Оптимизация местоположения радиотелевизионных передающих станций Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.39

Оптимизация местоположения радиотелевизионных передающих станций

В.Н. Бактеев, Л.А. Штанюк, В.И. Носов

При частотно-территориальном планировании сетей телевизионного и звукового наземного вещания, при строительстве новых или реконструкции действующих передающих станций возникает задача определения их оптимальных местоположений и технических характеристик. Для определения оптимального местоположения станций необходимо производить расчёт напряжённостей полей сигналов и помех с учётом профилей интервалов, построенных в направлении от местоположения станции до границы зоны вещания. В данной статье рассматривается решение задачи оптимизации местоположения РТПС посредством расчёта зон обслуживания и зон теней вещательных передатчиков с использованием автоматизированной системы расчётов и географической информационной системы.

Ключевые слова: радиотелевизионная передающая станция; зона обслуживания; зона тени; профиль интервала; географическая информационная система; частотнотерриториальное планирование; сеть наземного телерадиовещания; автоматизированная система.

1. Введение

Основной проблемой при проектировании сети наземного телевизионного (ТВ) и звукового (ЗВ) вещания является определение действительной зоны обслуживания РТПС [1, 2, 3,

4, 5]. Только определив зоны обслуживания и зоны тени, можно оптимально разместить передающие станции, что сократит расходы не только на строительство новых станций, но и на их обслуживание.

Для вычисления зоны обслуживания и зоны тени необходимы следующие данные:

- высота подвеса передающей антенны над уровнем земли Ку,

- мощность передатчика Рпд;

- усиление передающей антенны С^;

- КПД фидера передающего устройства г]г',

- несущая частота передатчика Д;

- минимальная напряжённость поля принимаемого сигнала Емик;

- кривые МСЭ-Р для определения напряжённости поля;

- географические координаты места установки антенной опоры;

- географическая информационная система (ГИС) региона.

Все расчёты производятся по профилям интервалов. Профиль интервала отображает вертикальный разрез местности между передающей и приёмной антеннами по какому-либо направлению. При построении профиля интервала приёмная антенна высотой к2= 10 м [5] располагается на расстоянии прямой видимости от передающей антенны РТПС. Количество направлений (через равное количество градусов) определяет точность определения параметров РТПС.

2. Общие соотношения

Для решения поставленной задачи - оптимизации местоположения РТПС - необходимо определить радиусы зоны вещания РТПС в каждом из направлений.

Для определения радиуса зоны вещания с учётом приведённых во введении данных, необходимо рассчитать напряжённость поля сигнала, для которого на границе зоны вещания должно выполняться условие

Ес = (1)

где Емин - минимальная напряжённость поля сигнала в точке расположения антенны приёмника, при которой обеспечивается удовлетворительное качество изображения, при отсутствии помех от других станций, дБмкВ/м;

Ес - напряжённости поля сигнала в рассматриваемой точке, дБмкВ/м.

Напряжённость поля сигнала ЕС(Я, /11,/) в точке на расстоянии Я от передатчика определяется выражением

ЕС{Я,К,П — £'(50,50, Я, /^эф,/) +

/изл, (2)

где £'(50,50, /?, Л1,/) - медианное значение напряжённости поля, определяемой по кривым, полученным экспериментальным путём и рекомендованным МСЭ-Р для: излучаемой мощности Ризл = 1кВт относительно полуволнового вибратора; высоты приёмной антенны к2= 10 м; определённой эффективной высоте передающей антенны /г^ф; заданной частоты

/ (рис. 1) [3];

Т - процент времени наблюдений, равный 50 % для поля полезного передатчика;

Ь - процент мест приёма, равный 50 % для поля полезного передатчика;

Руал = /пд + ^пд + ^пд - излучаемая мощность передающей станции, дБкВт;

Рпд - мощность передатчика, дБкВт;

^пд - коэффициент усиления передающей антенны, дБд;

77пД - потери в фидере, дБ;

Л-1эф - эффективная высота подвеса передающей антенны.

-80 --------------- 1111 ------------ — 11111--------------- —111111

1 10 100 ! ООО

Рис. 1. Зависимость медианного значения напряжённости поля от расстояния.

Суша, равнинно-холмистая местность (100 МГц, 50% мест, 50% времени, Д, = 1 кВт)

Эффективная высота подвеса передающей антенны /г1эф определяется из выражения

^1эф + (^еО ^еср), (3)

где Л.еср - среднее значение высотных отметок местности на профиле интервала на расстоянии от 3 до 15 км от передающей антенны в сторону точки приёма; ке0 - высотная отметка местности в точке расположения передающей антенны.

Среднее значение высотных отметок местности гср определяется из выражения

I, _ ^е1

бСР ¿макс - (¿мин-1)'

Известно [1], что радиоволны I ^ V диапазонов (диапазон частот от 47 до 960 МГц) распространяются в зоне прямой видимости Дпр. Поэтому считается, что радиус зоны вещания ограничивается приблизительно предельным расстоянием прямой видимости. Это объясняется тем, что за радиогоризонтом довольно резко понижается качество приёма вследствие заметного замирания сигнала, связанного с наличием отражённых сигналов от тропосферы.

Поэтому радиус зоны вещания Я3 передающей вещательной станции примем равным расстоянию прямой видимости й3 = йпр. Расстояние прямой видимости с учётом рефракции радиоволн рассчитывается по формуле

Дпр«4.12 -(7^ + ^), км, (5)

где Ку и к2 - подставляются в метрах.

Передающая станция должна иметь такую необходимую излучаемую мощность РИЗЛНеобх, которая обеспечивает минимальную напряжённость поля на расстоянии прямой видимости при Я3 = йпр

ЕсОь Я3, /) = Ямин = ^(50,50, ку, Д3, /) + Ризл необх- (6)

Из (6) можно определить необходимую излучаемую мощность передающей станции, при которой обеспечивается минимальная напряжённость поля на границе зоны вещания

^ИЗЛ необх _ ^МИН _ ЕС(50,50,Н1,К3,/'). (7)

В табл. 1 приведены рассчитанные по формулам (1) ^ (7) радиусы зоны вещания Р3 и необходимые излучаемые мощности передатчика Ризл необх цифрового ТВ вещания.

Таблица 1. Радиус зоны и необходимая излучаемая мощность передатчика

Частота, МГц £мин, дБмкВ/м ^ИЗЛ необх, дБкВт к, м Д3 = Дпр, км

26 75 48.7

770 57 28 150 63.5

31 300 84.4

Если внутри зоны вещания выполняются следующие условия

Г Я <й3

ЯС(50,Д)>£МИН' (8)

то такие области относятся к зоне обслуживания.

Если же внутри зоны вещания выполняются следующие условия

к(50,й)<Ямин' (9)

то такие области относятся к зонам тени.

Поскольку кривые МСЭ-Р получены на основе усреднения результатов многочисленных измерений, то ими нельзя пользоваться для определения зон обслуживания и тени. Из проведённых рассуждений следует, что для определения зоны обслуживания и тени необходимо использовать профили интервалов, построенных в разных направлениях от места расположения РТПС. При этом расчёт напряжённости поля производится путём расчёта множителя

ослабления поля свободного пространства по методике, принятой в радиорелейных линиях связи [6, 7].

3. Расчёт множителя ослабления с использованием профилей интервалов

Медианный множитель ослабления поля свободного пространства 1^(50) показывает, насколько уменьшается напряжённость поля сигнала для 50 % времени с учётом реальных условий распространения радиоволн Яс(50) по сравнению с их распространением в свободном пространстве Е0

В соответствии с (10) напряжённость поля сигнала в месте приёма £^(50,7?) определяется из выражения

Напряжённость поля сигнала в свободном пространстве Е0(Я^ в (11) рассчитывается по формуле

Таким образом, для определения медианной напряжённости поля сигнала в соответствии с формулой (11) необходимо определить медианное значение множителя ослабления 50, Д) с использованием профилей интервалов.

На рис. 2 приведён профиль интервала для одного из направлений от РТПС.

(10)

ЕС(50,Ю = Е0(Ю + 50, Д), дБмкВ/м.

(11)

(12)

А

к

<

я

>

я

>

Рис. 2. Профиль интервала

Расстояние от точки отражения до линии, соединяющей передающую и приёмную антенны, называется просветом Н. Для классификации интервалов вводится минимальная величина просвета Н0, при котором множитель ослабления V = 1

1Т RAk(l-k)

но = J, м (13)

где R - протяжённость интервала, м; Я - длина волны, м; к = Ry/R - относительная координата точки отражения.

В зависимости от соотношения величин просветов Н и Н0 интервалы подразделяются на: открытые Н > Н0; полуоткрытые 0 < Н < Н0; и закрытые Н <0.

Открытые интервалы. На открытых интервалах (рис. 2) имеется прямая видимость между антеннами, и в точку приёма приходят прямой АВ и отражённый АСВ лучи. В приёмной антенне происходит интерференция этих волн, и множитель ослабления рассчитывается по формуле [2, 6, 7]

7(50, Я) = Wig [l + |Ф|2 - 2|Ф|со5 (“)], (14)

где: |Ф| - модуль коэффициента отражения волны от земной поверхности; Дг = готр — гпр

- разность хода отражённой и прямой волн (на рисунке 2 Дг = ACB-AB).

При распространении радиоволн над ровной земной поверхностью

д 2h-iho /-| г\

Дг = -р. (15)

Поскольку интерференционная формула (12) применима при Дг > Я/6, то интерференционная картина поля (наличие интерференционных минимумов и максимумов) будет наблюдаться до расстояния Яинт между антеннами

г> _ I2h1h2 11

^инт = —1— ■ (16)

Так, например, при hy = 200 м, h2 = 10 м, Я = 1 м, Яинт = 24 км.

В соответствии с (12) и (13) при Дг = Я/2, ЗЯ/2,5Я/2, ••• множитель ослабления равен максимальному значению

П50,й)макс = 1 + |Ф|. (17)

При Дг = Я, 2Я, ЗЯ, ••• множитель ослабления равен минимальному значению

П50,г)мин = 1-|Ф|. (18)

При расстояниях между антеннами R > Яинт интерференционная картина поля будет отсутствовать, и напряжённость поля будет монотонно уменьшаться с расстоянием.

Полузакрытые и закрытые интервалы. Такие два вида интервалов рассматриваются вместе, так как для них справедлива одинаковая зависимость множителя ослабления от величины просвета. На таких интервалах (рис. 3) отсутствует прямая видимость между антеннами, и прямой луч экранируется препятствием. Для упрощения расчёта множителя ослабления экранирующее препятствие на интервале представляют в виде сферы или клина.

И

Рис. 3. Закрытый интервал

Препятствия в виде сферы или клина характеризуются высотой Н и шириной (рис. 3), по которым рассчитывается параметр д

¡1 = 2

з \к2(1-к)2

&У

(19)

Величина множителя ослабления на рассматриваемых интервалах при Н = 0 , когда линия, соединяющая антенны, касается экранирующего препятствия, равна [2]

Ко = 6 [1 + (^)\, при ^ > 0,5,

(У0 = 100 • ц — 78, при ¡л < 0,5,

дБ.

(20)

По найденным значениям У0, дБ из формулы (20), Н0, м, из формулы (14) и определённой из рис. 3 величине просвета Н , м, на интервале, можно определить медианное значение множителя ослабления П50)

П50,Я) = [1-(£)], дБ.

(21)

Оптимизация местоположения РТПС

Поученные в разделе 2 соотношения позволяют определить на каждом из интервалов (лучей) элементарные участки протяжённостью ДДЭ, которые относятся либо к зоне обслуживания Дйз

обсл при выполнении условия (8), либо к зоне тени ДДЭ тени при выполнении условия (9) (рис. 4).

$ ПоД| робная информация □В®

Рис. 4. Определение зон обслуживания и тени на профиле интервала

Протяжённость элементарного участка ДЯЭ определяет точность, с которой осуществляется расчёт зон обслуживания и тени.

В соответствии с формулами второго раздела условия, при которых элементарный участок на профиле ¿-го интервала (луча) можно отнести к зоне обслуживания, определяются функцией

ДДэобслг = <р№ < Ъ; ЕС(50,Ю = Е0аю > Ямин; 7(50,Я) = 1;Н> Н0]. (22)

В соответствии с теми же формулами второго раздела условия, при которых элементарный участок на профиле ¿-го интервала (луча) можно отнести к зоне тени, определяются функцией

АЯЭ тени I

Я < Я£; ЯС(50,Я) = Я0(Я) + 7(50,Я) < ЯМИН;Я < Н0; 7(50,Я) = 70 + (1 + Я/Я0)

(23)

Обозначим расстояние между соседними лучами через ДЯМЛ. Необходимо учесть, что это расстояние увеличивается по мере увеличения расстояния от передающей станции. Тогда, с учётом формул (22) и (23), можно определить площадь зон обслуживания и тени по каждому из ¿ лучей

$обсл £ = 2^=1 ДЯЭ обсл } • ДЯил, (24)

■^тени I Хк=1 ^Яэ тени ^ • ДЯМЛ, (25)

где М - количество элементарных обслуживаемых участков; К - количество элементарных необслуживаемых (теневых) участков.

Общую зону обслуживания и тени РТПС можно найти путём суммирования зон обслуживания и тени по всем ¿ лучам

$л»ртпс = ЯиЕ" • ДКмл)(. (26)

^тениРТПС = 2^1 Ек=1(Д^этеник ' ^мл)(■ (27)

На основе формул (22) ^ (27) разработана автоматизированная система определения зон обслуживания и тени РТПС с использованием ГИС.

На рис. 5 приведён пример расчёта зоны обслуживания и зоны тени РТПС автоматизированной системой.

Рис. 5. Пример зоны обслуживания и зон тени РТПС

С использованием разработанной автоматизированной системы можно произвести оптимизацию местоположения РТПС. Суть такой оптимизации заключается в том, что в окрестности предполагаемого или существующего местоположения РТПС выбирается несколько наиболее высоких точек рельефа местности. При заданной высоте подвеса передающей станции ку для каждой из этих точек по формулам (26) и (27) определяются зоны обслуживания 51 „бед ртпе и зоны тени 51 тени ртпе.

За основу при проведении оптимизации местоположения РТПС целесообразно выбрать её зону вещания, которая определяется для гладкой сферической земли, т.е. без учёта рельефа местности

•^вещ РТПС ' ^3 ' ^пр •

(28)

Зона вещания РТПС одинакова для всех рассматриваемых точек расположения. Поэтому оптимальной точкой местоположения РТПС будет та /-тая точка, в которой выполняется условие

' N М N К ‘

мин. (29)

£=1 /=1 і=1 к=1

/ 14 Ш Л

Д5г = лЯ*р - I ^ ^(ДЯэобсл; • ДДмл)£ - ^^(ДДэтени* * ^мл)і

4. Заключение

Разработана методика определения оптимального местоположения радиотелевизионной передающей станции, позволяющая рассчитывать напряжённость поля сигнала по профилям

лучей, исходящих от станции, построенных с использованием географической информационной системы. Напряжённость поля сигнала рассчитывается через напряжённость поля свободного пространства и множитель ослабления. Определение множителя ослабления производится для открытых и закрытых интервалов. Определена на профиле величина просвета, при котором поле сигнала в точке приёма меньше его минимального значения. Такие точки приёма относятся к зонам тени, остальные точки соответствуют зоне обслуживания.

Затем рассчитываются зоны обслуживания и зоны тени по каждому лучу, с учётом расстояния между ними, и для всей станции. Эта процедура повторяется для всех предполагаемых точек размещения передающей станции. Оптимальной точкой размещения станции будет та точка, в которой будет больше разность площадей зон обслуживания и зон теней.

По предложенной методике с использованием географической информационной системы разработана автоматизированная система, позволяющая определять оптимальное местоположение радиотелевизионной передающей станции.

Литература

1. Носов В.И., Штанюк Л.А. Автоматизированная система расчёта зон обслуживания вещательных передатчиков с использованием географической информационной систе-мы//Инфосфера, №34, 2007. с. 42 - 43.

2. Сети телевизионного и звукового ОВЧ ЧМ вещания: Справочник/М.Г. Локшин, А.А. Шур, А.В. Кокорев, Р.А. Краснощёков. - М.: Радио и связь, 1988. - 144 с.

3. В.И. Носов. Оптимизация параметров сетей телевизионного и звукового вещания: Моно-графия/СибГУТИ. - Новосибирск, 2005 г. - 257 с.

4. М.Г. Локшин Основы планирования наземных сетей телевизионного и ОВЧ ЧМ вещания. Зоны обслуживания радиостанций//Broadcasting. Телевидение и радиовещание, № 3, 2006. с. 34 - 39.

5. Recommendation ITU-R P. 1546-1 (Method for point-to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30 MHz to 3000 MHz), - Женева, 2003г. - 53 с.

6. Справочник по радиорелейной связи. / Под ред. С.В. Бородича. - М.: Радио и связь, 1981.

- 416 с.

7. В.И. Носов. Радиорелейные системы передачи: Учебное пособие. Фонд приоритетного национального проекта «Образование» / - Томск: Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2008. - 287 с.

8. Носов В.И. Аппаратура радиорелейных линий синхронной цифровой иерархии. Часть 1 -Многоуровневые кодеры, модемы и эквалайзеры. Учебное пособие. УМО по специальности связь. - / Новосибирск.: СибГУТИ, 2003. - 156 с.

Статья поступила в редакцию 17.11.2009

Бактеев Владимир Николаевич

аспирант СибГУТИ, тел. 913-893-19-39, E-mail: Wowan0 05@yandex.ru Штанюк Лев Анатольевич

магистрант СибГУТИ, тел. 923-247-19-64, E-mail: flameon@front.ru Носов Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой систем радиосвязи СибГУТИ, тел. (383) 269-82-54, E-mail: nvi@sibsutis .ru

Site optimization of radio-television transmitting stations Bakteev V.N., Shtanyuk L.A., Nosov V.I.

When frequency territorial planning of land tele-radio broadcasting networks, building new operating transmitting stations or while reconstructing them, there is a problem of their site optimization and technical characteristics definition. When defining station site optimization, it is necessary to make a calculation of signals fields’ strength and interference taking into account the intervals profiles constructed in the direction from the station site to the broadcasting border area. In the article, the decision of optimization problem of RTTS site by means of calculation of service areas and zones of shades of broadcasting transmitters with the use of the automated system of calculations and geographical information system is made.

Keywords: radio-television transmitting station; service area; shade zone; interval profile; geographical information system; frequency-territorial planning; network of land tele-radio broadcasting; automated system.