авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Адаптация параметров модели ионосферного радиоканала к текущим условиям без организации специализированных измерений

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Голыгин Виктор Александрович

Адаптация параметров модели ионосферного радиоканала к текущим условиям без организации специализированных измерений

Специальность 01.04.03 – радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

ИРКУТСК-2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Иркутский государственный университет”

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, доцент, Сажин Виктор Иванович

Официальные оппоненты:

Куркин Владимир Иванович, доктор физико-математических наук, зам. директора федерального государственного бюджетного учреждения науки “Институт солнечно-земной физики” Сибирского отделения РАН.

Кулижский Андрей Владимирович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории распространения радиоволн НИИПФ ФГБОУ ВПО “Иркутский государственный университет”.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт физики федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования “Южный федеральный университет” (г. Ростов-на-Дону).

Защита состоится 28.05.2012 в 12:00 на заседании диссертационного совета Д.212.074.04 при ФГБОУ ВПО “Иркутский государственный университет”, по адресу: 664003, г. Иркутск, бульвар Гагарина, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Иркутского государственного Университета.

Автореферат разослан 20.04.2012.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат физико-математических

наук, доцент Мангазеев Б.В.

Актуальность темы

Ионосферное распространение декаметровых радиоволн по-прежнему привлекает внимание исследователей. Резервная связь, зондирование удалённых участков земной и морской поверхностей, местоопределение положения передатчиков, исследования ионосферы- эти основные задачи определяют сферу его использования. На такое распространение влияет множество факторов, значение которых в конкретной ситуации определить чрезвычайно трудно. Поэтому важной и актуальной задачей является адаптация, хотя бы частичная, параметров рассматриваемого радиоканала к текущей ситуации.

В настоящее время разработаны некоторые способы частичной адаптации параметров радиоканала за счёт применения определённых технических устройств. Так, для повышения уровня принимаемого сигнала используется ретрансляторы и приём в двух разнесенных по пространству точках [1]. Применяются также устройства, реализующие автоматический выбор частоты из заданного набора частот [2], системы с адаптацией антенных устройств к некоторым особенностям принимаемого сигнала [3]. Развивается и другая группа методов, использующая модель параметров радиоканала. В одном из методов этого направления осуществляется прямой перенос характеристик модели радиоканала, определяемых по измерениям на опорных радиолиниях, на близкорасположенную трассу. Данный метод обладает хорошей точностью в небольшой окрестности опорных линий, т.к. “переносятся” значения непосредственно характеристик сигнала, измеренные в данный момент времени. Однако метод требует развертывания достаточно широкой сети опорных линий с проведением на них сложных специализированных измерений. В России развернута такая сеть станций, оборудованных ЛЧМ зондами, и ведутся работы групп исследователей в Институте солнечной и земной физики СОРАН (ИСЗФ), Марийском государственном университете, Научно-исследовательском радиофизическом институте (НИРФИ), Ростовском государственном университете (РГУ) [4] - [6]. Естественно, развитие и расширение такой сети требует существенных затрат.



В другом, менее затратном методе этого направления адаптации, используется модель радиоканала, входной частью которой является среднемесячная модель ионосферы, а выходной- блок расчёта характеристик сигнала. Так как среднемесячные вариации основных параметров ионосферы описываются в настоящее время достаточно удовлетворительно, то задачей адаптации является, в данном случае, уточнение значений параметров модели на конкретную ситуацию, обеспечивающее повышение точности соответствия рассчитываемых характеристик сигнала измеряемым. Т.к. станции, непосредственно измеряющие параметры ионосферы, имеются лишь в небольшом числе пунктов земной поверхности, то разрабатываются также способы получения оперативной информации об ионосфере на основе приближённых решений обратной задачи распространения радиоволн на наклонных трассах. Здесь можно указать работы, проводимые в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн (ИЗМИРАН) [7], ИСЗФ [8], Иркутском государственном университете (ИГУ) [9], РГУ [10], [11], Санкт-Петербургском государственном университете (СПБГУ) [12] и работы, выполненные в некоторых зарубежных учреждениях [13], [14]. Точность такого подхода (назовём его модельным) уступает точности метода прямого моделирования, однако адаптация может быть выполнена для более протяженного пространственного региона, примыкающего к опорной трассе, за счёт возможностей уточнённой модели ионосферы.

В то же время трудность широкого применения этого метода связана с тем, что для получения корректирующей информации требуется организация на опорной трассе специализированных измерений некоторых характеристик сигнала при работе передатчика на ряде частот.

В настоящей работе предлагаются способы адаптации, которые не требуют для своего применения организации специализированных измерений, что сделает адаптацию более доступной широкому кругу пользователей. В первом способе используется наличие в декаметровом диапазоне большого числа произвольных радиостанций. Это и вещательные станции, и станции точного времени, и радиолюбительские маяки, и некоторые другие станции. Они работают на определённом наборе частот в режиме непрерывного сигнала и известно их местоположение.

Кроме того, сейчас на земной поверхности развернута большая сеть специализированных приёмников сигналов глобальной спутниковой радионавигационной системы GPS, для которых определяются и размещаются для свободного доступа в сети Internet данные по полному электронному содержанию ионосферы (ПЭС). Во втором способе адаптации рассматривается использование данных по ПЭС для уточнения входных параметров модели радиоканала. Далее, на основе предлагаемых способов показывается возможность адаптации параметров модели радиоканала к текущей ситуации в некоторых задачах связи и местоопределения.

В соответствии с вышеизложенным формулируются цель работы и задачи исследования.

Цель работы и задачи исследования

Целями настоящей работы являются исследование некоторых вопросов адаптации параметров модели ионосферного радиоканала к текущим условиям на основе коррекции входной её части- блока задания среды распространения сигнала и разработка способов её выполнения по оперативной информации, для получения которой не требуется организации специализированных измерений.

Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:

  1. Разработать способ получения корректирующей информации, для получения которой не требовалось бы организации специализированных измерений
  2. Разработать способ адаптации параметров модели канала к текущей ситуации с использованием этой корректирующей информации
  3. Разработать способ уточнения входных параметров модели радиоканала в текущей ситуации по величине полного электронного содержания ионосферы
  4. Выполнить оценку эффективности разработанных способов для различных трасс и условий
  5. Предложить способы адаптации входных параметров модели ионосферного радиоканала к текущим условиям в практических задач связи и местоопределения

Научная новизна работы заключается в следующем:

  1. Разработан способ адаптации модели ионосферного радиоканала к текущим условиям по значениям МПЧ, определяемым на радиолиниях с постоянной рабочей частотой и известным местоположением передатчика в моменты радиовосхода и радиозахода на них.
  2. Предложен способ значительного уточнения модельных значений критической частоты ионосферы в произвольном протяженном пространственном регионе по величине полного электронного содержания ионосферы.
  3. Предложены способы адаптации входных параметров модели ионосферного радиоканала к текущим условиям в задачах связи и местоопределения, обеспечивающие повышение энергетического потенциала радиолинии, точности расчёта углов места, модовой структуры и дальности распространения сигнала в канале.

На защиту выносятся следующие положения:

  1. Разработанный способ уточнения входной части модели ионосферного радиоканала по наблюдениям за сигналами реперных радиостанций существенно снижает погрешность задания критической частоты ионосферы в текущих условиях.
  2. Предложенный способ коррекции исходных значений критической частоты ионосферы в модели радиоканала по данным о полном электронном содержании ионосферы, позволяет значительно уточнить текущие значения критической частоты ионосферы в определённом пространственном регионе и вдоль протяженных радиолиний.
  3. Предлагаемые способы адаптации входных параметров модели ионосферного радиоканала к текущим условиям в задачах связи и местоопределения обеспечивают существенное повышение энергетического потенциала радиолинии, точности расчёта углов места, модовой структуры и дальности распространения сигнала.

Достоверность результатов, представленных в диссертационной работе обусловлена использованием физических обоснованных методов, проверенных большим объёмом численного моделирования с использованием хорошо апробированной модели радиоканала. Основные результаты работы находятся в количественном и качественном согласии с результатами экспериментальных данных, полученных в ИСЗФ СО РАН и ИГУ, а также ряда исследований, опубликованных в периодической печати.

Практическая ценность работы заключается в том, что применение разработанных способов и полученных результатов может повысить эффективность решения некоторых задач связи и местоопределения. Кроме того, уточняемая модель радиоканала может быть использована также при радиозондировании ионосферы.

Внедрение результатов

Результаты, полученные в диссертации использовались и используются при выполнении следующих тем и программ:

  1. Госбюджетная научно-исследовательская тема “Исследование эффектов различных неоднородностей при распространении радиосигнала через многомасштабную неоднородную среду”, выполняемая ФГОУ ВПО “Иркутский государственный университет” в 2008-2011гг.
  2. Проект 14.740.11.0078 федеральной целевой программы “Научные и научно-педагогические кадры инновационной России” на 2009-2013гг.

Личный вклад автора

Автором создан программный комплекс, разработана методика и проведён весь объём численного моделирования, представленный в работе, внесён весомый вклад в реализацию установки, организацию и проведение наблюдений на ней. Автор также проводил сравнение данных численного моделирования с экспериментальными данными, определяющим образом участвовал в формулировании результатов и выводов работы.

Апробация работы

Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на конференциях молодых учёных в рамках Байкальской научной молодежной школы по фундаментальной физике БШФФ-2003, БШФФ-2004, БШФФ-2005, БШФФ-2006, БШФФ-2007, БШФФ-2009, БШФФ-2011, Иркутск; на конференции аспирантов ИГУ, Иркутск; на семинарах кафедры радиофизики ИГУ, Иркутск.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 17 научных работ: 3 - в журнале ”Геомагнетизм и аэрономия”(входит в перечень ВАК), 1 – в электронном журнале ”Исследовано в России”, 13 - в трудах и научных сборниках Байкальской молодежной научной школы по фундаментальной физике.





Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на 115 листах, включает 32 рисунка и 6 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 рассматривается модель ионосферного радиоканала, реализованного в работе. Рассмотрим её кратко: она содержит два основных блока – исходный вариант и блок коррекции. Входная часть исходного варианта модели (см. слайд-рисунок №1), представляет среднемесячную модель ионосферы, в которой выходная часть- блок расчёта траекторных характеристик сигнала. В качестве модели ионосферы выбрана полуэмпирическая модель ионосферы (ПЭМИ), разработанная в ИГУ под руководством В.М.Полякова [15].

 Блок-схема модели радиоканала -1

Рисунок 1. Блок-схема модели радиоканала

Поскольку основной целью работы является разработка методов адаптации параметров модели радиоканала к текущей ситуации, то эта цель может быть реализована при использовании достаточно простого исходного варианта выходной части модели радиоканала, описывающего лишь основные, определяющие вариации параметров сигнала. Поэтому в выходной части модели радиоканала для расчета параметров сигнала использован известный метод характеристик (дающий строгое численное решение в рамках исходного приближения геометрической оптики).

Рассматривается распространение радиоволн в двумерной неоднородной изотропной ионосфере без учёта наличия в фоновой регулярной ионосфере неоднородностей различного масштаба. Численная реализация метода выполнена в соответствии с алгоритмами, хорошо апробированными в ИГУ [16]. Лучевые уравнения и уравнение для группового пути с выбором в качестве независимой переменной центрального угла , преобразованные из сферической системы координат в систему “выпрямленных” декартовых координат имеют следующий вид (ниже приведены используемые в уравнениях обозначения с поясняющим форму траектории сигнала рисунком):





Рисунок 2. К лучевым уравнениям

R, - сферические координаты,

R0 – радиус Земли,

z = R - R0,

x = R0 * ,

P – групповой путь сигнала,

- диэлектрическая проницаемость ионосферы.

Дополнениями к известным реализациям метода характеристик, выполненными в настоящей работе, являются алгоритмы более оперативного расчёта МПЧ при односкачковом распространении на основе использования сплайн-интерполяции и расчёт МПЧ двухскачкового распространения, с включением косвенного способа учёта влияния случайных неоднородностей и шероховатостей земной поверхности в области отражения сигнала. Сопряжение с моделью ионосферы выполнено на основе кубической сплайн-интерполяции. Программа расчёта реализована в системе Делфи.

Ранее была проведена широкая проверка точности рассматриваемой модели декаметрового радиоканала [9]. Показано, что для периодов слабых и умеренных продольных градиентов на трассах средней протяженности в спокойных геомагнитных условиях модель хорошо применима для описания усреднённых за длительный временной интервал значений характеристик сигнала. Следовательно, она может быть эффективна при коррекции на текущую ситуацию.

В главе 2 рассматривается адаптация, используя данные наблюдений за сигналами реперных радиостанций. Мы обратили внимание, что в КВ диапазоне работает достаточно много радиостанций о которых известно, как правило, только точное местоположение и постоянная рабочая частота. Такие линии мы рассматриваем как реперные. По наблюдениям за сигналами таких радиолиний, можно фиксировать значения МПЧ в моменты радиовосхода и радиозахода. Для фиксации МПЧ нами была реализована установка, блок-схема которой показана на рис.3.

 Блок-схема установки. -5

Рисунок 3. Блок-схема установки.

Установка включает антенну, имеющую изотропную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, практически неизменную с частотой, устройство сопряжения, перестраиваемый по частоте приёмник и сопрягаемый с ним ПК с программой обработки.

Эта программа – BeaconSee [17] представляет собой анализатор сигнала, подаваемого по соединительному тракту на вход звуковой карты ПК. Обработанные данные выводятся в окна на экране (в каждом окне своя станция наблюдения). На рисунке 4 показан вид экрана при наблюдениях с помощью данной программы. Наличие сигнала соответствует засветке экрана, а его интенсивность- яркости засветки.

Рисунок 4. Вид экрана программы BeaconSee

Для определения значения МПЧ реперной радиолинии на основе анализа временного поведения амплитуды сигнала по теоретическим расчётам работы [18] и результатов измерений, приводимых в [19], разработана следующая методика. Момент времени, соответствующий условию равенства рабочей частоты и МПЧ трассы, фиксируется для середины участка резкого спада амплитуды от максимальных значений, соответствующих рефракционному прохождению сигнала, до минимальных, отвечающих рассеянию на мелкомасштабных неоднородностях на частотах выше МПЧ.

При наблюдениях на нашей установке, фиксируемый момент перехода через МПЧ соответствует резкому изменению яркости и интенсивности полос спектра сигнала, вплоть до пропадания засветки экрана. Полученные нами оценки длительности интервала перехода в сопоставлении с данными измерений МПЧ на среднеширотных радиолиниях показывают, что точность определения МПЧ по нашей методике составляет от +-0,3 до +-0,5МГц. Эта величина сопоставима с точностью измерения МПЧ при НЗ [20].

Получаемые значения МПЧ реперных радиолиний используются для уточнения в модели значений критических частот ионосферы. Теперь предстояло разработать метод использования этой информации для коррекции входной части модели радиоканала- модели ионосферы. Рассмотрим вначале методику уточнения по данным, получаемым на односкачковых радиолиниях.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.