5.6. Системы метеорной связи

В течение суток в земную атмосферу из мирового пространст­ва вторгается около 10¹⁰ твердых частиц, суммарная масса кото­рых достигает одной тонны. Врезаясь в верхние слои атмосферы со скоростью 12—75 км/с, эти частицы вследствие трения накаля­ются, плавятся и в большинстве случаев испаряются, образуя на высоте 80—120 км световые вспышки, названные метеорами (ме­теор по-гречески — парящий в воздухе). Продолжительные на­блюдения позволили установить, что за большие промежутки времени изменения среднего числа метеоров в зависимости от време­ни суток, года и географической широты носят довольно законо­мерный характер. Наибольшее число метеоров имеет место в ут­ренние часы, наименьшее — в вечерние, причем осенью метеоров значительно больше, чем весной. Годичные изменения числа ме­теоров более выражены в полярных широтах, а суточные - в эк­ваториальной области.

В результате столкновений молекул и атомов испаряющегося метеорного тела с молекулами и атомами верхних слоев атмос­феры на высоте 80-120 км образуются ионизированные метеор­ные следы в виде цилиндрического столба со средней протяжен­ностью 25 км, диаметр которого равен нескольким сантиметрам. За счет диффузии след быстро расширяется и под влиянием вы­сотных ветров теряет свою форму. Чем больше масса и скорость метеорного тела и меньше коэффициент диффузии электронов, тем выше степень ионизации следа и больше время его существования [11].

При прохождении радиоволн через ионизированный метеорный след электроны последнего начинают совершать колебания с час­тотой падающих радиоволн и создают вторичное излучение (рис. 5.17). Это излучение носит зеркальный, а не рассеянный харак­тер, вследствие чего уровень сигнала в точке приема оказывается значительно выше, чем в случае ионосферного распростране­ния радиоволн. Следовательно, метеорная радиосвязь на те же максимальные расстояния, что и ионосферная, возможна при использовании сравнительно маломощных передатчиков и прос­тых антенн. В отличие от ионосферных станций станции метеор­ной связи могут быть не только стационарными, но и подвижными.

рис.5.17 рис.5.18

В системах дальней метеорной радиосвязи рекомендуется ис­пользовать диапазон частот 30-100 МГц. Ограничение сверху объясняется инерцией электронов, участвующих в зеркальном от­ражении радиоволн, а также недостаточной электронной концен­трацией метеорного следа для зеркального отражения более вы­сокочастотных сигналов. Использование более низких частот соп­ряжено с уменьшением частотной емкости метеорного канала свя­зи, что особенно существенно, и увеличением поглощения в слое Д. В пределах указанного диапазона частот мощность сиг­налов в точке приема растет с увеличением мощности передат­чика Р, коэффициента усиления антенн G, электронной плотности следа N, с уменьшением рабочей частоты f и дальности связи D. Если ось метеорного следа лежит в плоскости, проходящей через точку отражения радиоволн и корреспондирующие пункты А и Б, то уровень сигнала в пункте приема при заданных Р, G, f, N, и D достигает максимального значения.

С увеличением мощности передатчика даже сравнительно сла­бые метеорные следы, возникающие на трассе АБ, могут обеспе­чить необходимый уровень сигнала в точке приема. Другими сло­вами, чем больше мощность передатчика, тем больше метеорных следов становятся пригодными для поддержания связи. То же са­мое можно сказать и об усилении антенн, но только до опреде­ленных пределов. Дело в том, что с увеличением G уменьшается область взаимной видимости антенны корреспондентов, а зна­чит, и число пригодных для связи метеорных следов, приходя­щихся на эту область. Поэтому в метеорных системах связи используются антенны с усилением около 20 дБ. Понятно, что при заданных Р, G, f, N и D число фиксируемых приемником отра­женных сигналов возрастает с увеличением реальной чувствитель­ности приемника.

Радиолокационные наблюдения показывают, что наиболее выгодные с точки зрения отражения радиоволн метеорные сле­ды имеют место в областях полусферы, расположенных по обе стороны трассы связи АБ. При этом наиболее полезные области в утренние часы лежат севернее, а в вечерние — южнее плоскости большого круга, проходящей через пункты А и Б. Максимальное отклонение полезных областей в обе стороны от трассы АБ (в азимутальной плоскости) достигает 20-30°. Поэтому целесооб­разно диаграммы направленности антенн корреспондирующих станций строить из двух лепестков, определенным образом распо­ложенных по обе стороны трассы АБ. В течение суток коррес­понденты должны корректировать ориентацию антенн или управ­лять положением лепестков диаграммы направленности.

Длительность сигнала, отраженного от метеорного следа, из­меняется в широких пределах и зависит от массы метеорного тела, скорости, с которой оно вторгается в верхние слои атмосферы, направления его движения относительно трассы, диффузии час­тиц метеорного следа и высотных ветров. Из рис. 5.18 следует, что длительность существования большинства следов, пригодных для связи, составляет 0,1-1,5 с. В среднем можно считать, что за 1 минуту регистрируется 2-3 отраженных сигнала длительностью около 1 с. Значит, связь за счет отражения укв от ионизирован­ных следов метеоров может быть только прерывистой, причем дли­тельность сеансов составляет 3-5% от общего времени работы аппаратуры метеорных станций. Вместе с тем благодаря зер­кальному отражению волн и прерывистому характеру связи ме­теорная радиосвязь обладает высокой скрытностью.

Возникновение благоприятного для связи метеорного следа и длительность его существования есть процессы случайные. Поэ­тому в системах метеорной связи широко применяется принцип управляемой прерывистой передачи информации, состоящий в том, что информация передается с высокой скоростью частями лишь в течение времени существования пригодных для связи метеорных следов. В интервалах между этими кратковременными сеан­сами связи производится непрерывное зондирование ионосферы с целью обнаружения пригодных следов. При этом возможны одно­сторонняя и двусторонняя управляемые передачи. В первом слу­чае информация передается в одном направлении, например от станции А к станции Б. Во встречном направлении (от Б к А) поступают лишь сигналы, управляющие передачей информации в соответствии с уровнем отраженного сигнала на приемной сторо­не (станции Б). Во втором случае и встречный радиоканал ис­пользуется для передачи информации. Система двусторонней пе­редачи обеспечивает более высокую пропускную способность при заданной достоверности.

Возможна неуправляемая прерывистая передача, состоящая в том, что информация частями передается многократно без зонди­рования ионосферы с целью обнаружения пригодных для связи метеорных следов. Естественно, приемник в этом случае воспри­нимает случайные отрезки передаваемых сигналов, но благодаря многократной передаче корреспондент может составить полное представление о передаваемом сообщении. Аппаратура неуправля­емых систем проста по своему составу, однако эти системы не мо­гут обеспечить высокую достоверность передачи информации.

По радиоканалам метеорной связи возможна передача теле­фонных, телеграфных и фототелеграфных сигналов. Передатчи­ки и приемники систем метеорной связи по принципу построения сходны с передатчиками и приемниками систем ионосферной свя­зи. Чаще всего применяется частотная модуляция и манипуляция, однако не исключено применение фазо-импульсной модуляции.

Наиболее широко используются антенны типа «волновой ка­нал» с раствором диаграммы направленности около 30°.

Неотъемлемой частью систем метеорной радиосвязи являются накопительные устройства. Их применение диктуется необходи­мостью сочетания быстродействующей прерывистой передачи по радиоканалу с равномерным вводом и выводом информации со­ответственно на передающей и приемной сторонах. При низких скоростях передачи информации по радиоканалу используются накопители на магнитной и бумажной перфорированной ленте. В случае передачи информации со скоростью более 2000 слов в ми­нуту применяются электронно-лучевые трубки с накоплением за­рядов или матричные накопители на ферритовых сердечниках.

Важное значение имеет правильный выбор емкости накопи­тельного устройства. При слишком малой емкости накопителя пе­редача информации по радиоканалу может прекратиться раньше, чем исчезнет метеорный след, и средняя скорость передачи будет меньше максимально возможной. Из-за ограниченной средней ско­рости передачи информации по метеорному радиоканалу слиш­ком большая емкость накопителя эффективно использоваться не будет, а только увеличит его стоимость. Оптимальную величину емкости накопителя для данной трассы можно рассчитать, если известны функции распределения длительности пригодных для связи метеорных следов и интервалов между ними, а также ско­рость поступления информации в накопитель. Экспериментально установлено, что для большинства трасс упомянутые функции с некоторой долей достоверности можно аппроксимировать распре­делением Пуассона. В этом случае оптимальную емкость нако­пителя можно рассчитать по методике, изложенной в [11].

На рис. 5.19 приведена структурная схема одного из воз­можных вариантов построения метеорной системы связи с управ­ляемой двусторонней передачей информации. Система работает в двух режимах: зондирования и передачи. В режиме зондирования ионосферы с целью обнаружения метеорных следов, пригодных для радиосвязи, непрерывно излу­чаются немодулированные колебания частот f₁ и f₂. При этом передатчики работают на пониженной мощности. В случае от­сутствия метеорных следов напряжение на выходе приемников, создаваемое шумами, будет ниже некоторого порогового уровня. С появлением пригодного для связи метеорного следа напряжение на выходе приемников за счет приема колебаний несущей час­тоты резко возрастает и превышает пороговое значение. Благода­ря этому пусковые устройства ПУ начинают вырабатывать пус­ковые сигналы с частотой F, которые модулируют колебания пе­редатчиков. Значение F выбирается кратным частоте развертки передающего и соответствующего ему приемного накопителя. При­нятые корреспондентами модулированные сигналы подтвержда­ют наличие условий, благоприятных для двусторонней связи.

рис.5.19

Выделенные приемниками сигналы пуска переводят систему связи в режим передачи. При этом передатчики включаются на полную мощность, прекращается передача пусковых сигналов, а управляющие устройства УУ с большой скоростью считывают сиг­налы передающих накопительных устройств НУ и подают их на модулятор передатчика. «Выстрелянные» таким образом сигналы на противоположных концах трассы связи принимаются приемни­ками и с большой скоростью поступают в приемные накопи­тельные устройства НУ. Из приемных накопителей к получателям сигналы поступают со скоростью, равной скорости их записи в соответствующих передающих накопителях.

Передача по радиоканалу будет продолжаться до тех пор, пока принимаемые сигналы не станут ниже некоторого порого­вого уровня. Когда это произойдёт, система связи перейдет в ре­жим зондирования. Непрерывно поступающая от отправителей информация будет накапливаться в передающих накопителях в ожидании появления нового метеорного следа.

Рассмотренный принцип действия метеорной системы связи несколько идеализирован. В действительности из-за различного уровня помех в точках приема продолжительность сеанса двусто­ронней связи будет определяться приемником с меньшим отно­шением сигнал/шум в данный момент времени.

Метеорные системы связи с управляемой передачей информа­ции автоматически выбирают только те метеорные следы, кото­рые отражают радиоволны в направлении приемного пункта. Это затрудняет радиоперехват и создание радиопомех.

Системы метеорной и ионосферной радиосвязи работают при­мерно в одном и том же диапазоне частот и обеспечивают мак­симальную дальность связи около 2500 км. Однако по другим показателям метеорные системы связи имеют ряд преимуществ по сравнению с ионосферными.

Энергетически метеорные системы связи более экономичны. При связи на одинаковые расстояния мощность передатчиков ионосферных систем значительно превосходит мощность передат­чиков метеорных систем. Так, на трассах протяженностью 1000-1500 км требуемая мощность передатчика ионосферной связи составляет 20-50 кВт. Кроме этого, передатчики метеорных сис­тем связи более 90 % времени работают на пониженной мощности в режиме зондирования метеорных следов.

Благодаря меньшей мощности передатчиков и зеркальному от­ражению радиоволн при метеорной связи наблюдаются меньшие взаимные помехи работающих радиостанций.

Сравнительно небольшая требуемая мощность передатчиков и простота используемых антенн открывают возможность пост­роения метеорных систем связи не только в стационарном, но и в подвижном вариантах.

Частотная зависимость условий дальнего распространения УКВ за счет отражения от метеорных следов выражена слабее, чем при рассеянии локальными неоднородностями ионосферы. Поэтому в метеорных системах связи может использоваться более широкий диапазон частот — до 100 МГц.

Эффективная полоса пропускания метеорной линии связи в 10—20 раз шире ионосферной и составляет 100—200 кГц. Следо­вательно, метеорные системы превосходят ионосферные по воз­можному числу каналов связи несмотря на расширение спектра сигнала при «выстреливании» информации. Пропускная способ­ность метеорных систем радиосвязи в 10 раз выше пропускной способности ионосферных систем при одинаковых мощностях передатчиков [11].

Метеорная радиосвязь обладает высокой скрытностью, во-пер­вых, потому что при управляемой передаче информации автома­тически выбираются только те метеорные следы, которые дают отражения радиоволн, направленные в район приемного пункта, во-вторых, потому, что информация передается кратковременно на больших скоростях, которые могут изменяться. Это затрудня­ет радиоперехват и создание прицельных помех.

К недостаткам систем метеорной связи можно отнести следу­ющее:

• запаздывание информации, обусловленное прерывистым режимом передачи, поэтому метеорная радиосвязь непригодна для передачи команд и другой высокооперативной информации;

• сложность оконечной аппаратуры, включающей в свой сос­тав накопительные, пусковые, управляющие и другие устройства.

В заключение необходимо отметить, что ионосферные и мете­орные линии связи перспективны. Они незаменимы в труднодо­ступных районах и полярных широтах.