Территориальное распределение уровней сигнала различных частот на радиотрассах декаметрового диапазона волн от передатчика с антенной “диполь”

странение радиоволн на различных частотах и имеют недостаточную наглядность представления результатов. Поэтому целью исследований, представленных в работе, явилось совершенствование существующих методик расчета линий КВ радиосвязи в направлении автоматизации расчетов по определению уровня сигнала на территории региона от передатчика с известными энергетическими характеристиками и заданной передающей антенной на нескольких частотах связи, отображения территориального распределения уровня сигнала на каждой из частот, а также графическое представление результатов расчета зон уверенного приема сигналов на карте региона.

Расчет напряженности электромагнитного поля Е_с ионосферной волны на линии КВ радиосвязи производится с использованием автоматизированной методики расчета уровней ЭМП на территории региона для линий радиосвязи дека-метрового диапазона, для средних широт, с использованием данных типовых радиопрогнозов и характеристик подстилающей поверхности, при заданных энергетических характеристиках передатчика, для нескольких частот связи и изменении характеристиках диаграмм направленности антенны для каждой из них. В основу расчетов положена формула [1, 2, 7]

E c = ^30 ' k ' P a ' G 1 • | ^ ( 9 )| n ⁴ • e "Г* ^{6 )} • Dw( 0 ) • Dg( a ), (1) r_л

Формула (1) представляет собой произведение поля свободного пространства, создаваемого передатчиком мощностью Р_а и антенной с коэффици-

ентом усиления G₁ , с дальностью распространения, равной длине луча ионосферной волны r_л одно-скачковой радиотрассы n = 1 на множители ослабления, определяемые через полный коэффициент поглощения Г( 0 ) , коэффициент отражения радиоволн от поверхности земли с заданными параметрами | R( 0 ) | и с учетом характеристик направленности используемых антенн в вертикальной и горизонтальной плоскости Dw( 0 ) и Dg( a ). Учет потерь на магнито-ионное расщепление волн и поляризационное рассогласование осуществляется снижением мощности, подводимой к антенне Р_а в четыре раза k=0.25 .

В данном выражении модуль коэффициента отражения | R(и) | при наклонном падении волны на границу раздела воздух – среда с потерями (влажная почва с е ‘ = 10, а = 0,01 см/м) для значений длины волны X = 10, 50 и 100 (м) рассчитан по [1, 2, 7] и показан на рис. 2.1. На рис. 2.2. показан пространственный коэффициент отражения |R( и )| при падении волны на границу воздух - влажная почва с е ‘=10, а = 0,01 См/м для длины волны X = 50 (м) в трехмерной системе координат.

Прохождение радиоволн через атмосферу сопровождается потерей части электромагнитной энергии волны через слои D и Е и частично F₁ . Это характерно для волн КВ диапазона, отражающихся от слоя F₂ и дважды пересекающих нижележащие слои.

Рис. 2.1. Коэффициент отражения |R( ^ )| при наклонном падении волны на границу раздела воздух - влажная почва с е ’=10, а = 0,01 См/м для длин волны X = 10, 50 и 100 (м) в двухмерной системе координат

Общий интегральный коэффициент поглощения а = е^ Г представляет собой сумму частных интегральных коэффициентов поглощения в слоях D, E, F₁ , через которые проходит волна, и в слое F₂ , от которого волна отражается.

Расчет полного коэффициента поглощения Г в произведен по методу Казанцева. При отражении от слоя F₂ полный коэффициент поглощения Г на частоте излучения передатчика f определяется по критическим частотам слоя f₀Е выражения (2) [1, 2, 3]

3 ■ ( f о E )²       ₊     2,5 ■ ( f , E )²      ₊

⁽ f + ^fL ⁾² ■ COS⁽ ^ D )  ⁽ f + ^f _L ⁾² ■ COS⁽ ^ _£ )

+

0,4 ■ ( f о E )²

^{( f} + ^f L ⁾² ■ ^COs( V f 1 )

+ 0,02 ■ f ² ■ gos³( ^ f 2 )

, (2)

где: ф D , ф E , ф F1 - углы наклонного падения волны на границу слоев D, E F1 , известные по результатам расчета ^ ; f_L~1 МГц - продольная составляющая гиромагнитной частоты.

График ослабления сигнала на КВ радиотрассе в зависимости от угла наклона траектории ф , частоты связи f и интегрального коэффициента поглощения в ионосфере а = е^— имеет вид, показанный на рис. 3.1 и 3.2.

Рис. 2.2. Пространственный коэффициент отражения |R(и)| при падении волны на границу воздух - влажная почва с е ‘=10, а = 0,01 См/м для длины волны X = 50 (м) в трехмерной системе координат

Рис. 3.2. Пространственное ослабление сигнала на частоте связи f = 7 МГц в зависимости от угла наклона траектории ф и интегрального коэффициента поглощения в ионосфере а =е^-Г в трехмерной системе координат

на КВ радиотрассе в зависимости от угла наклона траектории ц, частоты связи f и интегрального коэффициента поглощения в ионосфере а =е - в двухмерной системе координат

Совершенствование типовой методики расчета уровня напряженности ЭМП на территории региона проведено в следующих направлениях:

• -    оценка уровня ЭМП от передатчика производится на разных частотах связи, с антенной, имеющей соответствующие характеристики диаграмм направленности, на односкачковой радиотрассе n = 1 на всей территории региона;

• -    результаты расчета изображаются графиками в двухмерной и трехмерной системах координат, имеющими высокую наглядность представления результатов;

• -    уровни напряженности ЭМП на территории региона представляются с топографической картой как итоговый документ.

Реализуя цели исследований территория региона аппроксимируется прямоугольником, на котором с требуемым шагом дискретизации dx (км) для всех точек региона i, j по формуле (1) проводится расчет напряженности поля Ei,j от радиопередающего устройства. Передающее устройство “размещается” на ситуационном плане региона с учетом его географического положения io, jo. Для него задаются необходимые энергетические параметры и характеристики: тип антен- ны, частоты связи, диаграммы направленности антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях Dw(0) и Dg(a ) и указывается азимут максимума излучения.

Характеристики диаграмм направленности антенны Dw(0) и Dg(а ) могут задаваться либо массивами данных с последующим их сглаживанием методом кубичных сплайнов, либо определяются расчетным путем [5, 6].

На рис. 4 показана принятая система представления данных для проведения расчетов.

С учетом сферичности земли угол падения волны на ионосферу ф.. определяется выражением [1,2]

tg ⁽Ф ) =

Z ■ sin( ^i j) hd + Z + Z ■ cos( у i j) ’ в котором hd – действующая высота отражения; Z - радиус земли в (км); у i. = d.j км/222,4 - геоцентрический угол; di,j км – протяженность радиотрассы.

Рис. 4. Принятая система представления данных для проведения расчетов

Рис. 5. Характеристики диаграмм направленности антенны “Диполь” в вертикальной и горизонтальной плоскостях на частоте связи f = 5 (сплошная линия), 7(штрих-пунктирная) и 10 МГц (пунктирная линия)

255      ₂₇₀      285

255      ₂₇₀      285

Угол возвышения (или прихода волны) [1, 2, 3] определяется из выражения cost'//. j)

tg ⁽⁶м) =

z z ■ h

^sin( V_M )

Для трассы из n скачков при определении геоцентрического угла расстояние берется в n раз меньше, т.е.

V^ = d j км /(222,4*п).

При протяженности трасс свыше 1000 км закон секанса требует учета сферичности Земли и ионосферы, что осуществляется поправочным коэффициентом k_s , произведение которого на sec( ф i. ) называют исправленным секансом

^Se c ^{( ф} _Ц) испр = V^Se c ^{( ф} ij ).

В качестве примера использования автоматизированной методики проведения расчетов уровней ЭМП на территории региона рассмотрим расчет напряженности электромагнитного поля Е_с при ионосферном односкачковом распространении радиоволн для системы КВ радиосвязи. Для получения картины напряженности ЭМП на радиотрассах до 3000 км размеры региона выбраны 2200 х 1600 км, шаг дискретизации

Рис. 6.1. Распределение уровня электромагнитного поля на f = 5 МГц от передатчика, работающего на антенну “Диполь” в двухмерной системе координат расчетов dx = 100 км. Мощность передатчика пункта управления воздушным движением полагаем равной Ра = 1000 Вт. В качестве передающей используется антенна “Диполь”Д2х 15 с высотой подвеса h=14 м. Характеристики диаграмм направленности (ХДН) антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях показаны на рис. 5. на частоте связи f = 5 МГц (сплошная линия), 7 МГц (штрих-пунктирная) и 10 МГц (пунктирная линия) (см. данные рис. 3.1).

На рис. 6.1 представлены результаты расчетов распределения уровня электромагнитного поля на частоте f = 5 МГц в двухмерной системе координат. Передатчик на плане региона имеет координаты i₀ dx = 700 км, j₀ dx = 900 км при шаге дискретизации dx = 100 км и работает на антенну “Диполь”, имеющую азимут максимума диаграммы направленности А = 106^o .

На рис. 6.2 те же данные представлены в трехмерной системе координат.

Из рисунков видно, что максимальные уровни сигнала на частоте связи f = 7 МГц при угле возвышения максимума характеристики диаграммы направленности (ХДН) антенны в вертикальной плоскости х =58 o удалены от передатчика на расстояния, примерно равное 300 км.

Территории региона, на которых уровень сигнала имеет значение, близкое к максимальному,

Рис. 6.2. Распределение уровня электромагнитного поля на на f = 5 МГц в трехмерной системе координат

Рис. 7.1. Распределение уровня ЭМП на f = 7 МГц от передатчика, работающего на антенну “Диполь” в двухмерной системе координат

Рис. 7.2. Распределение уровня электромагнитного поля на f = 7 МГц в трехмерной системе координат

имеют форму неправильной окружности размером 250 х 250 км. По рисунку можно определить зоны уверенного приема сигнала и зоны, в пределах которых прием первого луча невозможен.

На рис. 7.1 представлены аналогичные результаты расчетов уровня поля на f = 7 МГц в двухмерной, а на рис. 7.2 в трехмерной системе координат.

Из рисунков видно, что максимальные уровни сигнала на втором скачке удалены от передатчика на расстояния, примерно равные 400 км. Территории региона, на которых уровень сигнала близок к максимальному значению, имеют форму неправильной окружности размером 300 х 300 км.

На рис. 8.1 и 8.2 представлены результаты расчетов распределения уровня электромагнитного поля на частоте f = 10 МГц радиотрассы в двухмерной и трехмерной системах координат.

Из рисунков видно, что максимальные уровни сигнала на частоте f = 10 МГц удалены от передатчика на расстояние, примерно равное 600 км. Территории региона, на которых уровень сигнала близок к максимальному значению, имеют форму неправильной окружности размером 400 х 400 км.

Данные о напряженности электромагнитного поля на территории региона на различных частотах, представленные на рис. 6.1 – 8.2, име- ют самостоятельный интерес, позволяющий оценить конфигурацию, размер и уровень сигнала для разных частот связи. Результаты расчетов, представленные в топографической системе координат, могут быть совмещены с картой региона и распечатаны как итоговый документ. Анализ таких рисунков позволяет оценить конфигурацию и размеры зон региона, в пределах которых прием сигнала возможен с требуемым качеством, в каких зонах прием еще возможен и выделить зоны отсутствия связи.

В качестве примера использования автоматизированной методики проведения расчета уровней ЭМП на рис. 9 показаны результаты территориального распределения уровней ЭМП на территории региона Европейской части России. Территория региона аппроксимируется прямоугольником размерами 2200 х 1600 км с шагом дискретизации dx = 100 км.

Передатчик “размещен” в районе г. Москва, имеет мощность Ра=1000 Вт, расчет проведен для антенны “Диполь” Д2 х 15 с высотой подвеса h=14 м. Коэффициент усиления антенны определяется в соответствии с параметрами антенны для частоты f = 7 МГц и равен G₁= 6 дБ , ослабление сигнала на радиотрассе проведено по типовым

Рис. 8.1. Распределение уровня электромагнитного поля на частоте f = 10 МГц от передатчика, работающего на антенну “Диполь” в двухмерной системе координат

Рис. 8.2. Распределение уровня электромагнитного поля на частоте f = 10 МГц в трехмерной системе координат

Рис. 9. Результаты расчета напряженности электромагнитного поля на территории региона от передатчика радиостанции средней мощности, работающего из района г. Москва на антенну “Диполь”

данным радиопрогнозов и параметрам подстилающей поверхности. Ионосфера полагается сферически однородной в пределах региона.

Рисунок получен совмещением данных результатов расчета напряженности поля на территории региона и карты этого региона соответствующего масштаба.

Из рисунка видно, что пространственная картина расположения максимумов напряженности электромагнитного поля для радиотрассы на территории региона имеет форму двух неправильных окружностей соответствующих характеристике диаграммы направленности антенны “Диполь” в горизонтальной плоскости. Максимумы напряженности поля расположены севернее 200 км г. Смоленск и южнее 20 км г. Нижний Новгород, удалены от радиопередающего устройства на расстояние, примерно равное 500 км и имеют размеры 350 х 400 км.

Разработанная методика позволяет провести расчеты для других радиопередающих устройств, произвольно размещенных на территории любого региона и работающих на любые типы антенн. Полученные данные о территориальном распределении уровней электромагнитного поля можно использовать на этапах планирования организации и обеспечения КВ радиосвязи между пунктами управления воздушным движением и магистральными самолетами ГА, а также для ее улучшения путем формулирования рекомендаций и предложений по выбору лучших для связи антенн, коррекции их характеристик диаграмм направленности, изменения мощности передатчиков и др. Кроме того, по результатам расчетов можно определить те зоны региона, в пределах которых прием сигналов воздушными судами будет невозможен.