10.4. Распространение волн за счет отражения от ионизирован­ных метеорных следов

Системы связи, работающие за счет приема сигналов, отраженных от ионизированных следов метеоров, называются метеорными радиоли­ниями. Для работы радиолиний существенны метеоры с массой m ≥ 10^-8г, количество которых за сутки ориентировочно составляет 10¹¹ . Минималь­ное число метеоров наблюдается в 18ч. местного времени, а максимальное - в 6 ч. утра. На линиях метеорной связи информация передается только в периоды «вспышек», которые появляются на фоне слабого флуктуирую­щего сигнала, рассеянного в

ионосфере на слабых неоднородностях. «Вспышки» появляются в результате отражения сигналов от ионизирован­ных следов метеоров с повышенной электронной плотностью. Для появ­ления «вспышки» в заданном пункте приема необходимо выполнение двух условий: метеорный след должен образоваться в области пересечения диа­грамм направленности передающей и приемной антенн; интенсивная «вспышка» появляется только в тех случаях, когда ориентация следа тако­ва, что выполняется условие зеркального отражения для падающей и от­раженной волн, т.е. φ_пад = φ_отр. Метеорный след после возникновения бы­стро изменяет свои свойства. Из-за диффузии уменьшается его электрон­ная плотность, под влиянием ветра изменяется форма, по мере перемеще­ния изменяется ориентировка в пространстве. В результате амплитуда сигнала, отраженного от такого следа, изменяется во времени по сложно­му случайному закону. Различают два характерных закона изменения ам­плитуд в зависимости от электронной плотности следа без учета его де­формации. Первый закон соответствует случаю, когда начальная линейная электронная плотность следа N_е < 10¹⁴ эл/м³ и след называется «недоуплотненным». Через такой след волны метрового диапазона, используемые на метеорных линиях, проходят, рассеиваясь в пределах всей толщи следа с максимумом в зеркальном направлении. В течение долей секунды движу­щийся след занимает область, совпадающую с первой зоной Френеля от­раженной волны. При этом амплитуда сигнала возрастает. Достигнув мак­симума, амплитуда начинает быстро спадать по экспоненциальному зако­ну из-за перемещения следа из оптимальной зоны и уменьшения его элек­тронной плотности в результате диффузии. Второй закон соответствует зеркальному отражению от «переуплотненного» следа, когда N_е > 10¹⁴ эл/м³ и след для метровых волн представляет отражатель цилиндрической фор­мы, внутрь которого волна не проникает. В этом случае амплитуда отра­женного сигнала остается на высоком уровне, пока электронная плотность следа превышает критическое значение по условиям отражения. На мете­орных линиях информация передается прерывисто только в те промежут­ки времени, когда за счет «вспышки» отношение сигнал-шум на входе приемника превышает некоторый пороговый уровень. Для оценки условий работы таких линий необходимо иметь сведения о числе и продолжитель­ности «вспышек», превышающих заданный пороговый уровень. С точки зрения условий распространения оба параметра «вспышки» являются функциями рабочей частоты и ориентировании диаграмм направленности антенн на передаче и приеме.

Расчеты и измерения показывают, что с понижением рабочей часто­ты увеличиваются число и продолжительность «вспышек», поскольку по­нижается уровень электронной плотности, необходимый для интенсивного рассеяния и отражения, т.е. все большее число следов участвует в работе линии. В соответствии со степенью ионизации метеорных следов верхняя граница рабочего диапазона метеорных линий ограничивается частотами около 60...50 МГц, (λ = 5...6 м), нижняя - с частотой 30 МГц (λ = 10 м). На более низких

частотах чрезмерно увеличиваются замирания и появляются сигналы за счет других механизмов распространения, что ведет к недопус­тимо большим искажениям передаваемой информации.

Метеоры прилетают преимущественно с направления, соответст­вующего апексу Земли (точка небесной сферы, по направлению к которой движется Земля при обращении вокруг Солнца). На трассах, ориентиро­ванных с востока на запад, наиболее активной с 24 до 12 час. оказывается область, расположенная к северу от трассы, с 12 до 24 час. - к югу, на трассах, ориентированных с севера на юг, активная область ориентирована с 18 до 06 час. к западу от трассы, с 06 до 18 час. — к востоку.

Коэффициент заполнения. Для оценки пропускной способности ме­теорных линий, где передача информации ведется прерывисто, использу­ют коэффициент заполнения (использования) k_мл, который оценивается как отношение суммарного времени, в течение которого амплитуда при­нимаемого сигнала превосходит пороговый уровень системы (порог обна­ружения), к общему времени работы. Понятие порога обнаружения U_пор связано с принципом действия метеорных линий, где передача информа­ции ведется только в течение интервалов времени, когда за счет «вспыш­ки» отношение сигнал-шум достигает необходимого значения. При очень низком пороге почти все наблюдаемые сигналы сформированы «недоуплотненными» следами, при очень высоком — «переуплотненными».

На заданной частоте максимальное напряжение на входе приемника U_пор пропорционально линейной электронной плотности следа, которая, в свою очередь, пропорциональна массе метеора. Время жизни «вспышек» составляет 0,2...0,4 с и изменяется в течение суток, уменьшаясь ночью, когда время жизни метеоров оказывается меньше, чем днем. Коэффициент использования на метеорных линиях обычно составляет единицы процен­тов, не превышая 10%. Тракт распространения на метеорных линиях по своей природе прерывист, поскольку полезные метеорные следы появляются прерывисто во времени с интервалами более 10 с. Это обуславливает ряд особенностей построения режима работы таких линий.

К первой особенности следует отнести необходимость прерывистого включения и выключения передаваемой информации с учетом появления и пропадания полезных метеорных следов. В простейшем варианте это осуществляется так. На обоих концах линии имеются накопители переда­ваемой и принятой информации типа магнитных лент, а также автомати­ческие устройства для включения и выключения этих накопителей. Пере­датчики на обоих концах линии непрерывно излучают несущие на часто­тах, разнесенных примерно на 1 кГц. При появлении полезного метеорно­го следа, когда на обоих концах линии уровень несущей, на входах прием­ников достигает порогового уровня, автоматические устройства открыва­ют цепи передачи и информация с накопителя поступает на модулятор, начинается передача информации с большой скоростью. На приемном конце после демодуляции сигнал поступает

на накопитель, откуда с за­медленной скоростью подается на оконечную приемную аппаратуру. Ко второй особенности режима работы метеорных линий следует отнести ра­боту с большими мгновенными скоростями передачи, что необходимо для обеспечения удовлетворительной пропускной способности линий. Пропу­скная способность оценивается средней скоростью передачи информации, которая равна произведению мгновенной скорости на коэффициент ис­пользования. При k_мл ≈ 2...10%, характерных для метеорных линий, ско­рость 40 бит/с может быть обеспечена при мгновенной скорости 2000...400 бит/с.

На метеорных линиях применяют передатчики мощностью 0,5...5 кВт. Антенные устройства имеют два варианта исполнения. Наиболее про­стой, но не наиболее эффективный вариант - использование антенн с ши­рокими диаграммами направленности (50...60°), перекрывающими основ­ную часть активной области метеорных следов. Наиболее эффективный вариант - использование антенн с узкой диаграммой направленности (8...10°), способной следить за перемещением в течение суток активной области отражения. Многолучевая структура принимаемого поля ограни­чивает неискаженную полосу передачи до 15...20 кГц. Многолучевое рас­пространение обусловлено одновременным существованием нескольких следов в пределах активной области отражения, разрывом следа на части и др. Максимальная дальность метеорных линий ограничивается высотой образования ионизированных следов (90...100 км) и достигает 2000...2200 км. На линиях аналогичной протяженности можно передавать информа­цию на коротких волнах за счет отражения от ионосферы или на УКВ за счет ИР. В ряде случаев использование механизма отражения от ионизи­рованных следов метеоров имеет преимущества главным образом за счет значительно более низкого энергетического потенциала линии- меньших мощностей передатчика и простоты антенных устройств.