Влияние тропосферной рефракции на распространение радиоволн Искривление траектории радиолуча в тропосфере

Радиолуч, проходя через нижний (неионизированный) слой атмосферы, претерпевает отклонение, вызванное наличием градиента индекса рефракции. Поскольку величина индекса рефракции меняется главным образом по высоте, то, как правило, рассматривают только его вертикальный градиент. Поэтому кривизна луча в точке происходит в вертикальной плоскости и выражается уравнением:

, (1)

где:

 : радиус кривизны траектории луча;

n : индекс рефракции в атмосфере; связь с ε -

dn/dh : вертикальный градиент индекса рефракции;

h : высота точки над поверхностью Земли;

 : угол траектории луча относительно горизонтальной плоскости в рассматриваемой точке.

Такая кривизна луча определяется как положительная, если отклонение луча направлено к поверхности Земли. Это явление фактически не зависит от частоты, если на расстоянии, равном длине волны, градиент индекса рефракции меняется незначительно.

Эквивалентный радиус Земли

Если трасса является почти горизонтальной, величина  близка к нулю. Однако, так как n очень близок к единице, уравнение (1) упрощается следующим образом:

(2)

Поэтому очевидно, что если вертикальный градиент является постоянным, то траектории представляют собой дуги круга.

Если высотный профиль изменения рефракции линеен, то есть градиент рефракции остается постоянным вдоль траектории луча, возможно преобразование, которое позволяет рассматривать распространение как прямолинейное. Это преобразование предполагает, что распространение происходит над гипотетической Землей с эквивалентным радиусом R_e  k a, при:

, (3)

где a – фактический радиус Земли, а k – коэффициент эквивалентного радиуса Земли (k-фактор). В результате такого геометрического преобразования траектории лучей становятся линейными независимо от угла места.

Строго говоря, градиент рефракции остается постоянным, только если трасса горизонтальна. На практике для высот менее 1000 м экспоненциальную модель усредненного профиля индекса рефракции (см. Рекомендацию МСЭ-R P.453) можно заменить линейной. При этом k  4/3.

Список литературы

1.Основы управления использованием радиочастотного спектра / Под ред. М.А. Быховского. – М.: Красанд, 2011.

1/1: Том 1: Международная и национальная системы управления РЧС. Радиоконтроль и радионадзор. — 152 c. – 340c.

1/2: Том 2: Обеспечение электромагнитной совместимости радиосистем. – 552c.

1/3: Том 3: Частотное планирование сетей телерадиовещания и подвижной связи. Автоматизация управления использованием радиочастотного спектра. – 368 c.

2. Управление РЧС и ЭМС радиосистем / Под ред. М.А. Быховского. – М.: Эко-Трендз , 2006.

Пр. 3. Регламент радиосвязи. Тома 1-4. – Женева, МСЭ, 20010.

4. Регламент радиосвязи Российской Федерации -- М.: Радио и связь, 1991(2).

5б. ГОСТ Р 50397-92 (ГОСТ 50372-95) “Совместимость технических средств электромагнитная”. – М.: Стандарты и качество.1995 содержание

5a. ГОСТ Р 50842-95 (ГОСТ 50016-95) Совместимость радиоэлектронных средств электромагнитная. Устройства радиопередающие народнохозяйственного применения. Требования к побочным радиоизлучениям. Методы измерения и контроля. – М.: Стандарты и качество.1995

6. Нормы на ширину полос радиочастот и внеполосные излучения радиопередатчиков гражданского применения. – М.: ГКРЧ, 2005. Не 2002?

7. C.В. Бородич. ЭМС наземных и космических служб. -- М.: Радио и связь, 1990.

8. А.И. Калинин. Распространение радиоволн на трассах наземных и космических радиолиний. -- М.: Cвязь, 1979, 296c.

9. Электромагнитная совместимость систем спутниковой связи. Под ред.Л.Я. Кантора и В.В. Ноздрина.-- М.: НИИР, 2009

10. Cорокин А.С., Cорокин Г.И. Методы расчета и обеспечения ЭМС систем радиосвязи в общих полосах частот. Учебное пособие / МТУСИ . – М., 2011, 51с.

11. Бадалов А.Л. Нормы на параметры ЭМС РЭС. -- М.: Радио и связь, 1990.

12. Сорокин А.С., Сорокин Г.И. Технические основы анализа ЭМС РЭС. Учебное пособие/МТУСИ.-М., 2013.-54 с.

13. Системы радиосвязи. Учебник / Калашников Н.И., Крупицкий Э.И., Дороднов И.Л., Носов В.И; Под ред. Калашникова Н.И., − М.: Радио и связь, 1988.

14. Е.И. Егоров, Н.И. Калашников Н.И., А.С. Михайлов. Использование радиочастотного спектра и радиопомехи. − М.: Радио и связь, 1981.

16. Буга Н.Н., Канторович В.Я., Носов В.И. “Электромагнитная совместимость РЭС”. М.:Радио и Связь, 1993. . [Учеб. пособие для вузов по спец. "Многоканал. электросвязь", "Радиосвязь, радиовещание и телевидение" и по направлению "Телекоммуникации" базового высш. образования] / Н. Н. Буга, В. Я. Конторович, В. И. Носов; 240,[1] с. ил. 21 см; М. Радио и связь 1993]

17. А.с. №843255 СССР. Устройство для компенсации помех при приеме сигналов с частотной модуляцией / Н.И.Калашников, И.В.Терентьев. -- Опубл. 1981, Бюл.№24; А.с. №809600 СССР. Устройство для компенсации помех при приеме фазомодулированных сигналов / Н.И.Калашников, И.В.Терентьев. -- Опубл. 1981, Бюл.№8 Калашников Н.И., Пустовойтов Е.Л., Терентьев И.В. Авторское свидетельство №793311 "Устройство подавления помех при приеме сигналов с частотной модуляцией". Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений СССР 1 сентября 1980.

18. Справочник по управлению использованием спектра на национальном уровне, МСЭ, 1995.

19. Ю.С.Горшкова, С.А. Деревянко, C.В. Севостьянов, А.Г.Тарасенко. К методике оценки ЭМС РЭС, размещенных в локальных группировках и на радиотехнических объектах. Труды НИИР, 2012г, №5.

20. Приложение 8 Регламента радиосвязи. Метод определения необходимости координации между геостационарными спутниковыми сетями, совместно ис-пользующими одни и те же полосы частот. – Женева: БР МСЭ, 2008.

21. Рекомендация МСЭ-R P.452-14 (10/2009). Процедура прогнозирования для оценки помех между станциями, находящимися на поверхности Земли, на частотах выше приблизительно 0,1 ГГц .

22. Системы спутниковой связи с эллиптическими орбитами”. М, Глобсатком, 2010. П/ред. Камнева Е.Ф. (Камнев Е.Ф., Аболиц А.И., Акимов А.А., Белов А.С., Бобков В.Ю., Пелехатый М.И.), 724 стр.

23. Е.Л. Пустовойтов. Метод анализа влияния мешающего радиосигнала на приемник цифровой системы радиосвязи при известных законах распределения быстрых и медленных замираний полезного и мешающего радиосигналов. Восьмая отраслевая научно-техническая конференция «Технологии информационного общества» . – Москва, 21.02.2014

24. Пустовойтов Е.Л, Евстратов А.Г. Расчет влияния мешающего радиосигнала на приемник цифровой системы радиосвязи при известных законах распределения быстрых и медленных замираний полезного и мешающего радиосигналов. Восьмая отраслевая научно-техническая конференция «Технологии информационного общества» . – Москва, 21.02.2014 -- потом заменить на журн. статьи!

25. Б.Р. Левин. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга первая. М.- Советское радио, 1966г.

Приложение 4

Общие сведения о расчетно-программном комплексе РАКУРС для управления радиочастотным спектром

Программный комплекс РАКУРС (Расчетно-Аналитический Комплекс для целей Управления Радиочастотным Спектром) создан специалистами Центра Анализа ЭМС ФГУП НИИР и в настоящее время успешно эксплуатируется. РАКУРС предназначен для решения задач управления радиочастотным спектром в интересах радиовещательной службы (аналогового и цифрового телевизионного и звукового радиовещания в диапазонах ОВЧ и УВЧ) на национальном уровне. Комплекс применяется для экспертизы частотных присвоений (как аналоговых, так и цифровых) и частотных выделений, разработки рекомендаций по выбору частотных каналов для новых или модифицируемых частотных присвоений и выделений и для учета таких присвоений и выделений. Кроме того, комплекс широко используется для решения задач по приграничной двусторонней и многосторонней координации частотных присвоений и выделений и регистрации их в Международном Союзе Электросвязи (МСЭ).

РАКУРС является третьим поколением национальной автоматизированной системы экспертизы, назначения и учета частотных присвоений ТВ и ОВЧ ЧМ станциям и частотным выделениям. Первая подобная система была разработана в конце 70-х годов коллективом специалистов ФГУП НИИР. Система предназначалась для частотного планирования аналогового ТВ радиовещания. Программирование было осуществлено специалистами существовавшего тогда Главного вычислительного центра Минсвязи СССР.

Программный комплекс РАКУРС работает на операционных системах и поддерживающий работу с Системой Управления Базой Данных (СУБД) в режиме «клиент-сервер». Основой базы данных программного комплекса является реляционная СУБД Informix. В программном комплексе реализован автоматизированный расчет условий распространения радиоволн на базе цифровой топографической карты и учтены все новейшие рекомендаций МСЭ-Р. Сфера использования системы расширена на цифровое телевизионное и звуковое вещание, и поэтому в систему включены новые критерии и процедуры частотно-территориального планирования.

При разработке комплекса стояла задача сделать его максимально гибким, не требующим изменений программного обеспечения при изменении исходных данных частотного планирования, таких как, например, табулированные кривые распространения, распределение служб по полосам частот, стандарты и частоты аналогового ТВ вещания и DVB-T2 вещания, минимальные используемые напряженности поля, защитные отношения, координационные расстояния. Поэтому помимо записей о передающих станциях и частотных аналоговых и цифровых присвоениях и частотных выделениях база данных содержит большое количество электронных справочников параметров частотного планирования. Данные в этих справочниках при необходимости легко могут быть изменены.

Структура и принцип построения комплекса.

Обобщенная блок-схема комплекса показана на рис. Пр.4.1. Важной частью программного комплекса РАКУРС является подсистема сбора, хранения, поиска и обработки больших объемов информации. В рамках комплекса создана база данных и программное обеспечение для поддержания целостности данных, выполнения административных функций, ввода и корректировки информации в базе данных, поиска и систематизации информации. База данных аналоговых и цифровых телевизионных и звуковых радиовещательных станции России и сопредельных государств, имеющаяся в ФГУП НИИР, насчитывает на данный момент более 120 тысяч записей. Эта база содержит информацию об учетных и технических характеристиках частотных присвоений (в двух видах – международное/внутреннее состояние радиочастотной заявки и станции), о типах и технических характеристиках оборудования, о синхронных сетях цифрового вещания и т.д. Программно объем базы данных не ограничен, технически он ограничен только характеристиками сервера.

Программный комплекс разработан на основе модели «клиент-сервер» и поддерживает связь пользователей с сервером через локальную сеть. Благодаря этому РАКУРС обеспечивает одновременную работу многих специалистов, занятых анализом электромагнитной совместимости, разработкой рекомендаций по оптимальным частотным присвоениям и работами по международно-правовой защите. В процессе эксплуатации комплекса в Центра Анализа ЭМС ФГУП НИИР с ним одновременно работают до 30 пользователей, но это не является пределом: возможности комплекса ограничены лишь техническими характеристиками сервера и локальной сети.

К достоинствам программы можно отнести её многопользовательскую организацию работы – рисунок Пр. 4.2 . Серверная часть комплекса отвечает за хранение и поддержку баз данных, а также за разграничение доступа к ресурсам. А клиентские станции, работающие с сервером, выполняют расчеты, операции ввода и вывода данных, визуализацию расчетов.

На сервере также хранятся картографические базы данных. Пользователь может выбрать самостоятельно ту карту, с которой он будет работать (Panorama, SRTM, COCOT, Globe).

В программном комплексе имеется подсистема формирования отчетов, которая функционирует и как часть основного программного модуля, и как отдельная компонента. Подсистема отчетов позволяет формировать любые справки из базы данных, предоставляя при этом удобный и достаточно простой интерфейс и большую свободу действий пользователю. Типовые отчетные формы заполняются автоматически. Комплекс обладает возможностью создания других необходимых отчетных форм самим пользователем по его желанию.

Основы расчетных программ.

Программный комплекс Ракурс позволяет проводить частотно-территориальное планирование. РАКУРС разработан в соответствии с рекомендациями МСЭ-Р и международными соглашениями, регламентирующими технические критерии и методики частотного планирования и многосторонней координации. Все исходные данные для частотного планирования, такие как, например, стандарты и частоты вещания, минимальные используемые напряженности поля, защитные отношения, пространственные развязки, взяты из рекомендаций МСЭ-Р, утвержденных методик расчета совместимости служб наземного вещания.

В основе всех расчетов лежит вычисление напряженности поля, создаваемого передающей станцией в заданной точке местности. В программном комплексе реализованы несколько методик такого расчета: первая соответствует рекомендации P.370, вторая - рекомендации P.1546, третья – рекомендации Р.1811.

Рис. Пр. 4.1 Обобщенная блок-схема комплекса РАКУРС.

Рис. Пр. 4.2 Структура программного комплекса.

Согласно рекомендации P.370 напряженность поля в полосах частот аналоговых ТВ и ОВЧ ЧМ радиовещания 30 - 250 МГц и 450 – 1000 МГц рассчитывается по табулированным кривым распространения радиоволн. Рекомендация Р.1546 и Р.1812 позволяет производить расчеты на любой частоте в пределах сплошной полосы 30 – 3 000 МГц и поэтому система позволяет проводить анализ ЭМС не только для радиовещания, но и для других радиослужб, в том числе и тех, которые используют радиовещательные полосы частот на совместной основе, например, сухопутная подвижная служба.

Возможности программного комплекса РАКУРС:

• -База данных и программное обеспечение для поддержания целостности данных, выполнения административных функций, ввода и корректировки информации в базе данных, поиска и систематизации информации. База данных содержит информацию об учетных и технических характеристиках частотных присвоений и выделений (в двух видах – международное/внутреннее состояние радиочастотной заявки и станции), о типах и технических характеристиках оборудования, о синхронных сетях цифрового вещания и т.д.

• - Подключение динамических библиотек рекомендаций и картографического материала.

• - Представление результатов расчетов в форматах программного обеспечения МСЭ, редакторах Microsoft Office, Google Earth.

• - Графическое представление результатов расчетов и составление подробных отчетов при расчете ЭМС.

• - Разработка частотных планов для наземного цифрового телерадиовещания, в том числе одночастотных SFN и многочастотных MFN сетей.

• - Расчеты ЭМС вещательной службы и присвоений других первичных служб.

• - Выбор условий для отбора помех.

• - Расчет идеальных зон (без учета помех), реальных зон (с учетом помех) и зон прямой видимости.

• - Определение необходимости взаимной координации.

• - Автоматический подбор канала и максимально допустимой ЭИМ станции.

• - Технические и проектные решения при создании типовых региональных системных проектов комплексных сетей цифрового телевизионного вещания.

• - Анализ теоретических и экспериментальных методов определения зон обслуживания ТВ передатчиков аналогового и цифрового вещания.

Программный комплекс содержит множество программ для расчетов и анализа электромагнитной совместимости (ЭМС). В основе всех расчетов лежит отбор помех заданной исследуемой станции. Помехами считаются станции в совмещенных, перекрывающихся, соседних, зеркальных, гетеродинных каналах, а также станции с частотами, вторые или третьи гармоники которых совпадают с частотой исследуемой станции. В процессе расчетов пользователь всегда оперирует с некоторым набором помех, поэтому программный комплекс предусматривает массу полезных функций для работы с этим набором, в том числе разнообразные сортировки, возможность исключения помех из расчетов, как вручную, так и с помощью фильтров.

При расчете электромагнитной совместимости доступно множество опций расчета:

• Возможность отобрать помехи для РЭС по разным базам данных.

• Учёт морских трасс.

• Учёт угла закрытия.

• Возможность выбрать тип расчета: прямое влияние/обратное влияние.

• Возможность включать и выключать учет зеркальных каналов.

• Учет высот (данные берутся с карты или из базы данных).

• Выбор кривых распространения.

• Выбор методов суммирования помехи.

• Выбор типа местности.

• Учёт пространственных и поляризационных развязок.

• Учёт запаса по напряжённости поля.

Экспертиза частотных заявок - это сложная задача, требующая использования профессионального продукта для правильного её решения. Программный комплекс Ракурс – это именно тот продукт, который позволяет решать такие задачи.

Отличительные особенности ПК РАКУРС

Использование картографического материала в ПК РАКУРС.

Картографические данные, используемые в программном комплексе разделены на три уровня: отображение, расчет высот местности, расчет водной поверхности. Эти уровни независимы друг от друга и на каждом уровне могут быть использованы разные источники данных. Подключение источников данных организовано на основе динамических библиотек, поэтому возможно использование любой картографии без перестройки всего комплекса. В настоящий момент ПК РАКУРС работает со следующими данными: карты Панорама различного масштаба ( отображение, высоты, водные поверхности), картографический материал платный; карты GLOBE (высоты, водные поверхности), карты бесплатные, точность проставления высот – 1 км; карты SRTM (высоты, водные поверхности), карты бесплатные, точность проставления высот – 100 м; карты IDWM (водные поверхности в соответствии с данными МСЭ), карты бесплатные; карты на основе сканированных изображений с координатной привязкой (отображение), карты бесплатные.

Использование распределенных вычислений.

Расчет одночастотных сетей является одним из наиболее емких в отношении вычислительных мощностей среди всех расчетов ЭМС ТВ и РВ вещания. Поэтому в ПК РАКУРС реализована возможность распределенного вычисления зоны охвата ОЧС. Программный комплекс позволяет задействовать в расчете все имеющиеся в локальной сети вычислительные мощности. Скорость расчета при этом возрастает пропорционально количеству задействованных процессоров. Это количество никак не ограничено. Архитектура программного комплекса позволяет развернуть распределенные вычисления как на локальной сети персональных компьютеров, так и на вычислительных серверах, как это сделано во ФГУП НИИР.

Использование Google.

ПК РАКУРС позволяет наносить данные и результаты расчетов ( зоны охвата отдельных станций и ОЧС, места установки станций, места проведения измерений и др.) на спутниковые снимки и карты Google. Это дает возможность соотнести результаты расчета с реальной местностью даже в отсутствие точных картографических данных. Кроме этого, возможно использование карт Google в качестве подложки в ПК РАКУРС, т.е. видеть спутниковые снимки в процессе работы в ПК РАКУРС.

С помощью ПО РАКУРС были разработаны и скоординированы частотные планы для стран РСС и ряда сопредельных стран, в частности были сформированы контуры частотных выделений, а также распределены каналы с учетом равноправного доступа. В ходе подготовки к РКР-06 было разработано не менее 5 частотных планов. А на самой Конференции с помощью системы РАКУРС были рассчитаны 6 частотных планов. Однако, нельзя сказать, что разработка планов была полностью доверена исключительно машине. В ходе переговоров со странами РСС и другими сопредельными странами был проведен большой объем работ по проверке и корректировке данных о взаимной несовместимости присвоений и выделений наземного цифрового вещания, которые должны войти в план.

Программный комплекс позволил легко осуществлять координацию работы многих инженеров и администраторов базы данных, он также решил задачу максимальной автоматизации работ по частотному планированию во всех его аспектах при обеспечении наиболее удобного пользовательского интерфейса. Настоящий комплекс позволяет решать широкий круг задач, возникающих в процессе частотного планирования.

Для решения задачи разработки цифрового плана этот программный комплекс был дополнен специальными модулями и значительно модернизирован. Потребовалась модернизация следующих подсистем:

• Подсистемы хранения данных (СУБД).

• Подсистемы импорта/экспорта данных во внешние форматы.

• Подсистемы расчетов распространения.

• Подсистемы расчетов ЭМС вещательных служб.

• Подсистемы многозадачной обработки.

• Подсистемы многопользовательского режима.

• Подсистемы разграничения прав доступа к данным.

• Подсистемы графического отображения результатов.

• Интерфейса работы пользователя.

Также потребовалась разработка следующих новых элементов:

• Подсистемы разработки контуров выделений.

• Интерфейса работы с цифровым планом.

• Подсистемы планирования.

• Подсистемы расчетов ЭМС вещательной службы и присвоений других первичных служб.

• Подсистемы расчетов административных приоритетов, приоритетов конвертации и приоритетов равноправного доступа.

• Подсистемы расчета распределения количества мультиплексированных каналов и программ по территории.

• Подсистемы импорта баз данных и результатов расчетов программного обеспечения МСЭ.

Таким образом, в ФГУП НИИР было разработано специализированное программное обеспечение, позволяющее разрабатывать частотные планы, в том числе с учетом существующих РЭС телевизионного вещания и других служб.

С внедрением РАКУРСа значительно расширились функциональные возможности в управлении радиоспектром и международно-правовой защите, повысилось качество принимаемых решений. станциям и 2500 публикаций частотных присвоений станциям России. В настоящее время ПО РАКУРС используется радиочастотной службой Российской Федерации для проведения работ по электромагнитной экспертизе заявок на установку РЭС вещательных служб и проведения международной координации.

Разработанное во ФГУП НИИР программное обеспечение использовалось при работе по подготовке и реализации многих международных соглашений.

В последние годы ПО РАКУРС используется как в России, так и администрациями связи ряда других стран, в частности Белоруссией, Молдавией, Узбекистаном, Таджикистаном. В связи со стремительным развитием и распространением цифрового наземного телерадиовещания в мире становится все более актуальной задача проведения точного частотно-территориального планирования радиопередающих сетей. Программный комплекс Ракурс позволяет проводить эту работу эффективно, с высокой точностью и в краткие сроки.

***

*

1 Здесь и далее по тексту прочерки в обозначении класса излучения заменяют не используемые дополнительные характеристики (см. Приложение 5)

2)2) Первые три звездочки здесь и далее означают, что дополнительные знаки относятся к классам излучения, указанным в пункте, включая дополнительные.