Д.В. Иванов1, В.А. Иванов2, А.А. Кислицын3, М.И. Рябова4

1-4 Поволжский государственный технологический университет (г. Йошкар-Ола, Россия)

1 IvanovDV@volgatech.net; 2 IvanovVA@volgatech.net; 3 KislitsinAA@volgatech.net; 4 RyabovaMI@volgatech.net

Постановка проблемы. При распространении широкополосных волновых пакетов (сигналов) через трансионосферный радиоканал проявляются аномальная дисперсия групповой задержки и чирпинг-эффект, которые препятствуют увеличению пропускной способности систем спутниковой связи (ССС). Возникающие при прохождении широкополосных пакетов в данной природной среде проблемы в значительной мере обусловлены геофизическими процессами на уровнях ионосферы. Следовательно, учет геофизического состояния ионосферы при использовании физического подхода в задаче трансионосферного распространения волновых пакетов с применением приближенных решений волнового уравнения, является на сегодняшний день актуальной задачей. Новые знания в области широкополосной спутниковой связи можно получить путем развития физического подхода и комплексной модели чирпинг-эффекта в реальных эксплуатационных условиях.

Цель. Создание комплексной модели чирпинг-эффекта трансионосферного широкополосного радиоканала ССС на основе развития физического подхода в задаче распространения волнового пакета с учетом отклонения от вертикального направления прихода сигнала от передатчика, используемых рабочих частот канала и вариаций геофизических условий.

Результаты. Расширены возможности физического подхода к решению задач моделирования распространения широкополосных волновых пакетов на трансионосферных радиолиниях связи с учетом чирпинг-эффекта. Получены аналитические выражения для фазы, групповой задержки и ее дисперсии (GDD) для средней частоты пакета, учитывающие пространственно-временные геофизические составляющие чирпинг-эффекта. Представлена модель для оценки аномальной дисперсии по значениям коэффициента дисперсии групповой задержки, полученного при вертикальном распространении луча, для случаев произвольных положений спутника. Создана интеллектуальная система обработки навигационных данных для получения информации о текущих значениях параметров чирпинга. Разработана и реализована методика проведения эксперимента для исследования влияния географической широты нахождения трансионосферных вертикальных и наклонных радиолиний на амплитуду вариаций ключевого параметра чирпинга. Установлено, что на высоких широтах амплитуда вариаций от дня к ночи менялась до 4 раз, на средних широтах до 7 раз, а вариации минимальных значений GDD при увеличении широты с шагом в 10º увеличивались примерно в 1,5 раза на каждом шаге.

Практическая значимость. Представленные результаты обеспечивают синергию с радиотехническим подходом для качественного исследования чирпинг-эффекта трансионосферного широкополосного радиоканала, необходимого для создания методов его преодоления, и, как следствие, способствуют решению проблемы существенного расширения полосы частот ССС.

Иванов Д.В., Иванов В.А., Кислицын А.А., Рябова М.И. Создание комплексной модели чирпинг-эффекта трансионосферного широкополосного радиоканала. Часть 2. Физический подход // Радиотехника. 2026. Т. 90. № 1. С. 94–105. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202601-09

1. Иванов Д. В., Иванов В. А., Рябова Н. В., Кислицын А. А. Обеспечение предельной широкополосности систем спутниковой радиосвязи в условиях внутримодовой дисперсии трансионосферных радиоканалов // Радиотехника и электроника. 2023. Т. 68. № 6. С. 571-578. DOI: 10.31857/S0033849423060049.
2. Пашинцев В.П., Песков М.В., Михайлов Д.А., Киселев Н.В. Оценка влияния дисперсионных и дифракционных свойств ионосферы на полосу пропускания трансионосферного канала // Геомагнетизм и аэрономия. 2024. Т. 64. № 2. С. 277-293. DOI: 10.31857/S0016794024020114.
3. Иванов Д.В., Иванов В.А., Рябова М.И., Овчинников В.В. Эффекты дисперсии в ионосферных радиоканалах. Ч. 2. Виды частотно-временно́й дисперсии // Радиотехника. 2024. Т. 88. № 11. С. 63-77. DOI: 10.18127/j00338486-202411-10.
4. Иванов Д.В., Иванов В.А., Овчинников В.В. Возможность существенного расширения полосы неискаженной передачи коротковолновой связи при использовании физического эффекта смены вида внутримодовой дисперсии групповой задержки // Электромагнитные волны и электронные системы. 2023. Т. 28. № 5. С. 49-60. DOI: 10.18127/j5604128-202305-06.
5. Ясюкевич Ю.В., Мыльникова А.А., Демьянов В.В. и др. Суточная динамика вертикального полного электронного содержания над городами Иркутск и Йошкар-Ола по данным GPS/ГЛОНАСС и модели IRI-2012 // Вестник Поволжского гос. технологического ун-та. Сер. Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2013. № 3(19). С. 18-29.
6. Альперт Я.Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера. М.: Наука. 1972. 563 с.
7. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир. 1973. 502 с.
8. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука. 1967. 683 с.
9. Ivanov D.V., Ivanov V.A., Ryabova N.V. et al. Studying frequency dispersion in transionospheric radio paths using the estimates of the total electron content // IET Conference Publications. London, 2018. V. 2018. DOI: 10.1049/cp.2018.0474.
10. Иванов Д.В., Иванов В.А., Рябова М.И., Овчинников В.В. Эффекты дисперсии в ионосферных радиоканалах. Ч. 1. Модели распространения волновых пакетов в диспергирующих ионосферных каналах // Радиотехника. 2024. Т. 88. № 8. С. 111-126. DOI: 10.18127/j00338486-202408-11.
11. Иванов Д.В., Иванов В.А., Рябова Н.В. и др. Анализ математических приближений для оценки частотной фазовой дисперсии широкополосных трансионосферных каналов связи. Картографирование полосы когерентности // VII Всеросс. Армандовские чтения «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн»: материалы Всеросс. науч. конф. (г. Муром, 27–29 июня 2017 г.). Муром: Муромский институт (филиал) ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых». 2017. С. 315-322.
12. Ivanov D., Ivanov V., Ryabova N. et al. Dispersive Distortions of system characteristics of broadband transionospheric radio channels // Journal of Applied Engineering Science. 2017. P. 550-555. DOI: :10.5937/jaes15-11784.
13. Hofmann-Wellenhof B., Lichtenegger H., Collins J. Global positioning system: GPS theory and practice. Theory and practice. Wien; New York: Springer Cop. 2001. 382 p.
14. Alizadeh M.M., Wijaya D.D., Hobiger T., Weber R., Schuh H. Ionospheric effects on microwave signals // In: Böhm, J., Schuh, H. (eds) Atmospheric Effects in Space Geodesy. Springer Atmospheric Sciences. Springer. Berlin. Heidelberg. 2013. P. 35–71. https://DOI: org/10.1007/978-3-642-36932-2_2.
15. Афраймович, Э.Л. Перевалова Н.Ч. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск: ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН. 2006. 480 с.
16. Jamason P. et al. SOPAC web site [Electronic resource] // GPS Solutions. 2004. V. 8. P. 272–277. URL: http://sopac.ucsd.edu/.
17. Демьянов В.В., Ясюкевич Ю.В. Механизмы воздействия нерегулярных геофизических факторов на функционирование спутниковых радионавигационных систем. Монография. Иркутск: Изд-во ИГУ. 2014. 349 с.
18. Афраймович Э. Л., Живетьев И.В., Бузевич А. В. Крупномасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения во время магнитной бури 29–30 октября 2003 г. по данным камчатской сети GPS-станций // Геомагнетизм и аэрономия. 2005. Т. 45. № 1. С. 123–126.
19. Афраймович Э.Л. и др. Сейсмоионосферные и сейсмоэлектромагнитные процессы в Байкальской рифтовой зоне. Монография. Интеграционные проекты СО РАН. Вып. 35 / Под ред. Г.А. Жеребцова. Новосибирск. 2012. 304 с.