Диагностика в периоды геомагнитных возмущений чирпинг-эффекта в широкополосных трансионосферных каналах связи с использованием данных ГНСС

Для спутниковой связи проблематичным является существенное расширение полосы частот, необходимое для создания систем с максимальной пропускной способностью и скрытностью [1]. Расширению препятствуют частотная дисперсия второго порядка и обусловленный ей чирпинг-эффект в канале [2]. Практически не исследованным является влияние на чирпинг-эффект космической погоды, особенно влияние геофизических возмущений. Поэтому актуальной представляется проблема исследования воздействия космической погоды на эффект чирпирования и создание эффективного метода его преодоления. Для решения проблемы требуется развить, исследовать метод диагностики чирпирования в широкополосных трансионосферных каналах.
Целью работы является исследование на основе созданной комплексной модели чирпинг-эффекта системных характеристик широкополосных трансионосферных радиоканалов и проведение экспериментальной оценки предлагаемого метода диагностики по данным ГНСС в периоды геомагнитных возмущений.
На основе комплексного подхода, включающего радиофизический и радиотехнический методы, в докладе предложена модель чирпинг-эффекта, который обусловлен линейной зависимостью времени распространения от частоты составляющих волнового пакета. В результате происходит искажение пакета, приводящее к потере заложенной в нем полезной информации. Радиотехнический подход основан на гипотезе, которая близка по своей сути к использовавшейся в Фурье-оптике. Данная гипотеза эффективно разрабатывалась Дж. Рэлеем, Э. Аббе, Л.И. Мандельштамом, Г.С. Гореликом, С.М. Рытовым. В нашем случае предполагается эквивалентность распространения волновых пакетов в среде прохождению, соответствующих им сигналов по некоторой линейной системе, описываемой частотной (ЧХ) и импульсной (ИХ) системными характеристиками. При этом для АЧХ и ФЧХ системы справедливо разложение в ряд Тейлора по степеням разностных частот. Слагаемые высокого порядка оказываются незначимыми. Так чирпинг-эффект связан со слагаемым второго порядка. Основным параметром чирпа в этом случае является коэффициент дисперсии групповой задержки GDD, который при значительных искажениях при переходе во временную область преобразует ИХ в прямоугольный ЛЧМ-импульс. Физический подход позволил получить соотношения для связи между физическими характеристиками среды (полное электронное содержание – TEC) и параметрами чирпа диспергирующего трансионосферного канала. В работе показано, что параметр чирпирования GDD прямо пропорционален TEC и поэтому в случае его увеличения приводит к сужению предельной полосы частот (FBL) канала. Диагностика параметра чирпирования проводится нами с использованием измерений ТЕС, получаемых по данным спутниковых радионавигационных систем, работающих в диапазоне 1100…1610 МГц (ГЛОНАСС, GPS). В работе применяется комбинированный метод обработки на основе данных как фазовых, так и кодовых измерений. В результате дальнейшей обработки получаем оценки текущих значений параметра GDD и предельной полосы частот (FBL). Непрерывность наблюдений обеспечивает получение их суточных ходов (СХ). Возмущения СХ параметров чирпа оценивались сравнением для контрольных (спокойных) дней.
Натурные исследования проводились на основе аппаратно-программного комплекса, созданного в ФГБОУ ВО «ПГТУ». Его основой являются пассивные радиосенсоры референцной сети SmartNet. Данные о солнечной активности получали с сайтов ИКИ РАН и ИСЗФ СО РАН. Техника эксперимента и контроль состояния космической погоды позволили оценить влияние возмущений (в том числе близких к экстремальным) на предельную полосу частот трансионосферного канала ССС. Эксперименты проводились на станции YOSH (г. Йошкар-Ола) в мае и сентябре 2024 года. Экстремальные условия соответствовали солнечным вспышкам типа Х. В докладе приводится анализ полученных данных влияния возмущений на увеличение GDD и сужение FBL. В частности, регрессионный анализ позволил установить функциональную связь степени влияния индекса солнечной активности на значение FBL-канала.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант № 25-19-00153 «Чирпинг-эффект сложного радиосигнала в трансионосферном канале и создание интеллектуальной технологии его преодоления для увеличения пропускной способности спутниковой связи».