Петрова І. Р., Бочкарьов В. В., Теплов В. Ю. Казанський державний університет (КДУ) Кремлівська, д. 18, Казань – 420008, Росія Тел.: +7 (8432) 388132; e-mail: lnna. Petrova@ksu.ru

Анотація – Розглянуто вплив амплітудних і фазових флуктуацій сигналу похилого зондування іоносфери на точність визначення кутів приходу в антеною системі з малою базою.

I. Вступ

Задача визначення кутів приходу радіопроменя в КВ-діапазоні має велике практичне значення. Стосовно до досліджень іоносфери, це дозволяє визначати положення і характеристики іоносферних збурень. При використанні антеною системи з малою базою для визначення кутів приходу необхідно досягти високої точності оцінки різниць фаз радіосигналу в антенах. Побудова оптимальних алгоритмів оцінювання вимагає знання закону розподілу флуктуацій сигналу. Крім того, зіставлення емпіричних розподілів з теоретичними та чисельними моделями дозволяє отримати додаткову інформацію про статистичні характеристики іоносферних неоднорідностей [1].

II. Основна частина

На доплеровском фазо-кутомірної комплексі Казанського університету проводяться вимірювання сигналу похилого зондування іоносфери для різних короткохвильових радиотрасс. Використовується антенна система з малою базою, що складається з 4-х антен, найбільша відстань між якими 15.6 м. Був виконаний великий обсяг вимірювань сигналів станції точного часу РВМ (Москва) на частотах 5, 10 і 15 МГц, а також низки мовних станцій з частотами від 5 до 17 МГц, передавачі яких розташовані в Москві, Краснодарі, Єкатеринбурзі, Архангельську, Санкт-Петербурзі, Іркутську, а так само на території Німеччини та Греції.

На основі отриманих даних було проаналізовано розподілу флуктуацій рівня іоносферного сигналу, спільні розподілу рівня для 2-х антен, розподілу різниці фаз сигналу в сусідніх антенах і набігу фази за деякий інтервал часу т. Основною проблемою при оцінюванні щільності розподілу параметрів іоносферного сигналу є наявність кореляції між сусідніми відліками. Був використаний метод оцінювання щільності розподілу, заснований на вейвлет-перетворенні [2], що дозволяє вирішити дану проблему.

Для розподілів флуктуацій амплітуди іоносферного сигналу використовується ряд теоретичних моделей. Теорія збурень дає для амплітудних флуктуацій розподіл Райса. У наближенні методу плавних збурень і за умови швидкого спаду просторових кореляцій в розсіює середовищі для амплітуди може бути отримано ло-гаріфміческі-нормальний розподіл [1]. Аналіз отриманих даних показує, що розподілу квадратурних компонент сигналу, як правило, істотно відмінні від нормального. Гіпотеза про нормальний розподіл відкидається в 70% випадків при використанні тесту Jarque-Bera і рівні значущості – 5%.

Рис. 3. Приклади щільності розподілу ймовірності різниці фаз сигналу в сусідніх антенах.

Fig. 3. Examples of signal phase difference probability distribution in adjacent antennas

При переважанні дзеркальної компоненти розподіл різниці фаз на близьких антенах носить складний характер, має декілька максимумів, що зумовлено інтерференцією різних мод поширення. По виду розподілу поблизу максимумів може бути оцінена точність визначення кутів приходу радіопроменя. При значному рівні розсіяного сигналу емпірична щільність розподілу може бути добре апроксимувати виразом

В даному наближенні може бути побудована ефективна процедура оцінювання різниць фаз за методом найбільшої правдоподібності.

У доповіді також розглядається вплив статистичних характеристик фазових флуктуацій на точність визначення кутів приходу радіопроменя. Наведено оцінки точності для використаної антеною системи при різних умовах поширення.

III. Висновок

Таким чином, проаналізовані розподілу амплітудних і фазових флуктуацій сигналу похилого зондування іоносфери для різних КВ-радиотрасс та умов розповсюдження. Проведено зіставлення з відомими модельними розподілами. Запропоновано модельні розподілу для флуктуацій амплітуди і різниць фаз для випадку сильного розсіювання. За допомогою отриманих даних оцінено вплив флуктуацій фаз на точність визначення кутів приходу радіопроменя в системі з малою базою.

[1] Ритое С. М., Кравцов Ю. А., Татарський В. І. Вступ до статистичної радіофізику. Частина II. Випадкові поля. М.: Наука, 1978.

[2] Donoho D. L., Johnstone I. М., Kerkyacharian С., Ricard D. Density estimation by wavelet thresholding. Ann. Statist., 24, pp.508-539, 1996.

[3] Шредер М. Фрактали, хаос і статечні закони. Іжевськ, РГД, 2001.

DISTRIBUTIONS OF AMPLITUDE AND PHASE FLUCTUATIONS IN TILT IONOSPHERIC SOUNDING SIGNALS

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

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

Abstract – The impact of amplitude and phase fluctuations in tilt ionospheric sounding signals on the accuracy of determining angles of arrival in small-base antenna systems is discussed.

I.  Introduction

Determining angles of arrivals for shortwave radio beams is of great practical significance in the ionosphere research.

The assessment of radio-frequency signal phase differences in antennas should be highly accurate when small-base antenna systems are used to define the angles of arrival.

Developing optimal algorithms for the parameter definition requires the knowledge of the signal amplitude and phase fluctuation distributions.

II.  Main Part

The obtained experimental data allowed for the distributions of ionospheric signal level fluctuations, combined level distributions for two antennas, and distributions of signal phase differences in adjacent antennas to be analysed. We have carried out the comparison of empirical distributions of ionospheric signal amplitude fluctuations using theoretical models, such as Rician distribution, lognormal distribution, etc. Amplitude fluctuation distributions for various radio links and propagation conditions have also been compared.

Phase fluctuation distributions in received signals have been analysed. It is evident that the distributions considerably differ from uniform for realizations with a significant reflect component. A possibility is shown for identifying signal realizations with prevailing reflection or scattered components by determining the distribution entropy.

The influence of statistical characteristics of phase fluctuations on the accuracy of defining the angles of arrival has been considered. Accuracy estimates for the employed antenna system in various propagation conditions are summarised in this report.

III.  Conclusion

Amplitude and phase fluctuation distributions of tilt ionospheric sounding signals have been analysed for various shortwave radio links and propagation conditions. Comparison to known model distributions has been carried out. Model distributions for amplitude and phase difference fluctuations in case of strong scattering are proposed. The available data allowed for the influence of phase fluctuations on the accuracy of defining angles of arrival in small-base systems to be estimated.

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