Анализ точности прогнозирования качества работы интервалов цифровых тропосферных радиолиний связи

Полевые средства и комплексы тропосферной радиосвязи (ТРС) специального назначения работают в различных физикогеографических районах и природно-климатических условиях и имеют достаточно высокую пропускной способностью, что требует сдвигать диапазон рабочих частот в верхнюю часть микроволнового диапазона. Кроме того, современные тропосферные станции (ТРСт) -это технически сложные и дорогие средства связи. В основу построения станции заложен принцип приема радиосигналов в диапазоне сверхвысокой частоты (СВЧ), приходящих от корреспондента в точку приема не по прямой видимости, а за счет переизлучения радиоволн на электронных неоднородностях тропосферы (по траектории загоризонтной радиосвязи). Такое распространения радиоволн называется дальним распространением ультракоротких волн (ДТР УКВ). Радиосвязь, использующую механизм распространения радиоволн СВЧ диапазона за счет рассеяния на неоднородностях тропосферы, называют тропосферной радиосвязью или загоризонтной многоканальной радиосвязью.

В тропосферных радиостанциях используется свойство радиосигнала, сфокусированного в узкий луч и направленного в сторону корреспондента, рассеиваться в тропосфере. Рассеяние происходит на неоднородностях тропосферы, где сигнал, отражаясь и рассеиваясь, меняет свое направление, и ничтожно малая часть энергии сигнала приходит в точку приема.

Тропосферой называют нижнюю часть атмосферы Земли. В средних широтах высота тропосферы равна 10^12 км, в полярных 8^10 км, а в тропиках 16^18 км. В тропосфере возникают физические явления: отражение, рассеяние и поглощение радиоволн. Температура тропосферного воздуха неодинакова по высоте. Она уменьшается в среднем на 6 С (на 5 С при подъеме на один километр в нижней части тропосферы и на 7 С - в верхней части тропосферы).

Для компенсации ослабления радиосигнала в тропосфере требуется наличие значительного запаса мощности передающих устройств, высокой чувствительности приемников и большого коэффициента усиления антенн для обеспечения удовлетворительного соотношения сигнал/шум на приемном конце радиолинии.

Для дальнего тропосферного распространения радиоволн СВЧ диапазона (ДТР СВЧ) характерен ряд особенностей, к числу которых следует отнести:

• -    быстрые и медленные замирания сигнала;

• -    потери усиления приемных антенн;

• -    сезонные изменения интенсивности поля рассеяния волн.

Поэтому очень важно, чтобы их применение в динамичных и скоротечных операциях было эффективным. Для этого в ТРСт внед- ряются новые технологии, позволяющие сократить время их готовности к применению, увеличить пропускную способность и устойчивость функционирования тропосферных радиолиний (ТРЛ). Анализ применения ТРЛ, показывает, что большой промежуток времени в подготовке к применению средств и комплексов многоканальной радиосвязи занимает планировании применения и особенно рекогносцировка местности позиций станций, выбор трасс связи, прогнозирование пригодности интервалов связи и т.п. [1].

Перспективным направлением по сокращению готовности станций к применению является внедрение технологий координатновременного и программно-картографического обеспечения. Именно интеграция технологий навигации, цифровой картографии и управления дает наибольший эффект при развертывании и эксплуатации радиорелейных средств многоканальной радиосвязи [2, 3, 5]. Однако, средства навигации и картографии имеют некоторую погрешность определения местоположения позиций станций и профиля рельефа местности (препятствий на трассе линии) планового и высотного характера. Поэтому в работе рассматриваются вопросы влияния погрешности навигационного и картографического обеспечения станции на качество прогнозирования интервалов связи и определения их пригодности при развертывании и эксплуатации ТРЛ.

Целью работы является установление степени влияния точности определения координат позиций станций и погрешности цифровых карт на достоверность прогнозирования пригодности интервалов ТРС, т.е. на точность энергетического расчета ТРЛ, ее параметров качества связи и устойчивости.

В расчетных программах рекогносцировка местности и выбор позиций станций проводятся автоматически, а снятие рельефа местности интервалов трассы связи на концевых участках по цифровой карте в масштабе ре- ального времени. Следование полевых станций на позиции связи осуществляют по маршрутам, проложенным навигационной аппаратурой. Поэтому достоверность энергетических расчетов, т. е. несовпадение результатов прогнозирования пригодности качества связи с реальными параметрами интервала ТРЛ будет завесить от погрешности навигационной аппаратуры и погрешности цифровых карт. Погрешность определения координат позиций станций, влияет на величину удаления препятствия от электрического центра антенн, что в свою очередь, влияет на затухание радиоволн. Для оценки влияния необходимо провести энергетический расчет затухания, вносимого на интервале ТРЛ при различных параметрах рельефа местности.

Энергетический расчет затухания, вносимого на интервале ТРЛ

Расчет интервала ТРЛ включает: построение чертежей профиля местности концевых участков, определение углов закрытия горизонта антенн в 1 , в ² и суммарного угла закрытия в X с использование цифровой карты; расчет запаса уровня ВЧ сигнала q на интервалах ТРЛ; определение пригодности интервалов ТРС.

Пригодность планируемого интервала определяется сравнением рассчитанного значения потери надежности связи по замираниям на интервале с допустимым значением T *,%

• ¹    , согласно требованиям (нормам) [1].

При выборе позиций станции и построении профиля рельефа местности возможны погрешности определения геометрических размеров, обусловленные погрешностями навигационного приемника σ н и цифровых карт местности σ цк . Причины возникновения погрешностей проиллюстрированы на рисунке 1. Оценим влияние этих погрешностей на достоверность (точность) прогнозирования пригодности интервала цифровой ТРС.

Суммарную погрешность навигационного грешностей в плоских и вертикальных коор-приемника и цифровой карты определим, как динатах [2, 4] среднегеометрическое значений данных по-

(Г.

^r h н + ^r h цк

где ст х,у н , ст х,у цк - погрешность определения плоских координат навигационного приемника и цифровой карты; ст h н , ст h цк - погрешность определения вертикальных координат навигационного приемника и цифровой карты.

Погрешность определения местоположения станций и профиля местности на концевых участках интервала влияет на геометрические размеры до препятствий и на размеры самих препятствий, которые изменяют величину угла закрытия антенн в0 (г ) = arctg

' ^h пр ( Г )^{- h} ст ( Г )^{- h} A ^- R ² ( ^r x , y ) /17

у                   ^R пр ^{( r} x , y )                   J

A h (rh ) = hпр (rh )-(hст (rh ) + hА )

где – высота препятствия с учетом погрешности определения позиции станции и профиля рельефа

hx (г )

местности; ^{ст h} – высота местности над уровнем моря (или условным уровнем) точки размещения станции с учетом суммарной погрешности; h а – высота размещения электрического центра антенны над поверхностью

Земли; h пр ( ст h ) - высота препятствия над уровнем моря с учетом суммарной погрешности; R пр ( ст х,у ) - расстояние до препятствия от начала (конца) интервала с учетом суммарной погрешности.

Общий угол закрытия на интервале связи определяется как арифметическая сумма углов закрытия первой и второй станций

А(Г) = в1 (Г1 ) + в2 (Г2 )

Медианное значение затухания мощности радиосигнала на интервале ТРЛ определяется по формуле

W £ = W св + W ст + A W р + A W кл + A W h тр + A W h а + A W а ,         (4)

W где св – затухание радиосигнала в сво-W бодном пространстве; ст – затухание радиоволн для стандартных условий (время года зима; углы закрытия на интервале равны ну-h лю; высота размещения трассы тр над уров-A Wp нем моря не превышает 200 м); р – затухание, вызванное влиянием местности (местных ч A W „ предметов); кл – поправка, учитывающая отличие реального затухания от стандартного A AW.

при конкретных метеоусловиях; ^{h тр} – поправка, учитывающая приподнятость трассы

(станций) над уровнем моря ( h тр >200 м);

A W h а

– дополнительные потери для низко-

A W расположенных антенн; А – потери усиле- ния антенн.

Значение вышеприведенных затуханий определяются по известным выражениям [1]. Поэтому далее рассмотрим только те, на которые влияет погрешность навигационных данных и цифровой карты.

Значение суммы W ст + A W p для Центрально-Европейской территории России (зима, февраль месяц) определяется по формулам:

100 км <  R <  ¹⁰⁰⁽ 1 + log А см ^)км

для расстояний связи в пределах

W „ + A W p ( J ) = 74 + 0.05 R э ( J ) - 10log ^ d.

;

100(1 + log A _CM]) км <  R <  800 км

для расстояний связи в пределах

W _CT +A W_p ( j ) = 64 + 0.15 R + [ 4.3log A - 0.043 R ( j ) - 15,7 ] log A

R ( j ) = R + 148 Д⁰ ( j )

где ^э v z            ^     / — эквивалентное расстояние интервала связи.

Климатическая поправка к затуханию определяется выражением

Δ W кл = – k c ( N 3 – N 0 ),

где N з – индекс преломления для района построения интервала ТРС; N 0 – индекс преломления для Центрально-Европейской территории России; k c – коэффициент соответствия, зависящий от эквивалентного расстояния и диапазона частот:

k _c

'0,55 - 7.8 • 10 ^{- 4} R ₃ ( о ) — для СМВ;

< 0.9 - 15•Ю ^{- 3} R ₃ ( о ) - дляДМВ.

A W„

Дополнительное затухание радиоволн на «приподнятых» трассах (h тр > 200м)    hтр (высотная поправка) определяется по формуле

A W. Ы h тр

■ kN e

- 1 g ( N )( h тр ( a ) - 200)

-

,

где h ст ( о ) = ( h ct1 ( o i ) + h _ст( а 2 ))/2- средняя высота трассы над уровнем моря; g(N) – вертикальный градиент индекса преломления воздуха.

Пригодность планируемых интервалов определяется сравнением рассчитываемого для данного интервала значения потери надежности по замираниям на интервале T ,%

• ¹    со значением предельно допустимой

T*,% потери надежности, 1 , , которое должно обеспечиваться на одном интервале ТРЛ данного типа (в среднем) согласно требованиям (нормам).

Для определения пригодности интервала необходимо определить запас уровня ВЧ сигнала на интервале ТРЛ как разность энергетического потенциала и суммарного затухания радиосигнала на интервале ТРС

q ^(a ) = M э ^- W mp ^(a ) , дБ.

Энергетический потенциала станции М э определяется из ее тактико-технических характеристик или по методике, изложенной в

[1]. Далее необходимо определить предельно допустимое значение потери надежности по замираниям на интервале

T , % = f ( q ( a ) )

Потери носят случайный характер и зависят от дисперсии замираний ^ . Дисперсия замираний определяется коэффициентом приземного преломления для данного района и

N времени года з , эквивалентной протяженности интервала Rэ и коэффициентом усиления антенны GA

^s(a ) = ⁶ f 310 ) exp

Далее необходимо сравнить с результатами прогнозирования пригодности интервала без погрешностей.

Результаты расчётов пригодности интервала ТРС

Результаты расчетов (рис. 2) показывают, что при суммарной погрешности навигацион- ных данных и цифровых карт 10 - 30 м погрешность угла закрытия составляет 0,15 - 0,8 градусов. Это приведет к ошибке расчётов величины затухания на интервале ТРС до 8 дБ. Погрешность в расчетах других дополнительных затуханий не значительная – менее одного децибела.

Заключение

Сравнительный анализ результатов прогнозирования пригодности интервала ТРС, позволяет сделать следующие выводы:

• 1.    Существует прямая зависимость между затуханием на трассе ТРС и суммарной погрешностью определения местоположения антенн станций и профиля местности на концевых участках интервалов связи. Причем, при положительной дисперсии погрешности затухание уменьшается, а при отрицательной

• 2.    Величина затухания на интервале ТРС сильно зависит от расстояния до препятствий

• 3.    Неточность автоматизированного прогнозирования пригодности интервалов цифровых ТРЛ связи с использованием современных технологий в неблагоприятных условиях может достигать 8 дБ, что значительно снизит

увеличивается.

и их геометрических размеров. Погрешность навигационных данных и цифровой карты сильно проявляется только для близкорасположенных препятствий. Чем ближе находится препятствие к антенне, тем больше влияние и наоборот.

достоверность результатов качества связи и устойчивости функционирования ТРЛ.