10.3. Механизм ионосферного рассеяния

Механизм ионосферного рассеяния (ИР) радиоволн аналогичен по своей физической сущности механизму ДТР. По современным представ­лениям ИР обусловлено некогерентным рассеянием на локальных слабых неоднородностях диэлектрической проницаемости ионосферы, а также ко­герентным рассеянием в пределах ионизированного слоя с плавным изме­нением ε_и(h). В ионосфере интенсивное рассеяние наблюдается в ограни­ченной области на высотах слоя D около 75...90 км. На этих высотах суще­ствуют слабые рассеивающие неоднородности двух типов: турбулентные и многочисленные перекрывающиеся во времени ионизированные следы метеоров с низкой электронной плотностью, а также метеорные следы ис­каженной формы. Метеорный компонент является значительным, а в ноч­ное время - основным в принимаемом непрерывном флуктуирующем поле. Механизм ИР можно использовать только на метровых волнах в диапа­зоне 5...10 м (60...30 МГц). Волны такой длины могут не только рассеи­ваться, но и отражаться от областей ионосферы с повышенной электрон­ной плотностью, а именно от ионизированных метеорных следов с высо­кой

электронной плотностью, от спорадического слоя Е_S и от регулярного слоя F2. Поэтому всегда на фоне слабого непрерывного флуктуирующего сигнала появляются единичные всплески высокой интенсивности, которые являются источниками искажений, сужая неискаженную полосу передачи до единиц килогерц.

Механизм ИР можно использовать без ретрансляции на трассах про­тяженностью от 1000 до примерно 2300 км. Большие потери в тракте рас­пространения предъявляют высокие требования к энергетическим пара­метрам оборудования. На этих линиях используют передатчики мощно­стью 30...50 кВт, антенны с коэффициентами усиления 20...30 дБ и с управляемой диаграммой на приеме, сдвоенный, а иногда и счетверенный разнесенный прием и др. Пропускная способность линий ИР ограничена искажениями в тракте распространения несколькими телеграфными кана­лами. Одноканальная телефонная связь возможна с относительно низким качеством. Дорогостоящее сложное оборудование линий ИР и в то же время низкая пропускная способность ограничивает их применение, в ос­новном, полярными широтами на трассах 1000...2000 км, где наземная связь за счет других механизмов или неустойчива (распространение за счет отражения от ионосферы), или организационно трудно выполнима (РРЛ с интервалами в пределах прямой видимости или ТРРЛ с интервала­ми 300...600 км).

Средние уровни поля при ионосферном распространении. Изме­рения показали, что на линиях ИР средний уровень поля зависит от длины трассы, ее географического положения, рабочей частоты, ширины и ори­ентации диаграмм направленности антенн. Кроме того, средний уровень претерпевает из­менения во времени по часам суток, по сезонам года, по циклу солнечной активности. Теория рассеяния в ионосфере показывает, что на трассе про­тяженностью r при угле рассеяния θ_рас и на рабочей частоте f принимаемая мощность Р₂~1 / {r²[sin(θ_рас / 2)]ⁿ f^m}, где установленные из опыта значения n ≈ 6,5 и m ≈7,8, т.е. при ионосферном рассеянии поле быстро падает при увеличении угла θ_рас и частоты f. Зависимость Р₂(θ_рас) ограничивает диапа­зон расстояний, в пределах которых возможно использовать механизм ИР. Поскольку интенсивное рассеяние в ионосфере сосредоточено в толще вы­сот 75...90 км, то независимо от длины трассы область пересечения диа­грамм направленности передающей и приемной антенн (рассеивающий объем) должна располагаться в пределах этих высот. Для выполнения этого условия не­обходимо согласовывать углы возвышения диаграмм направленности антенн с длиной ра­диолинии. В частности, с укорочением трассы угол ∆ увеличивают, что приводит к увеличению

θ_рас и соответственно потерь. На линиях протя­женностью меньше 1000 км, где θ_рас > 22°, потери настолько велики, что механизм ИР использовать нельзя. В пределах расстояний 1000...1600 км потери минимальны и не увеличиваются при удлинении линии, поскольку убывание по закону 1/r²

компенсируется увеличением интенсивности рас­сеяния за счет уменьшения θ_рас На линиях протяженностью больше 1600 км такой компенсации не происходит и потери увеличиваются. Предель­ная длина радиолинии около 2300 км ограничивается кривизной земной поверхности при высоте h_рас ≈ 85 км. Резкая частотная зависимость потерь передачи связана с тем, что интенсивность неоднородностей диэлектриче­ской проницаемости ионосферы ∆ε_и = 80,8∆N_e / f² резко уменьшается с по­вышением частоты. При высокоэффективном передающем и приемном оборудовании на линиях ИР можно работать на частотах не выше 60 МГц. Частоты ниже 30 МГц также не применяются из-за наличия сигналов, нормально отраженных от ионосферных слоев и обуславливающих боль­шие искажения.

Измерения показывают, что оптимальные условия приема сущест­венно зависят от ширины и ориентации диаграмм направленности антенн. Рекомендуют антенны с шириной лепестка около 10°. Сужение диаграмм направленности приводит к ослаблению метеорной составляющей поля, поскольку эта со­ставляющая распределена в относительно широком угловом секторе про­странства. В вертикальной плоскости основные лепестки диаграмм направленности на пе­редаче и приеме должны быть ориентированы так, чтобы их средние ли­нии пересекались на высоте h_рас ≈ 85 км. В горизонтальной плоскости же­лательно управлять диаграммой направленности и смещать ее в ночное время на 6...8° от дуги большого круга трассы в область максимального рассеяния метеорными следами.

Временные изменения среднего уровня сигнала следующие. Суточ­ные вариации достигают 5...10 дБ с максимумом в дневные часы, когда наиболее интенсивны турбулентные неоднородности. По сезонам в уме­ренных широтах минимальный сигнал характерен для весенне-осеннего периода. Амплитуда сезонного хода достигает 8...16 дБ. В течение цикла солнечной активности средний уровень сигнала понижается примерно на 4...5 дБ с уменьшением активности Солнца.

Замирания и разнесенный прием. Прием сигналов на линиях ИР сопровождается быстрыми замираниями. Распределение мгновенных зна­чений уровня сигнала осложняется наличием вспышек за счет отражений, главным образом, от единичных интенсивных метеорных следов. Как и на других линиях, устойчивость работы при ИР зависит от флуктуаций, на­блюдаемых на низких уровнях сигнала. Сигналы с низким уровнем обу­словлены только непрерывным рассеянным компонентом поля. Поэтому распределение мгновенных значений амплитуд определяют на уровнях, которые примерно на 15 дБ ниже медианных, т.е. без учета метеорных вспышек. Это распределение аппроксимируется законом Рэлея, что и учитывают при расчете устойчивости. Скорость замираний, определяемая числом пересечений огибающей заданного уровня, оказывается равной 15...20 в минуту со средней длительностью около 0,06 с на уровне — 20 дБ относительно медианы. Устойчивый прием на линиях ИР возможен только с применением разнесенного приема. Наиболее

эффективным оказывается пространственное разнесение антенн на (7...10) λ, в направлении поперек трассы. При частотном разнесении необходимо в каналах разнесения ис­пользовать частоты, отличающиеся не менее чем на 6 кГц.

Искажения сигналов. Многолучевая флуктуирующая структура принимаемого сигнала является источником искажений передаваемой ин­формации. Для оценки искажений импульсных сигналов необходимо знать время запаздывания сигналов ∆t_mах. На линиях ИР различают запаздыва­ния, свойственные, во-первых, основному механизму рассеяния, за счет конечных размеров рассеивающего объема и, во-вторых, сопутствующих механизмов, т.е. отражений от метеорных следов с повышенной электрон­ной плотностью, а также от слоя Е_S и др. Установлено, что в соответствии с размерами рассеивающего объема первый вид запаздывания составляет всего лишь 20...40 мкс и ограничение длительности импульсов на линиях ИР определяется запаздывающими метеорными сигналами, для которых ∆f_mах ≤1…2 мс. Поскольку длительность импульса должна быть в несколь­ко раз больше ∆t_mах, то на линиях ИР она ограничивается единицами миллисекунд. Неискаженная полоса передачи аналоговой информации ∆f_mах << 1 / ∆t_max составляет единицы килогерц. Измерения показали, что в полосе 2 кГц неравномерность амплитудно-частотной характеристики не превышает 6 дБ в 95% времени на линии протяженностью 1500 км. До­полнительные ограничения качества телефонных каналов создают так на­зываемые «доплеровские свисты». Прием сигналов, отраженных от голов­ной части формирующегося метеорного следа или рассеянных от быстро удлиняющихся следов, происходит с доплеровским сдвигом частоты ∆f_д = f_д - f, где f_д - частота Доплера, которая зависит от скорости и направле­ния движения метеорного следа; f - излученная частота. Измерения пока­зывают, что примерно в 90% случаев f_д > f, что соответствует приближению метеорного следа к точке приема. Максимальные значения ∆f_д никогда не превышают 6 кГц, а с вероятностью 95% - 2,5...3 кГц. Изменения скорости и направления движения метеорного следа приводят к изменению во вре­мени ∆f_д, что проявляется в телефонном канале в виде свистов. При пра­вильном выборе оборудования устойчивая работа на линиях ИР может быть обеспечена более чем в 99% времени в течение года.