Лекции по экологии

количество передатчиков – десятки. Площадь антенных полей составляет десятки, и даже сотни гектар.

Учет фактора электромагнитной безопасности при санитарной экспертизе ВЧ радиоцентров отличается особой сложностью. Кроме сложнейших методик расчета электромагнитных полей, следует каким-то образом учитывать временной фактор воздействия полей, определяемый волновым расписанием работы технических средств.

Можно отметить, что комплексы технических средств, в состав которых входят технические средства ВЧ диапазона, самые проблемные как при проектировании, так и при электромагнитном прогнозировании.

Бурное развитие телекоммуникационных систем и освоение новых телекоммуникационных технологий привели к появлению нового вида

комплексов технических средств, непосредственно размещаемых на селитебных территориях. Это комплексы УВЧ, ОВЧ и СВЧ диапазонов. В

состав таких комплексов, как правило, входят технические средства телевидения, ОВЧ ЧМ радиовещания, базовые станции систем сотовой и ведомственной (транкинговой) связи, технические средства радиорелейных систем передачи прямой видимости.

В настоящее время количество таких комплексов непрерывно увеличивается. Это значит, что проблемы электромагнитной экспертизы и обеспечение электромагнитной безопасности таких комплексов весьма актуальны. Такая ситуация наблюдается во всех городах России.

Специфика обслуживания и условий распространения радиоволн заставляют объединять в комплексы земные станции ССП.

Как объект исследования и проектирования комплекс излучающих технических средств телекоммуникаций может иметь:

1.Вертикальную топологию, для которой характерно размещение антенн излучающего объекта на мачте, башне или какой-нибудь неспециализированной вертикальной конструкции, как, например, на рисунке

1.Такая топология наиболее часто встречается у комплексов технических средств ОВЧ и УВЧ диапазонов – размещение антенн на телевизионной башне.

2.Горизонтальную топологию, которая характеризуется размещением антенн на технической территории, представляющей собой ровную горизонтальную площадку. Горизонтальная топология, в первую очередь, характерна для технических средств НЧ, СЧ и ВЧ диапазонов, для которых ровная земная поверхность (предполье) обязательное условие обеспечения необходимых направленных свойств. Размещение антенн на крышах зданий тоже можно отнести к категории горизонтальной топологии.

3.Смешанную топологию – это самые общие случаи, когда на технической территории излучающего объекта (площадке) или вблизи нее находится мачта или башня, с размещенными на ней антеннами излучающих технических средств.

142

Турникетная антенна

Панельные

антенны

Зеркальные

антенны

Вибраторные антенны

Рисунок 1 - Вертикальная топология размещения антенн излучающих технических средств

Еще одним весьма важным фактором, который необходимо учитывать при анализе электромагнитной обстановки излучающих объектов телекоммуникаций, является временная и пространственная устойчивость

картины распределения поля в интересующем проектировщика объеме пространства. Это зависит, во-первых, от тактики работы технических средств, под которой понимается изменение режимов излучения за счет смены рабочих частот, коммутации антенн, изменения положения корреспондента в пространстве и т.п. Во-вторых, картина распределения поля вблизи передающих антенн может зависеть от окружающих условий и, в частности, от параметров подстилающей поверхности (земли), которые, в свою очередь, зависят от времени года и состояния атмосферы.

При проектировании комплексов технических средств ВЧ диапазона возникает много проблем. Наряду с большим числом переходов с одной рабочей частоты на другую и соответствующей коммутацией передатчиков и антенн, что определяет изменяемость электромагнитной обстановки, для этого диапазона характерна существенная зависимость электромагнитных полей от электрофизических параметров предполья. В результате электромагнитная обстановка вблизи технических средств ВЧ диапазона изменяется, она как бы «дышит» во времени и в пространстве. В таких условиях большое значение на

143

предварительных этапах электромагнитного анализа имеют эвристические методы оценки вариантов прогнозирования и размещения технических средств.

Электромагнитная обстановка вблизи комплексов технических средств ОВЧ и УВЧ диапазонов отличается своей относительной стабильностью. Это определяется тем, что в диапазонах ОВЧ и УВЧ рабочие частоты и антенны закреплены за передатчиками, антенны неподвижны, и электромагнитная обстановка вблизи таких комплексов если и изменяется, то только за счет технологических отключений и изменений подводимой мощности. Можно еще говорить об изменениях коэффициента отражения в зависимости от параметров подстилающей поверхности, если рассматривается двухлучевая модель распространения радиоволн.

Спутниковые системы передачи с точки зрения стабильности окружающей электромагнитной обстановки можно разделить на две группы. Первая из них - это ССП, работающие со спутниками, находящимися на геостационарных орбитах. Антенны таких ССП неподвижны, а следовательно и электромагнитная обстановка практически не изменяется ни во времени, ни в пространстве. Ко второй группе относятся ССП, в состав которых входят подвижные антенные системы. Естественно, что при отслеживании антенной положения спутника электромагнитная обстановка вблизи ССП будет изменяться, причем наиболее существенные изменения в ней будут наблюдаться при низких углах положения антенны.

17.2 Управляемые параметры электромагнитной безопасности комплексов технических средств

Комплекс излучающих технических средств телекоммуникаций может иметь:

1.Вертикальную топологию, для которой характерно размещение антенн излучающего объекта на мачте, башне или какой-нибудь неспециализированной вертикальной конструкции, как, например, на рисунке

1.Такая топология наиболее часто встречается у комплексов технических средств ОВЧ и УВЧ диапазонов – размещение антенн на телевизионной башне.

2.Горизонтальную топологию, которая характеризуется размещением антенн на технической территории, представляющей собой ровную горизонтальную площадку. Горизонтальная топология, в первую очередь, характерна для технических средств НЧ, СЧ и ВЧ диапазонов, для которых ровная земная поверхность (предполье) обязательное условие обеспечения необходимых направленных свойств. Размещение антенн на крышах зданий тоже можно отнести к категории горизонтальной топологии.

3.Смешанную топологию – это самые общие случаи, когда на технической территории излучающего объекта (площадке) или вблизи нее находится мачта или башня, с размещенными на ней антеннами излучающих технических средств.

Сточки зрения электромагнитной безопасности, излучающие технические средства телекоммуникаций можно подразделить на две группы или категории.

Это, во-первых, технические средства массового предоставления населению

144

услуг телекоммуникаций – программ радиовещания и эфирного телевидения, индивидуальной связи. Особенностью этих технических средств, характеризующей их как принципиально опасные по электромагнитному фактору, является то, что оконечные устройства находятся непосредственно вблизи человека. Главный лепесток характеристик направленности антенн таких технических средств направляется на селитебную территорию, то есть на человека с его индивидуальными оконечными телекоммуникационными устройствами (радиоприемники, телевизоры, радиотелефоны, пейджеры). Естественно, что улучшение качественных показателей для технических средств этой категории, таких как расширение зоны обслуживания, увеличение устойчивости и надежности связи, связано с увеличением напряженности поля в местах пребывания людей. Налицо противоречие между требованиями

обеспечения качества связи или вещания и требованиями обеспечения электромагнитной безопасности. Это противоречие разрешается на этапах

энергии в направлении на соседнюю станцию или спутник. В главный лепесток характеристики направленности, как правило, не попадает селитебная территория. В таких телекоммуникационных системах человек не должен находиться на линии связи. Обеспечение электромагнитной безопасности связано с излучением электромагнитной энергии в боковые лепестки либо с

Управляемые при проектировании параметры системы

Рисунок 2 - Управляемые параметры электромагнитной безопасности комплексов технических средств

рассмотрением ближних полей антенн. К этой категории относятся и технические средства связи и радиовещания диапазона ВЧ, технология которых

145

предполагает работу ионосферным лучом – антенны направляются под углом к горизонту на ионосферу.

Таким образом, выделим основной управляемый при проектировании

параметр электромагнитной безопасности комплексов излучающих технических средств – характеристика излучения, под которой будем понимать все, что касается направленности антенн, их уровня бокового излучения и ближних полей (рисунок 2).

Для проектировщика, занимающегося электромагнитной безопасностью какого-то излучающего объекта, характеристика излучения как свойство, влияющие на электромагнитную безопасность, может представляться:

в графическом виде (диаграмма направленности) для отдельных (главных плоскостей) - при этом область углов должна перекрывать область, интересующую проектировщика;

в виде табулированной функции характеристики направленности;

в виде числового файла, в котором содержится заранее рассчитанное пространственное распределение поля.

Втеории антенн, как правило, используются нормированные характеристики направленности, а функцию распределения поля в ближней зоне целесообразно представлять для какой-то фиксированной мощности излучения.

Важным моментом при выборе параметра направленности антенн является соответствие этого параметра действующей методической документации.

Другой не менее важный управляемый параметр электромагнитной безопасности – энергетический потенциал (или эквивалентная мощность) технических средств, под которым обычно понимают произведение излучаемой мощности (Ризл.) и коэффициента усиления антенны (G).

Суть управления этим параметром заключается в возможности для проектировщика вариации и подбора передатчиков и антенн, обеспечивающих заданные условия по электромагнитной безопасности. Для реализованной топологии излучающего объекта, когда невозможно сменить или переместить антенно-фидерное оборудование, изменение излучаемой мощности может быть единственным средством для нормализации электромагнитной обстановки.

Следующий управляемый параметр при проектировании комплексов технических средств - расстояние от излучающих элементов (антенн) до точки или границы безопасности. Это один из основных параметров,

который варьируется в процессе проектирования топологии путем изменения соответствующих пространственных координат излучающих технических средств. В практике электромагнитной безопасности это называют защитой

расстоянием. Увеличение расстояния до точки наблюдения приводит к увеличению затухания радиоволн и, естественно, уменьшению уровня поля

– напряженности поля или плотности потока энергии. Расстояние можно изменять, перемещая антенну в пределах технической территории излучающего объекта либо изменяя высоту подвеса антенны над землей. Если это не эффективно, то определяют расстояние, на котором удовлетворяются

146

требования электромагнитной безопасности, то есть определяют санитарную зону.

Конечной целью проектирования излучающего объекта является получение или выявление оптимальной по критерию электромагнитной безопасности топологии размещения технических средств (антенн).

Несмотря на то, что большинство технических средств, в том числе и антенных устройств, для телекоммуникаций типовые, они размещаются в нетиповых условиях. Индивидуальность реальных объектов с точки зрения электромагнитной экологии проявляется в различии размещения и ориентации отдельных антенн, в особенностях рельефа местности, в несовпадении расписаний смены волн, в неодинаковом наборе технических средств и т.д. Все это определяет значительную сложность, и даже невозможность обобщения электромагнитных ситуаций по объектам, в состав которых входят технические средства различных диапазонов. Метод аналогий и экстраполяций практически неприменим для комплексов технических средств.

Еще одним важным моментом в исследовании электромагнитной обстановки комплекса технических средств является взаимное влияние антенных устройств, которое может повлиять на точность электромагнитного прогнозирования. Это влияние может проявляться, во-

первых, во взаимном затенении антенн и, во-вторых, в электрическом влиянии, при котором в элементах конструкции пассивных антенн наводятся токи, способные существенно изменить электромагнитную обстановку.

Математическое моделирование, как основной выбранный метод исследования, является мощным и, пожалуй, единственным методом, дающим возможность анализа электромагнитной обстановки комплекса технических средств. Для этого необходимо объединение отдельных моделей в единую, так называемую, модель, описывающую систему в целом.

Исследование электромагнитной обстановки технических средств телекоммуникаций – это проблема не просто сложная, а комплексная, в основе которой лежат различные явления, и для анализа которой должны использоваться различные, но связанные между собой модели. Методы исследования таких проблем относятся к системному анализу.

17.3 Санитарные зоны и санитарно-эпидемиологическое заключение

Конечной целью электромагнитного прогнозирования технических средств телекоммуникаций является получение информации, по которой можно судить о качестве окружающей среды и возможности пребывания там человека. Такая информация заложена в картах электромагнитной обстановки, в ситуационных планах объектов с нанесенными границами санитарных зон вокруг излучающих объектов. Получение таких материалов связано, с одной стороны, с электромагнитным прогнозированием, с другой стороны, с критериями оценки качества окружающей среды, которые вводятся гигиеническими нормами и стандартами.

В целях защиты населения от воздействия ЭМП, создаваемого радиотехническими объектами, при необходимости устанавливаются

147

санитарные зоны. Различают два вида санитарных зон – санитарно-защитные

зоны (СЗЗ) и зоны ограничения застройки (ЗОЗ).

Санитарно-защитной зоной является площадь, примыкающая к технической территории радиотехнического объекта. Граница санитарнозащитной зоны определяется на высоте до двух метров от поверхности земли по предельно допустимым уровням ЭМП при изолированном и сочетанном характере воздействия или по критериям оценки качества окружающей среды при смешанном и комбинированном характере воздействия.

Зоной ограничения застройки является территория, где на высоте более двух метров от поверхности земли превышаются предельно допустимые уровни ЭМП при изолированном и сочетанном характере воздействия или не обеспечиваются критерии оценки качества окружающей среды при смешанном и комбинированном характере воздействия. Внешняя граница зоны ограничения застройки определяется по максимальной высоте зданий перспективной застройки.

Санитарные зоны излучающих объектов устанавливаются по результатам электромагнитного прогнозирования в соответствии с методиками, которые являются обязательными приложениями соответствующих нормативных документов и стандартов.

На каждый радиотехнический объект, излучающий в окружающую среду электромагнитную энергию, составляется санитарно-эпидемиологическое заключение, которое должно содержать регистрационную, технологическую и информационную части.

Регистрационная часть заключения должна содержать следующие данные:

-наименование владельца объекта, его принадлежность (подчиненность) и почтовый адрес;

-наименование объекта, место его расположения (адрес);

-площадь, занимаемую технической территорией (вместе с антенным полем) или площадь под антеннами;

-год ввода в эксплуатацию.

Технологическая часть заключения должна содержать следующие данные:

-технические характеристики всех передатчиков - мощность, рабочие частоты, вид модуляции; для передатчиков, работающих в импульсном режиме,

-импульсная мощность, длительность и частота следования импульсов;

-характеристики всех антенн – их тип, коэффициенты усиления, угловые установочные координаты антенн (направление максимального излучения антенн);

-диаграммы направленности антенн в горизонтальной и вертикальной плоскостях;

-характеристики фидеров – их тип, КПД, затухание и коэффициент бегущей волны;

-закрепление антенн за передатчиками;

-время и режим работы технических средств на излучение;

-сведения о реконструкции объекта.

Информационная часть заключения может содержать следующие данные:

148

-ситуационный план объекта с указанием границ санитарно-защитной зоны и зон ограничения застройки (если таковые имеются) и нанесенными на него антеннами в соответствии с установочными координатами;

-материалы расчета распределения уровней ЭМП на прилегающей к объекту территории (возможно представление в графическом или электронном виде);

-результаты расчета границ санитарных зон в таблицах для высот зданий существующей и перспективной застройки;

-зоны ограничения застройки на высотах подвеса каждой антенны, расположенной по высоте ниже высот существующей и перспективной застройки (в графическом виде);

-вертикальное сечение санитарной зоны в направлении максимального излучения для каждой антенны (в графическом виде);

-результаты измерений уровней электромагнитного поля;

-заключение (выводы) специалистов контролирующих органов.

Акты, протоколы обследований, предписания контролирующих органов приобщаются к заключению.

17.4 Критерии оценки электромагнитной обстановки комплексов технических средств

Устранение причин загрязнения окружающей среды часто связано со значительными организационно-техническими трудностями и материальными затратами, поэтому невозможно решить проблему снижения уровня электромагнитного загрязнения одновременно по всем источникам электромагнитных полей. Чтобы определить приоритетность природоохранных мероприятий, следует оценить относительный вклад различных источников излучений в общее электромагнитное загрязнение.

Оценка относительного вклада зависит от наличия эффективных критериев и методов комплексной оценки суммарного загрязнения. Универсальный метод суммарной оценки загрязнения окружающей среды электромагнитными полями должен удовлетворять следующим требованиям:

наличие единого безразмерного показателя для сравнения источников и уровней загрязнения в пространстве и времени;

независимость этого показателя от количества взаимодействующих источников;

учет степени воздействия и активности отдельных электромагнитных полей и времени воздействия;

учет возможного эффекта потенцирования воздействия отдельных полей;

количественная оценка степени опасности для здоровья и окружающей среды.

Важнейшим элементом обеспечения электромагнитной безопасности является критерий оценки электромагнитной обстановки. В настоящее время эти критерии для технических средств телекоммуникаций

149

устанавливаются государственными нормативными документами в зависимости только от характера воздействия электромагнитных полей.

1. При изолированном воздействии (один источник электромагнитного поля), естественно, что в качестве критерия выступает предельно допустимый уровень поля, и в заданных координатах для обеспечения электромагнитной

ППЭ P,G, R, f ( ), f ( ) ППЭПДУ .

2. Если радиотехнический объект оборудован несколькими излучающими техническими средствами, работающими в одном нормируемом диапазоне частот, то имеет место сочетанное воздействие, при котором суммарная напряженность поля E или H определяется по формулам:

E E12 E22 ... En2 , H H12 H22 ... Hn2 ,

где Е1,Е2,...,Еп , H1,H 2,...,H п - напряженность поля, создаваемая каждым техническим средством в определяемой точке как функция E P,G,R, f ( ), f ( ) или

H P,G,R, f ( ), f ( ) .

Для случая нескольких технических средств, работающих при одной и той же нормируемой плотности потока энергии, суммарная плотность потока энергии ППЭ определяется по формуле:

ППЭ ППЭ1 ППЭ2 ... ППЭп

где ППЭ1,ППЭ2,...,ППЭп - плотность потока энергии, создаваемая каждым техническим средством в определяемой точке как функция

ППЭi [Pi , Gi ,Ri , fi ( ), fi ( )] .

Критерием оценки электромагнитной обстановки в этом случае тоже является предельно допустимый уровень поля, установленный для диапазона частот, в котором работают все технические средства, и должно выполняться условие для суммарного поля:

E EПДУ или ППЭ ППЭ ПДУ .

3. При наличии нескольких источников излучения, работающих в разных нормируемых радиочастотных диапазонах, имеет место смешанное воздействие электромагнитных полей. Напряженность поля E1,E2,...En , H1,H 2,...H n и

плотность потока энергии ППЭ1, ППЭ2,...ППЭn , создаваемые всеми источниками,

для обеспечения электромагнитной безопасности должны соответствовать следующему критерию:

150

где ЕПДУ1,ЕПДУ2,...,ЕПДУп, НПДУ1,НПДУ2,...,НПДУп - предельно допустимая напряженность поля для каждого источника; ППЭПДУ1,ППЭПДУ 2,...,ППЭПДУп - предельно допустимая плотность потока энергии для каждого источника; КБ – критерий безопасности.

Отметим, что в настоящее время напряженность магнитного поля для окружающей среды (для населения) не нормируется.

Для сложных излучающих объектов, при анализе которых используется критерий безопасности, расчет возможен только с широким использованием вычислительной техники, так как необходим не только многократный просчет напряженности поля и плотности потока энергии каждого технического средства, но и обработка этих значений. Определение границ санитарных зон инструментальными методами весьма затруднено, поскольку требует соответствующего комплекта измерительной аппаратуры и оперативной обработки результатов измерений по установленному критерию.

Санитарно-защитная зона устанавливается на высоте 2 метра.

Зона ограничения застройки устанавливается на высоте зданий перспективной застройки.

17.5. Принципы проектирования топологии излучающих объектов с учетом электромагнитной безопасности

Задача для проектировщика формулируется по состоянию селитебной территории вокруг излучающего объекта. Сложность поиска вариантов размещения технических средств на объекте определяются возможными ограничениями по угловым секторам или отдельным направлениям, в которых на определенных расстояниях недопустим высокий уровень поля, и размерностью задачи поиска решения в целом. При этом может ставиться задача минимизации санитарных зон в целом. Электромагнитная безопасность в этом случае определяется как ограничения на пространственное распределение поля вблизи излучающего объекта.

Далее будем рассматривать только топологию излучающего объекта и не принимать во внимание возможность для проектировщика изменения (уменьшения) мощности и коэффициента усиления антенны (замену антенны) как очевидный способ уменьшения санитарных зон. Эти способы являются как бы последней вынужденной мерой обеспечения электромагнитной

151