CC BY
12ЭЛЕКТРОННЫЕ И РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
УДК 621.396
Оценка зон обслуживания систем радиосвязи с земной волной в Арктических районах
Аннотация: С учетом повышенного интереса к развитию Арктики и необходимости создания арктических телекоммуникаций гражданского и военного назначения в научной литературе уделяется большое внимание анализу работы систем радиосвязи в арктических районах, и в частности, систем с использованием земной волны. Причинами повышенного внимания к созданию радиотехнических систем такого рода являются известные закономерности, связанные с аномально низким затуханием земной волны над морскими трассами с ледовым покрытием. Эта аномалия имеет место при определенных параметрах трасс распространения сигналов над арктическими ледовыми полями. Вместе с тем, подобный анализ проводится, как правило, на уровне количественного изучения функции ослабления поля поверхностной волны в зависимости от свойств ледовых трасс. Для практики, однако, более существенным является количественная оценка возможных предельных дальностей передачи сигналов, определяющих размер зоны покрытия систем связи. Целью данной работы является количественный анализ дальностей радиоприема сигналов в системах связи с поверхностной волной на базе современных физико-математических методов.
Ключевые слова: арктическая радиосвязь, поверхностная волна, приведенный поверхностный импеданс, напряженность поля, спектральная плотность шума, параметры подстилающей поверхности, предельный прием сигналов, дальность связи, зоны обслуживания системы.
В интересах создания систем радиосвязи в Арктике с применением земной волны в работе [1] выполнен детальный количественный анализ функции ослабления для ледовых трасс с различными электрическими параметрами. Результаты этого анализа представляют интерес как при разработке телекоммуникационного оборудования, так и при их практическом использовании. Изучение проведено на основе теоретических методов исследования распространения радиоволн над плоской и сферической ледовыми подстилающими поверхностями. Теоретической базой этих исследований послужил цикл фундаментальных трудов в области распространения радиоволн, среди которых можно упомянуть, например, работы [2, 3] и другие источники, цитируемые в статье [1]. Практически важным продолжением указанных исследований служит количественная оценка размера зон покрытия радиосвязью систем с земной волной. С этой целью в данной статье предлагается метод сравнительного количественного анализа предельных дальностей радиоприема в таких системах и произведены расчеты возможного размера зон покрытия.
Метод оценки предельной дальности
Для любой системы радиосвязи на границе зоны покрытия должно выполняться соотношение, называемое часто уравнением предельного приема
где: Е(Я,р) - напряженность поля сигнала на расстоянии Я от источника поля (передатчика);
Акулов В.С., Талагаев В.И., Угрик Л.Н.
Введение
\E(R, pei)|2 = И2 Af\Ej2,
(1)
ре1 - совокупность электрических параметров подстилающем поверхности;
к - требуемое отношение сигнал/шум в точке приема по напряжению; ^ - полоса приема;
|Еп11 - спектральная плотность шума в точке приема.
Поле в точке приема обычно определяют через функцию ослабления Ж
300М Е( К, ра) =-Ж (К, ра),
К
где: р - излученная мощность передающей антенны.
С учетом формулы (2) уравнение предельного приема (1) принимает вид
300^,
(2)
К
-\Ж(К,ре,)| = к^\Ел\ •
(3)
Излученная мощность р связана с КПД передающей антенны и обычно зависит от
рабочей частоты. Напряженность поля шумов ЕпХ зависит от геофизических условий,
частоты передачи и способов обработки сигналов в приемном устройстве. Если эти зависимости известны, то уравнение (3) позволяет определить предельную дальность передачи сигналов Кт с требуемым качеством.
Уравнение (3) позволяет, однако, при рассмотрении частных случаев сделать некоторые общие, интересные для практики, выводы. При количественном анализе будем рассматривать среды, параметры которых показаны в табл. 1 (8у - относительная диэлектрическая проницаемость, о - удельная проводимость). В разных комбинациях эти параметры определяют совокупность, обозначенную ранее через р^.
Таблица 1 - Параметры сред, используемые при количественном анализе
№ Тип среды 8 г О, См/м
1 Лед 5 10"4
2 Сухая почва 10 10"3
3 Полувлажная почва 15 3,010-3
4 Влажная почва 20 10"2
5 Морская вода 80 3,0
Влияние ледового покрова на дальность радиосвязи
Рассмотрим ледовый покров (тип среды 1 толщиной ) на морской трассе (тип 5). Вдоль трассы подстилающая поверхность предполагается однородной. Из совокупности параметров ре1 выделим лишь толщину льда йх, считая остальные параметры в данном анализе неизменными. Тогда уравнение (3) примет вид
300д/р
К
-\Ж(К,й)| = к№\Еп1\.
(4)
Предположим теперь, что при толщине и неизменности остальных параметров задачи предельная дальность составляет К0 , т. е. выполняется равенство
300у[р
К
(К, йю)! = к^\Еп1\,
с учетом которого уравнение предельного приема (4) примет вид
R0 \W(R,dx)\ = R\W(R0,di0)\. (5)
Для однородной вдоль трассы сферической Земли функция ослабления выражается рядом нормальных волн
W = W(x,q) = 4^Х У QMiX\) , (6)
s=i ts - q
где: x = (k0a/2)1/3R/a - безразмерное приведенное расстояние (k0 - волновое число в
воздухе, a - радиус Земли); q = i(k0a/2)1 /35; ts - нули уравнения w'(t)-qw(t) = 0; w(t) -функция Эйри.
Комплексный параметр q, определяемый через приведенный поверхностный импеданс 5, учитывает все параметры подстилающей поверхности, включая толщину льда d1 .Численное решение уравнения (5) с использованием формулы (6) позволяет получить зависимость R (d ) при заданных опорных значениях d и R , на основе которого будут
проводиться дальнейшие расчеты.
Результаты расчетов динамики предельной дальности связи представлены на рис. 1. При расчетах полагалось d10 = 0, т. е. показана динамика предельной дальности Rm относительно чистого моря. Задавались значения R, равные 200 км и 300 км, характерные
для стандартной полосы телефонного радиоканала на море. Этот канал принят в расчетах для примера.
Рис. 1. Динамика предельной дальности связи относительно чистого моря
Наличие ледового покрова на трассе распространения может существенно увеличить размер зоны покрытия, что объясняется существованием в этих условиях поверхностной волны. Наибольший эффект достигается в средневолновом диапазоне. Здесь максимальная дальность может достигать двукратного и более увеличения по сравнению с чисто морской трассой. Однако частота, обеспечивающая заметное увеличение максимальной дальности, существенно зависит от толщины льда на трассе, что затрудняет надежное прогнозирование оптимальных условий передачи сигналов. В реальных условиях толщина льда может изменяться по трассе, что еще более усложняет указанное прогнозирование.
Зависимость дальности связи от полосы частот
Если предположить, что при полосе частот используемых сигналов А/0 предельная
дальность составляет й0, из уравнения (3) последует равенство
ЗООд/р ,
-\Ж (Ло, р, )| = к4АГо\ Ещ\
с учетом которого, уравнение (3) принимает вид
А/ = А0
Л2 к 2(Л, ре)
Л2 К 2(Л), ре)
(7)
Уравнение (7) определяет зависимость ^ (А/) при заданных значениях А/0, Л0 и свойствах трассы ре{. Результаты расчетов этой зависимости представлены на рис. 2.
Значения Л0 также задавались равными 200 км и 300 км, а в качестве опорной полосы принималась полоса стандартного телефонного канала А/0 = 3000 Гц. Данные опорные точки показаны на рис. 2 символом *. Расчеты выполнены для чистого моря (в табл. 1 тип среды 5).
Рис. 2. Динамика предельной дальности относительно стандартного телефонного канала
В каждой тройке кривых верхние линии соответствуют несущей частоте 300 кГц, средние - частоте 500 кГц, нижние - частоте 800 кГц. Отметим, что зависимость дальности связи от несущей частоты сравнительно невелика.
Необходимая ширина полосы пропускания канала может быть уменьшена с использованием вокодеров. При этом увеличивается пропускная способность телефонной линии, а коэффициент разборчивости речи уменьшается незначительно (83 % - 85 % с использованием вокодера против 90 % - 91 % в стандартном телефонном канале).
По данным 2007 г. (https://ruwiki.pres/es/Vokoder) за рубежом существует стандарт на вокодеры ЬРС со скоростью 800 бит/с. Вокодеры МЕЬР на скорость 600 бит/с находятся в
стадии стандартизации, а на вокодеры со скоростью 300 бит/с объявлен международный конкурс. Однако, такие стандарты в силу специфики применения являются закрытыми.
Эффективное сокращение ширины полосы пропускания достигается при использовании следующих алгоритмов вокодеров:
ЫЕЬР - линейное предсказание со смешанным возбуждением;
8РЯ - синусоидально-импульсное представление;
ТШЕЬР - трехволновое линейное предсказание с возбуждением;
ЫКУ- устойчивый к шумам вокодер.
Значения ожидаемых параметров вокодеров, использующих такие алгоритмы, приведены в табл. 2.
Таблица 2 - Ожидаемые параметры вокодеров.
Ширина полосы пропускания, Гц Скорость, бит/с Алгориты вокодеров
3000 1200 MELP
2000 800 NRV
1500 600 MELP, SPR,TWELP
750 300 NRV
Сужение полосы сигнала до 750 Гц увеличивает предельную дальность не менее чем на 100 км по сравнению с использованием стандартного телефонного канала. Телеграфный способ передачи при полосе сигнала 100-200 Гц увеличивает линейный размер зоны покрытия в 2-2,5 раза.
Кусочно-однородная трасса
При радиосвязи на морских трассах один из корреспондентов часто находится на определенном расстоянии от береговой черты, причем электрические параметры суши и моря обычно сильно различаются. Поэтому представляет практический интерес проанализировать размер зоны покрытия с учетом горизонтальной неоднородности трассы.
В настоящее время наиболее строго распространение радиоволн на таких трассах описывается обобщенным интегральным уравнением Фейнберга [4]. Известны программные реализации данного метода, которые позволяют выполнять количественный анализ упомянутой выше ситуации для переменной толщины льда на трассе, например, [5]. В данной задаче достаточно рассмотреть двухкусочную трассу типа «суша-море», схема которой приведена на рис. 3.
суша
R2 ' X2 ' q2
море
Рис. 3. Схема двухкусочной трассы
Для такой трассы функция ослабления выражается в конечном виде [4]
Ж2(х1,х2; дид2) = ^¡ф^+х^) -д2) £^х2; ^д2) ,
где
S2( X1 'X2 ' qi, q2 ) = У
exp[/x,tk(q, ) + ix2li(цг )]
k,i=i [tk(qi)-q, ][tiq)-q^][tk(qi)-tiq)]
(8) (9)
Эти формулы, как и формула (6), относятся к сферической Земле и учитывают дифракцию. Плоская схема на рис. 3 применена лишь в интересах простоты иллюстрации. Уравнение для предельной дальности (3) в этом случае имеет вид
I W2(Rx, R2, pem)\ = h4kf\Enl\, (10)
R1 + R2
где pei12 - совокупность электрических параметров обеих участков трассы.
Здесь в качестве опорной примем ситуацию, когда передатчик находится на береговой черте (R = 0), а максимальная дальность составляет r . В этом случае уравнение (10)
преобразуется в равенство
300VP.
Rn
|W,( Ro, P ei 2 ) = hjAf\E„l\,
(11)
где Щ — функция ослабления для однородной по горизонтали трассы (6) с параметрами ра2
участка трассы 2.
С учетом равенства (11) уравнение (10) принимает вид
Я2,ред2)\_ И(Лр,ре12)\ + Л2 Л0
Данное уравнение определяет зависимость Л (Л ) , описывающую динамику размера зоны покрытия морского участка трассы, в зависимости от удаления передатчика от береговой черты.
Результаты численного решения уравнения (12) представлены на рис. 4. Для большей наглядности здесь показана разность Л0 — Л2 (Л ) . Расчеты выполнены для различных типов трасс, параметры которых приведены в табл. 1.
Рис. 4. Размера зоны покрытия морского участка трассы, в зависимости от удаления передатчика от береговой черты
Из рис. 4, в частности, следует, что при удалении передатчика от береговой черты на 20 км при влажной суше (кривые 4-5) размер морского участка трассы уменьшается на 3040 км. При более сухой береговой среде такое уменьшение более существенно. Качественно этот результат является естественным, но представляют интерес количественные оценки, которые необходимо учитывать при проектировании системы связи, а именно при выборе географического местонахождения антенных и передающих радиосредств такого рода систем радиосвязи в Арктике.
Выводы
При наличии на море ледового покрова, в условиях существования поверхностной волны, линейный размер зоны покрытия может достигать двукратного и более увеличения по сравнению с чисто морской трассой. Наибольший эффект достигается в средневолновом диапазоне. Однако оптимальная частота при этом, существенно зависит от толщины льда на трассе, что затрудняет надежное прогнозирование условий передачи сигналов.
Применение современных вокодеров, сокращающих полосу телефонного сигнала до 750 Гц при незначительной потере разборчивости, позволяет увеличить предельную дальность передачи телефонного сигнала не менее, чем на 100 км.
При удалении передатчика от береговой черты размер обслуживаемого морского участка трассы естественно уменьшается. Наиболее сильно это проявляется при плохо проводящей суше. При сравнительно небольшом удалении передатчика от берега с сухой почвой (до 20 км) предельное уменьшение размера морского участка трассы может достигать 1,5-2 раз.
Литература
1. Акулов В.С., Талагаев В.И, Структура земной волны над ледовыми трассами в Арктических районах // Техника средств связи. № 4 (156). 2021. С. 34-43.
2. Макаров Г.И., Новиков В.В., Рыбачек С.Т. Распространение электромагнитных волн над земной поверхностью. М.: Наука, 1991. 198 с.
3. Башкуев Ю.Б., Хаптанов В.Б., Дембелов М.Г., Буянова Д.Г., Нагуслаева И.Б., Аюров Д.Б. Поверхностные электромагнитные волны на трассах северного морского пути // Техника радиосвязи (Распространение радиоволн). 2019. Вып. 1(40). С. 7-18.
4. Фейнберг Е.Л. Распространение радиоволн вдоль земной поверхности. М.: Физматлит, 1999. 496 с.
5. Дембелов М.Г., Башкуев Ю.Б., Мельчинов В.П. Поле земной волны над протяженными неоднородными трассами // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2019. № 11. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/nov19/11/text.pdf. DOI 1030898/1684-1719.2019.11.11.
References
1. Akulov V.S., Talagaev V.I. Earth wave structure over ice tracks in Arctic regions. Means of communication equipment. 2021. No 4 (156). Pp. 34-43 (in Russian).
2. Makarov G.I., Novikov V.V., Rybachek S.T. Propagation of electromagnetic waves over the earth's surface. Moscow. Science, 1991. 198 s. (in Russian).
3. Bashkuev Yu.B., Khaptanov V.B., Dembelov MG, Buyanova D.G., Naguslaeva I.B., Ayurov D.B. Surface electromagnetic waves on the routes of the northern sea route. Radio communication technology (Radio wave propagation), Issue 1 (40), 2019, pp. 7-18 (in Russian).
4. Feinberg E.L. Propagation of radio waves along the Earth's surface. 2nd ed. M.: Fizmatlit, 1999. 496 p. (in Russian).
5. Dembelov MG, Bashkuev Y.B., Melchinov V.P. The field of the earth wave over extended heterogeneous routes. Radio electronics journal [electronic journal]. 2019. No 11. Access mode: http://jre.cplire.ru/jre/nov19/11/text.pdf. DOI 1030898/1684-1719.2019.11.11 (in Russian).
Статья поступила 21 февраля 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-Петербург, ул. Кантемировская, д. 8. Тел. +7(812) 448-96-50. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Assessment of the service areas of radio communication systems with the earth wave
in the Arctic regions
V.S. Akulov, V.I. Talagaev, L.N. Ugrik
Annotation: Due to the increasing interest in the development of the Arctic and the need to create Arctic civil and military telecommunications, the scientific literature pays great attention to the analysis of the work of radio communication systems in the Arctic regions, and in particular, systems using the Earth wave. The reasons for the increased attention to the creation of radio engineering systems of this kind are known patterns associated with abnormally low attenuation of the earth's wave over ice-covered sea routes. This anomaly occurs at certain parameters of signal propagation routes over Arctic ice fields. However, such an analysis is usually carried out at the level of quantitative study of the function of attenuation of the surface wave field depending on the properties of ice tracks. For practice, however, quantitative estimates of possible limit signal transmission ranges determining the size of the coverage area of communication systems are more significant. The purpose of this work is to develop a method for quantitative analysis of signal transmission ranges with the required quality and service areas of surface wave communication systems based on modern physical and mathematical methods.
Keywords: Arctic radio communication, surface wave, given surface impedance, field strength, noise spectral density, parameters of underlying surface, limit reception of signals, communication range, system maintenance areas.
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 «melted». 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 В.С., Талагаев В.И., Угрик Л.Н. Оценка зон обслуживания систем радиосвязи с земной волной в Арктических районах // Техника средств связи. 2022. № 1 (157). С.53-60.
For citation: Akulov V.S., Talagaev V.I., Ugrik L.N. Assessment of the service areas of radio communication systems with the earth wave in the Arctic regions. Means of Communication Equipment. 2022. No. 1 (157). Pp. 53-60 (in Russian).
