CC BY
8УДК 621.396.946 DOI: 10.24412/2782-2141-2023-1-13-18
Прогнозирование излученной мощности для обеспечения связи на сверхдлинных волнах
Акулов В. С., Мирошников В. И., Талагаев В. И., Угрик Л. Н.
Аннотация. Для обеспечения глобальной связи с пространственно рассредоточенными морскими погруженными объектами гражданского и военного назначения используются системы радиосвязи на сверхдлинных волнах. Для проектировщиков и разработчиков таких систем важным фактором является выбор необходимой излученной мощности передающих устройств для заданных зон обслуживания и условий приема. Существующие методы и электродинамические модели расчета дальности и глубины связи носят оценочный характер параметров и рабочих характеристик сверхдлинноволновых радиолиний. Для практического использования проектировщикам систем и, в частности, разработчикам передающего оборудования радиолиний необходим прикладной аппарат расчета требуемой излученной мощности в зависимости от заданных геофизических параметров трасс радиосвязи, требуемого качества приема сигналов, уровня естественных помех в точке приема, полосы и рабочих частот. В статье представлена инженерная методика определения и выбора необходимой излученной мощности передатчиков для конкретных, географически заданных радиотрасс. Методика может быть полезна разработчикам систем и приемопередающего оборудования радиолиний, а также должностным лицам органов оперативного управления сверхдлинноволновой связью.
Ключевые слова: сверхдлинные волны, дальность связи, излученная мощность, напряженность поля сигнала, полоса приема, уровень помех, отношение сигнал/помеха.
Введение
При решении практических задач проектирования систем связи сверхдлинноволнового (СДВ) диапазона и, в частности, при разработке радиопередающих средств, требуется определение их мощности, минимально необходимой для обеспечения требуемых дальности связи, зон покрытия и глубины приема информации с заданным качеством. Системы СДВ радиосвязи относятся к энергоемким системам, в которых излученная мощность передатчиков является ценным ресурсом, требующим минимизации её затрат на передачу единицы информации.
К настоящему времени разработаны методики прогнозирования зависимости отношения сигнал/шум от времени, расстояния и глубины приема для СДВ радиолиний. Решение обратной задачи - определения необходимой мощности радиопередающих средств для надежного приема сигналов на географически заданных трассах требует отдельного рассмотрения и разработки соответствующей методики.
При расчете поля сигнала в диапазоне СДВ используется известная полуэмпирическая формула Остина, хотя при этом и делается оговорка, что получаемые таким образом результаты надо признавать оценочными [1-3], т. е. нижней границей, показанной на рис. 1 пунктирной кривой. Не обсуждается, однако, точность таких оценок. Излишне категорично утверждается также о стабильности СДВ радиоканала и о возможности выполнять анализ без привязки к конкретной радиотрассе. В связи с этим представляется целесообразным рассмотреть возможность прогнозирования требуемой мощности излучения на базе современных методов, учитывающих максимальное возможное число геофизических параметров.
Постановка задачи
В предельных по дальности условиях связи должно обеспечиваться отношение сигнал/помеха h, необходимое для приема сигнала с заданным качеством (например с заданной вероятностью приема сигнала), а именно
120
Е, мкВ/м
100 -
80 --
60 -
40 -
20 -
./=20 кГц /' =1 кВт
\ ф=300° 22/06 >/2018
\ 18 ч\
Т =0 ч мск
120
Е, мкВ/м
100
80-
60
40
20-
Д./=2 0 кГц р = Е 1 кВт
ф=300° 22/12 /2018
\\
\Т =0 ч \ 1 МСК ,6 ч
12 ч ч
7 Л. Мм 8
7 Л, Мм 8
Рис. 1. Зависимость поля от расстояния для различных условий
к 2 = ) _ Р Е2л(у1)
(1)
Л/£„>г) Л/Е>(^) где Еж - напряженность электрического поля сигнала;
(г = 1,2,..., п) - совокупность технических и геофизических параметров, определяющих поле сигнала;
Л / - эффективная (шумовая) полоса приема;
E'2l(wj) - спектральная плотность мощности шумов;
wj (г = 1,2,..., т) - совокупность параметров, определяющих поле шумов; РЕ - излученная мощность источника (передатчика);
ЕбЛ - напряженность электрического поля сигнала при единичной излученной мощности.
Если ввести в рассмотрение отношение сигнал/помеха в заданной точке к для единичной излученной мощности, т. е
^, ^ ) = Л Е^) ) , (2)
то из представления (1) следует формула для вычисления мощности, требуемой для передачи сигнала в заданную точку
к2
Р-= -Ц-;-Т . (3)
к (Уг, ^ )
Выражения (2) и (3) решают поставленную задачу, если известны напряженности полей сигнала Е^ и шума Еп1 и задано отношение к, обеспечивающее требуемое качество
связи. Параметры Es1 и En1, являются случайными, поэтому требуется учет их
статистических характеристик. Для более корректного анализа качества канала необходимо использовать значения уровня сигнала, которое превышается с заданной вероятностью p, и уровень шума, который с этой вероятностью не превышается. Неопределенность (точность прогнозирования) указанных величин определяется их стандартным отклонением [2].
Прогнозирование уровней шумов и сигнала
В диапазоне СДВ помехи радиоприему в основном определяются внешними атмосферными шумами [4], для определения которых обычно используется модель, изложенная в [5]. Данная модель была построена на базе измерений естественного фона и позволяет прогнозировать не только медианное значение уровня шума, но и его суточные, сезонные и годовые вариации, позволяющие определить полное стандартное отклонение. К указанным выше параметрам Wj в этой модели относятся географические координаты точки
наблюдения (приема), местное время и сезон. Анализ показал, что стандартное отклонение уровня естественных шумов оп может составлять от 4 дБ до 8 дБ. Такая неопределенность
связана с естественными вариациями параметров ионосферы и активности приэкваториальных грозовых очагов, определяющих, в основном, уровень естественного фона.
При расчете поля сигнала в рассматриваемом диапазоне на протяженных трассах обычно используется метод нормальных волн, в котором поле представляется в виде разложения по собственным функциям радиального оператора задачи. На практике здесь достаточно учитывать несколько членов бесконечного ряда (мод) [6]. К настоящему времени разработано эвристическое обобщение данного метода на случай кусочно-однородных трасс, позволяющее учитывать неоднородность ионосферы и земной поверхности вдоль трассы распространения волны. Учитываются также геомагнитное поле и более тонкие эффекты, обусловленные трансформацией мод на границах участков с разными электрическими свойствами. Программно данный метод реализован Санкт-Петербургским государственным университетом, он имеет убедительное экспериментальное подтверждение и используется здесь для дальнейшего анализа. Результаты расчетов с использованием данного метода будем интерпретировать как медианные значения. К геофизическим параметрам Vj относятся координаты точек передачи и приема сигналов, дата и Мировое время.
Точность прогнозирования поля сигнала, по мнению разработчиков программного продукта, характеризуется стандартным отклонением а от 3 - 4 дБ днем до 6 - 8 дБ в
s
ночных условиях [2]. Считается, что указанная точность является физическим пределом и повышена быть не может, поскольку временные вариации поля связаны также с естественными вариациями параметров ионосферы.
Результаты расчетов
В качестве примера по разработанной методике приведем результаты расчетов зависимости напряженности поля от расстояния R (в мегаметрах - Мм) для СДВ радиостанции, расположенной в районе г. Краснодар (представлены на рис. 1 сплошными линиями). Азимут трассы ф=300° соответствует направлению на Центральную Атлантику. Остальные параметры и условия приведены на графиках. Пунктиром приведены результаты расчетов по формуле Остина, которые существенно отличаются от современных представлений.
Результаты расчетов суточного хода требуемой излученной мощности, выполненные по формулам (1), (2) и (3), приведены на рис. 2. Здесь иллюстрируется необходимость учета неопределенностей уровней сигнала и шума. Правый график относится к расчетам медианных значений ( p = 0,5), левый вычислен при условии превышения требуемого отношения сигнал/шум с вероятностью p = 0,9. Принималось, что с = 3дБ, Af = 100Гц, h = 3 . Значение оп вычислялось по данным [4].
Рис. 2. Суточный ход требуемой мощности для связи с объектами в Центральной Атлантике
Рис. 3 аналогичен рис. 2, но здесь выбрана трасса в направлении на Индийский океан (ф=150°). В целом рис. 2 и 3 свидетельствуют о том, что при анализе энергетических характеристик необходимо учитывать неопределенности уровней сигнала и шума, а также принимать во внимание конкретные трассы и геофизические условия на них.
Рис. 3. Суточный ход требуемой мощности для связи с объектами в Индийском океане
Сильная изрезанность кривых не имеет конкретного физического смысла, поскольку положение локальных экстремумов достаточно точно не прогнозируется [6]. На практике целесообразно руководствоваться сглаженными зависимостями.
Заключение
По результатам примеров расчета по предложенной в работе методике требуемой излучаемой мощности передающих средств СДВ радиолиний можно сделать следующие обобщающие выводы:
1. Излучаемая мощность для обеспечения требуемого качества связи в заданных в примерах условиях существенно зависят от многих геофизических параметров канала распространения сигналов и их анализ необходимо проводить для конкретных районов с учетом геофизических и помеховых условий приема сигналов.
2. Для расчета излученной мощности, требуемой для передачи сигналов с заданным качеством, существенным является учет неопределенности прогнозируемых значений уровней сигнала и естественных шумов.
3. В целом предложенная методика существенно повышает точность прогнозирования по сравнению с существующими методами, упрощает и сокращает сроки проведения инженерных расчетов при оценке и выборе минимальной мощности передающих устройств, как при проектировании и разработке СДВ систем радиосвязи, так и при оперативном управлении системами.
Литература
1. Николашин Ю. Л., Будко П. А., Жуков Г. А. Обеспечение устойчивого доведения команд управления до удаленных исполнительных звеньев // Техника средств связи. 2022. № 1 (157). С. 2-24.
2. Акулов В. С., Салюк Д. В., Угрик Л. Н. Учет точности прогнозирования электромагнитных полей при расчете радиотехнических систем // Техника средств связи. 2014. № 3 (142). С. 53-56.
3. Долуханов М. П. Распространение радиоволн. - М.: Связь, 1972, 336 с.
4. Додонов А. В., Михеев А. Ф. Подводный радиоприем. М.: Военное издательство, 1996,
188 с.
5. Рекомендации МСЭ-R Р.372-11(09/2016). Радиошум.
6. Макаров Г. И., Новиков В. В., Рыбачек С. Т. Распространение радиоволн в волноводном канале земля-ионосфера и в ионосфере. - М.: Наука, 1994, 151 с.
References
1. Nikolashin Yu. L., Budko P. A., Zhukov G. A. Ensuring sustainable communication of the board teams to remote executive units. Means of communication Equipment 2022. № 1(157). Pp. 2-24. (in Russian).
2. Akulov V. S., Salyuk D. V., Ugrik L. N. Taking into account the accuracy of predicting electromagnetic fields when calculating radioengineering systems Means of communication Equipment 2014. № 3(142). Pp. 53-56. (in Russian).
3. Dolukhanov M. P. Propagation of radio waves. M.: «Сommunication», 1972, 336 p. (in Russian).
4. Dodonov A. V., Mikheev A. F. Underwater Radio. M,: Military ed., 1996, 188 p. (in Russian).
5. ITU-R R.372-11 Recommendations (09/2016). Radio noise. (in Russian).
6. Makarov G. I., Novikov V. V., Rybachek S. T. Propagation of radio waves in the waveguide channel of the earth-ionosphere and in the ionosphere. Moscow. Nauka, 1994, 151 p. (in Russian).
Статья поступила 15 февраля 2023 года
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.
Мирошников Валентин Иванович - Доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ. Генеральный конструктор ПАО «Интелтех». Тел. +7(812)295-66-66. 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)4489650. 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.
Forecasting of the radiated power for ensuring communication on superlong waves
V. S. Akulov, V. I. Mirochnicov, V. I. Talagaev, L. N. Ugric
Annotetion: To provide global communication with spatially dispersed offshore submerged objects of civil and military purposes, radio communication systems on ultra-long waves are used. For designers and designers of such systems, an important factor is the selection of the necessary radiated power of the transmitting devices for the specified service areas and reception conditions. The existing methods and electrodynamic models for calculating the range and depth of communication are of an estimated nature of the parameters and performance of ultra-long-wavelength radio links. For practical use, system designers and, in particular, developers of transmission equipment of radio links need an application apparatus for calculating the required radiated power depending on the specified geophysical parameters of radio communication paths, the required signal reception quality, the level of natural interference at the reception point, bandwidth and operating frequencies. The article presents an engineering technique for determining and selecting the necessary radiated power of transmitters for specific, geographically defined radio channels. The technique can be useful for developers of systems and transceiver equipment of radio links, as well as officials of operational control bodies of ultra-long-wave communication.
Keywords: superlong waves, communication range, radiated power, signal field strength, reception band, interference level, signal/interference ratio.
Information about Authors
Akulov Valery Semenovich - 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.
Miroshnikov Valentin Ivanovich - General Designer of PJSC «Inteltech». Doctor of Technical Sciences, Professor. Science Honored Worker of the Russian Federation. Research interests: synthesis of telecommunication sistems. Тел.: +7 (812) 295-66-66 .
Talagaev Vladimir Ivanovich - Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Professor of the Academy of Military Sciences. Leading researcher at PJSC «Intelteсh». Tel. +7 (812) 448-96-50. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Ugrik Larisa Nikolaevna - 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, Kantemirovskaya St. 8
Для цитирования: Акулов В. С., Мирошников В. И., Талагаев В. И., Угрик Л. Н. Прогнозирование излученной мощности для обеспечения связи на сверхдлинных волнах // Техника средств связи. 2023. № 1 (161). С. 13-18. DOI: 10.24412/2782-2141-2023-1-13-18.
For citation: Akulov V. S., Miroshnikov V. I., Talagaev V. I., Ugrik L. N. Forecasting of the radiated power for ensuring communication on superlong waves. Means of Communication Equipment 2023. № 1 (161). Pp. 13-18. DOI: 10.24412/2782-2141-2023-1-13-18 (in Russian).
