Сеть ЛЧМ-ионозондов

Качество информации, получаемой в результате зондирования ионосферы, напрямую зависит от отношения сигнал/шум на выходе радиоприемного устройства ионозонда, которое равно произведению отношения сигнал/шум на входе РПУ, умноженному на базу сигнала B. Итак, повышение качества выходной информации возможно либо путем увеличения мощности зондирующего сигнала (т.е. первого сомножителя), либо увеличением его базы (т.е. второго сомножителя). Применение для зондирования сигналов с большими базами позволяет значительно снизить мощность излучения, а, следовательно, массу и габариты оборудования.
Ионозонды, использующие непрерывные сигналы с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ-ионозонды). База элемента сигнала составляет B = 105-106. Вертикальный ионозонд имеет мощность излучения около 10 Вт, а наклонный – 10-100 Вт. Приемное и передающее оборудование имеет самые малые: массу, габариты, и энергопотребление. Они примерно в 10 раз меньше, чем у импульсного ионозонда.
В приемнике ЛЧМ ионозонда полезный сигнал преобразуется в тоны звуковых частот, которые пропорциональны задержкам сигналов принимаемых по разным лучам. Для их приема в большинстве случаев достаточна полоса частот не более 500Гц. При гетеродинировании сосредоточенная помеха преобразуется в ЛЧМ сигнал, спектральная плотность мощности которого в меньше, чем у самой помехи. Так, что на полосу пропускания приемника приходится мощность помехи в базу раз меньшая мощности сосредоточенной помехи. Кроме того, в результате воздействия ЛЧМ помехи на узкополосный приемник, на его выходе будем иметь радиоимпульс, длительностью . Например, при характерных для ВЗ значениях =500 Гц, =50кГц/с длительность импульса составит 10 мс. Следовательно, на выходе системы сжатия ЛЧМ приемника будут наблюдаться: полигармонический полезный сигнал и импульсы, порожденные станционными помехами. Отметим, что импульсы, если их немного на времени анализа сигнала, могут быть либо «режектированы», либо ограничены по амплитуде. Низкая помехоустойчивость и энергетика сигнала импульсных ионозондов привели к тому, что в настоящее время в ведущих странах мира для зондирования ионосферы импульсные ионозонды применяются только для вертикального зондирования и в основном в исследовательских целях. Более широкое распространение получили ЛЧМ ионозонды, особенно в военных целях. Так в странах НАТО ЛЧМ ионозонд является основой для современных систем ионосферно-волновых и частотно-диспетчерских служб (ИВЧДС) КВ-радиосвязи и систем частотного обеспечения загоризонтных РЛС, позволяющих адаптировать радиотехнические системы по мощности сигнала, скорости передачи информации, виду сигнала и др., а также прогнозировать параметры систем для надежной работы на несколько часов вперед. ЛЧМ ионозонд постоянно модифицируется, беря на себя функции передачи информации (например, комплекс «Chirpcomm»). Огромная избыточность в сигнале позволила использовать зондирующий сигнал для одновременной передачи информации (команд). Фирма Barry Res. Corp. сообщает, что команда объемом 40 бит передается 63 раза за время зондирования и поэтому «сверхнадежно» доходит до получателя. Такое применение ЛЧМ ионозонда обусловило недостаток информации о нем в открытой литературе. Поэтому российским ученым пришлось фактически создавать ЛЧМ ионозонд «заново». В России первые ЛЧМ ионозонды были разработаны и созданы в двух организациях: Институте солнечно-земной физики (ИСЗФ СО РАН – г. Иркутск) и Марийском государственном техническом университете (г. Йошкар-Ола) [76].
В реализации данных ЛЧМ ионозондах использован способ, носящий название «сжатие по частоте», применяемый к «непрерывным» ЛЧМ сигналам. Суть метода хорошо видна на примере отражения от зеркала. Пусть излучается сигнал, у которого частота линейно меняется со временем. Сигнал отражается от неподвижного зеркала и принимается приемником (возможно, в другом месте). Если умножить принимаемый сигнал на копию излучаемого и отфильтровать разностную частоту, то получаем монохроматический сигнал, частота которого определяется временем распространения, отставания сигнала отраженного, от сигнала опорного, равного излучаемому сигналу. Фактически, это та же согласованная фильтрация, но в частотной области. Если время задержки для всех частот одинаково, разностный сигнал имеет постоянную частоту, которая легко определяется с помощью резонансных фильтров. При зондировании естественных сред всегда присутствует дисперсия, заключающаяся в том, что скорость распространения волны зависит от частоты. Это приводит к тому, что частота разностного сигнала начинает «плыть», меняться со временем. Естественный выход: вырезать временным окном «кусочки» разностного сигнала, пока частота не сильно изменилась, и проводить спектральный анализ в окнах. При этом возникают вопросы: к какой частоте зондирующего относить определяемые в окне задержки, если частота зондирования за время окна пробегает существенный диапазон; к чему приводят дисперсионные искажения; как результат зависит от формы временного окна и пр. Все эти вопросы неоднократно рассматривались, и, так или иначе, находили свое решение. Исполнителями данной работы также был проведен анализ прохождения и обработки непрерывных ЛЧМ сигналов при зондировании естественных сред. При этом в основу было положены следующие принципы: анализировать то, что регистрируется; канал характеризуется его передаточной функцией. Канал определяется не только средой распространения, но и передающим и приемным оборудованием.
Подчеркнем, что, в отличие от других авторов, решавших задачу анализа прохождения ЛЧМ сигнала через ионосферный радиоканал, нами получено выражение для регистрируемого спектра, явно зависящее от формы окна, что позволяет ставить задачу оптимизации, то есть пытаться определить, в каких ситуациях какие временные окна более подходят для решения задач зондирования.
Проведенный анализ показывает, что универсальным средством для работы в режимах вертикального и наклонного зондирования, оптимальным по критериям минимальной мощности излучения сигнала и высокой разрешающей способности по задержке сигнала является ионозонд с линейно-частотно модулированным сигналом. Такой сигнал в значительно меньшей степени чем импульсный уязвим по отношению к сосредоточенным помехам, преобладающим в КВ диапазоне.
Проведенный анализ позволяет сделать вывод, что импульсный ионозонд из-за высокой мощности излучения создает значительно больше помех, что весьма ограничивает применение их на стационарных узлах связи и в непосредственной близости от радиоприемных устройств. ЛЧМ зонд с непрерывным излучением лишен указанных недостатков, но при этом предполагает пространственное разнесение передающей и приемной частей комплекса, что в свою очередь требует строгой временной привязки для синхронизации работы. Поэтому встала насущная задача: создание ЛЧМ зонда, передающая и приемная части которого расположены в одном пункте, имеющего преимущества ЛЧМ сигнала и лишенного недостатков существующих импульсных ионозондов.
Расположение в одном месте приемной и передающей частей зонда и использование одной антенны для приема и излучения вынуждает применять псевдонепрерывный ЛЧМ сигнал. При этом, естественно, излучение и прием должны происходить попеременно. Т.к. импульсные ионозонды с временным определением высоты отражающего слоя должны иметь время приема около 5 мс и длительность излучаемого сигнала 50-500 мкс, то скважность работы составит не менее 10. При зондировании псевдонепрерывным ЛЧМ сигналом и спектральной обработке длительность излучаемого сигнала ограничивается только минимальной высотой определяемого слоя, а время приема, для увеличения энергетической эффективности, желательно иметь равное времени излучения, таким образом, интегральная скважность зондирования равна 2. При этом энергетический выигрыш по отношению к импульсному ионозонду составит 5 при проигрыше по отношению к непрерывному ЛЧМ в 2 раза. Кроме того, при приеме потери также составят 2 раза. Таким образом, нормированная энергетика, по отношению к непрерывному ЛЧМ, составит 0,25. Время излучения и приема при этом может быть любым, ограниченным только соображениями минимальности энергетических потерь, частотным разрешением и скоростью ЛЧМ.
Развитие современных средств цифровой обработки сигналов позволяет предлагать универсальные решения для комплексных исследований распространения сигналов КВ-диапазона. Наличие большого количества программно контролируемых независимых приёмных каналов и высокий динамический диапазон цифровых радиоприёмных устройств при относительно небольшой конечной стоимости изделия позволяет проводить одновременные исследования практически любыми известными методами зондирования ионосферы (кроме однопозиционного импульсного зондирования). Исследования, проведённые на полигонах ИСЗФ СО РАН, показали возможность построения принципиально нового диагностического средства – моностатического ЛЧМ-ионозонда на непрерывном сигнале. Наличие четырёх когерентных антенных каналов оцифровки и более десяти каналов гетеродинирования с произвольными параметрами в одном радиоприёмном устройстве позволяет реализовывать когерентные антенные решётки.
Ниже приведён сводный список требований к аппаратным средствам ЛЧМ зондирования ионосферы:

• наличие высокостабильного источника опорной частоты, подстраиваемой по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем, обеспечивающего собственную шкалу точного времени;
• автоматическая привязка к точному времени;
• автоматическое формирование кадров ЛЧМ-зондированя в соответствии с режимами, заданными в программе наблюдений;
• в каждом кадре и канале могут быть заданы независимые значения параметров;
• возможность совмещения одним ПК функций управления синтезатором ЛЧМ-сигналов, привязки к точному времени и цифрового приёма;
• диапазон возможных параметров ЛЧМ-сигнала должен обеспечивать совместимость с отечественными и зарубежными ЛЧМ-ионозондами;
• высокий динамический диапазон формирователя сигнала ЛЧМ-зондирования; возможность непрерывной автономной работы комплекса в режиме автоматического сбора данных и отправки их в удалённое хранилище;
• наличие собственной системы самодиагностики и контроля параметров; максимальное использование современных унифицированных комплектующих, что гарантирует высокую ремонтопригодность, стабильность параметров и метрологических характеристик (точность привязки, линейность и динамический диапазон ЛЧМ-сигнала).

Комплекс содержит программно-алгоритмические и технические средства для установки параметров: режимов зондирования, автоматической работы с заданной периодичностью, поддержания заданной точности привязки, текущего контроля циклов работы и нестабильности опорного генератора.
Для формирования ЛЧМ сигналов в разработанном ионозонде применяется оценочная плата AD9854/PCB, представляющая законченное устройство, в состав которой входят: чип цифрового 48-и разрядного синтезатора прямого синтеза AD9854ASQ, фильтр нижних частот с частотой среза 120 МГц, параллельный и последовательный интерфейсы для подключения синтезатора к ПК. AD9854ASQ является высоко интегрированным устройством, использующим современную технологию DDS (Direct Digital Synthesizer) и позволяющим синтезировать сигналы с точностью 1 микроГерц в диапазоне частот 0,000001 Гц – 150 МГц при тактовой частоте 300 МГц. 12 разрядный ЦАП на выходе синтезатора позволяет получить высокие характеристики по реальному динамическому диапазону и отношению сигнал/шум синтезированного ЛЧМ сигнала.
Основные элементы цифровой части приёмника сосредоточены в модуле цифрового приёмника. Этот модуль производит канальную фильтрацию и демодуляцию сигнала. Основные компоненты модуля – высокочастотный АЦП, цифровой квадратурный понижающий преобразователь DDC и сигнальный процессор. Кроме перечисленных функций, модуль цифрового приёмника может производить мониторинг спектра входного сигнала с помощью БПФ. С выхода модуля информационный поток демодулированных данных поступает в вычислительную среду для дальнейшей обработки.
В модуле цифрового приёмника отсчёты с выхода АЦП обрабатываются специализированным сигнальным процессором DDC (Digital Down Converter). Функции этого процессора – преобразование информативного спектра частот в область низких (нулевых) частот, квадратурная фильтрация и децимация отсчётов сигнала. По реализуемым функциям – это цифровой приёмник прямого преобразования. DDC имеет два перемножителя, генератор отсчетов SIN и COS, идентичные каналы НЧ децимирующих фильтров. Частота настройки внутреннего генератора может изменяться в диапазоне от 0 до половины тактовой частоты DDC. Частота среза фильтров изменяется от единиц до сотен кГц. Процессор производит децимацию отсчётов сигнала для того, чтобы скорость потока данных с выхода DDC была сообразна ширине спектра выходного сигнала. Следует отметить, что на выходе DDC отношение сигнал/шум выше, чем на входе, из-за эффекта процессорного усиления. Возрастание отношения сигнал/шум весьма значительное и составляет 20-40дБ.
Для построения цифрового приемника ЛЧМ сигналов хорошо подходит известный субмодуль цифрового приема ADMDDC4x16v3, который производится Российской компанией «Инструментальные Системы». Этот субмодуль предназначен для создания систем сбора и цифровой обработки высокочастотных аналоговых сигналов с широким и сосредоточенным спектром в полосе от 1,0 до 170 МГц. Субмодуль позволяет выполнять следующие операции:

• выделение (фильтрацию) полезных сигналов из всего спектра входного сигнала или на выходе широкополосной ПЧ аналогового приёмника;
• обработку данных каждого канала своим DDC.

Субмодуль содержит:

• четыре 16-разрядных АЦП с частотой дискретизации до 100 МГц;
• четыре четырёхканальные микросхемы DIGITAL DOWN CONVERTER (DDC) GC4016 фирмы Texas Instruments для извлечения интересующей полосы частот из полосы частот входного сигнала, преобразования этой полосы в полосу модулирующих частот и вывода её в квадратуре. Это преобразование выполняется смещением интересующей полосы частот к нулевой частоте при цифровом умножении данных от АЦП на квадратурное опорное колебание внутреннего генератора DDC.

Основные характеристики приёмника сведены в таблицу:

Характеристики приёмного комплекса "Цапля"
Диапазон рабочих частот	1-170 МГц
Скорость перестройки частоты	0, 50-2000 кГц/с
Режимы работы	ВЗ, НЗ, ВНЗ, Доплер
Ширина полосы пропускания	8-80 кГц
Формат выходных данных	wav, dat, sbf
Чувствительность в рабочем диапазоне	Не хуже 0,3 мкв
Количество независимых каналов приёма (всего каналов приема)	4(16)

Передающий пункт (г. Иркутск) – вертикальное зондирование (ВЗ):
Передатчик сигнала “Кедр”:

1. Формирователь ЛЧМ-сигнала
2. Антенно-фидерное устройство зенитного излучения РВД 24Х96 с диаграммой направленности в вертикальной плоскости 300 -600 в зависимости от частоты излучения.
3. Устройство временной привязки и синхронизации
4. Программное обеспечение управления отражающим комплексом

Передающий пункт (г. Иркутск) – возвратно-наклонное зондирование (ВНЗ): Передатчик сигнала “Пламя”:

1. Формирователь ЛЧМ-сигнала
2. Антенно-фидерное устройство – логопериодическая всеповоротная антенна типа “Перелесок” с азимутальной диаграммой направленности 400- 900 в зависимости от частоты излучения.
3. Устройство временной привязки и синхронизации
4. Программное обеспечение управления передающим комплексом

Передающий пункт (г. Магадан) – наклонное зондирование (ВЗ): Передатчик сигнала:

1. Формирователь ЛЧМ-сигнала
2. Антенно-фидерное устройство РГД 18Х56 с азимутом основного лепестка диаграммы направленности 2740.
3. Устройство временной привязки и синхронизации
4. Программное обеспечение управления передающим комплексом

Передающий пункт (г. Норильск) – наклонное зондирование (ВЗ):
Передатчик сигнала:

1. Формирователь ЛЧМ-сигнала
2. .Антенно-фидерное устройство – логопериодическая всеповоротная антенна типа “DLP -22” с азимутальной диаграммой направленности 450- 950 в зависимости от частоты излучения.
3. Устройство временной привязки и синхронизации
4. Программное обеспечение управления передающим комплексом

Приемный пункт (г. Иркутск)

1. Приемное устройство “Р-160”
2. Цифровое приемное устройство
3. Формирователь ЛЧМ гетеродинов
4. Регистратор ЛЧМ сигнала
5. Программное обеспечение управления и обработки сигнала
6. Типы антенн и их параметры сведены в таблицу ( ) Таблица

   №	Тип	Режим	Азимут	Пункт излуч.
   1	БС2	Прием	54	Магадан
   2	БС2	Прием	86	Хабаровск
   3	2НЛ	Прием	210	Норильск
   4	РГД	Излуч.	0	Зенит
   5	Дельта	Прием	0	Зенит