СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ ТРОПОСФЕРНОЙ РАДИОСВЯЗИ Текст научной статьи по специальности «Физика»

TECHNICAL SCIENCES

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ

ТРОПОСФЕРНОЙ РАДИОСВЯЗИ

Исабаев К.Ж.

Военно-инженерный институт радиоэлектроники и связи, старший преподаватель, Алматы Имансакипова Н.Б.

Сатпаев университет, старший преподаватель, Алматы Джангулова Г.К.

Казахский национальный университет им. Аль-Фараби

доцент, Алматы

COMPARATIVE ANALYSIS OF METHODS FOR CALCULATING THE ATTENUATION COEFFICIENT OF TROPOSPHERIC RADIO COMMUNICATION

Issabayev K.,

Military Engineering Institute of Radio Electronics and Communications,

senior lecturer, Almaty Imansakipova N., Satbayev University, senior lecturer

Almaty Dzhangulova G.

Al-Farabi Kazakh National University, docent

Almaty

DOI: 10.5281/zenodo.7408661

АННОТАЦИЯ

На территории Казахстана был создан новый полигон для радиофизических исследований в тропосфере и стратосфере. За счет грантового финансирования от Комитета науки Министерства образования и науки была проведена огромная работа по исследованию прохождения радиоволн через тропосферу и создан макет тропосферной станции метрового диапазона. В ходе работы был сделан обзор и анализ методов расчета коэффициента затухания (ослабления) в тропосфере. В данной статье рассмотрены расчеты, основанные на полуэмпирических и эмпирических методах. Данная статья поможет при проектировании тропосферной станции метрового диапазона.

ABSTRACT

A new ground for radiophysical research in the troposphere and stratosphere has been created on the territory of Kazakhstan. At the expense of grant funding from the Science Committee of the Ministry of Education and Science, a lot of work was done to study the passage of radio waves through the troposphere and a model of a meter-range tropospheric station was created. In the course of the work, a review and analysis of methods for calculating the attenuation coefficient (attenuation) in the troposphere was made. This article discusses calculations based on semi-empirical and empirical methods. This article will help in the design of a meter-range tropo-spheric station.

Ключевые слова: тропосфера, антенна, метод, затухание (ослабление), радиосвязь, коэффициент.

Keywords: troposphere, antenna, method, attenuation, radio communication, coefficient.

Введение

В Советском Союзе решение задач расчета затухания (ослабления) сигнала в тропосферном радиосвязи начинается с середины 1950 годов, с целью создания дальней тропосферной радиосвязи (ДТР). Чтобы обеспечить надежную связь, необходимо по заданным энергетическим параметрам радиостанции определить дальность связи. Данная тропосферная радиостанция будет иметь ряд преимуществ таких, как легкая транспортировка, быстрое разворачивание и сворачивание радиостанции. При использовании узконаправленных лучей позволяет оставаться незамеченными. Все расчеты

энергетики загоризонтных радиолинии ввелись полуэмпирическими и эмпирическими методами. Большой вклад в это направление внесли советские ученые и радиоинженеры Калинин А.И., Введенский Б.А., Шифрин Я.С., Колосов М.А. [1-3], Давы-денко Ю.И. [4], Немировский А.С., Гусятинский И.А., Соколов А.В., Троицкий В.Н. [5], Черенкова Е.Л. [2], Шур А.А. [6] и Долуханов М.П. [7]. В современной России исследованием тропосферного распространения радиоволн занимались такие ученые, как: Козлов Д.Г., Клиот Е.И. [8], Серов В.В., Сеченых А.М. [9-11], Мацков А.А., Муха Р.Н., Цодикова М.И. [12], Шлома В.И., Сандулов Н.В., Макаров С.В. и Кожурякин Д.А. [13].

В зарубежных странах также ввелись исследование в области тропосферного распространения радиоволн. Первые теоретические расчеты затухания сигнала в тропосфере появились в 50 годах XX века. Первым был признан главный механизм турбулентного рассеяния и неоднородности слоя рефракции [Friis и др., 1957 г.]. Метод Харальда Трап Фрииса не применялась на практике, из-за трудности в получении масштаба турбулентности и размера слоя из метеорологических измерений. Но по этим методам можно изучить частоту и зависимость от расстояния, а также явление потерь в коэффициенте усиления антенны [Du Castel, 1966 г.]. В 1965 году были опубликованы два метода [Rice и др., 1967 г.], которые использовались как справочные материалы для исследований в Международном союзе электросвязи (МСЭ) - R (ITU -International Telecommunications Union) более 20 лет. Первый метод впервые был опубликован в мае 1965 году, через два года был изменен и заменен на новый метод, который соответствует сокращенной версии метода Национального бюро стандартов Соединенных Штатов Америки (НБС). Также имеются методы расчета во времени года, где существует семейство кривых как функций эффективного расстояния и климата, который может применятся для проектирования радиорелейных систем [Boithias и Battesti, 1965 г.]. В Китае 80-х годах был разработан простой и точный метод [Zhang, 1988 г.].

В Международном союзе электросвязи имеются ряд методов по прогнозирования и данные о распространении радиоволн, необходимые для проектирования тропосферных радиорелейных систем [14] и Справочник о распространении радиоволн для проектирования наземных линий связи пункта с пунктом [15], основанная на Рекомендациях ПЦ-R Р.526 и 1ТО-Я P.617.

Цель исследования

Рассмотрим несколько методов расчета затухания радиотрасс. Расчет затухание дает возможность проектировать линию радиосвязи. Методы расчета радиотрасс прямой видимости и тропосферных линий связи всем известны. Чтобы в конечном результате получить точный расчет, необходимо учитывать не только расчеты энергетических характеристик линий загоризонтной связи, но и учет характеристик погоды, рельефа и сезона.

Методика исследования

Тропосферное распространение радиоволн продолжается за пределами нормального радиогоризонта. При этом на частоте не менее 30 МГц и на расстоянии не более 700 км существует два постоянных механизма - это тропосферное рассеяние и дифракция. Многолучевость сигнала - это характерная особенность тропосферного распространения перед другими радиоволнами (рис. 1). В много-лучевости сигнала происходит задержки, который создает искажения. Эти искажения образуют в цифровых линиях - межсимвольные искажения, а в аналоговых линиях - интермодуляционный шум.

Рис. 1. Объем рассеивания

Метод расчета Введенского Б.А.

Для расчета ослабления сигнала при дальнем тропосферном распространении радиоволн между передатчиком и приемником, у Введенского Б.А. [1] введена понятие функция ослабления поля, обозначающей буквой В. В конечной формуле указывается, что

В = 83 + 20 % Б - 20 % А - 10 % - Ь (1)

с учетом слоистых неоднородностей с горизонтальными (0,05-20 км) и вертикальными (1100 м) размерами, где слоистые образования распределены в пространстве случайным образом и

перемещаются под действием ветра определяется выражением

С0 - коэффициент, характеризующая скорость убывания Ле0 с высотой.

В = 101д2 + 201д\Ле0\ + 201даэ - 101дХ 301д0+201д\£2\-^^Г1 (2)

где Б - расстояние между передатчиком и приемником (км);

А - длина волны (м); Ог и Ог - коэффициенты усиления передающей и приемной антенн;

Ь - ослабление сигнала на трассе (дБ), указана в работах К.А. Нортона [16-18], который определяется выражением

Ь = 101д^

(3)

где Рг - мощность излучения передатчика (Вт); Рг - мощность, поступающая в приемник при дальнем тропосферном распространении (Вт);

\Ле0 \ - средний градиент е на нижней границе слоя у поверхности Земли (на высоте 10 - 50 м); аэ - эквивалентный радиус Земли (км); \£2\ - величина, измеряемый в дБ: если горизонтальные размеры много меньше 1-й зоны Френеля, то \£2 \ = й2, где ё2 < 2аъ^Х/пТ);

если горизонтальные размеры больше 1 -й зоны Френеля, то

•Ш

где о0 - угол поворота системы

2Б 1п90

охут относительно о'х'у^' в плоскости ту;

если слой с горизонтальными размерами 0,05 20 км и вертикальными размером 1 - 100 м, то

£2 = -^[ехр(Ь2т1)ш(Ь2т4)

ехр(Ъ2;т4)ш(Ъ2т4)], где ¿1, Ь2 - координаты слоя по оси у, а т-кратное переизлученные поля.

К = К • К

дтр ст мет

Функция ослабления определялась при следующих значениях параметров:

Ле0 = -5х10-7м-

= 8х103км, С0 = 0,246 км-2 (4)

Величина \£2\ вычислялась для слоя с горизонтальными размерами 6 км, смещенного по оси у относительно центра 1 -ой зоны Френеля на 8 км.

Из рис.1 следует, что функция ослабления линейно уменьшается с расстоянием и в диапазон расстояний 200-600 км прямо пропорциональна логарифму длины волны. Погонное ослабление для Х=3, 10 и 30 см в среднем составляет 0,08 дБ/км, а для А = 100 и 144 см равно 0,07дБ/км. В диапазоне расстояний 80-200 км величина В для волн 100 см и 144 см становится меньше, чем для А = 10 и 30 см. Это происходит потому, что на близких расстояниях размеры 1 -ой зоны Френеля по оси у становятся больше размеров переизлучающих слоев [1].

Параметры Ле0, аэ, С0 меняются в зависимости от времени суток и сезона и обуславливают суточный и сезонный ход принимаемого сигнала.

Также можно сделать расчеты на примере расчета тропосферной радиолинии, взятой с курсовой работы по дисциплине «Распространение радиоволн и антенные устройства», расчет радиолинии связи [19].

Эти расчеты взяты с книги, написанной под руководством академика Введенского Б.А., где ключевым моментом является определение множителя ослабления

• К Ав ■ К • К ;

р мз бз'

(5)

2

а

э

или

К , дБ

дтр'

где РСт множитель ослабления для стандартных условий распространения тропосферной радиоволны;

Рмет - поправка, учитывающая отличие местных метеоусловий от стандартных;

¥р - поправка, учитывающая рельеф местности в районе расположения ТРС;

АО - поправка, учитывающая потери усиления антенн ТРС;

¥мз - поправка за счет медленных замираний; ¥бз - поправка за счет быстрых замираний.

Передача и прием осуществляются антеннами, для которых суммарный коэффициент усиления 500 дБ; вблизи земной поверхности индекс преломления зависит от климатических и метеорологических условий и колеблется в пределах 260-460 [20]. В нормальной тропосфере значение N изменяется с высотой линейно, индекс

К , дБ + К , дБ + К , дБ + дБ + К , дБ + К , дБ,

ст' мет' р? ' мз' оз''

преломления у земной поверхности N0 = 265, где индекс преломления рассчитывается по формуле [21]

N = 77,6 (р + 4810е/Т)/Т

(7)

где Т - абсолютная температура, измеряемая в Кельвинах (Т = г0С + 273); р - давление а мбар; е - абсолютная влажность в мбар.

Значение Рст для расстояний связи в пределах 100 км < г, км < 100 (1+^ X, см) км (ближняя зона ДТР) определяется из выражения:

К, дБ = -(74 - 101ё Л см + 0,05 г, км)

(8)

В пределах 100 (1+^ X, см) км < г, км < 800 км (дальняя зона ДТР):

FCT, дБ = -[64 + 0,15r, км + (4,3 lg 1, см - 0,043r, км -15,7) lg Я, см]

(9)

Всем известно, что от метеорологических и климатических условий зависит степень искривления траектории радиоволн (режим рефракции) в тропосфере. При этом изменяется высота рассеивающего объема. От метеорологических и климатических условий также зависит интенсивность неодно-родностей тропосферы.

При этом величина поправки Бмет определяется для различных расстояний из следующих выражений:

для дальностей r = 100 - 350 км:

Fмет, дБ = (0,93 - 1,63 Ш3 r, км) • (No -310) (10)

где N0 - индекс показателя преломления на уровне моря.

Изменение объема рассеяния определяется углами закрытия Pi и Р2 антенн корреспондентов (рис. 2). Углом закрытия называют угол между горизон-

тальной плоскостью, проходящей через центр антенны, и прямой, проведенной через центр антенны и вершину препятствия. Как видно из рисунка, значения углов закрытия могут быть положительными и отрицательными. Их вычисляют с учетом кривизны земной поверхности при нормальной рефракции по формуле

/ =

(H1,2 - К.)

1,2

'1,2

2а

(11)

где Н12 и Н1:2 - высоты расположения препятствий и антенн;

Г12 - расстояния от антенн до препятствий; аэкв - эквивалентный радиус Земли при нормальной рефракции (при расчетах принимать аже = 8500 км).

Горизонтальная плоскость

Горизонтальная плоскость

Рис. 2. Определение углов закрытия

Поправка Ер, учитывающая рельеф местности в районе расположения ТРС находят из выражения:

/ V

F, дБ = -40 lg

1 +

А + А

А + / + 0,4r

1 +

/1+/2 0,2r

(12)

где и в2 выражаются в угловых минутах, а г - в километрах.

Для отрицательных углов закрытия ¥р величина поправки принимает положительные значения.

Потери усиления антенн на линиях тропосферной связи проявляются в том, что увеличение параметров 01 и 02 не приводит к ожидаемому росту принимаемой мощности.

Потери усиления начинают проявляться у антенн с 01(2) > 30 дБ.

Установлено, что при незначительно отличающихся коэффициентах усиления передающей и

приемной антенн величина Дв зависит от суммы Указанная зависимость представлена на рис. 3.

(01 + 02), выраженной в дБ.

°60 65 70 75 80 85 90 95 100

(О1+О2), дБ

Рис. 3. Зависимость суммы коэффициента усиления передающей и приемной антенн

Поправка, учитывающая медленные замирания ¥мз, зависит от требуемой надежности связи р и определяется по формуле

, дБ = - а, дБ • I

р'

(13)

где - параметр, определяемый из графика, приведенного на рис. 4, по заданной надежности связи р.

Величина стандартного отклонения с находится из графика, представленного на рис. 5. Верхний график соответствует летним условиям, а нижний - зимним.

Множитель ослабления, учитывающий быстрые замирания зависит от кратности разнесенного приема пр и необходимой надежности связи р. Величина ¥вз находится из графиков, представленных на рис. 6.

0.002 0,01 0.05 0.20 0.40 0,60 0,80 0.95 0,99 0,959

3 2 1 О ■ Л ■2

0,0001 0,001 0,005 0,02 0.10 0,30 0,50 ор7о

0,90

0,90

0,958 0,9399

Рис. 4. Зависимость надежности связи от

/ -лето

_

^ зима

100 200

300 400

500

600 700

Рис. 5. Зависимость расстояние от величины стандартного отклонения а

Рис. 6. Зависимость быстрого замирания Ебз от кратности разнесенного приема пр и необходимой

надежности связи р

^ , дБ = F

дтр' ст

дБ + FMет, дБ + Fр, дБ + дБ + , дБ + Fбa, дБ.

(14)

Метод расчета Давыденко Ю.И.

Расчёт затухание показано у Давыденко Ю. И. [4]. В этой книге рассматриваются общие потери Ь на радиолинии, выраженная в децибелах, разбивается на потери в свободном пространстве и дополнительные потери Ьдоп.

Выраженная для общих потерь может быть представлена в виде

Ь = Ьо+Ьдоп=Ьо+Ьмед+Ьз+Ьр+Ьь+Ьл+Ьк (1)

где Ьмед - медианное значение дополнительных потерь при ДТР;

Ьз - потери обусловленные замираниями которое определяется как разность между медианами дополнительными потерями и дополнительными потерями соответствующими заданной надежности;

Ьр - потери обусловлены влиянием неровности рельефа местности;

Ьи - потери обусловлены влиянием земной

к

поверхности при малых величинах отношения -;

я

Ьа - потери усиления антенн при ДТР;

А для определения предельно допустимого значения потерь следует вычислять по необходимому для обеспечения заданной достоверности в течение каждого сеанса превышению высокочастотного сигнала над шумами, при котором учитывается влияние только быстрых замираний

Ьпред(у)(дБ) = М(дБ) - Ьо(дБ)

(2)

где М - энергетический потенциал аппаратуры, вычисляемая по формуле

ЬК - потеря обусловлено отличием климатических условиях данного района от климатические условия центральной части Европейской территории СССР (ЕТР);

Величины Ьр и Ьа приходится учитывать не во всех случаях. Величина Ьр может не приниматься во внимание при размещении антенны на ровной и открытые местности. Величину Ьа следует учитывать при больших коэффициентов усиления антенн в случаях, когда Опер + Опр > 50^60 дБ. Величина Ьи может иметь существенное значение при расположении антенны на высотах, меньших примерно 10 длин волн от земной поверхности (при расстояниях Я>150 км).

щ _ ^пер^пер^пр^пер^пр

о о

°мл.пр

где Рпер - мощность передатчика; ^пер,пр - коэффициент усиления передающей или приемной антенны;

^пер,пр - коэффициент полезного действия передающего или приемного фидера;

В - вычисляется по заданным нормам необходимого превышения сигнала над шумами в телефонных каналах станции;

^ш.пр - мощность шумов на входе приемника, который равен 4х10~21ГэА/;

Ьо - потери в свободном пространстве, определяемого по графику или по формуле

г _ £нер — (4^\ ^ - Рпр - I Я )

2

(4)

где Я - расстояние между передатчиком и приемником;

X - длина волны.

При расчетах М, Ь и Ьд децибеллах

выражают в

М(дБ) = Риер(дБ) + СиерШ + СПрШ + ЧперШ

(5)

+Лпр(дБ) -Рш.пр(дБ) - В (дБ)

Ь0(дБ)=22+20№

А

(6)

В этой книге также рассматривается примеры задач, связанные с расчетом и выбором трасс радиолинии дальнего тропосферного

распространения [4].

Рис. 1. Потери при распространении радиоволн в свободном пространстве

Перейдём к определению дополнительных потери, обусловленных влиянием неровностей

потерь на трассе: рельефа, могут появиться потери Ьи,

а) найдём потери связаны с влиянием земной обусловленные малым отношениям -. поверхности. В метровом диапазоне волн, помимо А

Рис. 2. Зависимость потерь от отношения высоты антенны к длине волны для различных расстояний

С другой стороны, за счёт увеличения высоты подъёма антенн углы закрытия заметно уменьшатся.

-ai-0,2 о 0,2 де 0,8

Рис. 3. Зависимость потерь, обусловленных влиянием неровностей рельефа, от суммарного угла

закрытия

50 Ю0 Т50 200 250 300

Рис. 4. Зависимость медианных величин потерь от расстояния и длины волны для зимнего месяца

в) Потери, обусловленные замираниями, при одинарном приёме, найденная с помощью графика рис. 6. Стандартное отклонение с можно найти по графику на рис. 5.

А. к*

Рис. 5. Изменение средних значений величины стандартного отклонения в зависимости от

протяженности трассы

12 14 16 18 20 22 14 25 28 30 32 51

Ц.ЭО

Рис. 6. Потери, обусловленные влиянием быстрых и медленных замираний, при одинарном приеме

г) Потери усиления антенн .

д) Так же как и в предыдущих примерах (рис. 7), ¿к.

13 20 22 24

ц.ал

Рис. 7. Потери, обусловленные влиянием быстрых и медленных замираний, при сдвоенном приеме

Метод расчета Долуханова М.П.

В 1972 Долуханов М.П. выпускает учебник для ВУЗов «Распространение радиоволн» [7], где введется расчеты при учете ослабления формула для потерь при распространении

I = — = — = С У 1

р2 р2 ( ЯР )

а основные потери определяют формулой

, _ ^св _ /4ЛТГЛ2 ^0 с2 ( Яр )

(1)

(2)

Потери при распространении, выраженные в дБ, соответственно представляются формулами

¿[дБ] - - ¿св[дБ] - 20^ -

20^(4лг) - 20г5Я - ^ - СцдБ] - ^2[дБ] (3)

^0[дБ] - 10^0 - ¿0св[дБ] - -

20^(4ЯГ)-20/5А-^дб] (4)

где Р1 - мощность передатчика; Р2 - мощность приемника; Р - функция ослабления; ¿св - потери при распространении в свободном пространстве;

Я - длина волны;

г - расстояние от передатчика до приемника;

02 - направленность передающей антенны;

В2 - направленность приемной антенны.

Подставляя в формулы (3) и (4) наши данные и функцию ослабления по Введенскому Б.А. [1], получим следующие значения для потерь при распространении (Ь) и основные потери (Ь0), так как Б1= Б2, то не учитываем в вычислении: Метод расчета Серова В.В.

Метод расчета Серова В.В. учитывает радиолинии, как на дифракционном участке слабо пересеченной местности, так и на тропосферном участке [9-11].

В методике Серова В.В. затухание энергии сигнала при распространении радиоволн определяется по формуле:

УсвУ = ГсеГдиф¥т/(Удиф+Гт), дБ

(1)

где Усе - затухание в свободном пространстве;

Удиф - ослабление сигнала за счет дифракции;

УТ - ослабление сигнала за счет тропосферного рассеивания.

Так как распространение радиоволн не в свободном пространстве, то затухание энергии сигнала запишется следующим образом:

У = УдифУт/(Удиф+Ут), дБ

(2)

Ослабление сигнала за счет дифракции Удиф можно определить по приближенной формуле:

Удиф = У0[р(я) -1], дБ

(3)

где У0 - множитель ослабления на касательной трассе (Я = 0) в дБ (для слабопересеченной местности У0 = -13 дБ);

р(2) = [И + АН^)]/И0 - относительный просвет на трассе при заданном значении §;

2 - средний вертикальный градиент диэлектрической проницаемости в тропосфере, м-1;

И = а[1 - сов(Я/2а)] - просвет при отсутствии рефракции, км;

а = 6370 км - геометрический радиус Земли;

АН'(%) = - 62,5К22 - приращение просвета при изменении g;

Н0 = 0,3 (В.0А)0,5 - радиус 1-й зоны Френеля.

Я0 - расстояние, км;

А - длина волны, см;

Я = Я0 - га - гв, где гд гв - расстояние до препятствий.

Ослабление сигнала за счет тропосферного рассеивания Ут вычисляется по формуле ^ = 1):

Ут = 37 - 102(А) + 202(Я), дБ

(4)

Метод расчета Шломы В.И.

Далее приведены основные положения методики Шломы В.И. [13]. Расчеты метода

основываются на данных полученных из книги Ю.И. Давыденко «Дальняя тропосферная связь», но имеющих некоторые изменения, а также произведена аппроксимация экспериментальных графиков для автоматизации вычислений на компьютере. Вычисление потери зависит от следующих составляющих:

Ьдоп Ьмед Ьз Ьр Ьи Ьа - Ьк, дБ (1)

где Ьмед - медианные потери, дБ;

Ьз - потери от замирания, дБ;

Ьр - потери, обусловленные влиянием неровностей рельефа местности, дБ;

Ьи - потери, обусловленные влиянием земной поверхности при малых неровностей рельефа местности, дБ;

Ьа - потери усиления антенн, дБ;

Ьк - климатические потери, дБ.

Подставляя наши данные, получим следующие результаты для потери в свободном пространстве при использовании изотропных антенн:

Ьизотр = 22 + 20 Я/А), дБ (2)

где Я - дальность а метрах;

А - длина волны в метрах.

При использовании направленных антенн с коэффициентами усиления и потерями в фидерах, потери в свободном пространстве будет равен:

Ь0 Ь0изотр + ^пер + Цпр - Опер - Опр, дБ (3)

где Щпер = Щпр - потери в фидерах передатчика и приемника (дБ);

Опер = Опр - усиление антенны передатчика и приемника (дБ).

Определим медианные потери, который равен:

Ьмед = 62,92е~(~17Т~> + (0,07608Л~°,4984 +

0,06596)И, дБ (4)

где А - длина волны (см);

Я - дальность связи (км).

В случае необходимости определения медианных потерь для других длин волн можно приближенно считать, что значения медианных потерь обратно пропорциональны длине волны. Если потребуется оценить потери для летнего или другого времени года, то следует учесть сезонный ход потерь, который можно в среднем принять равным 12 дБ. Таким образом, для летних месяцев нужно значения уменьшить на 12 дБ, а в осенние и весенние месяцы на 6 дБ.

Найдем потери от замираний для цифрового канала, который равен:

Ьз = Ьмз + Ьбз, дБ

(5)

где Ьмз - потери от медленных замираний;

Ьбз - потери от быстрых замираний.

Общие потери от замираний складываются из потерь от быстрых (с квазипериодом 0,1-10 с) и от медленных замираний (с квазипериодом от десятков минут до нескольких часов). При расчетах радиолиний в режиме передачи цифровых сигналов быстрые и медленные замирания следует учитывать отдельно.

Вычислим величину быстрых замираний для одинарного приема:

¿бз - -20Ы0,8414^-21п дБ (6)

Значение с находим по формуле для вычисления. При нахождении значений для весны и осени будем считать, что это средние значения между значениями для зимы и для лета

/Г-124,9\2 / Г-382,8\2

стлето - 4,676е-( 332,4 ) + 3,1б5е-( 508,3 ) (7)

/Г-205,7\2

Стзима - 5,116е-(^77^) (8)

/г-156,6\2

свио — 6,181е ( 547 8 ) для весны и осени (9)

Для получения расчетных характеристик, близких к экспериментальным, необходимо вместо значений с, применять значения С1, который равен:

где Т% - заданный процент времени безотказной работы, который равен 99%.

ai = °,177е°-2585"- 23,48е~°-2856а

(10)

По данной таблице (таблица 1) найдем потери Ьз для телефонного канала (вид приема является одинарным):

Таблица 1

Коэффициенты для формул аппроксимации

с (дБ) a1 Ь1 c1 a2 b2 c2 a3 b3 c3

3 8,876е15 142,9 7,333 0 102,6 0,403 123,4 164,9 46,83

4 7,495е15 141,8 7,16 0 106,2 0,997 115 166,9 49,85

5 1,303е16 138,8 6,584 234,6 184,3 54,24 0 - -

6 8,011е14 117,5 3,09 5,627 100,5 2,282 39,18 137,5 45,42

7 3,08е15 130,4 5,274 35,63 59,72 25,03 74,15 123,8 21,46

Потери Ьз находим по формуле:

Д = бсум + 0,056^

(13)

/Х-Ь2\2

/х-Ьз\2

2 _ _

L3 = а1е-^сГ7 + а2е_Г^ + а3е_Г^ , дБ (11)

где х - надежность связи.

Получили значения Ьз для целых чисел а, а для получения Ьз дробных чисел рассчитывается с помощью линейной интерполяции:

¿з - £з(0цел) + Одр (¿з(0цел + 1) дБ (12)

где ацел - целая часть значения а, стдр - дробная часть значения а.

Сделаем расчет потери Ьр, обусловленные влиянием неровностей рельефа местности. Для этого сперва определим значение Д для трассы:

где бсум — бпер + бпр - углы горизонта со стороны передатчика и приемника: Д и в - в градусах;

- высота подъема передающей и приемной антенн в метрах.

Зависимость потерь, обусловленных влиянием неровностей рельефа, от суммарного угла закрытия можно выразить следующей формулой:

U = аем + се^

(14)

где а, Ь, с, й - коэффициенты, зависящие от дальности связи Я. По данной таблице (таблица 2), для наших данных выберем приближенное значение Я.

Таблица 2

Коэффициенты аппроксимации при неровностях

R(km) a b c d

100 10,09 0,2266 -10,33 -1,994

150 9,399 0,1913 -9,604 -1,576

200 7,04 0,2457 -7,011 -1,612

250 7,808 0,1683 -7,757 -1,013

300 7,073 0,2235 -7,159 -1,404

Найдем потери Lh для различных расстояний,

рекомендуется находить по формуле ^ = aie Cl + а2е С2 (15)

где х = h/À;

а1, Ь1, с1, а2, Ь2, С2 - коэффициенты, зависящие от дальности связи Я (таблица 3).

Коэффициент аппроксимации

Таблица 3

Я(км) Я1 Ь: с1 а2 Ь2 с2

100 1,983е15 -54,05 9,514 18,74 -6,452 11,95

150 1,661е15 -45,48 8,023 14,88 -3,284 8,104

200 1,439е9 -52,15 12,28 3,78 3,267 3,428

300 7835 -4,066 3,974 -7425 -3,92 3,917

400 8,829е13 -47,8 9,207 -4457 -6,454 3,497

Сделаем расчет потери усиления антенн Ьа, где Опер и Опр - коэффициенты усиления

который определяется по формуле: антенны (дБ).

Ьа = 0,07ехр[0,055(Отр+Опр)], дБ

(16) Определим климатические потери Ьк [4] для

зимы (рис. 1) и лета (рис. 2).

Рис. 1. Изменения потерь, обусловленных климатическими особенностями различных районов (январь)

Рис. 2. Изменения потерь, обусловленных климатическими особенностями различных районов (июль)

Общие потери L определяется по формуле:

L = Lo + Ldon (17)

Метод расчета Международного союза

электросвязи (метод расчета Национального бюро стандартов США - НБС)

Согласно этому методу [22, 23] среднегодовые потери передачи имеют вид:

L(q) = M + 30 log ^f + 10 log d + 30 log в + Ln + Lc - Gt - Gr - Y(q), дБ (1)

где M- метеорологический параметр;

f - частота (МГц);

d - расстояние (км);

в (рад) - угол между лучами радиогоризонта в плоскости большого круга, содержащего антенны, для средних атмосферных условий (см. рис. 1);

Ln = 20log(5+yH)+4,34yh - зависимость потеря передачи от высоты общего объема, дБ;

H = 10-3ed/4, км;

h = 10r602ka/8, км;

Lc = 0,07exp[0,055(Gt+Gr)] - потеря связи между раскрывом антенны и средой распространения, дБ;

0( и Ог - коэффициенты усиления передающей и приемной антенн (дБ);

У(д) = С(д)У(90) - коэффициент преобразования, дБ.

Угол рассеяния в имеет вид:

в = ве + в1 + вг , мрад (2)

где в1 и вг - углы места горизонта передающей и приемной антенн, соответственно. Эти углы могут быть вычислены как:

ве = d х 103/ka, мрад

_ hi 2-hi 2 di 2х103

, мРЗД

(3)

(4)

где: й - длина трассы (км), а - радиус Земли 6 370 км, к - коэффициент эффективного радиуса Земли для средних атмосферных условий (должно использоваться значение к = 4/3, если более точное не известно) и высотами антенн (И1>2 и h'1,2) (м) и расстояниями (й1,2) (км), которые показаны на рис. 1.

Рис. 1. Геометрия рассеивания Метеорологический параметр М, у и У(90) определяется по таблице (таблица 1):

Значения метеорологических параметров и _ параметров структуры атмосферы

Таблица 1

Климат 1 2 3 4 5 6 Морской*

М 39,6 29,73 19,3 38,5 29,73 33,20 26

У 0,33 0,27 0,32 0,27 0,27 0,27 0,27

Уравнение У(90) 9 7 10 11 7 7 8

* - морской климат на карте обозначен в виде 0.

Для определения тип климата для общего объема, используется климатическая карта (рис. 2):

Дол-

Рис. 2. Классификация климатических зон Для того чтобы определить коэффициент С(ф используется таблица (таблица 2):

Таблица 2

Требуемые значения С(д) __

Я 50 90 99 99,9 99,99

Ш 0 1 1,82 2,41 2,9

После определим потери связи между Для того, чтобы вычислить зависимость

раскрывом антенны и средой распространения потерь передачи от высоты общего объема, найдем

сперва:

Ьс = 0,07ехр[0,055(О+Ог)]

И = 10-3вё/4

h = 10~602ka/8

Тогда:

Ln = 20log(5 + yH) + 4,34Yh

Определим коэффициент преобразования, используя таблицу (таблица 2):

Y(q) = C(q)Y(90)

После получения всех данных, подставим в первоначальную формулу по определению среднегодовой потери передачи:

L(50) = M + 30 log f+ 10 log d + 30 log в + Ln

+ Lc - Gt - Gr - Y(q)

Вывод

Рассмотренные методы расчета коэффициента затухания основы на полуэмпирических и эмпирических методах. В методах расчета Международной союза электросвязи есть некоторые ошибки, но на эту тему выйдет отдельная статья. В достоверности тех или иных методах необходимо произвести расчет и окончательные результаты сравнить с измеренными результатами за счет тропосферной станции метрового диапазона. Некоторые методы не учитывают влияние климатических условии на распространение радиоволн и на углы закрытия.

Благодарность. Данная статья основана на результатах исследования по теме: "Создание макетного образца одноканальной тропосферной станции метрового диапазона" № 00012/ГФ.

Литература

1. Введенский Б.А., Дальнее тропосферное распространение радиоволн. - М.: Сов. радио, 1965.

- 416 с.

2. Калинин А.И., Черенкова Е.Л. Распространение радиоволн и работа радиолиний.

- М.: Связь, 1971. - 440 с.

3. Калинин А.И. Расчет трасс радиорелейных линий. М.: Связь, 1964.

4. Давыденко Ю.И. Дальняя тропосферная связь. - М.: Военное издательство, 1968. - 212 с.

5. Гусятинский И.А., Немировский А.С., Соколов А.В., Троицкий В.Н. Дальняя тропосферная радиосвязь. - М.: Связь, 1968.

6. Шур А.А. Характеристики сигнала на тропосферных радиолиниях. - М.: Связь, 1972.

7. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. Учебник для вузов. М.: Связь, 1972. -336 с.

8. Клиот Е.И., Козлов Д.Г. Исследование помехоустойчивости тропосферной радиолинии с адаптацией частоты // Радиотехника. 1994. № 11. С. 62-68

9. Серов В.В., Сеченых AM. Развитие тропосферной связи в МНИРТИ. История и перспективы применения // «Информост» -«Радиоэлектроника и Телекоммуникации». № 4 (46). 2006. С. 37-39.

10. Серов В.В. Особенности распространения радиоволн в загоризонтных системах радиосвязи // Электросвязь. 2009. № 1. С. 38-42.

11. Серов В.В. Тропосферная связь. История и перспективы // Технологии ЭМС. 2012. № 2 (41). С. 55-6Q.

12. Мацков A.A., Муха Р.Н., Серов В.В., Цодикова М.И. МНИРТИ Принципы построения линии загоризонтной связи с выбором оптимальной частоты // Технологии ЭМС. 2012. № 2 (41). С. 61-б7.

13. Сандулов Н.В., Шлома В.И., Кожурякин ДА., Макаров С.В. Методика энергетического расчета канала дальней тропосферной радиосвязи, адаптированная для вычисления на ПЭВМ // REDS. 2017. № 4. С. 446-453.

14. РЕКОМЕНДЛЦИЯ МСЭ-R P.617-3 Методы прогнозирования и данные о распространении радиоволн, необходимые для проектирования тропосферных радиорелейных систем. Женева, 2014.

15. Справочник МСЭ Данные о распространении радиоволн для проектирования наземных линий связи пункта с пунктом. Женева. 2QQ9.

16. Norton K.A. Transmission loss in radio propagation. Proc. IRE, 1953, v. 41, № 1, p.146-152.

17. Norton K.A. Transmission loss of space waves propag propagated over irregular terrain. Trance. IRE, v. AP-3, 1952, № 8, p. 152-166.

1S. Norton K.A. and oth. The use of angular distance in estimating transmission loss and fading range for propagation through a turbulent atmosphere over irregular terrain. Proc. IRE, 1955, v. 43, № 10, p. 14SS-152б.

19. Гладейчук В.В., Михаленок ВА. Курсовая работа. Распространение радиоволн и антенные устройства. - Минск: Военная академия Республики Беларусь. 2012.

2Q.

http://rateli.ru/books/item/fQQ/sQQ/zQQQQQQQ/stQ22.sht ml

21. http://ra3tox.qrz.ru/s1Q/qrz-r176.html

22. PЕКОМЕНДAЦИЯ МСЭ-R P.617 Распространение радиоволн за счет дифракции. Женева, 2011.

23. Головкин И.В., Толкачев М.М. Обзор методов расчета потерь распространения в закрытой загоризонтной радиолинии и особенности канала // REDS: Телекоммуникационные устройства и системы. 2020. № 3. С. 3-13.