книги из ГПНТБ / Константинов П.А. Авиационная радиосвязь

с прыгающей частотой. Такая система предназначена для умень­ шения искажений сигналов, вызываемых многолучевым распро­ странением радиоволн, путем синхронного скачкообразного сдвига частоты передатчика и приемника. Коммутация частот осуществляется таким образом, чтобы приемник реагировал только на сигнал, прибывший по наиболее короткому пути. По­ сле приема импульса частота приемника сдвигается настолько, что он становится нечувствительным к предыдущей передавае­ мой частоте. В это же время на новую частоту сдвигается и ча­ стота передатчика. При передаче следующего импульса осуще­ ствляется очередной сдвиг частот передатчика и приемника и т. д. В результате в любой момент приемник будет принимать сигналы, пришедшие с наименьшим запаздыванием. Сигналы, пришедшие позднее, приемником приниматься не будут, так как к моменту их прихода он будет перестроен на другую ча­ стоту.

Очевидно, что процесс сдвига частоты не может продолжать^ ся сколь угодно долго в одном направлении, и в этом нет необ­ ходимости. Каждая частота должна быть выключена лишь на то время, в течение которого еще может существовать сигнал на этой частоте, т. е. на время между приходом первого и послед­ него лучей. После того как исчезнет сигнал на данной частоте, пришедший по наиболее длинному пути, эта частота снова мо­ жет быть использована.

Необходимое количество частот п зависит от разности време­

стоты. При работе на частотах выше 30 Мгц с использованием ионосферного рассеяния (гл. IX, § 3) разность времени запаз­ дывания часто доходит до 40 мсек, поэтому необходимое число

•частот равно семи или восьми.

В том случае, когда минимальная разность времени запаз­ дывания равна 2т0 или более, сдвиг частоты можно произво­ дить не после каждой элементарной посылки, а, например, че­ рез две-три посылки. В этом случае либо можно уменьшить потребное количество частот, либо при сохранении прежнего количества частот обеспечить защиту от более длинных за­

держек.

В настоящее время системы со сдвигом частоты находят практическое применение. Так, например, в [9] описана система с частотной манипуляцией. Семь различных частот используют­ ся для позитивной посылки и семь — для негативной посылки:

450

стройки проводит передатчик и приемник последовательно через семь состояний, соответствующих семи частотам, после чего возвращает их в исходное положение. Таким образом, после седьмой частоты снова излучается первая частота и т. д. В лю­ бой момент приемник может принимать лишь частоты / г п, одна из которых в этот момент излучается передатчиком.

Следует отметить, что по принципу действия и по характеру излучаемых сигналов система связи с прыгающей частотой от­ личается от ранее рассмотренных широкополосных систем свя­ зи и может быть отнесена к таким системам лишь условно. Но некоторые свойства этих систем являются общими. К таким свойствам относится возможность обеспечения устойчивой связи в условиях многолучевого распространения радиоволн, а также повышенная скрытность связи.

§ 3. ДАЛЬНЯЯ РАДИОСВЯЗЬ НА УКВ

Радиосвязь за счет рассеяния в тропосфере

Долгое время считалось, что связь на ультракоротких вол­ нах возможна лишь на расстояния, примерно равные расстоя­ нию прямой видимости:

d = V W ( / аГ + К аГ),

где R — радиус Земли; h\ и h2 — высоты передающей и прием­ ной антенн. Если учесть, что R = 6,37 •106 м, формула для опре­ деления расстояния прямой видимости примет следующий вид:

Такое мнение обосновывалось теорией дифракции радио­ волн вокруг Земли, согласно которой за пределами прямой ви­ димости (в зоне «тени») напряженность поля при увеличении расстояния очень быстро убывает по экспоненциальному закону и тем быстрее, чем короче волна. Так, на волне 5 м уменьшение

напряженности поля составляет 0,44 дб/км, а на волне 5 см —

уже 2,06 дб/км.

В конце сороковых годов в результате обобщения наблюде­ ний было установлено, что напряженность поля ультракоротких волн в области глубокой тени в тысячи и сотни тысяч раз пре­ восходит значения, предсказываемые дифракционной теорией.

Этот факт можно пытаться объяснить явлением атмосфер­ ной рефракции, которое заключается в преломлении радиоволн, распространяющихся в земной атмосфере.

Показатель преломления атмосферы п незначительно пре­ вышает единицу. Поэтому на практике удобнее пользоваться

верхности Земли Nnp = 325. Из-за изменения давления, темпе­ ратуры и влажности индекс преломления изменяется с высотой. Это-вызывает искривление радиолуча при распространении его

ризонту, испытывает в тропосфере полное внутреннее отраже­ ние, возвращается на Землю, отражается от нее и т. д. Возника­ ет так называемый тропосферный волновод, внутри которого ультракороткие волны могут распространяться на большие рас­ стояния.

Атмосферная рефракция приводит к увеличению дальности радиосвязи. При нормальной атмосферной рефракции форму-

* Свойства нормальной тропосферы, отображающие среднее состояние реальной тропосферы, характеризуются следующими данными: у поверхно­

11 км. Область атмосферы, заключенная в интервале высот 11—60 км, назы­ вается стратосферой. Область атмосферы от 60 до 650 км называется ионо­ сферой.

4 5 2

При сверхрефракции дальность связи будет значительно больше. Однако систематически наблюдаемый дальний прием УКВ' в области глубокой тени нельзя объяснить явлением атмосфер­

ной рефракции. Нормальная рефракция, как это видно из срав­ нения формул (9.41) и (9.40), вызывает лишь незначительное увеличение дальности. Возникающее при сверхрефракции вол­ новодное распространение также не дает удовлетворительного

и воздействует на приёмную антенну.

Интенсивность вторичного излучения, достигающего прием­ ной антенны при тропосферном рассеянии, характеризуется средним значением множителя ослабления по отношению к сво­ бодному пространству, в котором напряженность поля убывает обратно пропорционально расстоянию. Множитель ослабления

Е

равен тср = 20 l g —К, где EQ и Д, есть напряженность поля

А

в точке приема в свободном пространстве и при тропосферном рассеянии.

На рис. 9.14 показана зависимость ^ср от расстояния [10]. Зависимость множителя ослабления от частоты, как это видйо

* 453

Опыт показывает, что за счет рассеяния в тропосфере можно обеспечить уверенную радиосвязь на волнах от 6 м до несколь­ ких сантиметров на расстояния до 1000 км. Однако для. этого необходимо использовать мощные передатчики (десятки кило­ ватт) и остронаправленные передающие и приемные антенны.

Рис. 9.14. Зависимость множителя ослабления от рас­ стояния при дальней связи на УКВ:

/ — рассеяние в тропосфере; 2 — рассеяние в ионосфере. По оси ординат отложены медианные значения множителя ослабления

Напряженность поля, создаваемая сигналом при тропо­ сферном рассеянии, претерпевает непрерывные изменения. Ха­ рактерным является наличие как медленных, так и быстрых из­ менений уровня сигнала (замираний).

Медленные изменения уровня сигнала связаны с регулярны­ ми (суточными и сезонными), а также случайными изменениями

еме рассеяния. Они длятся от долей секунды до нескольких минут. Частота замираний увели­ чивается с укорочением волны. Быстрые замирания подчиняют­ ся релеевскому распределению (2.19).

454

В целях борьбы с замираниями при радиосвязи за счет тро­ посферного рассеяния может быть применен один из методов разнесенного приема (гл. IX, § 1).

Тропосферная радиосвязь сопровождается искажениями сиг­ нала. Основная причина искажений связана с тем, что поле в месте приема создается множеством волн с различным запаз­ дыванием. В результате фронт импульсного сигнала окажется размытым, подобно тому, как это имеет место при прохождении сигнала через колебательный контур. Действие тропосферы на сигнал аналогично действию полосового фильтра. Следователь­ но, тропосфера обладает конечной полосой пропускания [121, [13], [14].

Искажения сигнала тем сильнее, чем больше время запазды­ вания, т. е. чем больше разность времени распространения по наиболее короткому и наиболее длинному путям. При увеличе­ нии дальности связи искажения возрастают. При сужении диа­ грамм направленности передающей и приемной антенн искаже­ ния сигнала, наоборот, уменьшаются. Время запаздывания при связи за счет рассеяния в тропосфере имеет порядок одной мик­ росекунды, а возможная полоса передачи имеет порядок мега­ герц. Отсюда следует, что такой метод связи может быть ис­ пользован для передачи многоканальных телефонных сообще­ ний, а также телевизионных сообщений.

Радиосвязь за счет рассеяния в ионосфере

Рассеяние электромагнитных. волн в ионосфере также воз­ никает в результате образования локальных неоднородностей. Однако в отличие от тропосферного рассеяния в данном случае рассеяние происходит на больших высотах (рис. 9.13), преиму­ щественно на высотах 85—90 км и 60—75 км. Наблюдается рассеяние и на более низких высотах, вплоть до 55 км, а также на высотах 100— 120 км. Таким образом, рассеяние происходит в нижней части ионосферного слоя £ ив слое р.

Характеристикой интенсивности поля в месте приема и в данном случае может служить множитель ослабления уср по от­ ношению к полю в свободном пространстве. Зависимость уср от расстояния приведена на рис. 9.14, из которого видно, что в пре­ делах расстояний 1000—2200 км средняя интенсивность поля меняется мало.

-ч- 75 Мгц. Нижняя граница указанного частотного диапазона определяется условиями нормального отражения от ионосферы.

Важным свойством ионосферного рассеяния является его устойчивость по отношению к ионосферным возмущениям. Этот факт имеет большое значение для радиосвязи в северных широ-. тах, где регулярная связь на коротких волнах невозможна из-за

455

частых ионосферных возмущений. В то же время связь за счет рассеяния в ионосфере будет устойчивой даже в периоды наи­ более сильных ионосферных бурь.

Уровень поля в месте приема изменяется в зависимости от времени года и суток. На линиях связи протяженностью до 1500 км средний уровень летом и днём заметно выше, чем зимой и ночью. При большей дальности связи суточные изменения уровня поля уменьшаются.

Связь за счет рассеяния в ионосфере целесообразно исполь­ зовать на расстояния от 500— 1000 км до 2000—2200 км. Ниж­ няя граница 500— 1000 км определяется тем, что при уменьше­ нии расстояния из-за увеличения угла рассеяния 0 р (рис. 9.13) интенсивность рассеянного поля уменьшается. Поэтому при ма­ лых расстояниях выгоднее вести связь за счет рассеяния в тро­ посфере. Верхняя граница определяется предельным расстоя­ нием, перекрываемым по Земле, когда объем рассеяния распо­ ложен на высоте порядка 90 км.

При ионосферном рассеянии сигнал в месте приема также образуется в результате интерференции многих лучей с различ­ ными запаздываниями. Возможное время запаздывания изме­ няется в широких пределах. За счет отражения сигналов от раз­ личных участков объема рассеяния время запаздывания при­ мерно доходит до 20 мксек. Однако часто время запаздывания получается значительно больше и доходит до 40 мсек. Это име­ ет место, например, при работе на частотах, близких к макси­ мально применимой частоте (МПЧ).*

Такой случай иллюстрируется на рис. 9.16. На вход прием­ ника сигналы приходят по двум путям. Сигнал, приходящий бо­ лее коротким путем, создается за счет рассеяния в ионосфере. Другой сигнал отражается от слоя F2 или от спорадического слоя Bs , затем далеко за точкой приема отражается неровностя­ ми земной поверхности в обратном направлении и тоже посту­ пает на вход приемника. Из рисунка видно, что протяженность двух указанных путей будет существенно различной, а время запаздывания большим.

Значительные запаздывания приходящих различными путя­ ми сигналов ограничивают возможную полосу передачи. Опыт показывает, что при связи за счет рассеяния в ионосфере могут

ной линии связи понимается максимальное значение такой частоты, при ко­

ной частоты /макс (при которой радиоволна отражается при угле возвышения Р = 0 и перекрывает максимально возможное расстояние при однократном

456

мер, один-два телефонных сигнала или десятки телеграфных сигналов.

Интерференция различных сигналов в месте приема вызыва­ ет замирания. Для борьбы с замираниями может использовать­

обеспечения связи в поляр­ ных районах, где обеспечить уверенную связь на коротких вол­ нах невозможно.

Радиосвязь за счет отражения от ионизированных следов метеоров

В атмосферу Земли из космического пространства непрерыв­ но вторгается огромное количество мелких твердых частиц, на­ зываемых метеорами. В течение суток в земную атмосферу вхо­ дит примерно 1010 частиц, а их суммарная масса приблизитель­ но равна одной тонне.

,,Установлено, что число появляющихся в данном месте метео­ ров зависит от времени суток и года и от широты места. В ут­ ренние часы их появляется в несколько раз больше, чем в ве­ черние часы, во второй половине лета и осенью больше, чем весной. На экваторе суточные изменения числа метеоров боль­ ше, чем на полюсах. Годичные изменения, наоборот, больше на полюсах, чем на экваторе.

Масса отдельных метеорных тел колеблется в широких пре­ делах — от тысячных долей миллиграмма до нескольких кило­ граммов, а иногда и более. Приблизительно можно считать, что число частиц п, имеющих массу больше от, обратно пропорцио­ нально от:

п = klm,

где k — постоянная, зависящая от времени года и суток, от ши­ роты места и от других факторов.

Приведенные данные относятся к спорадическим метеорам, которые проникают в атмосферу с разных направлений, движут­ ся с различными скоростями и возникают в любое время года и суток. Спорадические метеоры имеют основное значение для

.метеорной радиосвязи. •

457-

В определенные периоды года среднее число наблюдаемых метеоров резко увеличивается за счет так называемых метеор­ ных потоков, возникающих при прохождении Земли через мощ­ ные скопления метеорных тел. Эти потоки возникают сравни­ тельно редко и не имеют существенного значения для дальней

становится змеевидным или разрывается на части. Ионизированные следы метеоров содержат много свободных

электронов, благодаря чему они обладают способностью отра­ жать радиоволны. В большинстве случаев отражение является зеркальным, поэтому падающий и отраженный лучи составля­ ют одинаковые углы с осью следа. На рис. 9.17 иллюстрируется отражение, при котором углы ф острые. Этот вид отражения, называемый прямым отражением или отражением вперед, яв­ ляется основным для радиосвязи. Кроме того, различают воз­ вратное отражение или отражение назад, когда углы ф являют­ ся прямыми. Такой вид отражения широко используется при ра­ диолокационных наблюдениях метеоров с целью определения характеристик метеорных следов.

Мощность отраженного сигнала, поступающего на вход при­ емника, зависит от многих факторов. Эта зависимость выра­

. 458

с— половина угла между падающим и отражен­ ным лучами.

Из выражения (9.43) видно, что коэффициент у, а следова­

Следы метеоров, должным образом ориентированные отно­ сительно передающей и приемной радиостанций, отражают зна­ чительную мощность. Благодаря этому, оказывается возможным осуществлять уверенную связь на расстояния примерно до 2200 км при относительно небольших мощностях передатчиков (1—2 кет) и простых антеннах.

Необходимо отметить, что в ряде случаев возникают отра­ жения от нескольких метеорных следов или от нескольких уча­ стков метеорного следа, разорванного ветром на части. Это при­ водит к интерференции отраженных лучей, пришедших в точку приема с различными фазами, и к искажению сигналов.

В метеорных системах радиосвязи используются сравнитель­ но длинные волны. Это связано с тем, что мощность принимае-

лмых сигналов, а следовательно, и число сигналов, принимаемых

вединицу времени в соответствии с формулой (9.42), быстро убывает при укорочении волны. Наиболее подходящим является диапазон f = 30 — 50 Мгц. Однако могут быть применены и бо­ лее высокие частоты, примерно до f = 100 Мгц.

Для обеспечения увереннойрадиосвязи следует в.ыбирать теучастки небесной полусферы, которые обладают наибольшей от-

459