CC BY
0СИСТЕМЫ СВЯЗИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
УДК 621.3396.946 DOI: 10.24412/2782-2141-2024-2-30-35
Глубина подводного радиоприема при неоптимальной ориентации приемной антенны
Акулов В. С., Угрик Л. Н., Петров А. Н.
Аннотация. Цель работы: показать, что на сверхдлинных волнах в непредельных условиях подводного радиоприема возможно отклонение ориентации кабельной антенны от оптимального курса её буксировки. В то же время, существующие методы оценки предельной дальности и глубины подводного приема не в полной мере учитывают ряд важных параметров волновода, радиолиний и условий приема. Новизна: делается предположение, что поля сигнала и атмосферных шумов испытывают с глубиной одинаковое экспоненциальное затухание относительно своих значений на поверхности, при этом в выражение определения предельной глубины приема вводится множитель, обобщающий выражение для предельной глубины на случай произвольной ориентации приемной антенны, поскольку наводимое в ней напряжение пропорционально проекции напряженности падающего поля на это направление. Расчетные соотношения получены в предположении, что антенна полностью находится в погруженном положении, а глубина является глубиной нахождения ее ходового конца. Представлены результаты расчетов зависимости от расстояния глубин приема и максимально возможных отклонений ориентации приемной антенны от оптимальной. Для примера рассмотрен режим медленной передачи при угле буксировки приемной антенны в 5 градусов. При этом нерегулярное поведение поля на неосвещенных трассах является характерным. Полученные результаты иллюстрируют довольно широкие возможности вариаций глубины и курса объекта для сохранения энергетического контакта. Причем, в непредельных условиях приема сигналов возможно отклонение ориентации кабельной антенны от оптимального курса буксировки. При наличии достаточного энергетического запаса такое допустимое отклонение может быть существенным, что полезно учитывать в реальных условиях. Практическая значимость: результаты работы могут быть использованы исследователями и разработчиками сверхдлинноволновых радиолиний при выборе параметров и вариантов применения подводных буксируемых антенн с учетом глубины погружения подводного объекта и курса её буксировки.
Ключевые слова: буксируемая антенна, глубина погружения, глубина приема, курс буксировки антенны, сверхдлинные волны.
При подводном радиоприеме в диапазоне сверхдлинных волн (СДВ) в качестве приемной используют выпускную кабельную антенну, обеспечивающую возможность расположения объекта на достаточной глубине [1]. Такая антенна в силу принципа своего действия обеспечивает максимальный уровень сигнала при ее ориентации в горизонтальной плоскости вдоль геодезической линии между корреспондентами. Указанную ориентацию обычно и предполагают при анализе условий передачи информации [2, 3]. Однако на практике такая ориентация не всегда реализуема. Вместе с тем, при некотором энергетическом запасе оказывается возможным осуществить коммуникацию при отклонении курса движения объекта от оптимального значения. Такая ситуация требует отдельного количественного анализа.
Возможные предельные глубины приема для оптимальной ориентации приемной антенны проанализированы в работе [3], где делается естественное предположение, что поля сигнала и атмосферных шумов испытывают с глубиной одинаковое экспоненциальное затухание относительно своих значений на поверхности и Еа^(г). В этом случае
предельная глубина приема определяется выражениями
г = (1)
^^ ; Яц-ЕЦЩ , (2)
где - размер скин-слоя в воде; к - требуемое отношение сигнал/помеха по напряжению; А/" - эффективная (шумовая) полоса частот приемного устройства; Дф - отклонение
ориентации приемной антенны от оптимального значения; Э - угол буксировки кабельной антенны относительно горизонтали.
В формулу (2) введен множитель соз(Аф), обобщающий выражение для предельной глубины на случай произвольной ориентации приемной антенны, поскольку наводимое в ней напряжение пропорционально проекции напряженности падающего поля на это направление.
Эквивалентное поле шумов кабельной антенны определяется выражением
, (3)
где иа1 - напряжение шумов антенного усилителя, отнесенное к полосе 1 Гц; СУ - удельная проводимость морской воды.
В монографии [2] показано, что шумы Еа\(иа\) в диапазоне СДВ являются
преобладающими из местных, не зависящих от глубины, шумов. Напряжение 1/а1 может быть измерено при подключении антенного усилителя к эквиваленту антенны.
Формула (3) также получена в работе [3], причем величина Еау, как и напряженности
Ех0(Я,г) и Еай0(г), приведена к вертикальной компоненте поля на поверхности. При
выводе формулы использован метод расчета действующей длины антенны, изложенный в монографии [2] и сделано предположение, что коренной конец находится на глубине
х = 8П10>(1.5-2.О)5у. (4)
ч?
В этом случае эквивалентное поле шумов (3) не зависит от геометрической длины активной части антенны 1а.
Параметр х равен превышению глубины коренного конца активной части антенны относительно глубины ее ходового конца, отнесенной к скин-слою, и условие (4) обычно
хорошо выполняется. Так, на частоте 20 кГц, при длине 1а =50 м и угле 0 = 5° х«5, а при угле 0 = 3° х«3.
Из формулы (1) следует, что энергетический контакт имеет место, если (З^ Дф, 0) > 1, а из условия Дф, 9) — 1 с использованием выражения (2) определяется максимально
возможное отклонение ¿-»кт ориентации приемной антенны от оптимального значения при расположении ходового конца антенны на поверхности (г=0), а именно
со^Лф^Л^Ц^. (5)
Ао
Формулы (1) — (3) получены в предположении, что антенна полностью находится в погруженном положении, а глубина г является глубиной нахождения ее ходового конца.
В работе [4] показано, что расположение активной части антенны целиком на поверхности не дает заметного выигрыша в отношении сигнал/шум, поэтому рассмотрение такой ситуации представляется достаточным.
На рис. 1 приведены результаты расчетов зависимости от расстояния Я глубин приема и максимально возможных отклонений ориентации приемной антенны от оптимальной. Для примера рассмотрен режим медленной передачи (А/ = 1 Гц, И = 3) на
частоте 20 кГц, угол буксировки приемной антенны 0 = 5°. Задавалась характерная для
таких устройств чувствительность антенного усилителя Поле сигнала
вычислялось по программам, разработанным Санкт-Петербургским государственным
университетом. Статистические параметры атмосферных шумов определялись по данным МСЭ [5]. Выбрана трасса азимутом 270° от источника с координатами (64° с. ш., 40° в. д.) и с излученной мощностью Рг = 500 кВт. Эта трасса направлена на центральную Атлантику, и на расстояниях Я > 2 Мм она чисто морская. Сплошными кривыми показаны зависимости предельной глубины г(К), рассчитанные по формулам (1) - (3) для оптимальной ориентации
антенны
(Дф = 0, левая ось У). Пунктир относится к значениям возможных отклонений ориентации антенны Аф^(/?) (правая ось У), полученным по формуле (5) при г=0. Монотонные кривые соответствуют дневной трассе (июнь, 18 ч Московского времени), осциллирующие кривые рассчитаны для ночной трассы (январь, 6 ч Московского времени). Нерегулярное поведение поля на неосвещенных трассах является характерным.
Дфт, град
12 10 8 6 4 2 0
23456789
Я, Мм
Рис. 1. Зависимость качества связи от расстояния Л глубин приема г и максимально возможных отклонений ориентации приемной антенны от оптимального направления
г, м
14 г ^
Например, на расстоянии Мм предельная глубина приема в ночных условиях составляет примерно 10 м. Если же ходовой конец приемной антенны в этих условиях поднять на поверхность (г — 0), то при сохранении приема возможно отклонение ориентации антенны от оптимальной примерно до 80°. Это иллюстрирует довольно широкие возможности вариаций глубины и курса объекта для сохранения энергетического контакта.
Более детально проиллюстрировать указанные вариации можно, если рассчитать зависимости ^(Аф) в заданной точке. Результаты таких расчетов приведены на рис. 2. Рассмотрена та же трасса и те же режимы передачи. Показанные на рисунке расстояния соответствуют конкретной географической точке на данной трассе. По формуле (5) рассчитывалось максимально возможное отклонение курса от оптимального Лфт при z = 0.
Затем по формулам (1) - (3) табулировалась зависимость ^(Дф) на промежутке [О^Дф^]. Возможные для сохранения энергетического контакта значения (^Дф) находятся под соответствующими кривыми.
Сплошные кривые построены для тех же условий, что данные, показанные на рис. 1
при угле буксировки 0 = 5°. Пунктиром показаны результаты расчетов для угла буксировки
0 = 3°. Меньший угол буксировки обеспечивает большие глубины приема. Это естественно, поскольку при этом увеличивается действующая длина антенны и, в соответствии с формулой (3), уменьшается эквивалентное поле шумов антенны. Надо при этом не забывать, что речь идет о глубине ходового конца антенны. Коренной же ее конец при меньшем угле Э будет располагаться на меньшей глубине, что не всегда желательно. Предельные глубины, меньшие 6 м, на рис. 2 не показаны, поскольку они становятся равными нулю при дальнейшем увеличении отклонения Лф всего на 1 - 1,5 градуса.
15
Z„ M
14
13
11
Ю-
9=5°
--- е=з°_
4 \ 4 \
R=3 MM
7 Мм- 5 Мм \ \ \ \ \ \
i i
9 M M
...... \
10 20 30 40 50 60 70 80 90
дф,град
Рис. 2. Качество связи при отклонении ориентации приемной антенны от оптимального направления
на различных дальностях и глубинах ее буксировки
Для количественной оценки изменения возможной глубины приема г от угла буксировки 0 достаточно с помощью формул (1) - (3) составить разность
д^=<е2)-2(е1)=551п(в1/е2), (6)
где принято во внимание приближение 1§(0)«0, поскольку реальные углы буксировки антенны не превышают 7-8 градусов.
Естественно, что расчеты по формуле (6) соответствуют данным, представленным на рис. 2. Когда 01 <02, разность Az<0, поскольку при большем значении угла 9, как уже указывалось, ожидаемая глубина приема уменьшается. Если при этом | Az |> z(Q), то энергетический контакт уже теряется.
Таким образом, в непредельных условиях приема сигналов возможно отклонение ориентации кабельной антенны от оптимального курса буксировки. При наличии достаточного энергетического запаса такое допустимое отклонение может быть существенным, что полезно учитывать в реальных условиях.
Литература
1. Соловьев В. И., Новик Л. И., Морозов И. Д. Связь на море. Л.: Судостроение, 1978. 320 с.
2. Додонов А. В., Михеев А. Ф. Подводный радиоприем. М.: Военное издательство, 1996. 190 с.
3. Акулов В. С., Талагаев В. И., Угрик Л. Н. Анализ дальности связи и глубины приема сигналов на сверхдлинных волнах // Техника средств связи. 2022. №3 (159). С. 9-14. DOI: 10.24412/2782-2141-2023-3-9-14.
4. Акулов В. С., Угрик Л. Н., Жебрун А. М. Влияния глубины буксировки выпускной приемной антенны на качество приема // Техника средств связи. 2024. №1 (165). С. 9-14. DOI: 10.24412/2782-2141 -2024-1 -22-25.
5. Рекомендации МСЭ-R. Р.372.13 (09/2016). Радиошум.
References
1. Solovyov V. I., Novik L. I., Morozov I. D. Svyaz" na more [Communication at sea]. Leningrad. Shipbuilding Publ., 1978. 320 p. (in Russian).
2. Dodonov A. V., Mikheev A. F. Podvodny"j radiopriem [Underwater radio receiver]. Moscow. Military Publishing House, 1996. 190 p. (in Russian).
3. 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 (in Russian). DOI: 10.24412/2782-2141-2022-3-9-14.
4. Akulov V. S., Ugrik L. N., Zhebrun A. M. The influence of the towing depth of the exhaust receiving antenna on the reception quality. Means of communication equipment. 2024. No. 1 (165). Pp. 9-14 (in Russian). DOI: 10.24412/2782-2141-2024-1-9-14.
5. ITU Recommendations-R. R.372.13 (09/2016). Radio noise (in Russian).
Статья поступила 14 мая 2024 г.
Информация об авторах
Акулов Валерий Семёнович — Кандидат технических наук. Старший научный сотрудник. Старший научный сотрудник научно-исследовательского центра телекоммуникационных технологий ВМФ, корабельных комплексов и средств обмена информацией и разведки (НИЦ ТТ ВМФ КК СОИ Р) НИИ ОСИС ВМФ ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия». Область научных интересов: повышение эффективности обеспечения радиосвязи с морскими объектами. Тел.: +7(812)542-90-54.
Угрик Лариса Николаевна — Кандидат технических наук. Старший научный сотрудник. Старший научный сотрудник НИЦ ТТ ВМФ КК СОИ Р НИИ ОСИС ВМФ ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия». Область научных интересов: повышение эффективности обеспечения радиосвязи с морскими объектами. Тел.: +7(812)542-90-54.
Петров Андрей Николаевич - Начальник научно-исследоватежского отделения. Публичное акционерное общество «Информационные телекоммуникационные технологии» (ПАО «Интелтех»). Область научных интересов: разработка систем телекоммуникаций специального назначения. Тел.: +7(812)448-96-58. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Адрес: 197342, Россия, г. Санкт-Петерб^г, ул. Кантемировская, д. 8.
The depth of the underwater radio reception with a non-optimal orientation
of the receiving antenna
V. S. Akulov, L. N. Ugrik, A. N. Petrov
Annotation. The purpose of the work is to show that at ultra-long waves in unsaturated conditions of underwater radio reception, it is possible to deviate the orientation of the cable antenna from the optimal course of its towing. At the same time, existing methods for estimating the maximum range and depth of underwater reception do not fully take into account a number of important parameters of the waveguide, radio lines and reception conditions. Novelty: it is assumed that the signal and atmospheric noise fields experience the same exponential attenuation with depth relative to their values on the surface, while a multiplier is introduced into the expression for determining the maximum depth of reception, generalizing the expression for the maximum depth in the case of an arbitrary orientation of the receiving antenna, since the voltage induced in it is proportional to the projection of the incident field strength in this direction. The calculated ratios are obtained under the assumption that the antenna is completely submerged, and the depth is the depth of its running end. The results of calculations of the dependence on the distance of the receiving depths and the maximum possible deviations of the orientation of the receiving antenna from the optimal one are presented. For example, the slow transmission mode is considered with a 5-degree towing angle of the receiving antenna. At the same time, the irregular behavior of the field on unlit tracks is characteristic. The results obtained illustrate the rather wide possibilities of variations in the depth and course of the object to maintain energy contact. Moreover, in unsaturated signal reception conditions, the orientation of the cable antenna may deviate from the optimal towing course. If there is a sufficient energy reserve, such an acceptable deviation can be significant, which is useful to take into account in real conditions. Practical significance: the results of the work can be used by researchers and developers of ultra-long wavelength radio lines when choosing parameters and application options for underwater towed antennas, taking into account the depth of immersion ofan underwater object and the course of its towing.
Keywords: towed antenna, diving depth, receiving depth, antenna towing course, ultra-long
waves.
Information about authors
Valery Semenovich Akulov — Candidate of Technical Sciences. Senior Researcher at the Research. The Scientific Research Center for Telecommunications Technologies of the Navy, Ship Complexes and means of information Exchange and Intelligence of the Scientific Research Institute of the OSIS of the Navy VUNTS of the Navy "Naval Academy" Tel.: +7 (812)542-90-54.
Larisa Nikolaevna Ugrik — Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher at the Research. The Scientific Research Center for Telecommunications Technologies of the Navy, Ship Complexes and means of information Exchange and Intelligence of the Scientific Research Institute of the OSIS of the Navy VUNTS of the Navy "Naval Academy" Tel.: +7(812)542-90-54.
Andrey Nikolaevich Petrov — is the Head of the research department. Public Joint Stock Company "Information Telecommunication Technologies" (PJSC "Inteltech"). Research interests: development of special purpose telecommunications systems. Tel.: +7(812)448-96-58. E-mail: intelteh@inteltech.ru. Address: 197342, Russia, St. Petersburg, Kantemirovskaya str., 8.
Библиографическая ссылка на статью:
Акулов В. С., Угрик Л. Н., Петров А. Н. Глубина подводного радиоприема при неоптимальной ориентации приемной антенны // Техника средств связи. 2024. № 2 (166). С. 30-35. DOI: 10.24412/2782-2141-2024-1-30-35.
Reference for citation:
Akulov V. S., Ugrik L. N., Petrov F. N. The depth of the underwater radio reception with a non-optimal orientation of the receiving antenna. Means of Communication Equipment. 2024. No. 2 (166). Pp. 30-35 (in Russian). DOI: 10.24412/2782-2141-2024-2-30-35.
