PREDICTION OF SATELLITE COMMUNICATION NOISE IMMUNITY BY RESULTS OF IONOSPHERE SCINTILLATION MONITORING

Full Text

Введение Известно [1-2], что помехоустойчивость систем спутниковой связи (ССС) может снижаться на несколько порядков при возникновении мерцаний (сцинтилляций, замираний) принимаемых сигналов. Они вызваны возмущениями ионосферы (обычно в районах полярных и экваториальных широт), которые проявляются в образовании интенсивных мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации. Эти мелкомасштабные неоднородности обуславливают рассеяние радиоволн и их многолучевое распространение в точку приема. Мерцания принимаемых в ССС сигналов обычно подчиняются m-распределению Накагами и могут очень глубокими. По экспериментальным данным [2] в области экватора индекс мерцаний может возрастать с обычных (для средних широт) значений = 0…0,2 до величины = 1. Поэтому m-параметр Накагами, связанный с как , может достигать на экваторе значения m = 1, соответствующего релеевским замираниям. Однако иногда достаточно глубокие мерцания принимаемых в ССС сигналов ( > 0,3) могут наблюдаться и в средних широтах. В связи с этим возникает необходимость организации мониторинга возмущений ионосферы, вызванных ростом флуктуаций электронной концентрации в ее мелкомасштабных неоднородностях и индекса мерцаний принимаемых сигналов, в целях прогнозирования помехоустойчивости ССС. Постановка задачи Согласно [3] помехоустойчивость приема сигналов при передаче дискретных сообщений и распределении Накагами принимаемых сигналов определяется зависимостью вероятности ошибочного приема информационных символов от среднего энергетического отношения «сигнал/шум» на входе приемника и m-параметра Накагами. Индекс мерцаний в трансионосферном (спутниковом) канале связи (определяющий параметр Накагами ) проще всего можно определить путем непосредственных измерений с помощью двухчастотного приемника NovAtel GPStanion - 6 спутниковой радионавигационной системы (СРНС) GPS / ГЛОНАСС [4]. Однако временные ряды измерений индекса мерцаний на выходе двухчастотного приемника GPStanion - 6 формируются с недостаточной точностью. Это обусловлено тем, что интервал дискретизации рядов составляет 1 мин. [4], тогда как для измерения параметров мелкомасштабных (с размерами порядка 100…1000 м) неоднородностей ионосферы необходима частота отсчетов не ниже 50 Гц (т.е. через 0,02 с) [5]. Кроме того, в ряды измерений во времени индекса мерцаний принимаемых сигналов , помимо многолучевости из-за рассеяния на неоднородностях ионосферы, вносят свой вклад и многолучевость из-за отражения на неровностях рельефа местности. Поэтому для повышения точности определения индекса мерцаний принимаемого сигнала целесообразно использовать возможности [6] двухчастотного приемника GPStanion-6 по проведению измерений временных рядов полного электронного содержания (ПЭС) ионосферы с последующим выделением из них рядов вариаций ПЭС, обусловленных мелкомасштабными неоднородностями . Это позволит оценить влияние статистических характеристик (например, среднеквадратического отклонения) мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы на изменение во времени индекса мерцаний принимаемого в ССС сигнала , параметра Накагами трансионосферного канала связи , и на помехоустойчивость приема сигналов . Целью статьи является разработка структуры построения комплекса прогнозирования помехоустойчивости системы спутниковой связи по результатам измерений статистических характеристик мелкомасштабных вариаций полного электронного содержания ионосферы на выходе двухчастотного приемника спутниковой радионавигационной системы и индекса мерцаний принимаемого сигнала. Принцип построения и работы комплекса прогнозирования помехоустойчивости ССС Схема на рис.1 иллюстрируется принцип построения и работы комплекса прогнозирования помехоустойчивости ССС по данным мониторинга ионосферы с помощью СРНС. В состав комплекса входит двухчастотный приемник СРНС типа GPStation - 6, блок определения среднеквадратического отклонения (СКО) мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы и блок прогнозирования помехоустойчивости . Суть работы двухчастотной СРНС состоит в следующем [5]. При прохождении через ионосферу радиосигналов, излучаемых на двух несущих частотах: f1 ≈ 1,6 ГГц и f2 ≈ 1,2 ГГц с космических аппаратов (КА) СРНС, они испытывают разные задержки и , а также изменения фаз и . Это позволяет непрерывно определять по навигационным измерениям двухчастотного приемника СРНС значение ПЭС ионосферы вдоль радиотрассы «КА СРНС - приемник СРНС» в любой момент на выходе приемника. Рис. 1. Принцип построения и работы комплекса прогнозирования помехоустойчивости ССС по данным мониторинга ионосферы Следует отметить, что временные задержки и изменения фаз навигационных сигналов измеряются двухчастотным приемником NovAtel GPStation-6 непрерывно с интервалом дискретизации с, а величина ПЭС (NT) - с интервалом 1 с [4]. Однако представляется возможным использовать протокол RANGE в составе платформы NovAtel GPStation-6 так, чтобы и величина ПЭС ионосферы определялась непрерывно во времени с минимальным интервалом дискретизации с, достаточным для измерения вариаций мелкомасштабных неоднородностей . На рис. 1 показаны положения перемещающегося КА СРНС в моменты времени и , соответствующие пересечению радиотрассой области возмущений ионосферы с интенсивными мелкомасштабными неоднородностями электронной концентрации в слое F. Исходными данными для блока определения СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы является временной ряд ПЭС ионосферы , формируемый на выходе двухчастотного приемника СРНС. Изменения составляют основу для вычисления изменений во времени индекса мерцаний и параметра Накагами в радиоканале спутниковой навигации . В блоке прогнозирования помехоустойчивости временные изменения и результаты расчета среднего отношения сигнал/шум на входе приемника ССС используются для получения искомой зависимости . От приемника ССС к блоку прогнозирования помехоустойчивости поступают сведения о среднем энергетическом отношении сигнал/шум на входе приемника , несущей частоте и угле прихода сигналов в текущий момент времени . Потребность в этих сведениях будет обоснована ниже. Определение СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС в ионосфере В общем случае временной ряд ПЭС на выходе двухчастотного приемника GPStation-6 будет представлять собой аддитивную смесь нескольких составляющих [5-6]. Известно [5], что в общем случае формируемый на выходе двухчастотного приемника СРНС временной ряд вариаций ПЭС представляет собой аддитивную смесь нескольких составляющих: NТ(t) = NТ0(t) + ∆NТкр(t) + ∆NТср(t) + ∆NТм(t) + ∆NТш(t), (1) где NT0(t) - ПЭС однородной ионосферы (фона); ∆NТкр(t), ∆NТср(t) и ∆NТм(t) - вариации ПЭС, обусловленные ионосферными неоднородностями крупного (100…1000 км), среднего (10…100 км) и мелкого (100…1000 м) масштабов соответственно; ∆NТш(t) - вариации, обусловленные шумовой погрешностью измерений двухчастотного приемника. В качестве примера на рис. 2 приведен отрезок временного ряда вариаций ПЭС NТ(t) ионосферы (выраженных в единицах измерения TECU = 1016 м-2) за время наблюдения 1 ч (с 11:30 до 12:30), полученный 25.07.2015 г. на выходе двухчастотного приемника NovAtel GPStation-6. Этот приемник размещался на базе Северо-Кавказском федерального университета (г._Ставрополь) и принимал навигационные сигналы от КА № 25 СРНС GPS. Анализ рис. 2 показывает, что в интервале с 11:50 до 12:05 наблюдаются значительные колебания ПЭС (единицей измерения ПЭС является TECU = 1016 м-2) с характерным периодом до 20-30 с. Такие колебания обусловлены мелкомасштабными неоднородностями электронной концентрации [5]. Подионосферная точка КА № 25 GPS в период времени 11:50 … 12:05 перемещалась практически вдоль широты 47° по траектории г. Каховка - г. Бердянск (положения этого КА СРНС в моменты времени 11:50 и 12:05 показаны на рис.1). Согласно методике [6], на первом этапе обработки временного ряда вариаций ПЭС ионосферы (1) на трассе «КА СРНС - двухчастотный приемник СРНС» (полученного на выходе этого приемника) осуществляется сглаживание NТ(t) скользящим временным окном с шириной, равной tсгл1 = 60 с. Полученный в результате сглаживания тренд <∆NТ> = NТ0(t) + ∆NТкр(t) + ∆NТср(t) вычитается из исходного ряда (1). В результате ряд ПЭС принимает вид комбинации мелкомасштабных вариаций и шумов: NТ(t) = ∆NТм(t) + ∆NТш(t). На втором этапе обработки полученный ряд вариаций ПЭС NТ(t) = ∆NТм(t) + ∆NТш(t) сглаживается простой скользящей средней с окном tсгл2 = 0,1 с, что обеспечивает удаление шумовой составляющей ∆NТш(t). Рис. 2. Вариации полного электронного содержания ионосферы В итоге после двух этапов обработки из ряда (1) формируется временной ряд вариаций ПЭС NТ(t) = ∆NТм(t), обусловленных только мелкомасштабными неоднородностями ионосферы, представленный на рис. 3. На третьем этапе обработки из этого ряда (см. рис.3) формируются результаты расчета СКО вариаций ПЭС в мелкомасштабных неоднородностях ионосферы , представленные на рис. 4. Из рис. 4 видно, что в период с 11:50 по 12:05 значение СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС изменяется с 0,03 TECU до 0,18 TECU. Рис. 3. Временной ряд мелкомасштабных вариаций полного электронного содержания ионосферы Рис. 4. Изменение среднеквадратического отклонения мелкомасштабных вариаций полного электронного содержания ионосферы Прогнозирование помехоустойчивости ССС В блоке прогнозирования помехоустойчивости ССС на основе полученных значений СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы определяется изменения во времени вероятности ошибки при приеме информационных символов навигационного сообщения (см. рис. 1). Заметим, что согласно рис.1 на трассах спутниковой навигации под углом и спутниковой связи под углом длина трансионосферного участка распространения радиоволн (РРВ) будет различной. Зная СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы на трассе спутниковой навигации , можно определить СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы, в радианах, на трассах спутниковой связи , проходящей через ту же область возмущенной ионосферы, как . При одинаковых углах трансионосферного РРВ на трассах спутниковой навигации и связи = обеспечивается равенство и СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС на этих трассах РРВ = . Известно [7-8], что для описания процесса распространения радиоволн через неоднородную ионосферу в ССС используется метод фазового экрана, устанавливающий зависимость СКО флуктуаций фазового фронта волны на выходе неоднородной ионосферы от СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы : , (2) где c - скорость света [м/с], - несущая частота [Гц], 80,8 - размерный коэффициент м3/с2. На основе полученного временного ряда СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС можно получить временной ряд СКО флуктуаций фазового фронта волны на выходе неоднородной ионосферы (в радианах) как . (3) На рис. 5 представлены результаты расчета согласно (3) изменений во времени СКО флуктуаций фазового фронта волны с несущей частотой 1 ГГц (широко используемой в ССС) на основе данных об СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы, приведенных на рис. 4 (то есть при ). Рис. 5. Изменение во времени среднеквадратического отклонения флуктуаций фазового фронта волны на выходе неоднородной ионосферы Согласно рис. 5 в период с 11:50 по 12:05 значение СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС изменяется с 0,03 рад до 0,52 рад. Известно [7-8], что СКО флуктуаций фазового фронта волны на выходе неоднородной ионосферы определяет глубину замираний принимаемого сигнала в трансионосферном радиоканале. Эти замирания характеризуются индексом мерцаний. Последний при выполнении условия дальней зоны связан с зависимостью [9] . (4) В соответствии с выражениями (4) и (3) можно получить зависимость от изменения во времени индекса мерцаний в трансионосферном радиоканале: (5) На рис. 6 приведен временной ряд значений индекса мерцаний, рассчитанных согласно (5) для несущей частоты 1 ГГц по данным измерений СКО флуктуаций ПЭС (cv/ рис. 4). Согласно рис. 5 в период с 11:50 по 12:05 значение СКО индекса мерцаний принимаемых сигналов в трансионосферном канале связи может достигать 0,6; что свидетельствует о возникновении в спутниковом радиоканале достаточно глубоких замираний (когда , то есть близких к релееевским). Рис. 6. Изменение во времени индекса мерцаний сигналов в трансионосферном канале связи В соответствии с выражением (5) можно получить зависимость от изменения параметра m во времени в трансионосферном радиоканале: (6) Величина m-параметра распределения Накагами, зависящая от индекса мерцаний в трансионосферном канале связи, сильно влияет на помехоустойчивость ССС. Последняя при некогерентном оптимальном приеме ортогональных (в усиленном смысле) сигналов описывается выражением вида [3] , (7) где - отношение средней энергии замирающего сигнала к спектральной плотности мощности шума N0 на входе приемника, равное соответствующему энергетическому отношению «сигнал/шум» при отсутствии замираний. В соответствии с выражениями (6)-(7) можно определить изменение во времени помехоустойчивости спутниковых систем связи и навигации как . (8) В соответствии с изменением во времени индекса мерцаний в спутниковом канале связи (см. рис.6) и выражением (8) на рис. 7 приведены результаты прогнозирования помехоустойчивости ССС, использующих несущую частоту 1 ГГц, при достаточно большом отношении сигнал/шум (ОСШ) на входе приемника = 35 дБ. Анализ рис. 7 показывает, что в период возмущений ионосферы с 11:50 до 12:05, сопровождаемых ростом мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации и вариаций ПЭС (см. рис. 3-4), вероятность ошибочного приема информационных символов в ССС с несущей частотой 1 ГГц может возрастать до величины 2∙10-4, более чем на порядок превышающей допустимое значение = 10-5. На рис. 8, по аналогии с рис. 6 и в соответствии с выражениями (6)-(8), представлены результаты прогнозирования помехоустойчивости ССС, использующих более высокую несущую частоту 2 ГГц при обычном (с учетом энергетического запаса спутниковой радиолинии) отношении «сигнал/шум» на входе приемника ССС = 20 дБ. Рис. 7. Изменение во времени вероятности ошибки в ССС при несущей частоте 1 ГГц и = 35 дБ Анализ рис. 8 показывает, что на интервале возмущений ионосферы с 11:50 до 12:05, вероятность ошибочного приема сигналов в ССС с несущей частотой 2 ГГц и отношении «сигнал/шум» на входе приемника = 20 дБ может возрастать до величины 5∙10-3 и превышать допустимое значение 10-5 в течение 13 мин. Рис. 8. Изменение во времени вероятности ошибки в ССС при несущей частоте 2 ГГц и = 20 дБ На рис. 9 представлены результаты прогнозирования помехоустойчивости ССС, использующих несущую частоту 4 ГГц при отношении «сигнал/шум» на входе приемника ССС = 20 дБ. Анализ рис. 9 показывает, что в период возмущений ионосферы с 11:50 до 12:05 вероятность ошибочного приема сигналов в ССС с несущей частотой ГГц при дБ может возрастать до величины 10-3, превышающей допустимое значение 10-5 на два порядка. Анализ приведенных на рис. 7-9 изменений во времени вероятности ошибочного приема сигналов в ССС при возмущениях ионосферы показывает, что слабо зависит от реализуемого значения на входе приемника и определяется индексом мерцаний , изменения которого зависят согласно (6) от отношения СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС ионосферы к выбранной несущей частоте передаваемого сигнала . Рис. 9. Изменение во времени вероятности ошибки в ССС при несущей частоте 4 ГГц и = 20 дБ Структура комплекса прогнозирования помехоустойчивости ССС Алгоритм прогнозирования помехоустойчивости ССС по результатам измерения СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС , заключается в последовательности следующих операций. 1. Получение временного ряда вариаций ПЭС - см. рис. 2, с помощью двухчастотного приемника СРНС. 2. Сглаживание ряда вариаций ПЭС методом простой скользящей средней с окном = 60 с, и удаление из исходного ряда (1) полученного в результате сглаживания тренда . 3. Получение ряда мелкомасштабных вариаций ПЭС - см. рис. 3, путем сглаживания, полученного на предыдущем шаге ряда методом простой скользящей средней с окном = 0,1 с. 4. Вычисление элементов временного ряда СКО мелкомасштабных вариаций ПЭС согласно рис. 4, на интервале = 60 с. 5. Вычисление элементов временного ряда значений индекса мерцаний (см. рис.6); 6. Вычисление элементов временного ряда значений вероятности ошибки при приеме информационных символов (см. рис. 7-9). Структурная схема комплекса, реализующего описанный алгоритм с учетом описанных выше операций, представлена на рис. 10. Выводы Таким образом, разработана структурная схема комплекса, позволяющего прогнозировать помехоустойчивость систем спутниковой связи в реальном масштабе времени по результатам мониторинга среднеквадратического отклонения мелкомасштабных вариаций полного электронного содержания ионосферы на выходе двухчастотного приемника СРНС. Практическая ценность полученных результатов состоит в том, что они базируются на экспериментальных данных мониторинга ионосферы с помощью двухчастотного приемника NovAtel GPStation-6 и указывают на возможность образования в средних широтах областей с повышенным значением СКО мелкомасштабных вариаций электронной концентрации, которые могут вызывать глубокие мерцания принимаемых сигналов и недопустимое снижение помехоустойчивости систем спутниковой связи в течение 13 мин. Эти результаты могут быть использованы для адаптации частотно-временных параметров спутниковых систем связи к изменению условий трансионосферного распространения радиоволн с целью повышения помехоустойчивости в условиях ионосферных возмущений типа образования мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации. Рис. 10. Структурная схема комплекса прогнозирования помехоустойчивости ССС по данным трансионосферного зондирования

About the authors

Vjacheslav Anatolievich Shevchenko

Military Unit

Email: shevv67@maul.ru

Alexander Fedorovich Chipiga

North Caucasus Federal University

Email: chipiga.alexander@gmail.com

Vladimir Petrovich Pashintsev

North Caucasus Federal University

Email: pashintsevp@mail.ru

Kirill Igorevich Toporkov

North Caucasus Federal University

References

Supplementary files