном приеме получить выигрыш помехоустойчивости в 8 дБ по отношению к варианту без АП и ВИ.

Дальнейшие исследования целесообразно продолжить в следующих направлениях:

- решение задачи обоснования минимально необходимого числа космических аппаратов СРНС, нужных для покрытия заданной подспутниковой зоны связи в интересах зондирования ионосферы;

- синтеза адаптивного приемо-передающего комплекса системы спутниковой связи, реализующего в реальном масштабе времени адаптацию своих аппаратно-программных средств под оптимальную частоту, найденную зондированием ионосферы по сигналам СРНС, в рамках сетевых соединений типа «точка-точка» и «точ-ка-многоточка».

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях из перечня ВАК:

1. Коротков, С.Ю. Пеленгация искусственного ионосферного образования с помощью навигационного космического аппарата / С.Ю. Коротков, В.П. Пашин-цев, В.И. Стрекозов // Известия института инженерной физики. - Серпухов, 2013. -№4. - С. 88-94.

2. Коротков, С.Ю. Помехоустойчивость спутниковой связи при активных помехах и ограниченной полосе когерентности канала / С.Ю. Коротков, В.П. Пашин-цев, М.Э. Солчатов // Инфокоммуникационные технологии. - Самара, 2013. - №4. -С. 35-38.

3. Коротков, С.Ю. Адаптивная алгоритмическая компенсация канальных искажений при демодуляции сигналов OFDM / С.Ю. Коротков, А.Д. Поздняков, В.А. Поздняков, Д.С. Коробов // Известия института инженерной физики. - Серпухов, 2012. -№3.- С. 90-95.

4. Коротков, С.Ю. Концептуальные основы построения системы электронного мониторинга подконтрольных лиц / С.Ю. Коротков, Е.П. Зараменских // Известия института инженерной физики. - Серпухов, 2011. -№3. - С. 33-37.

В других изданиях:

5. Коротков, С.Ю. Методика определения требуемого коммутационного ресурса для абонентов сети межкомпьютерного обмена стандарта IEEE 802.16/ С.Ю. Коротков, С.Е. Потапов, A.M. Деркач // Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. A.C. Попова. Серия: Научная сессия, посвященная Дню радио. Вып. LXVII. М.: «Информпресс-94», 2012. С. 291-293с.

6. Коротков, С.Ю. О необходимости применения ортогональных в усиленном смысле сигналов для коротковолновых систем радиосвязи/ С.Ю. Коротков, C.B. Ярёмченко, С.С. Манаенко// Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. A.C. Попова. Серия: Научная сессия, посвященная Дню радио. Вып. LXVIIi. М.: «Информпресс-94», 2013. С. 255-257с.

7. Коротков, С.Ю. Математическая модель процесса обработки многопакетных сегментов в узле коммутации сети передачи данных / С.Ю. Коротков, C.B. Ярёмченко, A.M. Деркач // Сб. тр. X Российской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в системах связи и управления». - Калуга: КНИИТМУ, 2011. - С. 68-73.

8. Короткое, С.Ю. Проблема выбора параметров технических средств спутниковой связи при использовании пониженных частот и сдвоенного приема сигналов / С.Ю. Коротков, C.B. Ярёмченко, В.П. Пашинцев, А.Ф. Чипига // Сб. тр. XII Российской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в системах связи и управления». - Калуга: КНИИТМУ, 2013. - С. 125-128.

9. Коротков, С.Ю. Методика системного анализа проблемы выбора параметров технических средств спутниковой связи при использовании пониженных частот и сдвоенного приема / С.Ю. Коротков // Сб. тр. XII Российской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в системах связи и управления». - Калуга: КНИИТМУ, 2013. - С. 129-134.

10. Коротков, С.Ю. Применение численного метода вращений к оценке помехоустойчивости резонансного приема сигналов / С.Ю. Коротков, C.B. Ярёмченко // Сб. тр. VII Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в образовании, науке и производстве». - Протвино, 2013. - С. 665-667.

11. Коротков, С.Ю. Подход к расчету поглощения спутниковых радиоизлучений в ионосфере / С.Ю. Коротков // Сб. тр. VII Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в образовании, науке и производстве». - Протвино, 2013. - С. 679-683.

12. Коротков, С.Ю. Методика синтеза систем дискретных квазиортогональных сигналов / С.Ю. Коротков, C.B. Ярёмченко, Д.В. Гайдук, A.B. Белоконь // Сб. тр. XXX Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем». - Серпухов: СВИ PB, 2011. - Т. 4. - С. 103-108.

13. Коротков, С.Ю. Синтез оптимальных оценок параметров мультипликативной помехи для трансионосферного канала связи / С.Ю. Коротков // Сб. тр. VIII Российской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в системах связи и управления». - Калуга: КНИИТМУ, 2009. - С. 151-157.

14. Коротков, С.Ю. Оптимизация величины скользящего окна транспортного протокола 1Р-сети / С.Ю. Коротков, C.B. Ярёмченко, C.B. Чайка // Сб. тр. VI Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в образовании, науке и производстве». - Протвино, 2012. - С. 241-243.

15. Коротков, С.Ю. Специфика применения способа синдромного декодирования в системе спутниковой связи 1 С.Ю. Коротков,C.B. Ярёмченко, А.Д. Белов, С.С. Манаенко // Сб. тр. V Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в образовании, науке и производстве». - Протвино, 2011.-С. 122-125.

16. Коротков, С.Ю. Методика расчета мощности шума на входе приемника системы спутниковой связи с пониженной несущей частотой / С.Ю. Коротков, C.B. Ярёмченко, А.Ф. Чипига, Э.Х. Дагаев // Сб. тр. XXXII Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем». — Серпухов: ФВА, 2013.-Т. 5.-С. 350-352.

17. Коротков, С.Ю. Научно-методическое обеспечение выбора параметров технических средств спутниковой связи при использовании пониженных частот и сдвоенного приема сигналов / С.Ю. Коротков, А.Ф. Чипига, В.П. Пашинцев // Сб. тр. XXXII Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем». - Серпухов: ФВА, 2013. - Т. 5. - С. 301-308.

18. Патент РФ на полезную модель №2474960 Опубл. 10.02.2013. Бюл.№28. Адаптивная система радиосвязи / Коротков С.Ю., Пашинцев В.П., Цимбал В.А.,

Шиманов С.Н.

19. Патент РФ на полезную модель №110501 от 20.11.2011. Бюл. №32. Устройство двухчастотного измерения полосы когерентности трансионосферного канала связи / Короткое С.Ю., Пашинцев В.П., Цимбал В.А., Шиманов С.Н.

20. Жасмин-Д-ИИФ»: эскизный проект ОКР / МОУ «Институт инженерной физики»; гл. конструктор В.А. Цимбал. - Серпухов: МОУ «ИИФ», 2010. - С. 80-95.

21. «Жасмин-Д-ИИФ»: технический проект ОКР / МОУ «Институт инженерной физики»; гл. конструктор В.А. Цимбал. - Серпухов: МОУ «ИИФ», 2011. — С. 65-88.

Усл. печ. л. 1,0. Заказ № 125. Тираж 100 экз.

Редакционио-издательский центр Филиала военной академии РВСМ им. Петра Великого 142210, г. Серпухов, Моск. обл., ул. Бригадная, 17.

Межрегиональное общественное учреждение «Институт инженерной физики»

На правах рукописи

04201456491

Короткое Сергей Юрьевич

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

Специальность 05.12.13 Системы, сети и устройства телекоммуникаций

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Заслуженный работник высшей школы РФ доктор технических наук, профессор

Пашинцев В.П.

Серпухов -2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ ................................................................ 4

1. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И ОСОБЕННОСТЕЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЗЕМНЫХ СТАНЦИЙ ССС.............................. 11

1.1. Анализ существующих ССС и тенденций их развития....... 11

1.2. Анализ влияния неоднородностей ионосферы на достоверность широкополосной спутниковой связи................................... 25

1.3. Анализ методики определения полосы когерентности трансионосферного канала связи......................................................... 41

1.4. Анализ комплексного влияния возмущений ионосферы и активных помех на помехоустойчивость систем космической связи...... 59

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ССС В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ АП И ОГРАНИЧЕННОЙ ПОЛОСЫ КОГЕРЕНТНОСТИ ТРАНСИОНОСФЕРНОГО КАНАЛА СВЯЗИ ........................... 71

2.1. Оптимизация ширины спектра сложных сигналов в условиях воздействия АП и ЧСЗ принимаемых сигналов........................... 71

2.2. Оценка помехоустойчивости строенного приема при пространственной корреляции замираний в условиях ЧСЗ и АП.................... 93

2.3. Методика определения полосы когерентности спутникового канала связи по данным трансионосферного зондирования............. 107

2.4 Выводы.............................................................................119

3. РАЗРАБОТКА ПРАКТИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ТРЕБУЕМОЙ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ................................................... 120

3.1. Прогнозирование помехоустойчивости систем космической связи

в условиях воздействия АП и ИВИ в слое F............................. 120

3.2. Практические рекомендации по обеспечению требуемой помехоустойчивости ССС............................................................... 132

3.3. Обоснование технических решений по измерению полосы когерентности трансионосферного канала связи с помощью СРНС...... 140

3.4. Выводы..................................................................... 149

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................... 150

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Анализ экономической эффективности применения ССС.................................................................. 152

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................ 169

ВВЕДЕНИЕ

Информационное пространство современного развитого государства является одной из важных составляющих его промышленного и оборонного потенциала. Ядром такого информационного пространства является телекоммуникационная система государства, которая в нашей стране представлена Единой Сетью Электросвязи РФ (ЕСЭ РФ). В свою очередь, ЕСЭ РФ представлена взаимоувязанной сетью многих операторов связи и включает в свой состав как наземную проводную составляющую (в основном волоконно-оптическую), так и радийную компоненту, включающую, в том числе и системы спутниковой связи (ССС).

ССС в РФ решают ряд важных телекоммуникационных задач: связь территориально распределенных стационарных объектов различного назначения в регионах с низкой плотностью населения (фиксированная спутниковая служба) и связь различных мобильных объектов между собой (подвижная спутниковая служба). В разработке и создании комплексов ССС принимают участие: Государственный оператор «Космическая связь», Красноярский НПО/ПМ им. Решетнева и компания Alcatel (создание трех спутников нового поколения «Экспресс А»), НИИР, ЦНИИС, ООО «Гипросвязь», ГСП РТВ, ОАО «Ростелеком», ЗАО «НИВЦ АС» и др.

Спецификой функционирования ССС является прохождение радиосигналов в радиолиниях «снизу-вверх» и «сверху-вниз» через ионосферу. Именно поэтому каналы спутниковой связи называют трансионосферными радиоканалами. Высокая плотность размещения спутников-ретрансляторов (СР) на геостационарной орбите, значительная насыщенность низкоорбитального пространства космическими аппаратами (КА) связи, а также недостаточная координация работы радиочастотных служб различных государств приводит к значительным активным помехам (АП) в трансионосферных радиоканалах. Снижение влияния АП в ССС реализуется путем применения в них широкополосных сигналов (ШПС) с

большой базой. При этом все абоненты такой ССС реализуют кодовый многостанционный доступ (CDMA) к пропускной способности СР.

Состояние ионосферы оказывает существенное влияние на прохождение радиосигналов (в том числе и ШПС) в трансионосферном радиоканале. Повышенная солнечная активность, радионагрев отдельных участков ионосферы мощным излучением источниками типа HAARP, распыление бария в ионосфере и др. приводят к появлению мелкомасштабных не-однородностей в ионосфере, которые называют возмущениями ионосферы (ВИ). Последние приводят к сужению полосы когерентности трансионосферного радиоканала и к появлению в нем частотно-селективных замираний (ЧСЗ) ШПС.

Таким образом, для обеспечения заданной помехоустойчивости по вероятности ошибки на элементарный символ в трансионосферном радиоканале ССС с ШПС в условиях ВИ и АП необходимо изменять полосу частот используемых сигналов.

Вопросам построения ССС с ШПС большое внимание уделено в школах таких ученых как Калашников Н.И., Фортушенко А.Д., Кантор Л.Я., Петрович Н.Т., Зубарев Ю.Б., Тузов Г.И., Камнев Е.Ф., Камнев В.Е., Черкасов В.В., Чернявский Г.М., Чечин Г.В., Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С., Аболиц А.И., Акимов A.A., Белов A.C., Спилкер Дж., Степанов С.Н., Тепляков И.М., Машбиц Л.М., Эйнджел Дж., Пашин-цев В.П., Цимбал В.А., Шиманов С.Н. и другие. Однако вопрос оптимизации используемой полосы ШПС сигнала в трансионосферном радиоканале в условиях воздействия ВИ и АП остается открытым.

В связи с изложенным, возникает следующее противоречие: с одной стороны, для повышения помехоустойчивости трансионосферного канала в присутствии АП необходимо расширять полосу частот ШПС, с другой стороны в условиях ВИ в трансионосферном канале возникают ЧСЗ, что требует сужать полосу частот ШПС.

Разрешение этого противоречия возможно за счет разработки аналитической методики оценки помехоустойчивости ССС в условиях воздействия АП, характеризуемых отношением помеха/шум, (/^ ) и ограниченной полосы когерентности (FK) трансионосферного канала с частотно-селективными замираниями.

Разработанные на основе этой аналитической методики практические рекомендации позволят обеспечить требуемую помехоустойчивость ССС.

Поэтому целью диссертационных исследований является разработка практических рекомендаций по обеспечению требуемой помехоустойчивости системы спутниковой связи, использующих широкополосные сигналы, в условиях одновременного воздействия активных помех (АП) и сужения полосы когерентности радиоканала на основе выбора частотных параметров передаваемых сигналов и применения способов трансионосферного зондирования.

Анализ известного научно-методического аппарата (НМА) оценки помехоустойчивости систем космической связи (ССС) в указанных условиях функционирования показывает, что он ограничен рамками получения зависимости Р-ю =ty(hQ,Fè/F0) помехоустойчивости приема ШПС с заданной степенью ЧСЗ (Fè/F0) в ККС с ограниченной вследствие роста неоднородностей ЭК в слое F ионосферы полосой когерентности Fè. Эта

зависимость получена на основе разработанной Н.Е. Кирилловым методики оценки помехоустойчивости некогерентного (НК) приема сигналов в многолучевых каналах связи (КС) с учетом влияния ЧСЗ (Fê/i^ <1). Кроме того, известна разработанная A.A. Сикаревым и А.И. Фалько методика оценки помехоустойчивости НК приема сложных сигналов (Bs = TSF0 » 1 ) в многолучевых КС с рэлеевскими общими замираниями (Рл.ОЗ), т.е. в отсутствие ЧСЗ (F&/F0 »1), с учетом воздействия сосре-

доточенных по спектру АП. Влияние последних на Р1о характеризуется

о о

величиной /zj /TSF0 уменьшения отношения hQ = £Г1- /N0 энергии принимаемой Erï помехи к N0 в базу (BS=TSF0) раз. Известна разработанная

И.С. Андроновым и J1.M. Финком общая методика оценки помехоустойчивости пространственно - разнесенного НК приема сигналов с квадратичным сложением результатов их обработки в п ветвях разнесения. Однако ее результаты позволяют получить аналитическую зависимость

Pîo =v}/(/?0 ) для строенного (п = 3) приема сигналов только в многолучевых КС с Рл.ОЗ при отсутствии корреляции замираний в ветвях обработки (т.е. |R | = 0). Отсюда следует, что на базе известного НМА достижение поставленной в работе цели исследований невозможно.

Поэтому предметом диссертационных исследований является влияние АП и частотно-селективных замираний принимаемых сигналов при возмущениях ионосферы в слое F на помехоустойчивость ССС с ШПС.

Научной задачей диссертационных исследований является разработка аналитической методики оценки помехоустойчивости ССС в уело-

о

виях воздействия АП (Z^) и ограниченной полосы когерентности (FK) трансионосферного канала с частотно-селективными замираниями.

Решение общей научной задачи требует решения, соответственно, частных научных задач разработки:

1. Методики оценки помехоустойчивости широкополосных ССС при

заданной степени ЧСЗ (FK/F0) и влияния АП (h^/TsF0), позволяющей определить оптимальную полосу (-Fopt) спектра ШПС сигналов по критерию минимальной вероятности ошибки ( Рош).

2. Методики оценки помехоустойчивости разнесенного приема сигналов на несколько {п = 3) антенн при пространственной корреляции замираний (\R | ^ 0) в условиях ЧСЗ и АП.

3. Методики оценки полосы когерентности (FK) трансионосферного канала на основе результатов зондирования полного электронного содержания (ПЭС) неоднородной ионосферы с помощью спутниковых радионавигационных систем (СРНС).

Работа состоит из введения, трёх разделов, заключения, списка использованных источников и приложения. Диссертация содержит 179 страниц текста, 48 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 116 наименований.

В первом разделе проведен анализ существующих ССС, использующих как узкополосные, так и широкополосные сигналы. Приведены требования к помехоустойчивости каналов ССС по вероятности ошибки на элементарный символ. Дана характеристика активных помех в трансионосферных каналах ССС, указаны основные способы возмущений ионосферы, приводящих к возникновению искусственных ионосферных образований, которые приводят, в свою очередь, к снижению полосы когерентности радиоканала и к возникновению ЧСЗ. Проведены обоснование и постановка цели и научных задач исследований.

Во втором разделе приведены результаты решения первой и второй частных научных задач.

В третьем разделе разработана методика оценки полосы когерентности трансионосферного канала на основе результатов зондирования полного электронного содержания неоднородной ионосферы с помощью СРНС. Достоинством такой методики определения полосы когерентности (FK) ~ f0/(Тр трансионосферного канала является возможность проведения

измерений среднего значения ПЭС (Nr(00)) и интенсивности неоднород-ностей Р (0О) в подионосферной точке трассы РРВ с помощью двухчас-тотного приемника СРНС, размещаемого рядом с приемником ССС.

Разработаны практические рекомендации по обеспечению требуемой помехоустойчивости широкополосных ССС в условиях возмущений ионосферы (ВИ) в слое F и АП.

В приложении А приведён анализ экономической эффективности применения ССС.

Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что:

1. Методика оценки помехоустойчивости широкополосных ССС при заданной степени ЧСЗ и влияния АП, позволяющая определить оптимальную полосу спектра ШПС сигналов по критерию минимальной вероятности ошибки, в отличие от известных методик, учитывает одновременное влияние АП и степени ЧСЗ принимаемых сигналов на энергетические потери при обработке сигналов.

2. Научная новизна второго результата заключается в том, что произведено теоретическое обобщение методики оценки помехоустойчивости строенного приема сигналов с релеевскими замираниями на случай приема сигналов с частотно-селективными замираниями и одновременного воздействия активных помех.

3. Методика оценки полосы когерентности трансионосферного канала на основе результатов зондирования полного электронного содержания неоднородной ионосферы с помощью спутниковых радионавигационных систем (СРНС), в отличие от известных, базируется на результатах не вертикального, а трансионосферного зондирования ВИ с помощью СРНС.

Практическая значимость полученных результатов заключается в прогнозировании помехоустойчивости широкополосных ССС при различной степени возмущения ионосферы и мощности воздействующих активных помех, а также в разработке устройства определения полосы когерентности трансионосферного канала с помощью двухчастотного приемника спутниковой радионавигационной системы.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика оценки помехоустойчивости широкополосных ССС при заданной степени ЧСЗ и влияния АП, позволяющая определить оптимальную полосу спектра ШПС сигналов по критерию минимальной вероятности ошибки.

2. Методика оценки помехоустойчивости разнесенного приема сигналов на несколько антенн при пространственной корреляции замираний в условиях ЧСЗ и АП.

3. Методика оценки полосы когерентности трансионосферного канала на основе результатов зондирования полного электронного содержания неоднородной ионосферы с помощью спутниковых радионавигационных систем (СРНС).

Основные результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: 10 НТК различного уровня, в том числе 3 Международного уровня, 7 Всероссийского уровня. Опубликованы в 21 работе, из них: 17 статей в научно-технических сборниках и журналах, из которых четыре опубликованы в журнале из перечня ВАК, 2 отчета об ОКР, 2 патента РФ на полезную модель.

Результаты работы реализованы:

1. В МОУ «ИИФ» при обосновании полосы ШПС трансионосферного радиоканала специальной ССС в рамках ОКР «Жасмин-Д-ИИФ».

2. В Военной академии РВСН имени Петра Великого (филиал в г. Серпухов Московской области) в учебном процессе по кафедре «Автоматизированные системы управления» (в ходе дипломного проектирования и при изучении дисциплины «Информационные сети и телекоммуникации»).

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору технических наук профессору Пашинцеву Владимиру Петровичу и коллективу МОУ «Институт инженерной физики» (г. Серпухов) за помощь, оказанную при написании диссертации, и критические замечания, высказанные при ее обсуждении.

1. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И ОСОБЕННОСТЕЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЗЕМНЫХ СТАНЦИЙ ССС.

1.1. Анализ существующих ССС и тенденций их развития.

В 17 главе «Итогового доклада о результатах экспертной работы по актуальным проблемам социально-экономической стратегии России на период до 2020 года Стратегия 2020: Новая модель роста — новая социальная политика» [89], определяющей развитие в направлении преодоления информационной разобщённости, особый акцент делается на целесообразности внедрения универсальной услуги связи, прежде всего, в труднодоступных, удалённых и малонаселённых районах. В состав этой универсальной услуги должны быть включены подвижная связь и широкополосный доступ (ШПД) в сеть Интернет.

Реализация Стратегии 2020 в этом направлении может быть обеспечена за счёт более широкого использования существующих систем спутниковой связи (ССС), разработки и внедрения новых СС, реализующих наиболее полный перечень услуг абонентам, использующих современные технологии и протоколы передачи данных.

Перспективность использования ССС для реализации Стратегии 2020 обусловлена такими их преимуществами, как [23, 35, 60, 71, 85, 94, 97]:

1) большая дальность связи при охвате значительных"территорий;

2) быстрота строительства линий и сетей связи, возможность обеспечения связи в труднодоступных районах и через различного рода препятствия (океаны, пустыни, горы и т.п.);

3) возможность передачи мощных потоков информации любого вида;

4) возможность обеспечения высокого качества связи, ее независимость от протяженности ЛС, времени года и суток;

5) возможность применения помехоустойчивых методов передачи;

6) возможность обеспечения одновременной связи между многими пунктами (т.е. многостанционного доступа через один ретранслятор КА к большому числу абонентов);

7) высокая мобильность и маневренность связи.

К недостаткам ССС можно отнести:

1) сложность ССС в целом и большие первичные затраты на ее строительство, эксплуатацию и управление;

2) ограничение информационной ёмкости пропускной способностью ретранслятора;

3) возможность �