ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ НА СЕВЕРЕ РОССИИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

DOI 10.25987^Ти.2020.16.3.006 УДК 62.396

ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ НА СЕВЕРЕ РОССИИ Д.Ю. Муромцев1, А.Н. Сысоев2, В.М. Жуков1

Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Россия 2Акционерное общество «Тамбовский завод «Октябрь», г. Тамбов, Россия

Аннотация: проанализированы проблемы обеспечения надежной радиосвязи на Крайнем Севере России. Показано, что при отсутствии в настоящее время какого-либо одного вида радиосвязи, который бы удовлетворял северных абонентов в любое время и любую погоду, необходим комплексный подход к организации связи на севере за счет использования средних, коротких, ультракоротких волн и спутниковой связи. Достаточно подробно проанализированы особенности распространения метровых и двухметровых УКВ волн в тропосферных слоях на высоте 0,8 - 1,5 километра. Предлагается помощь в решении проблемы обеспечения связи на севере России в виде разработки подвижной КВ-УКВ радиостанции диапазона 18 - 150 МГц с фазированной антенной решеткой. Диапазон этот имеет ряд преимуществ перед другими: самую низкую стоимость километра связи, большую дальность прямой (без ретрансляций) связи и простоту ее организации, высокую мобильность подвижных радиостанций. Частоты диапазона обеспечивают прямые дальние односкачковые (до 2000 км) и двух-трехскачковые (4000 - 6000 км) ионосферные связи (18 - 24 МГц), метеорные линии связи (40 - 60 МГц), КВ-УКВ связь в пределах прямой радиовидимости, а также прямую связь до 250 - 400 км через слои тропосферы на высотах 0,8 - 1,5 км, мало зависящие от ионосферных возмущений. Приведены теоретические решения и экспериментальные результаты по характеристикам фазированной антенной решетки данного диапазона. Для расширения возможностей радиостанции рекомендуется добавить в ее состав маломощную станцию СВ-диапазона с антенной, длиной менее четверти длины волны, и спутниковую станцию

Ключевые слова: диаграмма направленности, модель, подвижная радиостанция, радиосвязь, рефракция, тропосфера, фазированная антенная решетка

Введение

Освоение севера России - насущная задача развития российской экономики.

Необходимость развития северных территорий России очевидна, так как севернее шестидесятой параллели располагается почти половина территории Российской Федерации, и там находятся огромные запасы стратегических ресурсов - воды, нефти, газа, золота, алмазов, платины, никеля, титана и пр. Кроме того, по оценкам специалистов ведущих государств в Северном ледовитом океане сосредоточена треть мировых запасов нефти и газа. Северным морским путем (СМП), как кратчайшей транспортной артерией между Западом и Востоком, интересуются все большее количество стран, грузопоток по нему ежегодно увеличивается.

Однако по-прежнему СМП, несмотря на весь грандиозный потенциал, все еще остается малоэффективной и невостребованной транспортной артерией.

Сейчас Россия прилагает усилия, чтобы повысить грузооборот Северного морского пути, в соответствии с указом президента, до 80 млн. тонн в 2024 году. На это в ближайшие годы государству придется затратить около триллиона рублей, и немалая часть его должна бу-

© Муромцев Д.Ю., Сысоев А.Н., Жуков В.М., 2020

дет затрачена на организацию связи, как стационарной ее части, так и подвижной. В статье обосновывается комплексное применение различных видов связи для подвижных объектов.

Обоснование проблемы и постановка задачи исследования

В настоящее время инфраструктура связи, необходимая для успешного освоения севера, практически отсутствует и представлена небольшими фрагментами разрозненных линий связи. Системного подхода к построению взаимоувязанной устойчивой информационно-телекоммуникационной инфраструктуры на севере России на сегодня нет. Различные виды связи более или менее предпочтительны с точки использования их на российских северных территориях.

До 90-х годов прошлого века исправно служил нуждам северных территорий России комплекс из сорока шести тропосферных радиорелейных станций «Север», соединенных линиями с общей протяженностью более 13000 километров. Количество каналов достигало 84 на наиболее нагруженных направлениях. Коэффициент исправного действия достигал 99,99%. В настоящее время комплекс находится в разрушенном состоянии.

Одна спутниковая связь, даже в виде разворачиваемой в настоящее время российской низкоорбитальной меридианной системы «Сфера» со спутниками «Гонец», не может обеспечить всепогодную надежную связь в северных районах. Иногда сильные возмущения ионосферы, словно зонтиком, закрывают северные территории и блокируют спутниковую связь. Это тот случай, когда следует пользоваться радиоволнами, распространяющимися поверхностной (земной) волной. Для передачи речевых сигналов в условиях ионосферных возмущений хорошо зарекомендовал себя диапазон верхней части средних и нижней части (до 4 МГц) коротких радиоволн. Частоты этого диапазона хорошо распространяются земной волной, дифрагируя на препятствиях. На уровнях мощности в 10 Вт можно получить дальности связи до 50 - 100 км, а на мощности 100 Вт - до 200 - 300 км. Однако видеосигналы на этих частотах не передаются.

Построение оптической линии связи на севере России является насущной задачей, как для освоения российского севера, так и для построения «цифровой экономики» России в целом. Страны Запада опережают Россию в деле строительства оптических линий через Ледовитый океан (проект Arctic Fibre), хотя сотрудничество с Россией (проект ROTACS) в этом деле им, несомненно, выгодно. Это наносит России как экономический ущерб, так и является угрозой её национальной безопасности. Существует насущная необходимость в строительстве оптической линии связи вдоль приполярных районов России. Это необходимо:

- для построения «цифровой экономики» России;

- защитного резервирования магистральной (опорной) взаимоувязанной телекоммуникационной сети Российской Федерации, обеспечивающего национальную безопасность России;

- снижения зависимости экономики России от природных ресурсов, роста инновационных технологий, превращения России в Интер-нет-хаб мирового уровня;

- создания новых возможностей для международного бизнеса в области высоких технологий, а не полезных ископаемых.

Организация всех видов связи на севере затруднительна из-за суровых климатических условий. Высокоскоростные волоконно-оптические линии связи требуют больших материальных затрат на огромных северных территориях, но тем не менее, Россия приступила

к созданию системы обмена цифровой информацией - мультисервисной транспортной сети связи (МТСС) на волоконно-оптических линиях от Североморска до Дальнего Востока, поделенных на зональные магистральные каналы. Первый этап работ проведен в 2019 году, а в 2021 система должна быть сдана в эксплуатацию. Планируется, что данный проект позволит передавать практически любой объем информации по всей стране при использовании технологии Big Data с высокой скоростью. Для оперативной и быстрой передачи данных будет создана единая система управления.

Данная система является стационарной сетью связи, а для связи с подвижными объектами (кораблями и сухопутными подвижными пунктами управления) все равно потребуется среднескоростная цифровая радиосвязь. Полярные сияния, магнитные и ионосферные бури, зависящие от солнечной активности, значительно затрудняют радиосвязь, в том числе и спутниковую, и иногда прерывают ее на длительное время. В ионосфере возникают «плаз-моиды» - ионизированные образования с высокоэнергетическим состоянием атомов. Это явление получило название «не прохождение радиоволн». Восстановить радиосвязь в таких случаях помогает организация обходных трасс - направлений с хорошим прохождением радиоволн.

Предлагаемое решение

Решить проблему подвижной надежной радиосвязи в данном случае поможет разработка подвижной цифровой радиостанции КВ -УКВ диапазона 18 - 150 МГц. Этот диапазон имеет ряд преимуществ перед другими: самую низкую стоимость километра связи, большую дальность прямой (без ретрансляций) связи и простоту ее организации, высокую мобильность подвижных радиостанций. Из всех видов связи на огромных пространствах Арктики и Антарктики этот диапазон радиосвязи наиболее применим. Дело в том, что он включает в себя частоты для дальних односкачковой (до 2000 км) и двух-, трехскачковой (4000 - 6000 км) ионосферных связей (18 - 24 МГц), частоты для метеорной связи (40 - 60 МГц), УКВ частоты для связи в пределах прямой радиовидимости, а также обеспечивает прямую без радиотрансляции связь до 250 - 400 км через слои тропосферы на высотах 0,8 - 1,5 км. Связь на каналах тропосферной связи, использующих эти высоты для рассеивания и рефракции сиг-

налов, менее критична к возмущениям ионосферы.

Прием радиочастот УКВ диапазона за горизонтом возможен вследствие положительной рефракции (искривления радиолуча в сторону Земли). Но для этого значения эффективно излучаемой мощности (ERP) каналов тропосферной связи, обеспечивающих достоверную передачу информации на 300 - 400 км, обычно должны находиться в пределах 30 - 60 дБ, причем погодные условия значительно влияют на затухание радиоволн. В ночное время затухание уменьшается. Изменения поляризации волны незначительны.

При значительных величинах коэффициента рефракции наблюдается многократное отражение радиоволны от Земли и от тропосферных слоев (тропосферный волновод). Тогда для радиостанций с ERP = 10 возможна связь на расстояния до 400 км.

Существующие КВ-УКВ радиостанции при организации обходных трасс требуют механического перемещения громоздких антенных систем для изменения их диаграммы направленности, что неприемлемо в полярных условиях.

Выход из данной ситуации заключается в разработке КВ - УКВ радиостанции с электронным управлением диаграммой направленности антенн на основе фазированных антенных решеток [1]. АО Тамбовский завод «Октябрь» и Тамбовский государственный технический университет провели совместные научно-исследовательские работы «Разработка методов построения подвижных КВ-УКВ радиостанций с электронным управлением диаграммой направленности антенн» (шифр «Ромб»), «Проведение исследований по повышению помехозащищенности радиостанции Р-166 с использованием фазированных антенных решеток» (шифр «Эф-фект-166»), по результатам работ опубликовано более 30-ти печатных работ в журналах с индексами Scopus, РИНЦ, ВАК, запатентованы способ и устройство, увеличивающие коэффициент усиления фазированной антенной решетки в нижней части КВ диапазона.

Кольцевые фазированные антенные решетки (КФАР) более компактны, просты в построении и управлении. Составляющие КФАР излучающие элементы должны иметь круговую диаграмму направленности в азимутальной плоскости.

Математическая модель КФАР описывается двумя уравнениями.

Уравнение диаграммы направленности [2]:

Р (Л Ф) = ХЛпх ехР у 2к X 008 Л С08(ф — ф» )}■■ (1)

Выражение для определения коэффициента направленного действия - D0 в заданном направлении [3]:

^ = 4%\р (л0, Фо )|2 . (2)

0 г! р2 (л, Ф)С08(Л)^Л^Ф

Принятые обозначения:

Л, ф — угол места и угол азимута, отсчитываемые от осей X и Y соответственно;

Лп — комплексное значение амплитуды входного тока п — го элемента;

X — длина радиоволны;

2п(п ~11 _ азимутальный угол местона-

N

хождения п—го излучателя.

Дополним математическую модель КФАР графическим изображением коэффициента направленного действия при различных значениях количества излучателей N, выразив радиус кольца Я относительным числом:

а = Я. (3)

X

Результаты моделирования представлены на рис. 1.

Рис. 1. Графическая часть математической модели КФАР

Из рис. 1 видно, что диапазон рабочих частот решетки следует выбирать таким, чтобы значение числа а желательно находилось в пределах 0,9 - 2,1.

Для проверки соответствия результатов проведенных теоретических исследований экспериментальным данным был изготовлен излучатель ФАР.

Исследования проводились в диапазоне 18150 МГц с использованием модели излучателя и рекомендаций программы MMANA [4].

По 2 точкам

Резонанс I Печать I полоса [132000 ^ кГц

2. |КСВ | Усилонио/РВ | Устамооки | ДН | 1000 0

500 0

0 0

18 0

51.0

84 О

117.0

1о: 122.389МКг

Р< 0.0

150 0

-500 0

Рис. 2. Расчетные значения комплексных сопротивлений излучателя

Исследовались модель излучателя и макет девятиэлементной КФАР с радиусом 2600 мм.

Расчетные значения комплексных сопротивлений излучателя приведены на рис. 2.

Характеристики макета КФАР и ее модели сравнивались по форме ДН в азимутальной плоскости, уровню боковых лепестков, коэффициенту усиления, входным комплексным сопротивлениям.

Внешний вид излучателя и экспериментальные значения его комплексных сопротивлений показаны на рис. 3 и 4.

Рис. 3. Внешний вид излучателя КФАР диапазона 18 - 150 МГц

ГОО.С 1

[м.

г

•20.С

гоо.с

\ Смльтр

»40.С - -

5,0—

«оо.с

готов о

оо.с 20 : 50 О*

обзор: 5.11С

2*0. >- ШГШН

400.

П Оюю 4 Частот« (МГаО А: 511 [&) J часть (Ои) к*£оС в: 521 пот. (дБ) клбр< г

_1 >**1 макс. гот ¿МГц) трасса мм. макс, авто ГТТ~; Д'мМЮЬЫ | с«е«д (Ои) трасса маке. тто о««* (жБ' 1 ни 'иг, 1 вавк

ТОЮ ЙСП Р Ксгя. : Э

Рис. 4. Экспериментальные значения комплексных сопротивлений излучателя

На рис. 5 приведена модель девятиэле-ментной КФАР.

Рис. 5. Модель девятиэлементной КФАР

Значения входных сопротивлений элементов решетки, рассчитанные в программе MMANA на частоте 100 МГц, приведены в табл. 1. В табл. 1 также приведены длины фазовращателей.

Расчетное значение комплексного сопротивления на входе фидерного тракта для частоты 100 МГц равно 43.54+i6.81 Ом.

Внешний вид девятиэлементной КФАР показан на рис. 6.

Таблица 1

№ п\п 2а, Ом LФВ, м

1 229.24+i312.5 1.607

2 391.57+ i9.44 1.36

3 410.19+ i31.96 0.371

4 364.68+ i250.91 1.113

5 467.7+ i281.74 0.371

6 467.66+ i281.62 0.371

7 364.61+ i250.95 1.113

8 410.28+ i31.97 0.371

9 391.45+ i9.39 1.36

Рис. 6. Внешний вид девятиэлементной КФАР КФАР диапазона 18 - 150 МГц

Экспериментальные значения входных сопротивлений и КСВ питающего фидера КФАР приведены на рис. 7 и 8.

Экспериментальное значение комплексного сопротивления на входе фидерного тракта для частоты 100 МГц равно 44.45 - i24.59 Ом, что очень близко к его расчетному значению.

Рис. 7. Экспериментальные значения входных сопротивлений питающего фидера КФ

Рис. 8. Экспериментальные значения КСВ на входе питающего кабеля КФАР

Анализ табличных данных показывает разницу в уровнях лепестков в пользу макета.

Заключение

1. Сравнение экспериментальных и расчетных данных подтверждает корректность проведенных исследований, основанных на применении программы MMANA.

2. Важным результатом испытаний макета антенной решетки является то, что при постоянном направлении связи в полосе до 8 МГц значение КСВ на входе питающего кабеля КФАР остается практически неизменным, что позволяет передавать широкополосные сигналы, в том числе и видеосигналы.

3. Решить проблему организации надежной радиосвязи в северных районах России поможет подвижная радиостанция мощностью один киловатт в диапазоне 18 - 150 МГц с фазированной антенной решеткой.

4. С целью расширения возможностей данной радиостанции в её состав необходимо включить средневолновую радиостанцию малой мощности и станцию спутниковой связи.

Литература

1. Жуков В.М., Муромцев Д.Ю. Подвижная станция КВ-УКВ радиосвязи с пространственным разделением каналов // Современное состояние и перспективы развития систем связи и радиотехнического обеспечения в управлении авиацией: науч.-техн. конф. Воронеж: ВУНЦ ВВС "ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина", 2014. С. 101 - 103

2. Коротковолновые антенны/ Г.З. Айзенберг, С.П. Белоусов и др. М.: «Радио и связь», 1985. 535 с.

3. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток / под ред. Д.И. Воскресенского. М.: Радиотехника, 2003. 632 с.

4. Гончаренко И.В. Антенны УКВ. Компьютерное моделирование. MMANA// Радио. 2004. 128с.

Поступила 24.04.2020; принята к публикации 15.06.2020

Информация об авторах

Муромцев Дмитрий Юрьевич - д-р техн. наук, проректор по научно-инновационной деятельности, Тамбовский государственный технический университет (392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106), e-mail: mdjur@mail.ru, тел. 89108555704, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3462-7050

Сысоев Александр Николаевич - канд. техн. наук, главный конструктор, Акционерное общество «Тамбовский завод «Октябрь» (392029, г. Тамбов, ул. Бастионная, д.1), e-mail: Sanya_bogoslovka@mail.ru, тел. 89202397143

Жуков Валентин Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем», Тамбовский государственный технический университет (392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106), e-mail: crems@crems.jesby.tstu.ru, тел. 89158696152

На рис. 9 приведены расчетная и экспериментальная диаграммы направленности КФАР.

Рис. 9. Расчетная и экспериментальная диаграммы направленности КФАР

Из анализа рис. 9 видно, что ДН макета и ДН модели совпадают по направлениям излучений. Расчетные и измеренные значения максимальных уровней излучения по основному и боковым лепесткам приведены в табл. 2.

Таблица 2

Направление Уровни ле- Уровни ле-

(град.) пестков моде- пестков ма-

ли (дБ) кета (дБ)

0 10.5 10.92

40 2.4 0.42

80 0.5 -0.082

140 6.1 -0.082

180 8.5 4.918

PROBLEMS OF PROVIDING RELIABLE RADIO COMMUNICATIONS IN THE NORTH

OF RUSSIA

D.Yu. Muromtsev1, A.N. Sysoev2, V.M. Zhukov1

Tambov State Technical University, Tambov, Russia Joint-Stock Company «Tambov plant» Oktyabr'», Tambov, Russia

Abstract: the paper discusses the problems of ensuring reliable radio communications in the Far North of Russia. In the absence of a single type of radio communication that would satisfy northern subscribers at any time and any weather, an integrated approach to organizing communications in the North through the use of medium, short, ultra-short waves and satellite communications is required. We analyzed in sufficient detail the features of the propagation of meter and two-meter VHF waves in the tropospheric layers at an altitude of 0.8-1.5 kilometers. We proposed to solve the problem of communication in the North of Russia in the form of developing a mobile SW-VHFW radio station in the range of 18-150 MHz with a phased array antenna. This range has a number of advantages over others, such as the lowest cost of one kilometer of communication lines, the long range of direct (without relaying) communication and the simplicity of its organization, the high mobility of the radio stations. The frequencies of the range provide direct long-distance single-hop (up to 2000 km) and two-three hop (40006000 km) ionospheric communications (18-24 MHz), meteor communication lines (40-60 MHz), SW-VHFW communication within direct radio visibility, as well as direct communication up to 250-400 km through the troposphere at altitudes of 0.8-1.5 km, little dependent on ionospheric disturbances. We present theoretical solutions and experimental results on the characteristics of a phased array antenna of this range. To expand the capabilities of the radio station, we recommend to add to its composition a low-power midrange station with an antenna of the wavelength less than a quarter, and a satellite station

Key words: directional diagram, model, mobile radio station, radio communication, refraction, troposphere, phased array antenna

References

1. Zhukov V.M. "Mobile station of SW - VHFW radio communications with spatial separation of channels", Scientific-Technical. Conf.: Current Status and Prospects for the Development of Communication Systems and Radio-Technical Support in Aviation Control (Nauchno-tekhnicheskaya konferentsiya «Sovremennoe sostoyanie i perspektivy razvitiya sistem svyazi i radio-tekhnicheskogo obespecheniya v upravlenii aviatsiey»), Voronezh, 2014, pp. 101-103

2. Ayzenberg G.Z., Belousov S.P. et al. "Short-wave antennas" ("Korotkovolnovye antenny"), Moscow, Radio i svyaz', 1985, 535 p.

3. Ed. Voskresenskiy D.I. "Microwave devices and antennas. Design of phased antenna arrays" ("Ustroystva SVCH i antenny. Proektirovaniye fazirovannykh antennykh reshetok"), Moscow, Radiotekhnika, 2003, 632 p.

4. Goncharenko I.V. "VHF antennas. Computer modelling. MMANA" ("Antenny UKV. Komp'yuternoe modelirovanie. MMANA"), Moscow, Radio, 2004, 128 p.

Submitted 24.04.2020; revised 15.06.2020 Information about the authors

Dmitriy Yu. Muromtsev, Dr. Sc. (Technical), Vice-Rector for Scientific and Innovative Activities, Tambov State Technical University (106 Sovetskaya str., Tambov 392000, Russia), e-mail: mdjur@mail.ru, tel. +79108555704, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3462-7050

Aleksandr N. Sysoev, Cand. Sc. (Technical), Chief designer, JSC "Tambov plant" Oktyabr'", (1 Bastionnaya str., Tambov 392029, Russia), e-mail: Sanya_bogoslovka@mail.ru, tel. +79202397143

Valentin M. Zhukov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Tambov State Technical University (106 Sovetskaya str., Tambov 392000, Russia), e-mail: crems@crems.jesby.tstu.ru, tel. +79158696152