CC BY
12УДК 621.396 DOI: 10.24412/2782-2141-2022-3-9-14
Анализ дальности связи и глубины приема сигналов в сверхдлинных волнах
Акулов B.C., Талагаев В.И., Угрик JI.H.
Аннотация: В мировой практике для связи с морскими объектами, находящимися на больших расстояниях под водой, широко используются радиолинии сверхдлинноволнового диапазона как гражданского так и военного назначения. Способность сверхдлинных волн распространяться в волноводе «нижняя граница ионосфер-подстилающая поверхность моря» и проникать под воду зависит от множества физических особенностей волновода, видов помех радиоприему и технических параметров антенных и приемных устройств. Существующие методы оценки предельных дальности и глубины подводного приема не в полной мере учитывают ряд важных параметров волновода, радиолиний и условий приема. В работе, с целью уточнения оценок дальности и глубины гарантированного приема сигналов с требуемым качеством, разработана методика и проведен численный анализ дальности и глубины подводного приема для различных физических параметров среды распространения сигналов, технических характеристик радиолиний и условий применения. Результаты работы могут быть использованы исследователями и разработчиками сверхдлинноволновых радиолиний при выборе их технических параметров с учетом требований к качеству передачи сигналов в условиях помех.
Ключевые слова: сверхдлинные волны, дальность связи, глубина приема, качество связи, приемные антенны, помехи..
При анализе предельных дальностей R действия радиолиний в диапазоне сверхдлинных волн (СДВ) обычно ограничиваются ситуацией, когда приемная антенна находится на поверхности моря, а помехи радиоприема являются внешними, главным образом, атмосферными. При этом утверждается, что возможная глубина приема z определяется местными помехами, которые в этих диапазонах, в основном, обусловлены шумами антенного тракта [1]. Эту глубину называют гарантированной, однако достаточно точного метода ее определения не дается.
Целью работы является проведение численного анализа возможных гарантированных глубин подводного радиоприема с заданным качеством, с учетом различных технических параметров радиолинии и условий приема.
При предельных значениях глубины и дальности должно обеспечиваться отношение сигнал/помеха h, необходимое для приема сигнала с заданным качеством, а именно
h2= E2(R,z)/ [afE2(z)], (1)
где Es (R, z) - модуль напряженности поля сигнала; Af - эффективная (шумовая) полоса частот приемного устройства; En1(z) - напряженность поля помех в точке приема, отнесенная к полосе 1 Гц.
В рассматриваемом диапазоне помехи радиоприему складываются из атмосферных шумов Eat1 (z) и внутренних шумов антенны Ea1
Eh( z) = Ell{ z) + Ea21. (2)
Поле сигнала и поле атмосферных шумов на глубине испытывают одинаковое экспоненциальное затухание, относительно своих значений на поверхности Es0(R) и Eat10, т. е.
Es(R,z) = Eso(R)exp(-z/8,); EM(z) = Eatw exp(-z/8,), (3)
где 5, размер скин-слоя в воде.
С учетом представлений (2) и (3) уравнение (1) разрешается относительно искомой глубины z в конечном виде
z=5l ln 2
(4)
Е2о( *)/к2- 4/Е2,
. 4/"Е2
Внутренние шумы антенны в терминах электрического поля Еа1 определяются как эквивалентное поле шумов [1]
Еа1 = иа\ / К , (5)
где: С/а1 - поддающееся непосредственному измерению напряжение шумов в антенне, приведенное к полосе 1 Гц; Ке — действующая (эффективная) высота приемной антенны.
В качестве приемной рассмотрим выпускную кабельную антенну, обеспечивающую возможность расположения объекта на достаточной глубине [2]. Активная часть буксируемой антенны представляет собой прямолинейный отрезок провода геометрической длиной /а, расположений при буксировке под углом 0 к горизонту, что схематически показано на рис. 1.
Еьо •->
в
г
Ehi=EMexp{ikz)
1 /asin0
Ei
F/=fii,cos в lc
Рис. 1. Схема буксировки выпускной кабельной антенны
Левый (верхний) конец антенны называется ходовым, противоположный конец антенны - коренным. Напряжение в такой антенне возбуждается плоской волной, падающей на границу раздела с амплитудой горизонтальной компоненты ЕК0, и оно определяется контурным интегралом по активной части антенны [3]
иа = \Е1СИ. (6)
(/)
С учетом соотношений, приведенных на рис. 1, из выражения (6) следует действующая длина, относительно горизонтальной компоненты напряженности поля ЕК0 в точке расположения ходового конца антенны
l
a
= cos 01 exp(iklsin 0) dl.
(7)
0
Вычисление интеграла (7) дает следующий результат для модуля действующей длины
Л
л/ОД;
x = -/^ sinö; L(x) = 1 — 2 cos xex+e 2x .
8s
где 5s - размер скин-слоя.
Выражения (8) и (9) впервые были получены A.B. Додоновым [1].
(8) (9)
При фиксированном значении угла 0, зависимость действующей длины антенны от ее геометрической длины определяется функцией Ь(х). Эта функция представлена рис. 2. При
анализе функции Ь(х) важно, что параметр х ~ 1а. Сначала действующая длина антенны 1е возрастает с увеличением ее геометрической длины 1а, что вполне естественно, поскольку напряжение в антенне формируется на возрастающем по длине активном участке. При х« 1.5, функция Ь(х) достигает значения 1 и далее изменяется уже незначительно. Поле, приходящее на участки антенны, соответствующие значениям параметра х> 1.5-5-2.0, уже мало ввиду экспоненциального затухания ехр(/кг). Незначительные осцилляции функции Ь(х) определяются тем, что подынтегральная функция в выражении (7) комплексна, и интегрирование производится с учетом фазы падающей волны.
1,2
1,0
0,8-
0,6
0,4-
0,2-
0,0
L(x)
Рис. 2. Зависимость действующей длины антенны от ее геометрической длины
Таким образом, геометрическая длина активной части антенны должна быть такой, чтобы ее коренной конец находился на глубине, равной полутора - двум размерам скин-слоя в воде. При выполнении этого условия можно полагать, что Ь(х) = 1. Это и учитывается при дальнейшем анализе.
В диапазоне СДВ анализ радиотехнических систем обычно выполняют на базе вертикальной компоненты электрического поля над границей раздела сред £у0, которая связана
с горизонтальной компонентой поля Ек0 через приведенный поверхностный импеданс б [4]
Е =8 Е
Для приведения всех процессов (уровня сигнала и шумов) к вертикальной компоненте поля Е^ естественным является введение в рассмотрение действующей высоты антенны ке
относительно этой компоненты поля, т. е.
к = и°
=|5| Z.HSI
5sCtg0
V2
(10)
Из выражений (5) и (10) следует формула для определения эквивалентного поля шумов выпускной кабельной антенны, приведенного к напряженности поля на поверхности
Еа1 = иа1Л2(ЬоХ&, (11)
где а - удельная проводимость воды.
При выводе формулы (11) учитывалось, что
0
2
4
6
8
x
6.=
2 |5|=^; ^=120к.
где е0 и ц0 - диэлектрическая и магнитная проницаемости свободного пространства.
Угол буксировки 0 определяется через скорость V по полуэмпирической формуле
. (I2)
Результаты расчетов зависимости е(Я) по формулам (12), (11) и (4) привоедены на рис. 3. Поле сигнала Е.0( Я) вычислялось по программам, разработанным Санкт-
Петербургским государственным университетом. Данное программное обеспечение учитывает практически все геофизические факторы, такие как неоднородность электрических свойств Земли и ионосферы вдоль трассы распространения, высотный профиль параметров ионосферы на базе современной международной модели, влияние магнитного поля Земли, солнечную активность. Статистические параметры атмосферных шумов определялись по данным МККР (теперь МСЭ) [5-7]. Расчеты выполнены для радиостанции с координатами (64 0 с.ш., 40 0 в.д.) и трассы с азимутом 270 Эта трасса направлена на центральную Атлантику, и на расстояниях Я > 2 Мм она чисто морская.
Рис. 3. Результаты расчетов зависимости Я)
Кривые 1, 3, 4 и 5 на рис. 3 получены для излученной мощности р = 500 кВт, более жирная кривая 2 - для Я2 = 1000 кВт. Сплошные кривые соответствуют дневной трассе (июнь, 18ч московского времени), пунктирная кривая 3 - ночной трассе (январь, 6 ч московского времени). Кривые 1-4 рассчитаны для режима быстрой передачи (Д/ = 100 Гц, И = 3), кривая 5 - для режима медленной передачи (А/ = 1 Гц, И = 3). Кривая 4 рассчитана для частоты/ = 30 кГц в дневных условиях, остальные зависимости - для частоты 20 кГц.
Сравнение кривых 1 и 2 показывает, что удвоение мощности передатчика несущественно увеличивает как дальность, так и предельную глубину приема. Кривая 3 осциллирует, что является следствием яркой нерегулярности зависимости Е.0(Я) на неосвещенных трассах. На частоте 30 кГц (кривая 4) дальности и глубины меньше, чем на частоте 20 кГц, что обусловлено большим затуханием волны вдоль земной поверхности и меньшим размером скин-слоя. Большие дальности и глубины достигаются при режиме медленной передачи, что вполне естественно.
Характерным является быстрое увеличение глубины приема при небольшом уменьшении дальности относительно ее предельного значения при глубине г=0. Так, уменьшение дальности на 600 км увеличивает глубину приема на частоте 20 кГц до 6-8 м в зависимости от условий и режима передачи информации. В этом смысле такие глубины можно назвать гарантированными. Следует иметь в виду, что при этом имеет место хотя и небольшое, но заметное снижение дальности от излучателя. Дальнейшее увеличение глубины возможно только при существенном уменьшении дальности.
Эти выводы относятся к кривым 1-5, которые рассчитаны для шумов приемной антенны, существенно более низких, чем внешние атмосферные шумы. Здесь поле местных
шумов (11) вычислялось, исходя из чувствительности антенного усилителя иа1=З^Л/Гц . Если значение иа1 увеличить в 10 раз, то местные шумы становятся соизмеримыми с уровнем атмосферных шумов, и вместо кривой 1 получается качественно другая кривая 6 (штрих-пунктир). Помимо уменьшения дальностей и глубин, что естественно, в этом случае увеличение глубины приводит к существенному уменьшению предельной дальности. Качественно этот эффект обсуждается в монографии [1], где делается вывод об отсутствии гарантированной глубины приема в этих условиях.
Выводы
Выполненный в работе анализ позволяет сделать некоторые выводы:
1. Предельная глубина приема в диапазоне СДВ существенно зависит от соотношения уровней внешних (атмосферных) шумов и внутренних шумов антенны.
2. При малых внутренних шумах погружение ходового конца выпускной приемной антенны на 6-8 м незначительно (до 600 км) снижает дальность передачи информации.
3. При внутренних шумах, соизмеримых по уровню с атмосферными шумами, незначительное (до 2-3 м) погружение приемной антенны сопровождается существенным уменьшением максимальной дальности.
Разработанная методика повышает точность оценки предельной гарантированных дальности и глубины приема сигналов в СДВ радиолиниях за счет учета дополнительных параметров трассы распространения сигналов, технических характеристик радиолиний, уровней атмосферных шумов, шумов приемных антенн и условий подводного приема на буксируемые антенные устройства.
Литература
1. Додонов А.В., Михеев А.Ф. Подводный радиоприем. М: Военное изд., 1996.
2. Соловьев В.И., Новик Л.И., Морозов И.Д. Связь на море. Судостроение. Л., 1978.
3. Гольдштейн Л.Д., Зернов Н.В. Электромагнитные поля и волны. М: Сов.радио, 1971.
4. Макаров Г.И., Новиков В.В., Рыбачек С.Т. Распространение электромагнитных волн над земной поверхностью. М: Наука, 1991.
5. Отчет 322 МККР. Распределение по Земному шару атмосферных помех и их характеристики. М.: Связь, 1965.
6. NTIA Report 85-173 U.S.Departament of Commerce Malcolm Baldrige Secretary Bonlder Colorado, 1985.
7. Рекомендации МСЭ-R. P.372.13 (09/2016). Радиошум.
References
1. A.V. Dodonov, A.F. Mikheev Underwater Radio. M: Military ed., 1996 (in Russian).
2. Soloviev V.I., Novik L.I., Morozov I.D. Communication at sea. Shipbuilding. L., 1978 (in Russian).
3. Goldstein LD, Zernov N.V. Electromagnetic fields and waves. M: Sov.radio, 1971 (in Russian).
4. Makarov G.I., Novikov V.V., Rybachek S.T. Propagation of electromagnetic waves over the earth's surface. M: Science, 1991 (in Russian).
5. Report 322 of the ICC. Distribution of atmospheric disturbances on the Earth and their characteristics. M.: Communication, 1965 (in Russian).
6. NTIA Report 85-173 U.S.Departament of Commerce Malcolm Baldrige Secretary Bonlder Colorado, 1985 (in Russian).
7. ITU-R recommendations. R.372.13 (09/2016). Radio noise (in Russian).
Статья поступила 15 июля 2022 г.
Информация об авторах
Акулов Валерий Семёнович - Кандидат технических наук, старший научный сотрудник. Старший научный сотрудник НИЦ ТТ ВМФ КК и СОИ и Р. Тел.: +7(812)542-90-54. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Талагаев Владимир Иванович — Кандидат технических наук, старший научный сотрудник, профессор Академии военных наук. Ведущий научный сотрудник ПАО «Интелтех».
Тел. +7(812) 448-96-50. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Угрик Лариса Николаевна - Кандидат технических наук, старший научный сотрудник. Старший научный сотрудник НИЦ ТТ ВМФ КК и СОИ и Р. Тел.: +7(812)542-90-54. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Адрес: 197342, Россия, г. Санкт-Петерб^г, ул. Кантемировская, д. 8.
Analysis of communication range and depth of signals reception on ultra-long waves
V.S. Akulov, V.I. Talagaev, L.N. Ugrik
Annotation: In world practice, ultra-long-wavelength radio links for both civilian and military purposes are widely used to communicate with marine objects located at long distances under water. The ability of ultra-long waves to propagate in a waveguide "lower boundary of ionospheres-underlying sea surface" and penetrate under water depends on many physical features of the waveguide, types of interference with the radio receiver and technical parameters of antenna and receiving devices. The existing methods of estimating the limit range and depth of underwater reception do not fully take into account a number of important parameters of the waveguide, radio links and reception conditions. In order to clarify the estimates of the range and depth of guaranteed reception of signals with the required quality, a methodology was developed and a numerical analysis of the range and depth of underwater reception was carried out for various physical parameters of the signal propagation medium, technical characteristics of radio links and application conditions. The results of the work can be used by researchers and developers of ultra-long-wavelength radio links when choosing their technical parameters, taking into account the requirements for the quality of signal transmission under conditions of interference.
Keywords: ultra-long waves, communication range, receiving depth, communication quality, receiving antennas, interference.
Information about Authors
Valery Semenovich Akulov - Candidate of Technical Sciences. Senior Researcher at the Research Center TT Navy KK and SOI and R. Tel.: +7 (812) 542-90-54. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Vladimir Ivanovich Talagaev - Candidate of Technical Sciences. Senior Researcher, professor of the Academy of Military Sciences. Leading researcher at PJSC «Inteltech». Tel. +7(812) 448-96-50. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Larisa Nikolaevna Ugrik - Candidate of Technical Sciences, senior Researcher. Senior Researcher at the Research Center TT Navy KK and SOI and R. Tel.: +7(812) 542-90-54. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Address: 197342, Russia, St. Petersburg, 8 Kantemirovskaya St.
Для цитирования: Акулов B.C., Талагаев В.И., Угрик JI.H. Анализ дальности связи и глубины приема сигналов на сверхдлинных волнах // Техника средств связи. 2022. № 3 (159). С. 9-14. DOI: 10.24412/2782-2141-2022-3-9-14.
For citation: Akulov V.S., Talagaev V.I., Ugrik L.N. Analysis of communication range and depth of signals reception on ultra-long waves. Means of Communication Equipment. 2022. No. 3 (159). Pp. 9-14. DOI: 10.24412/2782-2141-2022-3-9-14 (in Russian).
