Выбор оптимальной точки размещения радиотелевизионной передающей станции

Основной проблемой при проектировании сети наземного телевизионного (ТВ) и звукового (ЗВ) вещания является определение действительной зоны обслуживания радиотелевизионной передающей станции (РТПС)

[1–6]. Только определив зоны обслуживания и зоны тени, можно оптимально разместить передающие станции, что сократит расходы не только на строительство новых станций, но и на их обслуживание.

Для вычисления зоны обслуживания и зоны тени необходимы следующие данные: высота подвеса передающей антенны над уровнем земли h ₁; мощность передатчика; усиление передающей антенны G _пд; КПД фидера передающего устройства п _пд; несущая частота передатчика f ; минимальная напряженность поля принимаемого сигнала E _мин; кривые МСЭ-Р для определения напряженности поля; географические координаты места установки антенной опоры; географическая информационная система (ГИС) региона.

Все расчеты производятся по профилям интервалов. Профиль интервала отображает вертикальный разрез местности между передающей и приемной антеннами по какому-либо направлению. При построении профиля интервала приемная антенна высотой h ₂ = 10 м [5] располагается на расстоянии прямой видимости от передающей антенны РТПС. Количество направлений (через равное количество градусов) определяет точность определения параметров РТПС.

Исходные данные. Для решения поставленной задачи – оптимизации местоположения РТПС – необходимо определить радиусы зоны вещания РТПС в каждом из направлений. Для определения радиуса зоны вещания, с учетом приведенных выше данных, необходимо рассчитать напряженность поля сигнала, для которого на границе зоны вещания должно выполняться условие

E c = E мин ,                    (1)

где E _мин – минимальная напряженность поля сигнала в точке расположения антенны приемника, при которой обеспечивается удовлетворительное качество изображения, при отсутствии помех от других станций, дБмкВ/м; E _с – напряженности поля сигнала в рассматриваемой точке, дБмкВ/м. Напряженность поля сигнала Е _с( R , h ₁, f ) в точке на расстоянии от передатчика определяется выражением

E c ( R , h i , f ) = E ( 50,50, R , h 1эф , f ) + P ™, (2) где Е _с(50, 50, R , h ₁, f ) – медианное значение напряженности поля, определяемое по кривым, полученным экспериментальным путем и рекомендованным МСЭ-Р для: излучаемой мощности P _изл = 1кВт; высоты приемной антенны h ₂ = 10 м; эффективной высоты передающей антенны h _1эф; заданной частоты f [3]; T – процент времени наблюдений, равный 50 % для поля полезного передатчика; L – процент мест приема, равный 50 % для поля полезного передатчика; P _изл = P пд + G пд + п _пд — излучаемая мощность передающей станции, дБкВт; P _пд – мощность передатчика, дБкВт; G _пд – коэффициент усиления передающей антенны относительно полуволнового диполя, дБд; П _пд — потери в фидере, дБ.

Эффективная высота подвеса передающей антенны h1эф определяется из выражения hiэф = hi + (he0 — zср ),                (3)

где z _ср – среднее значение высотных отметок местности на профиле интервала на расстоянии от 3 до 15 км от передающей антенны в сторону точки приема; h_{e 0} – высотная отметка местности в точке расположения передающей антенны.

Среднее значение высотных отметок местности zср определяется из выражения z ср = Z heife i.                  (4)

i = 3     I

Известно [1], что радиоволны I…V диапазонов (диапазон частот от 47 до 960 МГц) распространяются в зоне прямой видимости R _пр. Поэтому считается, что радиус зоны вещания ограничивается приблизительно предельным расстоянием прямой видимости. Это объясняется тем, что за радиогоризонтом довольно резко понижается качество приема вследствие заметного замирания сигнала, связанного с наличием отраженных сигналов от тропосферы. Поэтому радиус зоны вещания R _з передающей вещательной станции примем равным расстоянию прямой видимости R _з = R _пр. Расстояние прямой видимости с учетом рефракции радиоволн рассчитывается по формуле

R пр « 4,12 • ( 4h i + hh ) ) км,             (5)

где h ₁ и h ₂ – подставляются в метрах.

Передающая станция должна иметь такую необходимую излучаемую мощность P _{изл. необх} которая обеспечивает минимальную напряженность поля на расстоянии прямой видимости при R _з = R _пр:

Е с ( h i , R з , f ) = E мин = Е с = ( 50,50, h i , R ₃ , f ) + P^ . н^ . (6)

Из (6) можно определить необходимую излучаемую мощность передающей станции, при которой обеспечивается минимальная напряженность поля на границе зоны вещания:

Р изл. необх = E мин — E c ( 50,50, h i , R з , f ) .         (7)

Если внутри зоны вещания выполняются следующие условия:

E с ( 50, R ) > E мин ,

то такие области относятся к зоне обслуживания.

Если же внутри зоны вещания выполняются следую- щие условия:

[ R < R, з                                (9)

[ Eс (50, R )< Eмин, то такие области относятся к зонам тени.

Поскольку кривые МСЭ-Р получены на основе усреднения результатов многочисленных измерений, то ими нельзя пользоваться для определения зон обслуживания и тени. Из проведенных выражений следует, что для определения зоны обслуживания и тени необходимо использовать профили интервалов, построенных в разных направлениях от места расположения РТПС. При этом расчет напряженности поля производится путем расчета множителя ослабления поля свободного пространства по методике принятой в радиорелейных линиях связи [7; 8].

Расчет множителя ослабления с использованием профилей интервалов. Медианный множитель ослабления поля свободного пространства V (50) показывает, на сколько уменьшается напряженность поля сигнала для 50 % времени с учетом реальных условий распространения радиоволн E ₀, по сравнению с их распространением в свободном пространстве:

V ( 50, R ) = E ^{с ( 5}.^0, R ) .               (10)

(     )    E0 (R)

В соответствии с (10) напряженность поля сигнала в месте приема E _с(50, R ) определяется из выражения

E с ( 50, R ) = E ₀ ( R ) + V ( 50, R ) , дБмкВ/м. (11)

Напряженность поля сигнала в свободном пространстве E _с( R ) в (11) рассчитывае тся по ф ормуле

E о ( R ) = ^V' ''.              (12)

Таким образом, для определения медианной напряженности поля сигнала в соответствии с формулой (11) необходимо определить медианной значение множителя ослабления V (50, R ) с использованием профилей интервалов.

Расстояние от точки отражения до линии, соединяющей передающую и приемную антенны, называется просветом H . Для классификации интервалов вводится минимальная величина просвета H ₀, при котором множитель ослабления V = 1:

H 0

R -X- к ( 1 - к ) м,

где R - протяженность интервала, м; X - длина волны, м; k = R ₁/ R – относительная координата точки отражения.

В зависимости от соотношения величин просветов H и H 0 интервалы подразделяются на открытые H >  H 0 ; полуоткрытые 0 <  H < H 0 ; и закрытые H <  0.

Открытые интервалы. На открытых интервалах имеется прямая видимость между антеннами и в точку приема приходят прямой и отраженный лучи. В приемной антенне происходит интерференция этих волн, множитель ослабления рассчитывается по формуле [2; 7; 8]

V ( 50, R ) = 10lg

где | Ф | – модуль коэффициента отражения волны от земной поверхности; A r = r о _т р - r _п р - разность хода отраженной и прямой волн.

При распространении радиоволн над ровной земной поверхностью

A r = 2 hh 2 .               (15)

R Полузакрытые и закрытые интервалы. Такие виды интервалов рассматриваются вместе, так как для них справедлива одинаковая зависимость множителя ослабления от величины просвета. На таких интервалах отсутствует прямая видимость между антеннами, и прямой луч экранируется препятствием. Для упрощения расчета множителя ослабления экранирующее препятствие на интервале представляют в виде сферы или клина.

Препятствия в виде сферы или клина характеризуются высотой H и шириной rb, по которым рассчитывается параметр µ:

ц = 2 -

к ² ( 1 - к ) ²

V ( rb/R ) 2

Величина множителя ослабления на рассматриваемых интервалах при H = 0, когда линия, соединяющая антенны, касается экранирующего препятствия, равна, дБ [2]

V = 6 -

при ц > 0,5,

V 0 = 100-ц-78,при ц< 0,5.

По найденным значениям V ₀ из формулы (17), H ₀ из формулы (14) и определенной величине просвета H , м, на интервале, можно определить медианное значение множителя ослабления V (50), дБ:

V ( 50, R ) = V [1 - ( HH 0 ) ]. (18)

Оптимизация местоположения РТПС. Полученные выше соотношения позволяют определить на каждом из интервалов (лучей) элементарные участки протяженностью A R , которые относятся к зоне обслуживания A R _{э обсл} при выполнении условия (8); к зоне тени AR э тени при выполнении условия (9) [6]. Протяженность элементарного участка A R , определяет точность, с которой осуществляется расчет зон обслуживания и тени. В соответствии с формулами расчета множителя ослабления с использованием профилей интервалов, условия, при которых элементарный участок на профиле i -го интервала (луча) можно отнести к зоне обслуживания, определяется функцией

A R эобсл i = ф[ R <  R i ;E с ( 50, R ) = E 0 ( R ) > E _мин ] ; (19) V ( 50, R ) = 1; H >  H ₀.

В соответствии с теми же формулами второго раздела условия, при которых элементарный участок на профиле i -го интервала (луча) можно отнести к зоне тени, определяется функцией

^{A R} э тени i ^UX

X

R <  R i ;E c ( 50, R ) = E 0 ( R ) + + V ( 50, R ) < E м_ИН ; H <  H 0 ;

V ( 50, R ) = V ₀ + ( 1 + H / H 0 ) .

Обозначим расстояние между соседними лучами через A R Необходимо учесть, что это расстояние увеличивается по мере увеличения расстояния от передающей станции. Тогда, с учетом формул (19) и (20), можно определить площадь зон обслуживания и тени по каждому из i лучей:

5 обсл i = Z M , , A R э обслj■ A R м_Л ,          (21)

S тени i = ^ _к =1 ^ R э тени к ^- ^ R мл ,           ⁽²²⁾

где M – количество элементарных обслуживаемых участков; K – количество элементарных необслуживаемых (теневых) участков.

Общую зону обслуживания и тени РТПС можно найти путем суммирования зон обслуживания и тени по всем i лучам

S обсл РТПС = ^ i _{= 1} ^ j _{= 1} (^{A R} обсл j ■ ^AR мл ) i , ⁽²³⁾

S тени РТПС = ^ i =1 ^ _к =1 ^{( A} R э тени к ^{- A R} mh ) i ^{. (24)}

На основе формул (19)–(24) разработана автоматизированная система определения зон обслуживания и тени РТПС с использованием ГИС.

Пример расчета автоматизированной системой зон вещания, обслуживания и тени РТПС приведен на рис. 1.

С использованием разработанной автоматизированной системы проводится оптимизация местоположения РТПС. Суть такой оптимизации заключается в том, что в окрестности предполагаемого или существующего мес- тоположения РТПС выбирается несколько наиболее высоких точек рельефа местности. При заданной высоте подвеса передающей станции h1 для каждой из этих точек по формулам (23) и (24) определяются зоны обслуживания Sl обсл РТПС и зоны тени Sl тени РТПС.

За основу при проведении оптимизации местоположения РТПС целесообразно выбрать ее максимальную зону вещания, которая определяется для гладкой сферической земли, т. е. без учета рельефа местности

S макс =п R з ² = п R _п ² р .             (25)

Максимальная зона вещания РТПС одинакова для всех рассматриваемых точек расположения, поэтому оптимальной точкой местоположения РТПС будет та l- я точка, в которой выполняется условие

A S , = п R ²пр -

Г Х «S " . ( A R эоб- , -А » мл ) , -_-

₃— Х ,N 1 Х ^K ₌₁ ( ^{A R} э тени к ■ A R мл ) , ^ МИН _у

Зона вещания РТПС S _вещ определяется с учетом реального рельефа местности, из-за которого радиус зоны

вещания уменьшается относительно его максимального значения, равного расстоянию прямой видимости.

Результаты эксперимента. С использованием изложенной методики, для г. Ленинск-Кузнецкого были выбраны пять различных точек расположения РТПС и для них с помощью автоматизированной системы проведены расчеты зон вещания, обслуживания и тени, квадратные километры. Для каждой точки определены северная широта N , градусов, восточная долгота W , градусов и высота He , метров над уровнем моря. Результаты расчетов для одной из точек приведены в таблице.

Зависимости S _вещ/ S _макс и S _обсл/ S _вещ от высоты подвеса передающей антенны приведены на рис. 2 и 3.

Наиболее удачной точкой расположения РТПС является точка 1 (рис. 2), так как в ней наиболее полно используются энергетические параметры станции – площадь зоны вещания составляет 90–97 % от максимально возможной площади. Наиболее удачной точкой расположения РТПС согласно рис. 3 также является точка 1, так как в ней наибольшая из всех точек расположения зона обслуживания от 51 до 58 % площади зоны вещания для высот подвеса передающей антенны до 200 м.

Результаты расчетов зон вещания, тени и обслуживания для первой точки

1 точка	N : 53,83	W : 87,28	He : 413
h 1, м	75,00	150,00	300,00
зоны вещ	7 228,08	12 425,51	20 220,35
тени	3 040,98	5 936,16	10 215,05
S макс	7 453,64	12 662,90	22 372,86
S обслуж	4 187,10	6 489,35	10 005,30
S макс – S обсл	3 266,54	6 173,55	12 367,56
S обсл/ S макс	0,56	0,51	0,45
S обсл/ S вещ	0,58	0,52	0,49
S вещ/ S макс	0,97	0,98	0,90

Рис. 1

Таким образом, разработаны методика определения зон обслуживания и зон тени радиотелевизионной передающей станции и автоматизированная система с использованием географической информационной системы для расчета этих зон. Приведен пример определения оптимального местоположения РТПС. Разработанные методика и автоматизированная система позволяют выбрать оптимальное местоположение и оптимизировать технические параметры реконструируемых и вновь вводимых РТПС, что значительно улучшает их технико-экономические показатели. Проведенные исследования являются актуальными в связи с переходом России на цифровое телевизионное вещание, в процессе которого возникает необходимость в реконструкции действующих и установки новых станций.