Введение к работе
Актуальность темы. Искусственные спутники Земли (ИСЗ) открыли широкие возможности для развития связи. Это обусловлено тем, что система спутниковой связи (ССС) из трех ИСЗ обеспечивает охват практически всей территории земного шара. Кроме того, важнейшим достоинством ССС является возможность достижения высоких показателей качества, соответствующих наземным системам связи.
При передаче в ССС дискретных (цифровых) сигналов показателем качества является вероятность ошибки (Рош) при приеме информационных символов, которая
зависит от отношения h = Er/N0 энергии сигналов (Er) на входе приемника (ПРМ)
к спектральной плотности мощности шума (N0). Функциональная зависимость
Рош = i//(h2) определяет помехоустойчивость ССС.
Основное достоинство ССС - обеспечение высокого качества (помехоустойчивости) связи при неограниченных дальностях и обширных зонах покрытия (~1... 10 тыс. км) - реализуется за счет выбора несущих частот в диапазоне /0~1....10ГТц, где условия распространения радиоволн (РРВ) близки к распространению в свободном пространстве и легче выполняется условие обеспечения
помехоустойчивости (ПУ) не хуже допустимой: h > /гдоп.
Однако выбор /0~1....10ГТц определяет и один из основных недостатков ССС
- доступность электромагнитного излучения ИСЗ для систем радиоразведки несанкционированных пользователей. Поэтому ССС обладают относительно низкой энергетической скрытностью и, следовательно, помехозащищенностью.
Если в системе радиоразведки решена задача обнаружения сигналов и осуществляется радиоперехват (РПХ), то его качество определяется (как и качество
ССС) отношением сигнал/шум (С/Ш) на входе ПРМ РПХ (hi) и вероятностью ошибки
при ведении РПХ: P0UI р = \f/(h^). Условие обеспечения энергетической скрытности ССС при ведении РПХ выполняется, если фактическое отношение С/Ш на входе ПРМ
РПХ будет меньше допустимого (^р<^ДОпр)> или коэффициент энергетической
9 /9
скрытности больше единицы (уэс = /7Д0П р / /Zp > 1).
Обычно условие уэс > 1 в ССС при ведении РПХ реализуется путем повышения направленности передающей антенны ИСЗ или увеличения дальности до ПРМ РПХ (zp) по сравнению с ПРМ ССС (z~4-104km). Однако при близком размещении этих
приемников (i?p <10км) указанные пути повышения уэс будут неэффективными и
условие обеспечения энергетической скрытности ССС
9/9 9 / 9
{Уэс =^допр/^р =(^г^эр^допр/(^гр^э^доп >х) можно реализовать только за счет: 1) увеличения коэффициента усиления (КУ) приемной антенны ССС (Gr) по сравнению с антенной ПРМ РПХ (Grp
температуры ПРМ ССС (Гэ) по сравнению с ПРМ РПХ (ТЭр >ТЭ); 3) уменьшения
допустимого отношения С/Ш на входе ПРМ ССС (АдОП) по сравнению с ПРМ РПХ
Объектом исследования является система спутниковой связи (ССС) на участке ИСЗ-земная станция (ЗС), работающая в условиях размещения приемника радиоперехвата вблизи приемника ССС.
Практическая актуальность исследования (противоречие в практике) заключается в том, что пути повышения энергетической скрытности ССС за счет совершенствования приемной антенны (Gr/Grv >1) и высокочастотных трактов ПРМ
(ТЭр/Тэ >1) являются затратными, а пути повышения эффективности схемы
обработки сигналов в ПРМ ССС по сравнению с ПРМ РПХ (^д0пр/^доп >х) неизвестны.
Цель (практическая задача) исследований состоит в разработке практических рекомендаций по повышению энергетической скрытности ССС при близком размещении ПРМ радиоперехвата.
Указанное противоречие относится к группе слабоструктурированных проблем, для разрешения которых предназначен системный анализ. С помощью разработанной методики системного анализа обосновано, что наилучшее решение указанной проблемы (противоречия) обеспечивается новым способом повышения коэффициента
энергетической скрытности ССС (уэс =^допр/^р >30дБ) при близком размещении
ПРМ РПХ от ПРМ ССС. Реализуется он в два этапа за счет: 1) изменения типа модели канала связи (КС) на более сложный (например, с многолучевым РРВ и быстрыми замираниями (БЗ) принимаемых сигналов); 2) применения в ПРМ ССС для обработки сигналов метода пространственно-разнесенного приема на несколько (п>4) антенн. Последнее приведет к существенному уменьшению допустимого отношения С/Ш на
входе ПРМ ССС с использованием п > 4 разнесенных антенн (Идоп п) по сравнению с
ПРМ РПХ, использующим одну (п = \) антенну для приема сигналов с БЗ
(^доп БЗ » ^доп п ) > И Увеличению ГэС = ^доп р Др = ^доп р Ддоп = ^доп БЗ Лдоп и » 1
В результате проведенного системного анализа практической проблемы произведены обоснование и постановка научной задачи исследований и целевой функции.
Для изменения традиционного типа модели спутникового КС (с постоянными параметрами) на модель КС с многолучевостью и БЗ можно понизить несущую частоту с обычных значений f0 =1...10ГГц до /0 =30... 100МГц. Этот диапазон
частот не используется в ССС, т. к. в нем по причине близости к декаметровому диапазону (f0 =3...30МГц) проявляется поглощение радиоволн в ионосфере
(характеризуемое множителем Wn (f0) < 1) и их рассеяние на ионосферных неоднородностях, вызывающее многолучевое РРВ и БЗ принимаемых сигналов. Последние характеризуются множителем ослабления волны из-за БЗ WE3 (f0) < 1.
Предметом исследований является системный анализ влияния поглощения и многолучевости при РРВ с пониженными частотами (f0 = 30...100МГц) через ионосферу от ИСЗ до земной станции на помехоустойчивость одиночного и пространственно-разнесенного приема сигналов в ССС и ее энергетическую скрытность.
Научная актуальность (противоречие в науке) исследований обусловлена невозможностью достижения поставленной цели на базе известного научно-методического аппарата (НМА) в силу следующих его недостатков:
1) низкой точности известной зависимости множителя ослабления мощности волны
из-за поглощения в ионосфере от выбора частоты Wn (f0)<\ для ССС;
2) отсутствием зависимости множителя ослабления мощности волны (сигнала) из-за
быстрых замираний (БЗ) WE3 (f0) < 1 от фазовых сдвигов приходящих лучей Acpi и
выбора частоты сигналов для ССС W^3 [Ащ (f0)];
3) отсутствием зависимости допустимого отношения С/Ш на входе ПРМ
(^доп БЗ > ^доп п) от множителя БЗ сигнала (Жъз (/0)), а также кратности (п) и интервала разнесения (Ар) приемных антенн.
Общая научная задача состоит в разработке метода прогнозирования энергетической скрытности ССС при использовании пониженных частот и пространственно-разнесенного приема сигналов на несколько антенн.
Целевая функция заключается в получении зависимости (у/) коэффициента энергетической скрытности ССС (^эс) от допустимой вероятности ошибки (обычно Рош доп =10~5), выбора пониженной несущей частоты (/0), числа антенн (п) и пространственного разноса (Ар) между ними, определяющего коэффициент корреляции БЗ в разнесенных антеннах R^(f0, Ар):
/ЭС = ^доп БЗ / ^доп п = Кош доп >/о>п> ^БЗ (/о > ^Р)\
Для решения общей научной задачи ее целесообразно декомпозировать на 5 частных научных задач разработки:
математических моделей ионосферы и трансионосферного канала связи с учетом поглощения волны на пониженных частотах ССС;
математических моделей ионосферы и трансионосферного канала связи с учетом одновременного поглощения и многолучевого распространения волны на пониженных частотах ССС;
методики прогнозирования помехоустойчивости ССС на пониженных частотах с учетом поглощения волны и многолучевого ее распространения;
методики прогнозирования помехоустойчивости ССС на пониженных частотах с учетом поглощения волны и ее многолучевого распространения при использовании пространственно-разнесенного приема на несколько (п > 4) антенн;
методики оценки коэффициента энергетической скрытности ССС при использовании пониженных частот и пространственно-разнесенного приема.
Методы исследования включают НМА системного анализа, математического описания ионосферной плазмы, распространения радиоволн через однородные и
случайно-неоднородные среды, статистической радиофизики, построения многолучевых математических моделей временных и пространственно-временных каналов связи, обработки сигналов при одиночном и разнесенном приеме; оценки помехоустойчивости и помехозащищенности радиоэлектронных систем, методы радио-и радиотехнической разведки, защиты информации.
Значительный вклад в развитие этих методов внесли В. В. Антонов, Я. Л. Альперт, В. Л. Гинзбург, М. П. Долуханов, А. И. Калинин, С. М. Рытов, Л. М. Финк, Д. Д. Кловский, С. Е. Фалькович, А. И. Куприянов, В. И. Борисов.
Научная новизна полученных результатов диссертации состоит в том, что в ней впервые:
1. Обоснована методика системного анализа энергетической скрытности ССС при
близком размещении ПРМ радиоперехвата и разработан новый способ ее повышения за
счет применения пониженной несущей частоты (/0 =30... 100 МГц) и
пространственно-разнесенного приема на несколько (п > 4) антенн;
2. Разработана математическая модель ионосферы, отличающаяся от известных
аналитическим описанием изменения по высоте (h) электронной концентрации (ЭК)
ЩИ) и эффективной частоты соударения электронов (ЭЧСЭ) v3(h) в слоях (F, Е и
D) ионосферы, позволяющая получить более точное выражение для оценки множителя
9 /9
поглощения волны Щі~NTv3^ / f0 в зависимости от ее несущей частоты (f0) и параметров слоя F ионосферы (его интегральной ЭК NT и увеличенной в 8 раз ЭЧСЭ
у3{8) X
3. Разработана математическая модель трансионосферного канала связи (КС),
устанавливающая аналитическую зависимость Pr = ц/Щ^ (f0)] мощности сигнала на
входе ПРМ от выбора несущей частоты с учетом поглощения в ионосфере Жц (f0);
4. Обоснована и разработана математическая модель ионосферы, которая
отличается от приведенной выше (с параметрами NT и V3f(S)) учетом
пространственных флуктуации ЭК в неоднородностях ионосферы AN(p,h), характеризуемых их среднеквадратическим отклонением (СКО) в F-слое (сг );
5. Построена математическая модель трансионосферного КС, позволяющая
получить аналитическую зависимость мощности принимаемого сигнала
Рг (fo) ~^п (/о)< ^бз С/о) > от выбора несущей частоты с учетом поглощения волны в ионосфере Wn~NTv3(S^l/q и многолучевого ее распространения W^3(f0), причем дисперсия множителя ослабления мощности сигнала из-за БЗ < W^3 [Ащ (f0 )\ >= A(p(p)~AN(p)lfQ
9 9/9
волны на выходе неоднородной ионосферы (Ту-о / fo ',
6. Установлена аналитическая зависимость Рош = ц/[Н = h0 Wn (f0), /Б3 (fo)] вероятности ошибки (Рош) при некогерентном (НК) приеме сигналов от отношения
С/Ш на входе ПРМ с учетом поглощения волны в ионосфере h2 =hlw^(f0) и
отношения ^з(/о) = ^р2(/о)/^фл(/о) = К^) регулярной Жр(/0) и флуктуационной
^флС/о) составляющих дисперсии множителя ослабления волны из-за многолучевости
7. Разработана графо-аналитическая методика установления зависимости
Рош = if/[h = /(/0),п, RB3(Ap, f0)] вероятности ошибки при НК приеме сигналов на несколько (п > 4) антенн от отношения С/Ш на входе ПРМ с учетом поглощения
волны в ионосфере h = h0 Wn (f0) и пространственной корреляции замираний RB3(Ap,f0) в разнесенных на интервал Ар антеннах;
8. Для допустимой в ССС вероятности ошибки ^ОШдОП =Ю~5 построены графики
зависимостей h*onп = у/(Рош доп, п, RB3 (Ар, /0)) и А*оп Б3 = = у/{Рош доп, /0)
допустимых отношений С/Ш от выбора несущей частоты при использовании одиночного приема и разнесенного на п > 4 антенн, которые позволяют оценить в диапазоне пониженных частот f0 =60...80 МГц коэффициент энергетической
скрытности ССС при близком размещении ПРМ РПХ от ПРМ ССС (когда hi = h^on п и
*р "доли
^доп р - ^доп БЗ ) как ^ЭС - ^доп р / ^р - ^доп БЗ / ^доп,
Л _ 7.2 л„„„„, _ 7.2 /7.2 _ 7.2 /;.2
[П
Практическая ценность полученных результатов состоит в следующем:
1) обоснована существенная зависимость допустимых отношений С/Ш
(^доп БЗ > ^доп п) от изменения параметров ионосферных неоднородностей
(<т = Ри Nm) и необходимость применения блоков выбора (адаптации) пониженной
несущей частоты (БВПНЧ) и управления пространственным разносом антенн (БУПРА) по результатам зондирования ионосферы для поддержания высокой энергетической скрытности ССС;
2) обоснован способ и разработано устройство измерения интенсивности
ионосферных неоднородностей (Ри = сг Nm) на основе станции вертикального
ионосферного зондирования (СВИЗ);
3) разработаны структурные схемы ССС на пониженных частотах с
применением БВПНЧ и БУПРА по результатам измерения ионосферных
неоднородностей (Ри)с помощью СВИЗ.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждаются:
Сведением полученных выражений для мощности принимаемого сигнала и оценки помехоустойчивости ССС на пониженных частотах (f0 =60...80МГц) к известным выражениям в случае использования в ССС традиционных несущих частот /о=1...10ГГц;
Соответствием полученных теоретических результатов известным экспериментальным данным (по наблюдению глубоких БЗ принимаемых сигналов в ССС на частоте /0 =250 МГц при повышенной интенсивности неоднородностей в экваториальной ионосфере);
3. Использованием апробированного НМА статистической теории связи и РРВ в случайно-неоднородных средах, а также широко известных исходных данных о параметрах неоднородной среднеширотной ионосферы.
Реализация результатов диссертационной работы: 1) в учебном процессе СевКавГТУ; 2) в ЗАО «Научно-исследовательский внедренческий центр автоматизированных систем», г. Москва (акт о внедрении от 16.02.2011г.).
Апробация результатов диссертации осуществлялась в ходе докладов ее материалов на следующих научно-технических конференциях (НТК): 1-й Международной НТК в СевКавГТУ в 2004 г. (г. Ставрополь), 7-й Российской НТК в КНИИТМУ в 2008 г. (г. Калуга), Международной НПК в 2010 г. (г. Серпухов), 1-й Международной НТК в БелГУ в 2009 г. (г. Белгород), 10-й Международной НТК в ПГУТИ в 2009 г. (г. Самара), 16-й Международной НТК в ВГУ в 2010 г. (г. Воронеж).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 19 печатных трудах, в том числе 13 статьях (из них 6 опубликованы в журналах из перечня ВАК: Космические исследования (РАН), 2007, № 1 и 2009, № 5. Инфокоммуникационные технологии, 2006, № 1, Физика волновых процессов и радиотехнические системы, 2007, № 6, Известия института инженерной физики, 2009, № 2, Вестник СевКавГТУ, 2010, № 4), 2 патентах РФ, 1 свидетельстве об отраслевой регистрации разработки (программы).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и 9 приложений, содержит 190 страниц основного текста, 33 рисунка, 5 таблиц, список использованных источников из 146 наименований.
