Теплов В. Ю., Бочкарьов В. В., Петрова І. Р. Казанський державний університет Вул. Кремлівська д. 18, Казань 420008, Росія Тел. +7 (8432) 380081; e-mail: vteplov@ksu.ru

Анотація – Розглянуто методи вимірювання параметрів вузькосмугових сигналів короткохвильового (КВ) – діапазону в умовах загоризонтного розповсюдження. Розглядаються питання побудови антенної системи рознесеного прийому з малою базою і методики цифрової обробки багатомодового сигналу.

I. Вступ

Можливість далекого загоризонтного розповсюдження радіохвиль КВ – діапазону (1-30 Мгц) ​​обумовлюється наявністю іонізованих шарів в термосфере Землі. Таким чином з’являється можливість як чисто практичного застосування (передача інформації на далекі й наддалекі відстані), так і дослідницького використання радіохвиль КВ – діапазону. У другому випадку дослідження різних динамічних процесів в термосфере Землі носять глобальний характер у зв’язку з тим, що зона огляду має розміри порядку сотень і тисяч км. В якості вимірювальних систем в цих випадках використовуються як найпростіші системи рознесеного прийому, так і великі амплітудні матриці і фазовані антенні решітки [1]. Недоліком класичних методів формування просторової апертури є необхідність забезпечення великих розмірів для бази антеною системи, що істотно здорожує приймальню систему і робить неможливим її використання в умовах просторових обмежень (рухливі платформи) [2]. Додаткові можливості щодо спрощення приймально-вимірювального комплексу з’являються при використанні при використанні не тільки поділу в просторі, але і в частотній області [3,4].

II. Основна частина

Рис. 1. Багатоканальний вимірювальний стенд. Fig. 1. Multichannel measuring bench

У Казанському державному університеті при дослідженнях динамічних і хвильових процесів в іоносфері застосовується пасивний доплеровский фазоугломерний комплекс «Спектр». В якості зондувальних сигналів використовуються сигнали різних широкомовних AM – станцій та станції точного часу (діапазон 1 – 20 МГц.). У більшій частині проведених експериментів застосовувалася антенна система з 4 5 або 10 метрових вертикальних вібраторів. Головними обмежуючими факторами при вимірюванні параметрів багатомодових сигналів похилого зондування іоносфери методом доплеровськой інтерферометрії є нестаціонарність сигналу і складна поляризаційна структура. Спільні по доплеровскому зрушенню частоти моди можуть бути впевнено розділені класичними методами спектрального аналізу тільки на відповідних тимчасових апертурах, обмежених в свою чергу часом стаціонарності іоносферних процесів. В залежності від робочої частоти, різних умов розповсюдження і методів визначення часу стаціонарності різні автори вказують діапазон 40 – 300 сек [2, 5, 6, 7].

Проведене чисельне моделювання роботи пеленгатора з малою базою і симетричною вертикальної антеною системою показало, що на среднеширотной трасах при досягнутому рівні апаратурних похибок (Неідентичність каналів рознесеного прийому, нестабільність фазових характеристик каналів тощо) середньоквадратична помилка вимірювання складає для нашої установки 0.07 ° при вимірюванні різниці фаз. Це обумовлює «технічний» межа кутового дозволу. Згідно з розрахунками середньоквадратичної помилки визначення кутів, відповідні цієї величини мінімальної помилки вимірювання фази отримано, що залежність від частоти радіосигналу – назад-пропорційна і для характерних значень кутів приходу (кут місця 9 = 20 °, азимут а відповідає напрямку на Москву) має вигляд 8а = 0.308 / f, 89 = 1.09 / f, де f – частота в мегагерцах. В залежності від азимута точність (при частоті 10 МГц і 9 = 20 °) змінюється в межах 0.075 ° н-0.12 ° для кута місця і 0.028 ° н-0.034 ° для азимута. Подальше погіршення точності визначення пов’язано зі складністю інтерференційної картини (багатомодове, поляризація). Як показує розрахунок, залежність помилки визначення кутів <75а, І * від помилки у визначенні фаз стф можна вважати майже лінійної аж до значень порядку стфі 3-4 °. Для f = 10 МГц, 9 = 20 ° стф в межах 0.2-2 ° помилки можна приблизно оцінити наступної лінійної апроксимацією (всі величини в градусах):

ст = 0.44-СТФ +0.086, ст = 1.81-стф – 0.19

При використанні вертикальних вібраторів досить впевнено визначається азимутальний кут. Складнощі визначення кута місця викликані невдалою конфігурацією антеною системи (вертикальні вібратори) по відношенню до вертикального кутку. Виникаючі складності можна усунути при суміщенні методів просторово рознесеного прийому і спектрально поляризаційного методу [8] (на основі результатів чисельного моделювання автори статті [2] показують, що в цьому випадку можна домогтися точності визначення кутів порядку 1 °, але тільки за умови надійного спектрального поділу мод).

Антенна система в цьому випадку будується з декількох похилих до рівня горизонту вібраторів, що сходяться до загальної центральній точці. Для зменшення впливу неідентичності квадратурних каналів на визначення кутів приходу радіопроменя нами застосована система багатоканального цифрового прийому на основі цифрового сигнального процесора TMS320C6416 [9]. Спектральна обробка сигналів проводиться з використанням як класичних, так і (в разі наявності значної відбитої складової) параметричних методів [10].

III. Висновок

Таким чином розроблена і випробувана система КВ – пеленгації дозволяє зберегти можливості системи рознесеного прийому з малою базою і використовувати спектрально-поляризаційні методи. Використання сучасних систем цифрової обробки сигналів (високошвидкісні АЦП, цифровий сигнальний процесор, системи цифрового синтезу опорних частот) дозволяє підвищити надійність, стабільність параметрів і точність системи багатоканального прийому. Використання адаптивних методів спектрального оцінювання з підвищеною роздільною здатністю дозволяє послабити обмеження, викликані нестационарностью вимірюваного сигналу. Розроблені алгоритми обробки сигналів і антенна система дозволяють більш стійко вирішувати завдання поділу мод та визначення кутів приходу для багатомодового вузькосмугового сигналу похилого зондування іоносфери.

IV. Список літератури

1. Афраймовіч Е. П. Інтерференційні методи радиозондирования іоносфери. М.: Наука. 1982. 198 с.

2. Е. Я Афраймовіч, К. С. Паламарчук. Спектральнополяризационный метод аналізу інтерференційної картини радіосигналу. Изв. ВНЗ Радіофізика, 1998, т. XL1 № 6.

3. Єгоров Н. Е., Нагорський П. М., Смирнов В. Ф. та ін При приймально-вимірювальний комплекс доплерівського похилого зондування іоносфери / / Електронний журнал « Досліджено в Росії », 76, 839-846, 2003. http://zhurnal.ape.relarn.ru/artides/2003/076. pdf

4. В. В. Бочкарьов, І. Р. Петрова, В. Ю. Тепле та ін Багатоканальний вимірювальний фазо-кутомірний комплекс КВ-діапазону. / / Сб «Прийом і обробка сигналів в складних інформаційних системах ».

Вип.21 Изд-во КДУ, 2004 р., с. 113-121.

5. Бочкарьов В. В., Петрова І. Р., Тепле В. Ю. Облік нестаціонарне ™ іоносферного сигналу в задачах пеленгації. / / Збірник доповідей Байкальської школи з фундаментальної фізики, Іркутськ, 2003, с. 101-102.

6. Бочкарьов В. В., Петрова І. Р., Тепле В. Ю. Стабільність фазових характеристик сигналу похилого зондування іоносфери. / / Збірник доповідей Байкальської школи з фундаментальної фізиці, Іркутськ,

2003 г, с. 108-109.

7. Барабашов Б. Г., Вертоградов Г. Г. Час стаціонарності іоносферного каналу / / Регіон. 23 Конф. За рас-простий. Радіохвиль. Санкт-Петербург, 28-29 жовтня., 1997р.: Тез. докл. – СПб. 1997, с. 30.

8.       Calvert W. et. al. //Radio Science, 1995. V.30. № 5. P.1577.

9. Цифрові радіоприймальні системи / / За ред.

М. І. Жодзішского, М.: «Радіо і зв’язок», 1990. – 208 с.

10. А. Н. Плеухов, В. В. Бочкарьов., І. Р. Петрова,

В. Ю. Тепле. Спектральна обробка сигналів похилого зондування іоносфери за допомогою параметричних методів / / Изв. Вузів Радіофізика, 2000, т. XL1, № 7, с. 607-616.

SMALL-BASE LOCATION SYSTEM FOR NARROWBAND SW-SOURCES

TeplovV. Yu., Bochkarev V. V., Petrova I. R.

Kazan State University 18 Kremievskaya Str., Kazan – 420008, Russia phone: +7 (8432) 388132 e-mail: vteplov@ksu.ru

Abstract – The paper proposes a new technique for measuring parameters of narrow-band shortwave signals in the over- the-horizon propagation environment. Issues of small-base diversity-reception antenna design and digital processing of multimode signals are discussed.

I.  Introduction

The technique of tilt ionospheric sounding is widely applied in the global research of processes occurring in the lower Earth thermosphere.

The multichannel passive RF-monitoring allows for the research to be carried out without involving radio transmitters.

To measure the radio-signal arrival angles both the simplest diversity-reception systems and large phased antenna arrays are used.

II.  Main part

Non-stationarity of signals and their complex polarization structure are the principal factors limiting the measurements of multi-mode signal parameters during the tilt ionospheric sounding. Stationarity periods of ionospheric signal constrain the resolution of processing techniques. The range for the stationarity period estimates is between 40 and 300 seconds.

The angle definition accuracy for small-base systems using the spectral polarization technique is 1-3°. The proposed antenna system may incorporate several sloping dipoles.

The system of multichannel digital reception has been applied using the TMS320C6416 digital signal processor. Spectral processing is made using both classical and parametrical methods.

III.  Conclusion

The designed system of shortwave reception allows for the potential of diversity reception to be retained, at the same time employing spectral-polarizing techniques.

The implementation of modern digital signal processing systems offers increased reliability, parameter stability and accuracy in multichannel reception systems.

The developed algorithms of signal processing and the designed antenna system allow for a more reliable mode separation and determination of angles of arrival for multimode narrowband tilt ionospheric sounding signals.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»