автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Разработка и исследование алгоритмов автоматической синхронизации комплексов панорамного радиозондирования ионосферы непрерывным ЛЧМ сигналом

005062112

на правах рукописи

ЧЕРНОВ Андрей Алексеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ КОМПЛЕКСОВ ПАНОРАМНОГО РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ НЕПРЕРЫВНЫМ ЛЧМ СИГНАЛОМ

Специальность: 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

г ь

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир - 2013

005062112

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»

Научный руководитель: д-р физ.-мат. наук, профессор

Иванов Владимир Алексеевич Поволжский государственный технологический университет, г. Йошкар-Ола

Официальные оппоненты: д-р техн. наук, профессор

Орлов Игорь Яковлевич Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, г. Нижний Новгород

канд. физ.-мат. наук, доцент Насыров Игорь Альбертович Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань

Ведущая организация: Московский технический университет

связи и информатики

Защита состоится «02» июля 2013 года в 16.00 на заседании диссертационного совета Д.212.025.04 при Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ВлГУ, ауд. 301.

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

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

Автореферат разослан «31» мая 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.025.04 доктор технических наук, профессор

А.Г. Самойлов

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Коротковолновая радиосвязь (по международной классификации высокочастотная (ВЧ) радиосвязь) продолжает играть важную роль при передаче информации на дальние и сверхдальние расстояния как гражданскими, так и военными пользователями. Из-за отражения сигналов от ионосферы ВЧ связь обладает еще одним важным достоинством. Она позволяет осуществлять связь на короткие расстояния (до 400 км) в регионах со сложным рельефом местности. Эти факторы привели к тому, что в последнее время стали создаваться сети автоматизированной ВЧ связи.

Проблемы ВЧ связи связаны со средой распространения радиосигнала -ионосферой, которая испытывает во времени и пространстве вариации различных масштабов, а также приводит к флуктуирующей многолучевости и частотной дисперсии, разрушающей радиосигналы с полосой более -ЮОкГц. ВЧ каналу распространения свойственен достаточно высокий уровень помех, основными из которых являются сигналы от посторонних радиостанций. Кроме того, ионосфера обеспечивает прохождение от передатчика к приемнику сигналов из ограниченного диапазона частот (от НПЧ до МПЧ), зависящего от длины трассы и состояния ионосферы, в силу этого в нем можно организовать только J частотных радиоканалов С/=(МГ1Ч-НПЧ)/5, где В - полоса частот парциального радиоканала). Поэтому одной из важнейших проблем функционирования ВЧ систем является повышение эффективности их работы, предполагающее адаптацию информационно-технических характеристик систем к постоянно изменяющимся параметрам ионосферного распространения и выбор наилучшего парциального канала для передачи информации. Адаптация основана на применении данных предсеансового панорамного зондирования ионосферы на линии связи. Зондирование позволяет извлечь из принимаемого сигнала информацию о состоянии ионосферной радиолинии и скорректировать информационно-технические характеристики системы на актуальные значения. В различное время вклад в решение вопросов зондирования ионосферы внесли H.A. Арманд, Н.П. Данилкин, JI.M. Ерухимов, В.А. Иванов, Д.В. Иванов, А.С Крюковский, В.Е. Куницын, В.И. Куркин, JI.A. Лобачевский, Д.С. Лукин, И .Я. Орлов, А.П. Потехин, Н.В. Рябова, В.П. Урядов, Ю.Н. Черкашин. Было показано, что для решения задач зондирования наилучшим образом подходят непрерывные сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), обладающие сверхбольшой базой. За счет поэлементного сжатия в частотной области они обеспечивают значительное снижение отношения сигнал/шум и позволяют создать малогабаритные мобильные устройства.

В настоящее время автоматизация и сетевой подход в организации современных систем ВЧ связи требуют создания автоматических, автономных систем радиозондирования. Однако в этом случае возникает научная задача

обеспечения синхронной работы приемного и передающего терминалов системы зондирования. Анализ показывает, что решение задачи требует проведения теоретических и экспериментальных исследований для выделения параметров системы зондирования, которые требуется синхронизировать с учетом специфики ее работы (в том числе протяженности трассы), а также научного обоснования, разработки и исследования алгоритма автоматической синхронизации.

Фундаментальные проблемы синхронизации радиотехнических устройств исследовались в работах ученых: D.W. Allan, S. Bregni, P. S. Cannon, G. Chen, N. С. Davies, W.C Lindsey, B. W. Reinisch, G.M.R. Winkler, M. Yao, Z. Zhao, В.И. Борисов, Л.Е. Варакин, Б. Гипо, Р.К. Диксон, В.П. Дьяков, C.B. Журавлев, А.А Ляховкин, Е.Г. Момот, К. Одуан, А.В.Пестряков, O.A. Пушкарев, Д.Д. Стиффлер, А.И. Фомин, Б.И. Шахтарин, В.В. Шахгильдян. Однако научная задача автоматической синхронизации ЛЧМ ионозондов в них не рассматривалась. Таким образом, с одной стороны, существует острая необходимость в получении новых знаний об устройствах автоматической синхронизации со спецификой ионозонда для расширенного использования в сетях ВЧ радиосвязи современных, отвечающих мировому уровню, отечественных систем панорамного зондирования; с другой стороны, такому использованию препятствует недостаточный уровень изученности научной задачи автоматической синхронизации с учетом специфики работы ЛЧМ ионозонда.

Цель диссертационной работы: разработка, научное обоснование и исследование алгоритмов автоматической синхронизации терминалов ЛЧМ ионозонда с учетом особенностей среды распространения, специфики его работы и сжатия ЛЧМ сигнала в частотной области, их программная реализация.

Задачами данной работы являются:

1. Обоснование актуальности и практической значимости систем зондирования ВЧ радиоканалов для повышения эффективности дальней радиосвязи через ионосферу земли на основе применения сверхширокополосных сигналов с ЛЧМ и их поэлементного сжатия в частотной области. Анализ необходимости обеспечения автоматической синхронизации разнесенных терминалов ионозонда из-за медленных вариаций параметров канала с учетом его многомерности.

2. Выделение и анализ обобщенных характеристик множества зондируемых парциальных ВЧ радиоканалов на основе радиотехнического подхода в задаче ионосферного распространения ВЧ радиосигналов, позволяющего ввести и использовать понятие многомерного канала. Обоснование и исследование алгоритма автоматического вхождения в синхронизм с учетом задержки и ее рассеяния импульсной характеристики многомерного ВЧ канала.

3. Обоснование и исследование алгоритма автоматического поддержания синхронизма на основе создания и применения новых методик определения рассеяния по задержке, полосы прозрачности многомерного ВЧ радиоканала по результатам его наклонного ЛЧМ зондирования.

4. Создание программно-аппаратной реализация устройства на основе нового алгоритма автоматической синхронизации терминалов зондирования многомерного ВЧ радиоканала и его апробация в натурных экспериментах на трассах мегаметровой протяженности.

Методы исследований. Для решения поставленных задач и получения основных научно-практических результатов использованы методы математического анализа, вычислительной математики, вариационного исчисления и теории распространения радиоволн в ионосфере. Кроме того, в рамках работы были использованы методы численного моделирования с использованием лицензированных пакетов прикладных программ, разработанных с использованием Ма^сас! и Си++. Для научного обоснования алгоритмов в задаче ионосферного распространения радиосигналов был применен современный подход замены физической среды распространения эквивалентным четырехполюсником с одним выходом и числом входов по числу принимаемых лучей. Для ее описания были использованы стохастические импульсная (ИХ) и частотная (ЧХ) характеристики, а для всего множества каналов - статистически устойчивые характеристики: интегральный профиль задержки (ИПЗ) и частотный профиль полной энергии ИХ. Результаты натурных экспериментов получены с использованием современного метода наклонного зондирования на радиолиниях: Йошкар-Ола - Яльчик; Иркутск - Йошкар-Ола; Кипр - Йошкар-Ола. При обработке результатов вычислительных и натурных экспериментов были использованы методы теории вероятности и математической статистики.

Объект исследования: радиотехническая система автоматической синхронизации терминалов ЛЧМ ионозонда, предназначенного для диагностики изменяющегося многомерного ВЧ радиоканала и использующего сжатие зондирующего сигнала в частотной области.

Предмет исследования: новые научные знания об основных параметрах многомерного ВЧ радиоканала, о влиянии на них медленных вариаций параметров и его размерности, об обобщенном алгоритме автоматической синхронизации панорамного ионозонда с непрерывным ЛЧМ сигналом с учетом влияния условий его распространения в канале и протяженности трассы.

Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертационной работы определяются использованием адекватного математического аппарата, статистически достаточным набором экспериментальных данных и их репрезентативностью. Кроме того, она обеспечивается соответствием результатов, полученных путем имитационного моделирования с результатами экспериментальных исследований, выполненных в рамках данной работы, а также

проверкой на соответствие независимым выводам других авторов; повторяемостью результатов на больших объемах экспериментальных данных.

Положения, выносимые на защиту:

1. Алгоритмы: расчета интегрального профиля задержки (ИПЗ) и полосы пропускания многомерного ионосферного ВЧ радиоканала; анализа многомерного ВЧ радиоканала с помощью ИПЗ; определения координат контрольных точек зондирования (КТЗ) трассы по координатам передающего и приемного терминалов ионозонда; расчета профилей общей энергии ИХ парциальных каналов.

2. Алгоритмы вхождения в синхронизм и подержания синхронизма терминалов устройства панорамного ЛЧМ зондирования многомерного стохастического ВЧ радиоканала.

3. Созданные новые пакеты прикладных программ, позволяющие реализовать разработанные алгоритмы с целью повышения эффективности работы аппаратно-программного комплекса ЛЧМ ионозонда в части решения задач исследования особенностей наклонного распространения радиоволн.

4. Результаты вычислительных и натурных экспериментов по исследованию областей априорной неопределенности параметров синхронизации систем наклонного зондирования многомерного стохастического ВЧ радиоканала для трасс различной протяженности и географической ориентации с целью разработки рекомендаций по их использованию.

Научная новизна работы

1. Разработаны алгоритмы вычислительного и натурного экспериментов по исследованию статистически устойчивых характеристик ионосферного распространения ВЧ радиосигналов с различными средними частотами спектра. Получены формулы для расчета:

- координат контрольных точек зондирования (КТЗ) трассы по координатам передающего и приемного терминалов ионозонда для определения основных характеристик многомерного ВЧ радиоканала;

- частотного профиля общей энергии ИХ для многомерного канала, полосы пропускания многомерного канала и его параметров;

- интегрального профиля задержки (ИПЗ) многомерного канала и его параметров.

2. Сформулированы требования к точности и временной стабильности частот тактовых генераторов терминалов ионозонда, влияющих на величину скорости изменения частоты их ЛЧМ синтезаторов, построенных по методу прямого цифрового синтеза.

3. Предложены адаптивные алгоритмы автоматического вхождения в синхронизм и поддержания синхронизма терминалов ЛЧМ ионозонда, основанные на разработанных методиках и предназначенные для работы в сети

зондирования многомерных стохастических ВЧ радиоканалов. Создан пакет прикладных программ, реализующий разработанные радиотехнические алгоритмы автоматического вхождения и поддержания синхронизма при сетевой работе ЛЧМ ионозонда.

4. Получены новые результаты вычислительных и натурных экспериментов по исследованию параметров синхронизации при наклонном распространении в различное время суток и соответствующих всем сезонам на трассах с различной географической ориентацией и протяженностью, что позволило:

- сопоставить теоретические и экспериментальные зависимости математического ожидания с доверительными интервалами средней задержки и интервала задержки за год средней солнечной активности от времени суток;

- получить трехмерные распределения профиля общей энергии импульсной характеристики от частоты и долгосрочного интегрального профиля задержки;

- получить значения основных параметров синхронизации для среднеширотных радиолиний различной протяженности и географической ориентации;

- разработать рекомендации по созданию запасов при задании параметров многомерного канала для надежного обнаружения и измерения зондирующих сигналов во всех парциальных каналах из полосы частот от НПЧ до МПЧ.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1. Основные практические результаты диссертационной работы связаны с повышением эффективности работы радиотехнических систем ВЧ радиосвязи путем сокращения от 10 до 80% времени работы подсистемы радиозондирования многомерных высокочастотных радиоканалов.

2. Разработанные методики и алгоритмы являются базой для создания автоматизированных систем синхронизации в адаптивных системах ВЧ радиосвязи и в ионосферных исследованиях.

3. На основе анализа трехмерных распределений профилей общей энергии импульсной характеристики и долгосрочных интегральных профилей задержки разработаны рекомендации по использованию полученных параметров для автоматической синхронизации систем зондирования ВЧ диапазона.

4. Результаты, полученные автором, использованы при выполнении НИР в следующих организациях: ОАО Концерн «Созвездие», ФГУП НПЦ «Дельта», ОАО Концерн ПВО «Алмаз-Антей», Управление Федеральной службы по надзору в сфере связи и массовых коммуникаций по Республике Марий Эл, Поволжский государственный технологический университет, а также внедрены в учебный процесс в Поволжском государственном технологическом университете при подготовке бакалавров и магистров по направлениям: 210700 -

«Инфокоммуникационные технологии и системы связи»; 210400 - «Телекоммуникации».

Личный творческий вклад автора. В работах [1, 4, 9, 13, 18] автором проведено научное обоснование и разработка новых радиотехнических алгоритмов расчета статистически устойчивых характеристик многомерного ионосферного ВЧ радиоканала. В работах [2, 5, 8, 10, 12, 17] проведено теоретическое обоснование, исследование и разработка алгоритмов вхождения в синхронизм и поддержания синхронизации терминалов устройства наклонного зондирования многомерного стохастического ВЧ радиоканала. В работах [5, 6, 7, 16] представлены созданные новые пакеты прикладных программ. В работах [3, 11, 14, 15, 19] представлены результаты вычислительных и натурных экспериментов по исследованию параметров синхронизации систем наклонного зондирования многомерного стохастического ВЧ радиоканала. Автором получены все выносимые на защиту положения, сформулированы научные выводы.

Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, были представлены на Всероссийском научно-техническом семинаре «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания» (Нижний Новгород, 2010), Международном научно-техническом семинаре «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания» (Одесса, 2011); Международном научно-техническом семинаре «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в телекоммуникациях (Йошкар-Ола, 2012); ЬХУ научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, 2010); III Всероссийской научной конференции «Всероссийские радиофизические научные чтения-конференция памяти Н.А.Арманда» (Муром, 2010, 2012); XVI, XVII международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2010, 2011, 2012); 51, 52 научных конференциях МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва-Долгопрудный, 2008, 2009); международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» (2011, Казань); 16, 17 международных научно-технических конференциях «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2010, 2011); международной Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике (Иркутск, 2011), международных молодежных научных конференциях по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу -творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2009-2012).

Автором получено 4 диплома первой степени и 3 золотые медали всероссийских и международных конференций и выставок.

Публикации. По материалам диссертации опубликована 21 работа, в том числе: 6 - в журналах, рекомендованных ВАК, 2 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Она содержит 159 страниц основного текста, 63 иллюстрации, 14 таблиц, список цитируемой литературы из 133 наименований.

Основное содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований. Указана научная новизна, практическая ценность и реализация результатов исследований. Обоснованы выбранные методы исследования. Сформулированы положения, выносимые на защиту, обоснована степень достоверности выполненных исследований, указана апробация результатов работы.

В первой главе представлен анализ задачи автоматической синхронизации пространственно разнесенных на дальние расстояния устройств наклонного зондирования многомерного ионосферного ВЧ радиоканала, состоящего из J парциальных (одномерных) стохастических каналов в диапазоне частот от НПЧ до МПЧ. Показано, что основной научно-технической задачей синхронизации является согласование информационно-технических характеристик (ИТХ) сигналов РТС с параметрами радиоканала. Для решения данной задачи требуется создание математического аппарата и оптимальных алгоритмов, обеспечивающих требуемую точность согласования.

Проведен анализ параметров парциальных каналов, оказывающих влияние на синхронизацию. Показано, что для многолучевых каналов такими параметрами являются: средняя задержка, изменение несущей из-за доплеровского смещения частоты сигнала, рассеяние по задержке, рассеяние по частоте, а для множества последовательных парциальных каналов - общая полоса пропускания. Для исследования множества таких радиоканалов в диссертации предложено использовать радиотехнический подход, когда канал заменяется эквивалентным четырехполюсником с одним выходом и числом входов, равным числу принимаемых лучей. При этом ИХ и ЧХ каналов изменяются по быстрому и по медленному времени, что является причиной рассогласования. Высказана гипотеза о том, что ИХ и ЧХ испытывают изменения в «медленном» времени, подобные вариациям электронной концентрации ионосферы, в результате чего система синхронизации РТС зондирования должна иметь в своем составе подсистему поддержания синхронизма. Показано, что для ЛЧМ ионозонда рассогласованием частоты излученного и принятого сигнала из-за доплеровского смещения при распространении в ионосфере можно пренебречь. Проведенный анализ позволил заключить, что научно-

техническая задача автоматической синхронизации параметров системы зондирования к параметрам ВЧ канала с учетом его многомерности исследована недостаточно. Это противоречие позволило сформулировать цель и задачи диссертационного исследования.

Вторая глава посвящена обоснованию, исследованию и разработке алгоритма вхождения в синхронизм терминалов устройства панорамного зондирования многомерного стохастического ВЧ радиоканала. Этот алгоритм является оптимальным по. критериям минимизации областей априорной неопределенности по задержке и полосе пропускания многомерного канала и адаптивным ввиду предусмотренной возможности автоматической работы на заранее неизвестных трассах различной протяженности и географической ориентации. Теоретической базой данного алгоритма является радиотехнический подход. При переходе от физической модели распространения ВЧ сигналов к радиотехнической для оценки параметров четырехполюсника использован лучевой подход в задаче распространения зондирующего сигнала в ионосфере и международная модель ионосферы ПИ, применяемая для контрольных точек зондирования (КТЗ).

Проведенные на основе радиотехнического подхода теоретические исследования задачи распространения позволили получить формулы для ИХ парциальных каналов, с различными средними частотами. Было показано, что профиль задержки мощности (ПЗМ) произвольного канала можно оценивать по формуле:

к

Ртй,т) = ^а1кСГ,т)-8(.т-тк), (1)

к

где /- рабочая частота канала, г) - средняя мощность импульсной

характеристики (ИХ) к -го парциального луча.

Для характеристики рассеяния по быстрому времени в многомерном стохастическом радиоканале введено понятие ИПЗ многомерного радиоканала, который равен:

= (2) Н

Получены формулы, позволяющие на основе ИПЗ оценивать среднюю задержку (х) и интервал задержек (/г) для многомерного канала.

Для оценки расчетным путем ИПЗ и полосы пропускания многомерного ионосферного ВЧ радиоканала в задаче вхождения в синхронизм терминалов ЛЧМ ионозонда были научно обоснованы и разработаны следующие алгоритмы: определения с высокой степенью точности координат контрольных точек

зондирования (КТЗ) трассы по координатам передающего и приемного терминалов ионозонда, определения непрерывного профиля электронной концентрации в КТЗ с использованием международной модели ионосферы IRI-2012 и квазипараболической модели профиля электронной концентрации в ионосфере; расчета ПЗМ множества парциальных каналов.

Первый алгоритм, обеспечивающий высокую точность (порядка десятков метров), позволяет рассчитывать расстояние между передатчиком и приемником на основе формулы Винсенти, а также с учетом рекомендаций МСЭ Р.533-11 (02/2012) - координаты контрольной точки зондирования (КТЗ):

<Рт = atan 2 (sin (<рт) + sin (<pR); ^(cos {<рт) +Bx)2 + B^,

К, = Л- +atan 2 (Dy; cos( ^)+вх), где (pm и Л,„ - широта и долгота точки М, Вх = cos{pR) cos(ÁR -Лт); Ву = cos(^) • si п(Лд - Лт).

Второй разработанный алгоритм позволяет для КТЗ с помощью модели ионосферы IRI-2012 определять дискретный профиль электронной концентрации, а по нему на основе многослойной квазипараболической аппроксимации рассчитывать непрерывный профиль. Это позволило решить задачу распространения в интегралах и получить данные о профилях задержки мощности парциальных радиоканалов в виде: к

pAf,T) = T.5(T-Tk(f))- (4)

к

Третий алгоритм позволяет рассчитывать ИГО в виде гистограмм, пример которых для трассы протяженностью 1000 км представлен на рисунке 1 (п -частота попаданий).

С помощью проведенных на основе разработанных алгоритмов вычислительных экспериментов получены параметры ИПЗ среднеширотных трасс различной протяженности и географической ориентации. Установлено, что для них интервал задержек ИПЗ не превышает 5 мс, а его величина возрастает при переходе ото дня к ночи.

а) б)

Рисунок 1 - Синтезированные ИПЗ для дневного и ночного времени суток

Отличительная особенность ЛЧМ ионозонда заключается в том, что при сжатии сигнала в частотной области получаем не задержки, а значения разностных частот, прямо пропорциональных задержкам ^ = / • т. При этом коэффициент пропорциональности равен скорости изменения частоты зондирующего сигнала. Поэтому синхронизм по задержке (быстрому времени) сводится к синхронизму терминалов по разностной частоте, а ИПЗ - к интегральному профилю разностной частоты (ИПРЧ). На основе проведенного анализа впервые получены аналитические зависимости, описывающие условия синхронизма терминалов ионозонда по разностной частоте:

/г = /к-/ш = /^0 + / (г-т) при / (г-т)<<(5) А^ = //г+2<5Р, С6)

где Р - частота разностного сигнала; /к - частота принимаемого сигнала; ¡т - частота гетеродина ЛЧМ приемника; АР - полоса пропускания ЛЧМ приемника с серединой на частоте / - скорость перестройки частоты; & - заданная погрешность оценки, совпадающая с запасом для области априорной неопределенности средней разностной частоты и рассеяния по разностной частоте.

Разработан и теоретически обоснован новый обобщенный алгоритм вхождения в синхронизм терминалов ЛЧМ ионозонда, в основе которого лежит определение и минимизация областей априорной неопределенности параметров задержки, полосы разностных частот и полосы пропускания многомерного ВЧ радиоканала путем использования результатов теоретических расчетов параметров этих характеристик. Алгоритм минимизирует области априорной неопределенности параметров

многомерного ВЧ радиоканала. Блок - схема данного алгоритма представлена на рисунке 2.

С

/Ввод У

параметров / приемника /

1

Расчет и построение ИХ многомерного многолучевого _радиоканала

Ввод количества передатчиков. N

Расчет интегрального ПЗМ

Выбор передающих станций и/или ввод координат вручную

Определение средней задержки и окна задержки

/ Координаты \

соответствующего передатчика п. N. 1

Запись значений в память

Расчет протяженности радиопинии

С

:н

Расчет координат КТЗ

Вывод значений в программу управпения

Расчет дискретного профипя электронной концентрации по модели

^ Конец ^^

Аппроксимация профиля с использованием МОР модели

Рисунок 2 - Блок-схема обобщенного алгоритма вхождения в синхронизм терминалов ЛЧМ ионозонда

Третья глава посвящена обоснованию, исследованию и разработке алгоритмов обработки зондирующих ЛЧМ сигналов, обеспечивающих работу обобщенного алгоритма работы системы синхронизации терминалов ионозонда в режиме поддержания синхронизма.

В результате теоретического анализа выявлены причины необходимости и обоснован способ поддержания синхронизма тактовых частот терминалов зонда. В частности получено, что для обеспечения синхронизма по скорости изменения частот ЛЧМ генераторов передатчика и приемника для реализации метода сжатия в частотной области рассогласование тактовых частот не должно превышать значения ЮЛ Предложено осуществлять задание равных значений тактовых частот и поддержание частот во времени с помощью технологии ГЛОНАСС/ОРБ.

Теоретически обоснован и разработан алгоритм обработки зондирующего сигнала для решения задачи поддержания синхронизма, включающий алгоритм «очистки» ионограмм от шумовых составляющих, получения профиля общей энергии ИХ по частоте (рисунок 3) и оценки по нему НПЧ, МПЧ и полосы прозрачности линии связи.

полоса прозрачности

9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0

1.МН:

_1_I_

1 1М '

Рисунок 3 - Профиль общей энергии ИХ по частоте Для расчета профиля общей энергии ИХ многомерного канала от частоты получена формула:

К К к

I я, (/,, «V), I р2 (Л ^к)...YJPJ{fJ,rк)\,

к=1 к=\ к=\

(7)

где /,„ - НПЧ; /м - МПЧ; /, = /„„.../; = fm + //'„..,/у = /„

ЕР/(7

/г=1

- общая энергия произвольного одномерного канала.

Полосу пропускания (полоса прозрачности) многомерного канала предложено оценивать как диапазон средних частот одномерных каналов, для которых компоненты вектора общей энергии ИХ первый и последний раз превышают заданный уровень. В этом случае границы диапазона будут совпадать с НПЧ и МПЧ радиолиниями.

Для использования ионозонда в сети требуется определить минимальное время работы приемника ЛЧМ ионозонда. Показано, что параметры временных интервалов работы приемника ионозонда могут быть оценены значениям fm = НПЧ и fм =МПЧ с использованием формул:

— I

? е

/

1Л=/м+/т

(В)

В задаче автоматического адаптивного поддержания синхронизма был разработан алгоритм автоматического измерения ИПЗ на основе результатов зондирования многомерного ВЧ радиоканала и данных о скорости изменения частоты ЛЧМ сигнала. В его основу был положен метод гистограмм для оценки по экспериментальным данным краткосрочных и долгосрочных ПЗМ парциальных каналов с различными средними частотами.

На рисунке 4а представлен пример последовательности долгосрочных ПЗМ парциальных каналов в виде гистограмм, а на рисунке 46 - долгосрочный ИПЗ многомерного канала.

3.4 3.2 3.0 28 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.0 06 0.4 0.2

4.0 6.0 60 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 f, мНг 5 10 15 20 25 30 35 i

а) б)

Рисунок 4 - Долгосрочные ПЗМ (а) и ИПЗ (б) каналов на радиолинии г. Иркутск - г. Йошкар-Ола

На основе проведенных исследований разработан алгоритм автоматического поддержания синхронизма по разностной частоте сжатого в частотной области ЛЧМ сигнала на основе экспериментального определения профиля общей энергии ИХ по частоте и долгосрочного ИПЗ многомерного ВЧ радиоканала, представленный в виде блок-схемы на рисунке 5.

На основе обобщенных алгоритмов вхождения в синхронизм и поддержания синхронизма разработан алгоритм работы системы автоматической синхронизации в составе системы наклонного зондирования ионосферы.

Г Начало 1

—х—

/Получение / монограммы /

Очистка принятой ионограммы

Расчет профилей мощности по частоте

В четвертой главе представлена техника и условия проведения натурных экспериментов по определению эффективности разработанных алгоритмов и программ автоматической синхронизации на трассах различной протяженности и географической ориентации: оз. Яльчик - г. Йошкар-Ола (72 км), о. Кипр

- г. Йошкар-Ола (2620 км), г. Иркутск - г. Йошкар-Ола (3500 км).

Представлена модернизированная автором в программной части экспериментальная установка, которая была использована в натурных экспериментах по исследованию разработанных алгоритмов автоматической синхронизации (см. рисунок 6).

Выборка полученных в работе экспериментальных ионограмм составила 2314 ионограмм, соответствующих всем сезонам. В результате математического анализа сделан вывод, что объем экспериментальных данных, на основе которых в диссертации сделаны выводы и заключения, с точки зрения математической статистики является репрезентативным.

Определение полосы прозрачности

Расчет ПЗМ парциальных каналов

Расчет интегрального ПЗМ

Определение средней

задержки и окна _задержки_

/Корректировка /_

значений /

с 1 Ч

I Конец )

В программе управления заботой ионозонда

Рисунок 5 - Блок-схема обобщенного алгоритма автоматического поддержания синхронизма

Функции, реализуемые ПО приемного комплекса ЛЧМ ионозонда

Обработка экспериментальных данных

Первичная обработка разностного сигнала

Хранение результатов в ЕД

Обработка ионограмм

Управление Расчет параметров

зондированием вхождения в синхронизм

Управление синтезатором гетеродина согласно расписанию

Аналого-цифровое преобразование и формирование временного ряда

БПФ и формирование спектра разностного сигнала

формирование и визуализация ионограмм

Очистка ионограмм

Расчет радиотехнических параметров радиолини

Расчет параметров поддержания синхронизма

Ч

Управление АЦП и первичной цифровой обработкой разностного сигнала

Рисунок 6 - Функциональная схема ПО комплекса панорамного ЛЧМ-ионозонда

На основе представленных во второй главе разработанных алгоритмов было проведено методом вычислительного эксперимента с использованием модели ионосферы 1Ш исследование алгоритмов и параметров синхронизации для трех радиолиний. Примеры графиков математического ожидания с доверительными интервалами средней задержки (а) и интервала задержки (б) за год при средней солнечной активности представлены на рисунке 7.

т, мс 10,71

10,66

10,61

10,56

10,51

10,46

10,41

10

15

20 ^ Ч

3,30 3,10 2,90 2,70 2.50

а) б)

Рисунок 7 - Зависимости математического ожидания и доверительного интервала средней задержки (а) и интервала задержки (б) для трассы Иркутск-Йошкар-Ола Установлено, что увеличение протяженности трассы приводит к увеличению средней задержки, при этом наибольшее влияние оказывают суточные вариации параметров ионосферы.

В натурных экспериментах на основе разработанных в ПГТУ программ Ionogram Explorer, Logviewer и среды Matlab автором создан новый алгоритм расчета трехмерных распределений профиля общей энергии ИХ по частоте и долгосрочного ИПЗ. Данный подход позволил проанализировать большой объем данных круглосуточных натурных экспериментов по исследованию областей априорной неопределенности параметров синхронизации при панорамном зондировании ионосферы непрерывным ЛЧМ сигналом, проведенных на трех трассах. На рисунке 8 представлены такие распределения с наложенными на них результатами вычислительных экспериментов для зимнего сезона на радиолиниях о. Кипр - г. Йошкар-Ола и г. Иркутск - г. Йошкар-Ола.

а) " б)

Рисунок 8 - ЗБ-распределения долгосрочного ИПЗ на трассах о. Кипр - г. Йошкар-Ола (а) и г. Иркутск - г. Йошкар-Ола Результаты исследования суточных вариаций профиля общей энергии ИХ для тех же условий представлены на рисунке 9.

а) б)

Рисунок 9 - ЗБ-распределения профиля общей энергии ИХ на трассах о. Кипр - г. Йошкар-Ола (а) и г. Иркутск - г. Йошкар-Ола

В результате исследований были получены оценки областей априорной неопределенности основных параметров синхронизации, представленные в таблице 1.

Таблица 1 - Области априорной неопределенности параметров синхронизации

Параметр синхронизации Радиолиния Сред, знач. тт знач. тах знач.

Полоса прозрачности, МГц оз. Яльчик - г. Йошкар-Ола 2,5 2 5,8

о. Кипр - г. Йошкар-Ола 11,8 3 27

г. Иркутск - г. Йошкар-Ола 8 3 21

Средняя задержка, мс оз. Яльчик - г. Йошкар-Ола 1,9 1,7 2,5

о. Кипр - г. Йошкар-Ола 9,2 10,4 8,7

г. Иркутск - г. Йошкар-Ола 11 10,4 11,4

Интервал задержки, мс оз. Яльчик - г. Йошкар-Ола 2,4 2 3,8

о. Кипр - г. Йошкар-Ола 2,1 1,5 3,5

г. Иркутск - г. Йошкар-Ола 3,5 2,4 4,2

В результате анализа полученных данных сформулированы рекомендации по заданию запаса в областях априорной неопределенности изменяющихся параметров для реализации оптимальной автоматической синхронизации пространственно разнесенных терминалов систем ЛЧМ зондирования ионосферного многомерного ВЧ радиоканала.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

1. Предложена и теоретически обоснована для анализа многомерного ВЧ канала статистически устойчивая новая характеристика - интегральный профиль задержки (ИПЗ), позволяющая определять параметры рассеяния задержки многомерного ВЧ радиоканала. Получены формулы для оценки по ней средней задержки и интервала задержек такого канала.

2. Теоретически обоснован и разработан алгоритм расчета ИПЗ и полосы пропускания многомерного ионосферного ВЧ радиоканала, включающий:

• алгоритм определения с высокой степенью точности координат контрольных точек зондирования (КТЗ) трассы по координатам передающего и приемного терминалов ионозонда;

• алгоритм определения непрерывного профиля электронной концентрации в КТЗ с использованием международной модели ионосферы 1Я1-2012 и квазипараболической модели ионосферы;

• алгоритм расчета множества дифференциальных профилей задержки мощности (ПЗМ);

• аналитические зависимости, описывающие условия синхронизации терминалов ионозонда по задержке.

3. Разработан и теоретически обоснован новый обобщенный алгоритм вхождения в синхронизм терминалов JT4M ионозонда, в основе которого лежит определение и минимизация параметров задержки и полосы пропускания путем использования результатов теоретических расчетов параметров ИПЗ и полосы пропускания многомерного ВЧ канала по разработанным методикам.

4. Теоретически обоснованы и разработаны методики автоматического измерения профиля общей энергии ИХ по частоте и долгосрочного ИПЗ многомерного ВЧ радиоканала. На основе разработанных частных алгоритмов приведен алгоритм автоматического поддержания синхронизма по быстрому времени.

5. Представлены результаты вычислительных и натурных экспериментов по исследованию параметров синхронизации, на основе которых разработаны рекомендации по заданию запаса для реализации оптимальной автоматической синхронизации пространственно разнесенных терминалов систем ЛЧМ зондирования ионосферного многомерного ВЧ радиоканала.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

Публикации в изданиях из перечня ВАК

1. Иванов, В.А. Развитие теории синхронизации РТС декаметровой связи и панорамного зондирования ионосферы / В.А. Иванов, A.A. Чернов // Телекоммуникации, - Москва, 2012.- №2. -С.16-23.

2. Иванов, В.А. Устройство и алгоритмы синхронизации радиотехнических систем связи и зондирования ионосферных высокочастотных радиоканалов / В.А. Иванов, Е.В. Катков, A.A. Чернов // Вестник МарГТУ: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. - Йошкар-Ола, 2010. - № 2. - С. 114 -126.

3. Иванов, В.А. Определение основных параметров многомерного коротковолнового радиоканала с использованием панорамного ионозонда /

B.А. Иванов, Н.В. Рябова, Д.В. Иванов, М.И. Рябова, А.Р. Лащевский, A.A. Чернов, Р.Р. Бельгибаев, A.A. Елсуков, В.В. Павлов // Вестник МарГТУ. Сер.: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. - Йошкар-Ола, 2011. -№2 (12).-С. 15 -23.

4. Иванов, В.А. Канальные параметры рассеяния для среднеширотной ионосферы / В.А. Иванов, Е.В. Катков, М.И. Рябова, A.A. Чернов // Вестник МарГТУ. Сер.: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. - Йошкар-Ола, 2011. - № 3 (13). -

C. 93-101.

5. Иванов, Д.В. Теоретические основы метода прямого цифрового синтеза радиосигналов для цифровых систем связи / Д.В. Иванов, В.А. Иванов, A.A. Чернов // Вестник ПГТУ. Сер.: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. - Йошкар-Ола, 2012. - № 1,-С. 3-34.

6. Чернов, A.A. Обобщенный алгоритм синхронизации терминалов JI4M ионо-зонда / A.A. Чернов // Вестник ПГТУ. Сер.: Радиотехнические и инфокоммуникацион-ные системы. - Йошкар-Ола, 2013. -№ 1 (17).-С. 13-23.

Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ

7. Иванов, В.А. Программа синтеза ионограмм наклонного зондирования ионосферы с учетом геофизических факторов v. 1.0. / В.А. Иванов, Н.В. Рябова, A.A. Чернов // Свидетельство на программу для ЭВМ № 2011611601 17.02.2011. Роспатент. - М., 2011.

8. Иванов, В.А. Программа управления расписанием работы ЛЧМ ионозонда / В.А. Иванов, Д.В. Иванов, Н.В. Рябова, A.A. Чернов // Свидетельство на программу для ЭВМ № 2011616611 23.06.2012. Роспатент. - М„ 2012.

Публикации в других изданиях

9. Иванов, В.А. Разработка алгоритма определения абсолютного времени распространения сигналов на ионосферных линиях ВЧ связи / В.А. Иванов, A.A. Чернов // Сборник статей Всерос. науч.-техн. семинара «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания». - Москва, 2010. - С. 161-163.

10. Иванов, В.А. Способ синхронизации с высокой точностью систем декаметро-вой радиосвязи / В.А. Иванов, Н.В. Рябова, A.A. Чернов // Сборник статей Междунар. науч.-техн. семинара «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания». - Москва, 2011. - С. 64-65.

11. Иванов, В.А. Исследование времени прихода различных мод ВЧ-сигнала в широкой полосе частот и влияния на него направленности используемых антенн / В.А. Иванов, Н.В. Рябова, A.A. Чернов // Сборник статей III Всерос. науч. конф. «Всероссийские радиофизические научные чтения-конференция памяти Н.А.Арманда». -Муром, 2010.-С. 150-154.

12. Иванов, В.А. Синхронизация радиотехнических систем связи и зондирования ионосферных высокочастотных радиоканалов / В.А. Иванов, Н.В. Рябова, A.A. Чернов // Сборник статей XVII междунар. науч.-техн. конф. «Радиолокация, навигация, связь». - Воронеж, 2011. - Т.2. - С. 1135-1146.

13. Бастракова, М.И. Определения диапазонов оптимальных рабочих частот сред-неширотных радиолиний по данным наклонного зондирования ионосферы / М.И. Бастракова, М.И. Рябова, П.Е. Сарафанников, A.A. Чернов // Сб. статей 52-й науч. конф. МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». — Москва, Долгопрудный, 2009. - Ч. 8. - С. 41-44.

14. Иванов, В.А. Исследование диапазонов задержек принимаемых мод сигналов на ионосферных линиях ВЧ связи различной протяженности в задаче синхронизации / В.А. Иванов, A.A. Чернов // Сборник статей XVI междунар. науч.-техн. конф. «Радиолокация, навигация, связь». - Воронеж, 2010. - Т.2. - С. 1077-1082.

15. Иванов, В.А. Исследование влияния нестабильности ионосферы на частоту коррекции шкал времени для решения задачи поддержания синхронизма / В.А. Иванов, Н.В. Рябова, А.А.Чернов // Сб. докл. междунар. науч.-техн. конф. «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций». - Казань, 2011. - С. 403-405.

16. Рябова, М.И. Моделирование распространения электромагнитного поля ионосферной волны в среде LabView / М.И. Рябова, П.Е. Сарафанников, A.A. Чернов

// 51-я науч. конф. МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». - Москва, Долгопрудный, 2008. - Ч. 8. - С. 64-68.

17. Чернов, A.A. Синхронизация передатчика и приемника ЛЧМ-ионозонда / А.А.Чернов, Н.В. Рябова, М.И. Рябова // Сборник тезисов 16-й Междунар. науч.-техн. конф. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». - Москва, 2010. - Т. 1. -С. 53-54.

18. Иванов, В.А. Исследование вопросов синхронизации при распространении в ионосфере сложных зондирующих сигналов / В.А. Иванов, A.A. Чернов // Сборник тезисов 17-й Междунар. науч.-техн. конф. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». - Москва, 2011. - Т. 1. - С. 56-57.

19. Иванов, В.А. Влияние эффектов распространения коротких радиоволн в ионосфере на синхронизацию систем связи и зондирования / В.А. Иванов, Д.В. Иванов,

A.A. Чернов // Сборник тезисов БШФФ 2011. - Иркутск, 2011. - С. 83-84.

20. Иванов, В.А. Исследование времени распространения ВЧ сигналов в ионосфере в задаче синхронизации / В.А. Иванов, Н.В. Рябова, A.A. Чернов // Сб. трудов междунар. семинара«Синхроинфо2012».-Москва, 2012.-С. 119-121

21. Иванов, В.А. Оценка параметров рассеяния в ионосферном радиоканале /

B.А. Иванов, Д.В. Иванов, Е.В. Катков, М.И. Рябова, A.A. Чернов // Сб. трудов междунар. семинара «Синхроинфо 2012». - Москва, 2012. - С. 116-119.

Усл. печ. л. 1,0. Заказ № 5094. Тираж 100 экз.

Редакционно-издательский центр ПГТУ 424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17

поволжский

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукодиси

04201 360725

ЧЕРНОВ Андрей Алексеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ КОМПЛЕКСОВ ПАНОРАМНОГО РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ НЕПРЕРЫВНЫМ ЛЧМ СИГНАЛОМ

Специальность: 05.12.04 - Радиотехника, в том числе

системы и устройства телевидения 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Иванов Владимир Алексеевич доктор физ.-мат. наук, профессор

Йошкар-Ола, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................5

1 Задача автоматической синхронизации пространственно разнесенных на дальние расстояния устройств наклонного зондирования многомерного ионосферного ВЧ радиоканала...................21

1.1 Синхронизация параметров РТС с параметрами одномерных однолучевых и многолучевых радиоканалов..................................................21

1.2 Медленные изменения параметров одномерных ВЧ радиоканалов в ионосфере - причина рассинхронизации.............................29

1.3 Особенности синхронизации для многомерного многолучевого ионосферного ВЧ радиоканала.........................................................................36

1.4 Современные ионозонды для диагностики одномерных и многомерных ВЧ радиоканалов. Работа ЛЧМ ионозонда в составе РТС ВЧ связи и задачи его синхронизации..............................................................41

1.5 Существующее противоречие. Цель и задачи диссертационного исследования.......................................................................................................50

2 Обоснование и исследование алгоритма вхождения в синхронизм устройства наклонного зондирования многомерного

ВЧ радиоканала с замираниями.......................................................................52

2.1 Интегральный профиль мощности импульсной характеристики многомерного ВЧ радиоканала.........................................................................52

2.2 Методика определения координат средней точки зондируемой трассы по координатам ее начала и конца.......................................................59

2.3 Методика оценки параметров интегрального профиля задержки

и полосы пропускания многомерного ВЧ радиоканала.................................66

2.4 Обобщенный алгоритм вхождения в синхронизм терминалов ЛЧМ ионозонда по параметрам задержки и полосы пропускания многомерного канала..........................................................................................72

2.5 Выводы....................................................................................................79

3 Обоснование и исследование алгоритма поддержания синхронизации.....................................................................................................81

3.1 Причины необходимости и выбор способа поддержания синхронизма тактовых частот терминалов зонда...........................................81

3.2 Поддержание синхронизма по времени приема зондирующего сигнала.................................................................................................................86

3.3 Методика измерения средней задержки и рассеяния по задержке многомерного ВЧ радиоканала при его зондировании непрерывным ЛЧМ сигналом.....................................................................................................94

3.4 Обобщенный алгоритм вхождения и поддержания синхронизма терминалов ЛЧМ ионозонда............................................................................101

3.5 Выводы..................................................................................................110

4 Аппаратно-программный комплекс с автоматической синхронизацией пространственно-разнесенных на дальние расстояния терминалов. Исследование разработанных алгоритмов

в натурных экспериментах..............................................................................111

4.1 Аппаратно-программный комплекс для зондирования ВЧ радиоканалов, включающий обобщенный алгоритм автоматической синхронизации терминалов.............................................................................111

4.2 Техника и условия проведения натурных экспериментов по определению эффективности разработанного устройства синхронизации

на трассах различной протяженности и геофизической ориентации.........119

4.3 Имитационное исследование суточного хода средней задержки и окна задержки для трасс различной протяженности....................................123

4.4 Результаты натурных экспериментов по исследованию алгоритмов автоматической синхронизации терминалов зондирующего комплекса с непрерывным ЛЧМ сигналом и его сжатием в частотной области...............................................................................................................131

4.5 Выводы..................................................................................................140

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................141

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.............................................................................143

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................144

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Коротковолновая радиосвязь (по международной классификации высокочастотная (ВЧ) радиосвязь) продолжает играть важную роль при передаче информации на дальние и сверхдальние расстояния как гражданскими, так и военными пользователями. Из-за отражения сигналов от ионосферы ВЧ связь обладает еще одним важным достоинством. Она позволяет осуществлять связь на короткие расстояния (до 400 км) в регионах со сложным рельефом местности. Эти факторы привели к тому, что в последнее время стали создаваться сети автоматизированной ВЧ связи.

Проблемы ВЧ связи связаны со средой распространения радиосигнала -ионосферой, которая испытывает во времени и пространстве вариации различных масштабов, а также приводит к флуктуирующей многолучевости и частотной дисперсии, разрушающей радиосигналы с полосой более -ЮОкГц. ВЧ каналу распространения свойственен достаточно высокий уровень помех, основными из которых являются сигналы от посторонних радиостанций. Кроме того, ионосфера обеспечивает прохождение от передатчика к приемнику сигналов из ограниченного диапазона частот (от НПЧ до МПЧ), зависящего от длины трассы и состояния ионосферы, в силу этого в нем можно организовать только I частотных радиоканалов (1=(МПЧ-НПЧ)/В, где В - полоса частот парциального радиоканала). Поэтому одной из важнейших проблем функционирования ВЧ систем является повышение эффективности их работы, предполагающее адаптацию информационно-технических характеристик систем к постоянно изменяющимся параметрам ионосферного распространения и выбор наилучшего парциального канала для передачи информации. Адаптация основана на применении данных предсеансового панорамного зондирования ионосферы на линии связи. Зондирование позволяет извлечь из принимаемого сигнала информацию о состоянии ионосферной радиолинии и скорректировать информационно-технические характеристики системы на актуальные значения. В различное время вклад в решение вопросов

зондирования ионосферы внесли H.A. Арманд, Ы.П. Данилкин, JÏ.M. Ерухимов, В.А. Иванов, Д.В. Иванов, А.С Крюковский, В.Е. Куницын, В.И. Куркин, JI.A. Лобачевский, Д.С. Лукин, И.Я. Орлов, А.П. Потехин, Н.В. Рябова,

B.П. Урядов, Ю.Н. Черкашин. Было показано, что для решения задач зондирования наилучшим образом подходят непрерывные сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), обладающие сверхбольшой базой. За счет поэлементного сжатия в частотной области они обеспечивают значительное снижение отношения сигнал/шум и позволяют создать малогабаритные мобильные устройства.

В настоящее время автоматизация и сетевой подход в организации современных систем ВЧ связи требуют создания автоматических, автономных систем радиозондирования. Однако в этом случае возникает научная задача обеспечения синхронной работы приемного и передающего терминалов системы зондирования. Анализ показывает, что решение задачи требует проведения теоретических и экспериментальных исследований для выделения параметров системы зондирования, которые требуется синхронизировать с учетом специфики ее работы (в том числе протяженности трассы), а также научного обоснования, разработки и исследования алгоритма автоматической синхронизации.

Фундаментальные проблемы синхронизации радиотехнических устройств исследовались в работах ученых: D.W. Allan, S. Bregni, P. S. Cannon, G. Chen, N.

C. Davies, W.C Lindsey, B. W. Reinisch, G.M.R. Winkler, M. Yao, Z. Zhao, В.И. Борисов, Л.Е. Варакин, Б. Гипо, Р.К. Диксон, В.П. Дьяков, C.B. Журавлев, А.А Ляховкин, Е.Г. Момот, К. Одуан, А.В.Пестряков, O.A. Пушкарев, Д.Д. Стиффлер, А.И. Фомин, Б.И. Шахтарин, В.В. Шахгильдян. Однако научная задача автоматической синхронизации ЛЧМ ионозондов в них не рассматривалась. Таким образом, с одной стороны, существует острая необходимость в получении новых знаний об устройствах автоматической синхронизации со спецификой ионозонда для расширенного использования в

сетях ВЧ радиосвязи современных, отвечающих мировому уровню, отечественных систем панорамного зондирования; с другой стороны, такому использованию препятствует недостаточный уровень изученности научной задачи автоматической синхронизации с учетом специфики работы ЛЧМ ионозонда.

Цель диссертационной работы: разработка, научное обоснование и исследование алгоритмов автоматической синхронизации терминалов ЛЧМ ионозонда с учетом особенностей среды распространения, специфики его работы и сжатия ЛЧМ сигнала в частотной области, их программная реализация.

Задачами данной работы являются:

1. Обоснование актуальности и практической значимости систем зондирования ВЧ радиоканалов для повышения эффективности дальней радиосвязи через ионосферу земли на основе применения сверхширокополосных сигналов с ЛЧМ и их поэлементного сжатия в частотной области. Анализ необходимости обеспечения автоматической синхронизации разнесенных терминалов ионозонда из-за медленных вариаций параметров канала с учетом его многомерности.

2. Выделение и анализ обобщенных характеристик множества зондируемых парциальных ВЧ радиоканалов на основе радиотехнического подхода в задаче ионосферного распространения ВЧ радиосигналов, позволяющего ввести и использовать понятие многомерного канала. Обоснование и исследование алгоритма автоматического вхождения в синхронизм с учетом задержки и ее рассеяния импульсной характеристики многомерного ВЧ канала.

3. Обоснование и исследование алгоритма автоматического поддержания синхронизма на основе создания и применения новых методик определения рассеяния по задержке, полосы прозрачности многомерного ВЧ радиоканала по результатам его наклонного ЛЧМ зондирования.

4. Создание программно-аппаратной реализация устройства на основе нового алгоритма автоматической синхронизации терминалов зондирования многомерного ВЧ радиоканала и его апробация в натурных экспериментах на трассах мегаметровой протяженности.

Методы исследований. Для решения поставленных задач и получения основных научно-практических результатов использованы методы математического анализа, вычислительной математики, вариационного исчисления и теории распространения радиоволн в ионосфере. Кроме того, в рамках работы были использованы методы численного моделирования с использованием лицензированных пакетов прикладных программ, разработанных с использованием МаЛсас1 и Си++. Для научного обоснования алгоритмов в задаче ионосферного распространения радиосигналов был применен современный подход замены физической среды распространения эквивалентным четырехполюсником с одним выходом и числом входов по числу принимаемых лучей. Для ее описания были использованы стохастические импульсная (ИХ) и частотная (ЧХ) характеристики, а для всего множества каналов - статистически устойчивые характеристики: интегральный профиль задержки (ИПЗ) и частотный профиль полной энергии ИХ. Результаты натурных экспериментов получены с использованием современного метода наклонного зондирования на радиолиниях: Йошкар-Ола - Яльчик; Иркутск -Йошкар-Ола; Кипр - Йошкар-Ола. При обработке результатов вычислительных и натурных экспериментов были использованы методы теории вероятности и математической статистики.

Объект исследования: радиотехническая система автоматической синхронизации терминалов ЛЧМ ионозонда, предназначенного для диагностики изменяющегося многомерного ВЧ радиоканала и использующего сжатие зондирующего сигнала в частотной области.

Предмет исследования: новые научные знания об основных параметрах многомерного ВЧ радиоканала, о влиянии на них медленных вариаций

параметров и его размерности, об обобщенном алгоритме автоматической синхронизации панорамного ионозонда с непрерывным ЛЧМ сигналом с учетом влияния условий его распространения в канале и протяженности трассы.

Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертационной работы определяются использованием адекватного математического аппарата, статистически достаточным набором экспериментальных данных и их репрезентативностью. Кроме того, она обеспечивается соответствием результатов, полученных путем имитационного моделирования с результатами экспериментальных исследований, выполненных в рамках данной работы, а также проверкой на соответствие независимым выводам других авторов; повторяемостью результатов на больших объемах экспериментальных данных.

Положения, выносимые на защиту:

1. Алгоритмы: расчета интегрального профиля задержки (ИПЗ) и полосы пропускания многомерного ионосферного ВЧ радиоканала; анализа многомерного ВЧ радиоканала с помощью ИПЗ; определения координат контрольных точек зондирования (КТЗ) трассы по координатам передающего и приемного терминалов ионозонда; расчета профилей общей энергии ИХ парциальных каналов.

2. Алгоритмы вхождения в синхронизм и подержания синхронизма терминалов устройства панорамного ЛЧМ зондирования многомерного стохастического ВЧ радиоканала.

3. Созданные новые пакеты прикладных программ, позволяющие реализовать разработанные алгоритмы с целыо повышения эффективности работы аппаратно-программного комплекса ЛЧМ ионозонда в части решения задач исследования особенностей наклонного распространения радиоволн.

4. Результаты вычислительных и натурных экспериментов по исследованию областей априорной неопределенности параметров синхронизации систем наклонного зондирования многомерного стохастического ВЧ радиоканала для трасс различной протяженности и

географической ориентации с целью разработки рекомендаций по их использованию.

Научная новизна работы:

1. Разработаны алгоритмы вычислительного и натурного экспериментов по исследованию статистически устойчивых характеристик ионосферного распространения ВЧ радиосигналов с различными средними частотами спектра. Получены формулы для расчета:

- координат контрольных точек зондирования (КТЗ) трассы по координатам передающего и приемного терминалов ионозонда для определения основных характеристик многомерного ВЧ радиоканала;

- частотного профиля общей энергии ИХ для многомерного канала, полосы пропускания многомерного канала и его параметров;

- интегрального профиля задержки (ИПЗ) многомерного канала и его параметров.

2. Сформулированы требования к точности и временной стабильности частот тактовых генераторов терминалов ионозонда, влияющих на величину скорости изменения частоты их ЛЧМ синтезаторов, построенных по методу прямого цифрового синтеза.

3. Предложены адаптивные алгоритмы автоматического вхождения в синхронизм и поддержания синхронизма терминалов ЛЧМ ионозонда, основанные на разработанных методиках и предназначенные для работы в сети зондирования многомерных стохастических ВЧ радиоканалов. Создан пакет прикладных программ, реализующий разработанные радиотехнические алгоритмы автоматического вхождения и поддержания синхронизма при сетевой работе ЛЧМ ионозонда.

4. Получены новые результаты вычислительных и натурных экспериментов по исследованию параметров синхронизации при наклонном распространении в различное время суток и соответствующих всем сезонам на трассах с различной географической ориентацией и протяженностью, что позволило:

сопоставить теоретические и экспериментальные зависимости математического ожидания с доверительными интервалами средней задержки и интервала задержки за год средней солнечной активности от времени суток;

- получить трехмерные распределения профиля общей энергии импульсной характеристики от частоты и долгосрочного интегрального профиля задержки;

получить значения основных параметров синхронизации для среднеширотных радиолиний различной протяженности и географической ориентации;

- разработать рекомендации по созданию запасов при задании параметров многомерного канала для надежного обнаружения и измерения зондирующих сигналов во всех парциальных каналах из полосы частот от НПЧ до МПЧ.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1. Основные практические результаты диссертационной работы связаны с повышением эффективности работы радиотехнических систем ВЧ радиосвязи путем сокращения от 10 до 80% времени работы подсистемы рад