EA002406B1 - Способ метеорной радиосвязи (варианты) и система для его осуществления (варианты) - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к технике метеорной радиосвязи. Достигаемый технический результат - повышение времени радиосвязи и качества связи при меньших затратах энергии. "Горячие" зоны сгорания метеорных следов облучают циркулярнополяризованным радиоизлучением, это позволяет с большей эффективностью использовать как плотные, так и неплотные следы сгоревших метеоров. Изменяя диаграммы направленности антенных систем, адаптируют телесный угол радиоизлучения к размерам "горячих" зон, чем исключают непроизводительные (мимо цели) потери энергии. В качестве антенных устройств в системах метеорной радиосвязи использованы вертикально разнесенные спиральные антенны с переменным размером витков и базой разноса, это обеспечивает круговую и/или эллиптическую поляризацию излучения и позволяет изменять поперечные и продольные размеры телесного угла радиоизлучения, адаптируя его к пространственным размерам "горячих" зон.

Description

Изобретение относится к радиотехнике, в частности, к радиосвязи и может быть использовано в метеорной радиосвязи прерывистого характера со случайными параметрами.

Для компенсации недостатков и в дополнение к традиционным сигналам радиосвязи были разработаны способы, в которых для отражения радиосигналов в нижней части диапазона ОВЧ используют ионизированные электронные следы, создаваемые метеорами, влетающими в атмосферу Земли. Метеоры, как правило, сгорают в атмосфере в узком диапазоне высот 80-100 км, что позволяет осуществлять связь между станциями, разнесенными на расстояние до 2000 км.

Метеорный след существует от нескольких миллисекунд до нескольких секунд при средней продолжительности метеорного отражения 0,2 с. В это время производят обмен информацией между двумя и более станциями. Время ожидания между появлениями метеорных следов, расположенных в пригодных для использования данных области атмосферы, составляет от нескольких секунд до минут. Коэффициент заполнения, равный отношению времени, пригодному для связи, к общему времени, зависит от времени суток и года.

Известен способ метеорной радиосвязи (Уиллис Дей. Метеорная связь - перспективный метод обмена информацией с отдаленными объектами. Электроника, т.55, №26, 1982, с.43-50), включающий непрерывное облучение горячих зон, т. е. области сгорания метеоров электромагнитным УКВ-излучением, промодулированным вызывным зонд-сигналом. При появлении подходящего метеорного следа и идентификации вызывного зонд-сигнала, радиостанциякорреспондент излучает ответный аналогичный зонд-сигнал.

Таким образом, устанавливают канал связи и начинают обмен информацией в течение времени существования следа.

Известен способ прерывистой метеорной радиосвязи, основанный на отражении радиоволн от ионизированных метеорных следов (Патент США №4630314, кл. Н04В 7/24, 1986), в соответствии с которым из обоих корреспондирующих пунктов одновременно облучают горячие зоны области Ό и Е ионосферы - область сгорания метеоров маломощным (порядка сотен ватт) зондирующим радиоизлучением на близких рабочих частотах (Δί ~ 1 МГц) в УКВдиапазоне порядка 50 МГц. При появлении на входах приемников сигналов от передатчикакорреспондента, свидетельствующих о появлении отражающего метеорного следа, мощность излучения увеличивают, несущие частоты модулируют информационным сигналом и начинают обмен сообщениями, который продолжают в течение времени существования метеорного следа.

Обмен между станциями производится вспышками путем высокоскоростной передачи пакетов данных объемом в сотни и тысячи знаков, разделенных относительно длительными периодами молчания. Важным свойством такой связи является общая рабочая частота для многих каналов. Обмен информацией производят в обоих направлениях в виде коротких сообщений либо разделенных на последовательно передаваемые пакеты данных. Таким образом, способ метеорной радиосвязи характеризуется прерывистостью и очень малым временем существования канала связи. Поэтому для установления связи применяют процесс зондирования, когда ведущая станция непрерывно передает сигнал, а удаленные станции непрерывно ждут этого сигнала. Когда появляется пригодный метеорный след, удаленная станция обнаруживает сигнал ведущей станции, фиксируя существование пригодного для связи канала. Затем осуществляют передачу данных, используя тот же метеорный след, от которого был отражен зондирующий сигнал.

Недостаток известных способов метеорной радиосвязи в том, что в стремлении максимально использовать все метеорные следы облучают практически всю область, в которой могут сгорать метеоры, не экономя на излучаемой энергии. При такой радиосвязи обычно используют линейную поляризацию излучаемых радиоволн. Линейная поляризация излучения приводит к тому, что при отражении от плотных метеорных следов наблюдаются поляризационные эффекты - фединг и другие интерференционные и дифракционные искажения принимаемых сигналов из-за диффузионного расплывания следа и его деформации. Это приводит к необходимости повторения сообщения, т.е. для радиосвязи оказываются фактически пригодными только недоуплотненные следы от меньших метеоров, не отражающих, а рассеивающих вперед радиоизлучение. В то же время из распределения длительности отражений от числа вспышек известно, что число плотных следов, длительность отражений от которых > 0,2 с, составляет порядка трети от всех наблюдаемых следов (Винсент В.Р. и др. Анализ экспериментальных данных о метеорном распространении при рассеянии вперед. Сб. Метеорная радиосвязь на УКВ. М. ИЛ., 1961, с. 177). В то же время при исследовании явления рассеяния в ионосфере (Кирби Р. См. выше) было установлено, что направление поляризации рассеянных волн в основном изменяется хаотично. Это приводит к тому, что и рассеянная компонента от недоуплотненных следов при линейной поляризации антенн используются лишь частично.

Таким образом, возможность использования для радиосвязи метеорных следов реализуют не полностью, хотя и используют избыточную мощность излучения.

Другим недостатком известных способов радиосвязи является нерациональное использование излучаемой мощности из-за стремления гарантированно облучить все потенциально достигаемые метеорные следы, используя широкие диаграммы направленности излучения. Хотя известно, что наиболее горячие зоны наиболее вероятного сгорания метеоров относительно не велики (Эшлеман В.Р., Млодноски Р.Ф. Характеристики направленности метеорного распространения радиоволн. Сб. Метеорная связь на УКВ. М., НЛ., 1961 с. 117) и для их эффективного облучения было бы достаточно на 1 - 2 порядка меньшей мощности.

Известна система метеорной радиосвязи (Кащеев Б.А., Бондарь Б.Г. Метеорная связь, УМК ВО, 1989, с.76), каждый приемопередающий центр (ППЦ) которой включает передатчик (Т) с частотным модулятором (ЧМ) и кодером (К), комплект приемников (К.) с демодуляторами и декодерами (ДК), приемным и передающим запоминающими устройствами (ЗУ), управляющим компьютером. В комплекс каждого ППЦ входят четыре разнесенные директорные приемные антенны и четыре приемника.

Известна система метеорной радиосвязи (А.С. СССР № 1832392, кл. Н04В 7/22, 1993), каждый ППЦ которой включает передатчик, приемник, модулятор, демодулятор, кодер, декодер, приемный и передающий накопители, управляющий компьютер, директорные приемная и передающая антенны, блок измерения радиофизических параметров эхо-сигнала от метеорного следа.

Недостатками известных систем метеорной радиосвязи является то, что их антенны имеют широкие диаграммы направленности линейно поляризованного излучения. Это приводит в стремлении гарантированного облучения всей зоны сгорания метеоров к нерациональным затратам энергии. В то время как для связи достаточно энергии на 1-2 порядка меньше.

Задача изобретения разработать способы и системы метеорной радиосвязи, которые исключали бы искажения передаваемых сигналов, вследствие поляризационных эффектов, а также нерациональное использование излучаемой энергии на облучение всей области возможного сгорания метеоров широконаправленными антеннами.

При построении антенных систем для метеорной радиосвязи традиционно возникают вопросы, связанные с оптимизацией коэффициента направленного действия антенны и с выбором ее поляризации. Решение поставленной задачи заключается в определении местоположения и размеров горячих зон появления полезных метеоров, которую только и целесообразно облучать, и в анализе эффектов, влияющих на изменение поляризации сигнала.

Как было указано выше, использование линейной поляризации излучения неэффективно как при отражении от плотных следов, так и при рассеянии на недоуплотненных следах. Значительно более эффективным должно быть использование излучения с круговой и/или эллиптической поляризацией. В этом случае вероятность того, что какой-то участок метеорного следа или его изоэлектронной поверхности окажется колинеарным вектору поляризации облучающей волны, будет значительно больше. Для рассеяния на неплотных следах, когда направление поляризации рассеянных волн изменяется хаотично, при круговой (эллиптической) поляризации излучения всегда имеется доля рассеянного излучения, поляризация которого совпадает с поляризацией приемной антенны.

В (Винсент В.Р. и др. см.выше) были изучены параметры горячих зон сгорания метеоров и определено необходимое смещение азимута антенн относительно дуги большого круга с использованием вращающейся антенны с узкой диаграммой направленности в горизонтальной области. Суточные и сезонные вариации распределения радиантов появления метеоров на небесной полусфере оказывают значительное влияние на величину и местоположение двух горячих зон, дающих максимум произведения числа и длительности эхо-сигналов от метеорных следов. Эти горячие зоны расположены над центром трассы в виде двух вытянутых вдоль трассы эллипсов, смещенных поперечно вправо и влево относительно дуги большого круга, соединяющей станции, см. фиг. 2.

Поскольку отслеживание временной миграции горячих зон и адекватное изменение направленности и направления антенн привело бы к их существенному усложнению, наиболее рациональным является формирование двух лепестковых диаграмм направленности, охватывающих обе горячие зоны.

Широко известны спиральные УКВ антенны и такие их особенности, как круговая (эллиптическая) поляризация и возможность работы в режиме конического излучения (в плоскости в виде двух лепестков) при диаметре витка, большем половины длины волны. При этом изменением диаметра витков можно изменять ширину и угол отклонения лепестков (Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. М. Связь, 1972, с.250-255).

Исходя из изложенного, решение поставленной задачи возможно при использовании спиральных антенн.

Технический результат, получаемый при реализации изобретения, - повышение времени радиосвязи, т.е. увеличение коэффициента заполнения, и качества радиосвязи при меньших затратах энергии.

Требуемый технический результат достигается тем, что так же, как в известном способе метеорной радиосвязи, из обоих пунктов обе горячие зоны, области сгорания метеоров облучают направленным УКВ-радиоизлучением, при появлении эхо-сигналов от ионизированного следа сгоравшего метеора устанавливают связь и осуществляют обмен информацией.

Однако, в отличие от известного способа, в предлагаемом способе метеорной радиосвязи область сгорания метеоров облучают радиоизлучением с круговой и/или эллиптической поляризацией.

Требуемый технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа, в предлагаемом способе метеорной радиосвязи облучение обеих горячих зон осуществляют в режиме конического излучения, адекватного поперечным размерам зон.

Требуемый технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа, в предлагаемом способе метеорной радиосвязи телесный угол направленного УКВрадиоизлучения ограничивают продольными размерами горячих зон.

Требуемый технический результат достигается тем, что так же, как в известной системе метеорной радиосвязи, каждый ППЦ предлагаемой системы включает передатчик, с передающей антенной, приемник с приемной антенной, модулятор, демодулятор, кодер, декодер, приемный и передающий накопители, управляющий компьютер, измеритель радиофизических параметров эхо-сигнала от метеорного следа.

Однако, в отличие от известной системы, в предлагаемой системе метеорной радиосвязи в качестве передающих и приемных антенн использованы спиральные антенны.

Требуемый технический результат достигается тем, что, в отличие от известной системы, в предлагаемой системе метеорной радиосвязи в качестве антенн использованы спиральные антенны, выполненные с диаметром витков, большим 0,5 длины волны, т.е. функционирующие в режиме конического излучения.

Достижению технического результата способствует также то, что спиральные антенны выполнены с возможностью изменения диаметра витков, для чего осевой шток антенны выполнен телескопическим и снабжен механизмом укорочения - удлинения.

Достижению технического результата способствует также то, что для изменения диаметра витков спирали антенны снабжены механизмами закручивания - раскручивания витков.

Требуемый технический результат достигается тем, что в отличие от известной системы, в предлагаемой системе метеорной радиосвязи в качестве каждой антенны использованы, по меньшей мере, две спиральные антенны, разнесенные в вертикальной плоскости.

Приведенный выше достигаемый технический результат находится в причинноследственной связи с предложенными отличительными признаками способов и систем радиосвязи. Использование круговой поляризации излучения и спиральных излучающих и приемных антенн исключает поляризационные эффекты и искажения сигналов, вызванные ими. Это относит в разряд полезных переуплотненные метеорные следы, так как на их цилиндрических диффундирующих изоэлектронных поверхностях при отражении радиоволн всегда имеются колинеарные участки вектору напряженности поля при круговой и/или эллиптической поляризации. А при приеме на спиральную антенну рассеянного на недоуплотненных следах излучения с хаотически меняющейся поляризацией всегда найдется участок витка спирали, колинеарный вектору поляризации принимаемого излучения, в котором будет наведена соответствующая ЭДС и этот сигнал будет воспринят приемным устройством. Более эффективный прием эхо-сигналов как от плотных, так и недоуплотненных следов обуславливает увеличение совокупного времени возможной радиосвязи, т. е. повышает коэффициент заполнения трассы. Исключение поляризационных замираний снижает искажения принимаемых эхо-сигналов, т.е. повышает качество передаваемой информации и радиосвязи в целом.

Использование спиральных антенн в режиме конического излучения с двумя лепестками диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и возможность изменять параметры этих лепестков, адаптируя их к поперечным размерам горячих зон, а также использование вертикально разнесенных антенн и возможность изменять базу разноса и изменять ширину диаграммы направленности в вертикальной плоскости, адаптируя ее к продольным размерам горячих зон, позволяет оптимизировать телесный угол радиоизлучения и исключить нерациональный расход излучаемой энергии.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена функциональная блок-схема приемо-передающего центра (ППЦ) станции метеорной радиосвязи, на фиг. 2 приведено схематическое изображение зон метеорной области, наиболее благоприятных для метеорной радиосвязи на расстояние порядка 1000 км между точками, обозначенными х; на фиг. 3 схематическое изображение радиоизлучателя антенной системы станции метеорной радиосвязи, состоящего из двух спиральных антенн, разнесенных в вертикальной плоскости; на фиг. 4 приведена диаграмма направленности излучающей спиральной антенны в горизонтальной плоскости, функционирующей в режиме конического излучения.

Система метеорной радиосвязи состоит, по меньшей мере, из двух приемопередающих центров (ППЦ), фиг. 1, каждый из которых содержит передатчик (Т) - 1 с излучающей антенной системой, состоящей из двух вертикально раз002406 несенных спиральных антенн, модулятор (М) 2, кодер (К) - 3, приемник (К) - 4 с приемной антенной системой, аналогичной излучающей, демодулятор (ДМ) - 5, декодер (ДК) - 6, измеритель радиофизических характеристик отражений (ИРФХ) 7, управляющий компьютер - 10, запоминающее устройство (ЗУ) - накопитель 9, компаратор - 8, устройство входа-выхода - 11, состоящее из терминала 12 и модема (МДМ) 13.

Способ осуществлен в Институте ионосферы МНиВО РК и Национальном центре радиоэлектроники и связи НЦРЭС РК. В качестве одной из радиостанций использовалась стационарная станция метеорной радиосвязи, в качестве второй радиостанции использовалась передвижная портативная экспедиционная радиостанция при последовательном перемещении последней вдоль меридиональной трассы. Для связи использовались спаренные в вертикальной плоскости спиральные антенны с диаметром витков, большим половины длины волны, ориентированные вдоль дуги большого круга, связывающей радиостанции - корреспонденты.

Передатчик 1 каждой станции работает непрерывно в режиме зондирующего циркулярного поляризованного излучения, а приемник 4 - в режиме ждущего приема. Круговая циркуляция радиоизлучения достигнута использованием спиральных антенн (фиг. 3).

Как излучающие, так и приемные спиральные антенны выполнены с возможностью регулирования диаметра витков спирали (фиг. 3) изменением длины осевого штока антенны (шага спирали) и/или закручиванием витков спирали (количество витков). Это позволяет менять диаграмму направленности антенн и установить режим конического излучения (фиг. 4) - двухлепестковую в горизонтальной плоскости диаграмму направленности как излучающей, так и приемной антенн, и дает возможность адаптировать ее к поперечным размерам горячих зон, фиг. 3. Спаренные антенные системы из двух разнесенных в вертикальной плоскости спиральных антенн с переменной базой разноса позволяют изменять ширину диаграммы направленности в вертикальной плоскости, адаптируя ее к продольным размерам горячих зон, фиг. 2. При осуществлении радиосвязи в промежуточных точках экспериментальной трассы опытным путем подбирались диаметр витков и база разноса антенн.

При появлении отражающего метеорного следа приемники каждой станции принимают зондирующие сигналы. Восстановленная несущая частота поступает на измеритель радиофизических характеристик ИРФХ - 7. На второй вход ИРФХ - 7 поступает опорное напряжение из передатчика. Измеренные характеристики отражений поступают на первые сигнальные входы компаратора - 10, на вторые сигнальные входы которого поступают эталонные характе ристики из базы данных ЗУ - 9. Результат сравнения поступает в компьютер - 8, где осуществляют идентификацию следа, определяют его параметры, в соответствии с которыми устанавливают скорость передачи и длительность формируемых пакетов передаваемой информации.

Сформированные пакеты кодируют в К - 3, полученным сигналом в М - 2 модулируют несущую, которую излучают посредством Т - 1 в сторону корреспондента. На приемной стороне совершают обратные процедуры, восстанавливая принятую информацию в исходном виде.

Передвигаясь на трассе с периодическими остановками в промежуточных пунктах и экспериментальным определением характеристик и параметров связи, установили, что при длине трассы порядка 1600 км, подобранном диаметре витков спиральных антенн 0,52 длины волны, базе разноса вертикальных антенн 1,6 длины волны был достигнут максимальный коэффициент заполнения трассы 0,39 при неискаженном приеме информации и мощности излучения 150 ватт. Полученные результаты на порядок превышают результаты связи известных систем.

Claims (8)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ метеорной радиосвязи, заключающийся в том, что из обоих пунктов трассы радиосвязи облучают обе «горячие» зоны области сгорания метеоров направленным УКВрадиоизлучением, при появлении эхо-сигналов от ионизированного следа сгоревшего метеора устанавливают связь и совершают обмен информацией, отличающийся тем, что область сгорания метеоров облучают радиоизлучением с круговой и/или эллиптической поляризацией.
2. 2. Способ метеорной радиосвязи по п.1, отличающийся тем, что «горячие» зоны облучают в режиме конического излучения, адекватного поперечным размерам зон.
3. 3. Способ метеорной радиосвязи, заключающийся в том, что из обоих пунктов трассы радиосвязи облучают обе «горячие» зоны области сгорания метеоров направления УКВ радиоизлучением, при появлении эхо-сигналов от ионизированного следа сгоревшего метеора устанавливают связь и совершают обмен информацией, отличающийся тем, что телесный угол направленного УКВ - радиоизлучения ограничивают продольными размерами «горячих» зон.
4. 4. Система метеорной радиосвязи, состоящая, по меньшей мере, из двух приемопередающих центров (1111Ц). каждый из которых включает передатчик с излучающей антенной, приемник с приемной антенной, модулятор, демодулятор, кодер, декодер, приемный и передающий накопители, управляющий компьютер, измеритель радиофизических параметров эхо-сигнала от метеорного следа, отличающаяся тем, что в качестве антенны использованы спиральные антенны.
5. 5. Система метеорной радиосвязи, состоящая, по меньшей мере, из двух ППЦ, каждый из которых включает передатчик с излучающей антенной, приемник с приемной антенной, модулятор, демодулятор, кодер, декодер, приемный и передающий накопители, управляющий компьютер, измеритель радиофизических параметров эхо-сигнала от метеорного следа, отличающаяся тем, что в качестве антенны использованы спиральные антенны, выполненные с диаметром витков, большим половины длины волны, т.е. работающие в режиме конического излучения.
6. 6. Система по п.5, отличающаяся тем, что спиральные антенны выполнены с возможностью изменения диаметра витков, для чего осевые штоки антенн выполнены телескопически ми и снабжены механизмами укороченияудлинения.
7. 7. Система по п.5, отличающаяся тем, что для изменения диаметра витков спирали антенны снабжены механизмами закручиванияраскручивания.
8. 8. Система метеорной радиосвязи, состоящая, по меньшей мере, из двух ППЦ, каждый из которых включает передатчик с излучающей антенной, приемник с приемной антенной, модулятор, демодулятор, кодер, декодер, приемный и передающий накопители, управляющий компьютер, измеритель радиофизических параметров эхо-сигнала от метеорного следа, отличающаяся тем, что в качестве каждой антенны использованы, по меньшей мере, две спиральные антенны, разнесенные в вертикальной плоскости.