Откройте актуальную версию документа прямо сейчас
Если вы являетесь пользователем интернет-версии системы ГАРАНТ, вы можете открыть этот документ прямо сейчас или запросить по Горячей линии в системе.
Часть 1. Методика расчета
Перечень сокращений, условных обозначений и терминов
ДН - диаграмма направленности (антенны);
ДТР - дальнее тропосферное распространение;
ЗС - земная станция (спутниковой службы);
ИСЗ - искусственный спутник Земли;
КОП - коэффициент ослабления помехи;
МСЭ - Международный Союз Электросвязи;
ПРД - передатчик;
ПРМ - приемник;
РРЛ - радиорелейная линия;
РРС - радиорелейная станция;
РЭС - радиоэлектронное средство;
ФС - фиксированная служба;
ФСС - фиксированная спутниковая служба;
ЭМС - электромагнитная совместимость;
BER - коэффициент ошибок.
min(x; y) - функция, значение которой равно минимальному из двух значений x и y;
mах(х; у) - функция, значение которой равно максимальному из двух значений x и y;
(/) - пустое множество.
|
Термин |
Определение |
|
Электромагнитная совместимость |
Способность радиоэлектронных средств одновременно функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством при воздействии на них непреднамеренных радиопомех и не создавать недопустимые радиопомехи другим радиоэлектронным средствам |
|
Межсистемная радиопомеха |
Непреднамеренная помеха, возникающая между радиоэлектронными средствами разных радиосистем |
|
Внутрисистемная радиопомеха |
Непреднамеренная помеха, возникающая между радиоэлектронными средствами одной радиосистемы |
|
Необходимая полоса радиочастот |
Минимальная полоса частот данного класса радиоизлучения, достаточная для передачи сигнала с требуемой скоростью и качеством |
|
Основное радиоизлучение |
Излучение радиопередающего устройства в необходимой полосе радиочастот, предназначенное для передачи сигнала |
|
Нежелательное радиоизлучение |
Излучение радиопередающего устройства за пределами необходимой полосы радиочастот |
|
Внеполосное радиоизлучение |
Нежелательное радиоизлучение в полосе частот, примыкающей к необходимой полосе радиочастот, являющейся результатом модуляции |
|
Побочное радиоизлучение |
Нежелательное радиоизлучение, возникающее в результате любых нелинейных процессов в радиопередающем устройстве, кроме процесса модуляции |
|
Основной канал приема |
Полоса частот, находящаяся в полосе пропускания радиоприемника и предназначенная для приема сигнала |
|
Побочный канал приема |
Полоса частот, находящаяся за пределами основного канала приема радиоприемника, в которой сигнал проходит на выход радиоприемника |
Введение
В полосах частот 4/6, 11/14 и 12/18 ГГц одновременно работают РЭС фиксированной спутниковой службы (ФСС) и РЭС фиксированной службы (ФС). В условиях совместной работы этих РЭС могут возникать взаимные помехи и, следовательно, необходима разработка современного методического обеспечения для проведения расчетов ЭМС РЭС фиксированной спутниковой службы (ФСС) с РЭС фиксированной службы (ФС) в полосах частот совместного использования.
В интересах решения задач радиочастотных органов Российской Федерации и в соответствии с техническим заданием на выполнение работы "Методика расчета электромагнитной совместимости земных станций фиксированной спутниковой службы и радиорелейных станций фиксированной службы гражданского назначения в полосах частот совместного использования от 1 ГГц до 40 ГГц" ЛОНИИРом проведена разработка указанного методического обеспечения (Методики).
В ходе разработки методики на первом (предварительном) этапе работы проведен анализ современных цифровых РЭС ФС и ФСС, действующих на территории Российской Федерации в полосах частот совместного использования (4/6 ГГц, 11/14 ГГц и 12/18 ГГц) и являющихся потенциальными источниками взаимных помех. При этом выявлено, что разрабатываемая методика расчета ЭМС РЭС ФСС и РЭС ФС в полосах частот совместного использования должна быть ориентирована на расчет воздействия основного радиоизлучения цифровых РЭС ФСС (земные станции, работающие с геостационарными ИСЗ) на основной канал приема и РЭС ФС (радиорелейные станции) и наоборот.
В методике приведен алгоритм расчета параметров ЭМС РЭС в полосах частот совместного использования земными станциями (ЗС) ФСС и радиорелейными станциями (РРС) ФС, подготовленный к реализации с использованием технологий геоинформационных систем.
В качестве исходных данных в методике используются сведения о РЭС, представляемые в соответствии с Положением о порядке назначения (присвоения) радиочастот в Российской Федерации (Решение ГКРЧ N 20/2 от 19.08.2002), а также сведения из карточки Формы N 1 ГКРЧ.
Методика построена на базе радиофизических моделей и алгоритмов расчетов, приведенных в документах МСЭ (Рекомендации и отчеты) [1-19] и отечественной методической документации (методики, справочники) [20-24]. В каждом разделе приведены ссылки на использованные публикации.
Методика состоит из восьми разделов и пяти справочных приложений.
Первые два раздела Методики являются вводными. В них описаны структуры рассматриваемых РЭС и конкретные технические параметры, необходимые для проведения анализа ЭМС.
В третьем разделе введены (согласованные с ГРЧЦ) два критерия ЭМС рассматриваемых РЭС. Первый критерий учитывает влияние ЗС на РРС и РРС на ЗС попарно, второй - суммарное влияние группы ЗС (РРС) на стволы (каналы) приема РРС (ЗС). В разделе также кратко описаны механизмы распространения мешающих сигналов в среде.
В разделах 4-6 методики приведены процедуры количественной оценки мощности помех.
В разделе 4 рассчитывается мощность помехи на открытых и закрытых трассах "источник помехи - рецептор помехи", профили которых построены с помощью топографических карт местности. Информация о профиле используется для классификации трасс, а также при расчетах дифракционного ослабления и ослабления при дальнем тропосферном распространении. Несмотря на то, что Методика ориентирована на использование картографической информации (карт местности), в ней предусмотрена возможность расчета и при отсутствии такой информации.
Раздел 5 посвящен расчетам мощности помех, образованных при рассеянии радиоволн осадками. При этом используемые ранее для подобных расчетов модели и методы уточнены и доработаны.
В разделе 6 приведены процедуры расчета ослабления радиоволн в газах атмосферы, оказывающего определенное влияние на уровень создаваемых помех в рассматриваемых диапазонах частот.
В разделе 7 рассмотрен расчет коэффициента ослабления помехи (КОП), проведение которого необходимо при анализе электромагнитной совместимости передатчика источника помехи и приемника рецептора помехи, работающих на отстроенных друг от друга несущих частотах.
Раздел 8 содержит главный алгоритм(процедуру) анализа ЭМС РЭС в полосах частот совместного использования земными станциями ФСС и радиорелейными станциями ФС. При этом отдельно рассматривается влияние ЗС на РРС и РРС на ЗС, в результате чего формируется список конфликтов - недопустимых воздействий на стволы (каналы) приема РРС (ЗС)
Разделы 4-8 представлены таким образом, что основные и промежуточные процедуры расчета предваряет общая справочная информация, позволяющая более детально описать суть явлений и факторов, и облегчающая понимание и дальнейшее совершенствование методики. Перед каждой процедурой расчета приведен набор исходных данных, далее используемый в процедуре.
Приложения 1-5 Методики помимо справочной радиоклиматической информации и аппроксимаций диаграмм направленности антенн ЗС и РРС содержат описание ряда математических методов и приемов, используемых в ходе расчетов.
В Приложении А приведены примеры анализа ЭМС ЗС и РРС, при этом технические характеристики рассматриваемых РЭС соответствуют реальным характеристикам конкретных типов ЗС и РРС. Кроме того, исходные данные заданы таким образом, чтобы в ходе расчета затронуть наибольшую часть изложенных методических материалов.
1. Распределение частот и виды помех
Системы ФСС используют для двух направлений связи космос-Земля и Земля-космос, как правило, разные полосы частот. При этом в России для ФСС космос-Земля используются полосы, ГГц: 3.4 - 4.2, 4.5 - 4.8, 7.25 - 7.75, 10.7 - 11.7, 12.5 - 12.75, 17.7 - 21.2. Для ФСС Земля-космос: 5.725 - 7.075, 7.9 - 8.4, 10.7 - 11.7, 12.5 - 13.25, 13.75 - 14.5, 17.3 - 18.1.
Системы ФС работают в полосах частот, ГГц: 3.9 - 4.2, 5.67 - 6.17, 5.925 - 6.425, 6.46 - 7.08, 7.25 - 7.75, 7.9 - 8.4, 8.5 - 8.7, 10.7 - 11.7, 12.75 - 13.25, 14.5 - 15.35, 17.7 - 19.7
Совместное использование полос частот РЭС ФСС и ФС создает условия для образования следующих взаимных помех:
а) передающие станции наземной службы, то есть радиорелейные станции (РРС) создают помехи приемникам земных станций (ЗС) спутниковой службы в полосе частот космос-Земля;
б) передающие ЗС космической службы создают помехи приемникам РРС наземной службы в полосе частот Земля-космос.
Возможные виды помех определяются распределением частот источников и рецепторов помех, а также структурой станций.
Структура ЗС
Основными узлами многоствольной приемопередающей ЗС, предназначенной для дуплексной связи и работающей в нескольких стволах ИСЗ, являются:
1) антенна, обычно используемая для передачи и приема;
2) дуплексный фильтр разделения приема и передачи;
3) малошумящий усилитель;
4) устройство сложения (фильтр сложения) сигналов передатчиков различных стволов;
5) устройство разделения (фильтр разделения) принимаемых сигналов различных стволов;
6) передающее устройство ствола;
7) приемное устройство ствола;
8) каналообразующая аппаратура ствола;
9) аппаратура соединительной линии. На вход антенны, как правило, подключаются полосно-пропускающие фильтры, подавляющие мешающие сигналы вне полосы частот ЗС [23].
Структура РРС
Основными узлами многоствольной приемопередающей РРС, предназначенной для дуплексной связи, являются:
1) приемопередающая антенна;
2) дуплексный фильтр разделения приема и передачи;
3) система разделения и объединения стволов;
4) устройство сложения (фильтр сложения) сигналов передатчиков различных стволов;
5) устройство разделения (фильтр разделения) принимаемых сигналов различных стволов;
6) приемопередающее устройство ствола;
7) блоки служебной связи, телеметрии, резервирования;
8) модем;
9) мультиплексорное оборудование;
10) фидер.
Весьма часто устройства 2)-6) выполнены в виде отдельного блока, который может быть интегрирован непосредственно вместе с антенной (внешний выносной блок), и тогда с помощью фидера (коаксиального кабеля) этот блок соединяется с внутренним блоком, включающим устройства 7)-9). Также применяется размещение приемо-передающего оборудования вместе с остальным оборудованием РРС в аппаратных помещениях. Расположенная на мачте антенна в этом случае соединяется с приемо-передающим оборудованием с помощью волновода.
Исходя из структурных схем можно полагать, что возможен следующий вид взаимных помех: основное и побочное излучение источника помехи воздействует на основной и соседний каналы приема рецептора помех.
Интермодуляционные помехи образуются при одновременном воздействии интенсивных мешающих сигналов на вход рецептора помехи. Как правило, этот вид помех возникает при непосредственной близости источников и рецепторов помех, то есть на совмещенном объекте. В настоящей работе такой случай не рассматривается.
Помехи блокирования возникают в приемнике при воздействии интенсивного мешающего сигнала с амплитудой, существенно превышающей уровень полезного сигнала. Для рассматриваемого распределения частот РЭС ФС и ФСС этот вид помех будет представлять меньшую опасность, чем помехи от воздействия основного излучения на основной канал приема.
Побочные радиоизлучения источников помех также расположены за пределами полос приема и поэтому, будучи значительно ослабленными, не опасны.
2. Технические характеристики РЭС, влияющие на ЭМС
Для проведения анализа возможностей совместного использования частот необходимо знание характеристик приемо-передающих антенн, передатчиков и приемников радиостанций. В [11] изложены принципы разработки критериев совместного использования частот наземной фиксированной службой и другими службами, а также приведен перечень характеристик, необходимых для анализа ЭМС РЭС.
Технические характеристики оборудования приводятся:
а) в форме N 1 ГКРЧ, которая заполняется заявителем при подаче заявки на присвоение радиочастоты РЭС и содержит сведения о тактико-технических данных РЭС;
б) в ТУ на оборудование;
в) в нормативных документах, регламентирующих параметры ЭМС (в т.ч. нормы на внеполосные излучения РЭС);
г) в отраслевых стандартах на оборудование.
Антенны
Основные параметры антенн, которые требуются для оценки создаваемых помех другим службам:
- усиление антенны;
- ширина главного лепестка ДН,
- уровень 1-го бокового лепестка,
- огибающая ДН,
- защитное действие антенны, кроссполяризационная развязка
- ориентация антенны. Указанные характеристики антенн содержатся в разделе 6 карточки формы N 1 ГКРЧ.
Таблица 2.1
Характеристики антенн
|
Характеристика |
п. формы N 1 |
|
Тип антенны |
|
|
Положение луча в пространстве (или в одной из плоскостей, если оно неизменное) |
|
|
Коэффициент усиления |
|
|
Ширина луча ДН антенны на уровне -3 дБ в гор. и верт. плоскостях |
|
|
Границы секторов углов и макс. уровень боковых лепестков ДН в данном секторе |
В случаях, когда измеренные диаграммы отсутствуют, для получения информации по огибающим диаграмм направленности антенн следует пользоваться Рекомендациями МСЭ [5, 7, 10] и отечественными нормативными документами (см. Приложение 2)
Передатчики ЗС
Земная станция может работать с одним или несколькими стволами шириной в несколько десятков МГц, при этом используется как одно- так и двукратное преобразование частоты сигналы.
ЗС передает свои сигналы в отведенном ей участке (участках) спектра - полосе (полосах) частот W, ограниченной (ограниченных) нижним F_ПРДmin и верхним F_ПРДmax пределами (ограниченных нижними F_ПРДmink и верхними F_ПРДmaxk пределами). При этом в n различных стволах с центральными частотами f_ст.i и шириной дельтаF, спектр рабочих частот образован центральными частотами каналов f_j. При различных режимах в пределах полосы любого ствола ряд рабочих частот может быть не задан, как это показано на рис. 2.1. Следовательно, число частотных каналов в стволе при различных режимах может быть не одинаковым (m1, m2 и т.д). Таким образом, и на ЗС вообще, их количество также будет отличаться от режима к режиму (l1, l2 и т.д).
В спутниковых стволах полосы частот каналов дельтаf_i в общем случае могут быть различными (различные классы излучения). Например на земной станции типа Ямал-37 возможны полосы каналов от 12,5 кГц до 3,63 МГц, Ямал-24 - от 12,5 кГц до 1,06 МГц, Ямал-63 - от 12,5 кГц до 72 МГц.
Следовательно, при анализе воздействия передатчиков ЗС на приемники различных РЭС, полосы приема которых пересекаются с полосами (диапазонами) передачи ЗС [F_ПРДmink, F_ПРДmaxk] необходимо рассматривать:
1. для каждого режима работы ЗС влияние от каждого запрашиваемого или присвоенного частотного канала каждого ствола, характеризуемого рабочей частотой f_j, спектральными характеристиками (в частности полосой дельтаf_j) и излучаемой мощностью, при этом необходимо учитывать возможность передачи на одной частоте f_j с различными классами излучения (различными дельтаf_j);
2. влияние суммарного излучения ЗС в каждом режиме работы с учетом наибольшего влияния излучения на каждой конкретной рабочей частоте f_j;
3. влияние наиболее опасного, с точки зрения ЭМС с рецептором помехи, режима работы ЗС;
при этом каждый последующий этап анализа проводится на основе данных предыдущего этапа. Характеристики передатчиков, являющиеся исходными данными для расчетов, содержатся в разделах 2 и 4 карточки ГКРЧ N 1.
Таблица 2.1
Параметры передатчиков
|
Характеристика |
п. формы N 1 |
Примечание |
|
Мин. и макс. частота полосы частот ПРД, МГц |
|
|
|
Полное условное обозначение класса излучения |
|
|
|
Словесная характеристика класса излучения |
|
|
|
Ширина полосы излучения на уровнях -3, -30 и Х, дБ, относительно нулевого уровня |
рекомендуемый уровень X=-60 дБ |
|
|
Мин. и макс. мощности излучения, дБВт |
|
|
|
Максимальная спектральная плотность мощности, дБВт/Гц |
|
|
|
Уровень шумовых излучений, дБ |
|
Передатчики РРС
Радиорелейная станция, как и ЗС, может одновременно работать с одним или несколькими стволами, и при этом так же используется как одно- так и двукратное преобразование частоты сигналы. Но в отличии от ЗС излучение каждого ствола обусловлено только одним передатчиком, и, таким образом, рабочие частоты РРС f_j совпадают с частотами стволов f_ст.i. При этом передатчики обладают одинаковыми параметрами (табл. 2.1).
Количество режимов работы РРС определяется кратностью резервирования m + n, где m - количество одновременно работающих стволов, n - количество резервных стволов. Всего возможно
(m + n)!
q = ---------
m! x n!
режимов работы РРС.
Излучение в разных стволах одной РРС может быть как горизонтально, так и вертикально поляризованным. Например, при кратности 2 + 0 или 1 + 1 стволы могут иметь ортогональную поляризацию, а для некоторых типов РРС это является обязательным условием.
Таким образом, при анализе воздействия передатчиков РРС на приемники различных РЭС, полосы приема которых пересекаются с полосами (диапазонами) передачи РРС [F_ПРДmink, F_ПРДmaxk], необходимо рассматривать:
1. для каждого режима работы РРС влияние от каждого ствола, характеризуемого рабочей частотой f_j, спектральными характеристиками (в частности полосой дельтаf) и излучаемой мощностью;
2. влияние суммарного излучения РРС в каждом режиме работы;
3. влияние наиболее опасного, с точки зрения ЭМС с рецептором помехи, режима работы РРС.
Характеристики передатчиков, являющиеся исходными данными для расчетов, содержатся в разделах 2 и 4 карточки ГКРЧ N 1.
Приемники ЗС и РРС
Для получения оценки влияния помех, создаваемых РЭС одной службы РЭС другой службы, требуется знание рабочих характеристик радиоприемников последней. Наиболее важными для изучения совместного использования частот параметрами приемника являются следующие:
- коэффициент шума;
- избирательность (полоса пропускания) по промежуточной частоте;
- мощность принимаемого сигнала (чувствительность) при коэффициенте ошибок 10(-3) и (или) 10(-6);
-номинальный входной уровень приемника.
Уровни принимаемых сигналов и уровни помех могут быть приведены ко входу смесителя/малошумящего усилителя приемника так, что они станут независимыми от коэффициента усиления антенны и потерь фидера/мультиплексора (предполагая, что они одинаковые для передатчика и приемника).
Следует отметить, что для точного расчета возможностей совместного использования частот требуется информация о частотной избирательности радиооборудования. Ниже приведен ряд общих соображений, касающихся фильтрации.
Фильтр РЧ, который обычно является частью блока разветвлений, устраняет нежелательные сигналы и умеренно ослабляет радиопомехи по соседнему каналу.
Фильтр ПЧ - это так называемый канальный фильтр, который обеспечивает лучшую избирательность по соседним каналам, предотвращая возможный вход в режим насыщения демодулятора.
Фильтр основной полосы частот на приемной стороне - это фильтр после демодуляции, который ограничивает шумовую полосу частот и придает соответствующую форму принятым импульсам; он в значительной мере содействует подавлению помех по соседнему каналу.
Характеристики приемников (ЗС и РРС) содержатся в разделах 2 и 5 карточки ГКРЧ N 1.
Таблица 2.2
Параметры приемников
|
Характеристика |
п. формы N 1 |
Примечание |
|
Мин. и макс. частота полосы частот ПРМ, МГц |
|
|
|
Условное обозначение классов принимаемых сигналов |
|
|
|
Пороговая и реальная чувствительности приемника |
|
|
|
Защитное отношение* |
|
|
|
Тип помехи, которой соответствует защитное отношение |
||
|
Полоса пропускания УВЧ на уровнях -3, -30 и Х дБ |
Как правило, X = -60 дБ |
|
|
Полоса пропускания УПЧ на уровнях -3, -30 и Х дБ |
X = -60 дБ для ПЧ-1 и ПЧ-2. |
|
|
Избирательность приемника по соседнему каналу приема |
|
|
|
Эквивалентная шумовая температура приемника |
|
|
|
Допустимое увеличение эквивалентной шумовой температуры для РЭС, входящих в состав космической системы |
|
* Примечание. Защитное отношение, т.е. отношение мощности сигнала к мощности помехи на входе приемника в основной полосе, при котором обеспечивается требуемое качество функционирования РЭС для типовых помех: шумовой, гармонической или структурной. В колонке 5.9 указывают тип помехи, которой соответствует защитное отношение.
При анализе воздействия на приемники ЗС передатчиков различных РЭС, полосы которых пересекаются с диапазонами [F_ПРMmink, FПР_Мmaxk], необходимо рассматривать для каждого режима работы ЗС влияние на каждый запрашиваемый или присвоенный частотный канала приема, характеризуемый соответствующими параметрами (табл. 2.2), при этом необходимо учитывать возможность приема на одной частоте с различными классами излучения;
При анализе воздействия на приемники РРС передатчиков различных РЭС, полосы которых пересекаются с диапазонами [F_ПРMmink, F_ПРМmaxk], необходимо рассматривать влияние на каждый из (m + n) присвоенных частотных каналов приема, характеризуемый соответствующими параметрами (табл. 2.2);
3. Критерии ЭМС и механизмы распространения радиоволн
3.1 Критерии ЭМС
Если считать мешающий сигнал шумоподобным, то при воздействии РРС на ЗС и, наоборот, одним из условий соблюдения ЭМС (Критерий 1) является выполнение неравенства:
F/10
P + 10 х lg(10 - 1) - (Р (p) + A ) >= 0, (3.1)
ПРМ пом 0
где P_ПРМ - реальная чувствительность ПРМ рецептора помехи, дБВт, (в случае равенства мощности полезного сигнала чувствительности, при которой значение коэффициента ошибок BER становится больше допустимого); F - превышение уровня полезного сигнала при отсутствии замираний над реальной чувствительностью ПРМ рецептора радиопомехи, дБВт, (запас на замирания); )P_пом(p) - мощность мешающего сигнала на входе приемника рецептора радиопомехи, дБВт, в определенной ширине полосы частот, превышаемая не более чем в p% времени (среднегодовое значение); A_0 - защитное отношение сигнал/шум, дБ. Неравенство (3.1) описывает допустимость воздействия одиночной помехи в малом проценте времени на систему, которая работает в нормальных условиях (не испытывает замираний).
Среднегодовые значения процентов времени p, для которых необходимо проводить вычисления P_пом(p), а также характерные значения запасов на замирания, приведены в табл. 3.1а) и б) при воздействии на РРС и ЗС, соответственно [1, 14].
Проверка выполнения (3.1) проводится в парах РЭС, так как в случае малых процентов времени, маловероятно одновременное возникновение аномально высоких уровней сигналов от различных источников.
Таблица 3.1а
Параметры для расчета ЭМС (ЗС-РРС)
|
Диапазон частот, ГГц |
5.670-8.400 |
10.7-15.35 |
17.3-19.7 |
|
p, % |
0.0025 |
0.0025 |
0.0025 |
|
F, дБ* |
37 |
40 |
25 |
_____________________________
* - Табличная величина запаса на замирание используется при отсутствии информации о реальном запасе на трассе РРЛ.
Таблица 3.1б
Параметры для расчета ЭМС (РРС-ЗС)
|
Диапазон частот, ГГц |
3.400- 4.200 |
4.500- 4.800 |
6.700- 7.075 |
7.250- 7.750 |
10.7-12.75 |
17.7-18.8 |
18.8-19.3 |
|
p, % |
0.0017 |
0.0017 |
0.0017 |
0.0017 |
0.0015 |
0.0015 |
0.0015 |
|
F, дБ* |
2 |
2 |
2 |
2 |
4 |
6 |
5 |
_____________________________
* - Табличная величина запаса на замирание используется при отсутствии информации о реальном запасе на трассе ИСЗ-ЗС.
Другим условием соблюдения ЭМС (Критерий 2) является выполнение неравенства:
0.1 x (-Р + А + Р (50%))
ПРМ 0 пом
10 х lg(10 + 1) < 1, (3.2)
которое описывает допустимое ухудшение (на 1 дБ) значения порогового уровня приемника, при воздействии одиночной помехи (деградацию чувствительности). В нем P_пом(50%) - медианное значение мощности мешающего сигнала на входе приемника рецептора помехи для "наихудшего месяца", дБВт.
При наличии группы потенциальных источников помех условие (3.2) приобретает вид
Таким образом, для анализа ЭМС между РЭС ФС и ФСС необходимо проводить проверку неравенств (3.1) и (3.3) в отношении влияния от ЗС на РРС, а также - от РРС на ЗС.
3.2 Механизмы распространения радиоволн
Для расчета мощности мешающего сигнала, создаваемого ПРД источника помех на входе ПРМ рецептора помех, необходимо знать соответствующий механизм распространения радиоволн. Причинами возникновения аномально высоких уровней мешающих сигналов в рассматриваемых диапазонах частот являются [8,16,20]:
- распространение в условиях прямой видимости,
- дифракция вокруг земной поверхности при повышенной рефракции в тропосфере,
- дальнее тропосферное распространение (ДТР) радиоволн, обусловленное их рассеянием на неоднородностях тропосферы, сверхрефракцией, волноводным распространением,
- рассеяние радиоволн осадками, причем последний механизм сказывается лишь в малых процентах времени.
Все механизмы распространения можно разделить на две группы [14, 16]. К первой группе можно отнести механизмы, распространение за счет которых происходит по дуге "большого круга", являющегося сечением сферы Земли и проходящего через ее центр и расположенные на ее поверхности точки установки источника и рецептора помехи. К таким механизмам относятся распространение в условиях прямой видимости, дифракцию и ДТР. К механизмам, стимулирующим значительное распространение по трассе вне дуги большего круга, относится рассеяние радиоволн осадками.
В документах МСЭ механизмы распространения по дуге "большого круга" принято называть Режимом 1. Рассеяние осадками относят к распространению в Режиме 2.
Далее по тексту для удобства обозначения и во избежание путаницы терминов "режим работы РЭС" и "режим распространения" последнему будут придаваться обозначения Р1 или Р2.
4. Определение мощности мешающего сигнала при распространении в Режиме Р1
4.1 Общие соотношения
Мощность мешающего сигнала на входе ПРМ рецептора помехи, превышаемую в t% времени для любого механизма возникновения мешающего сигнала, относящегося к Режиму Р1, можно выразить формулой [20]:
Р (t) = Р - эта + G (альфа, фи) - эта + G (альфа, фи) - L + V(t) + D - A , (4.1.1)
пом ПРД ПРД ПРД ПРМ ПРМ 0 а
в которой:
P - мощность излучения мешающего передатчика;
ПРД
эта (эта ) - затухание в антенно-фидерном тракте ПРД (ПРМ);
ПРД ПРМ
G (альфа, фи) (G (альфа, фи)) - коэффициент усиления антенны ПРД(ПРМ) в направлении на
ПРД ПРМ
ПРД(ПРМ); альфа и фи - угловые отклонения оси основного лепестка антенны в вертикальной и
горизонтальной плоскостях от линии, соединяющей точку приема с источником помехи, G(0, 0) = G ,
max
где G - максимальный коэффициент усиления.
max
L - потери распространения радиосигнала в свободном пространстве определяемые выражением
0
L = 92.45 + 20 lg(f) + 20 lg(R), дБ, (4.1.2)
0
где R - расстояние от и источника до приемника помехи, км;
f - частота мешающего сигнала, ГГц;
V(t) - значение множителя ослабления напряженности поля мешающего сигнала относительно поля
свободного пространства (без учета ослабления в атмосферных газах), превышаемое в t% времени;
D - коэффициент поляризационной защиты, описывающий дополнительное ослабление уровня мешающего
сигнала за счет отличия его поляризации от поляризации принимаемого излучения (полезного
сигнала);
A - ослабление мешающего сигнала, вызываемое поглощением в кислороде и водяных парах
а
атмосферы;
В формуле (4.1.1) мощности выражены в дБВт, остальные величины в дБ.
Следует отметить следующее:
Примечание 4.1.1- При расчете мощности помехи с помощью выражения (4.1.1) в значении P_ПРД должно быть учтено ослабление помехи при не нулевой частотной расстройке несущих частот Дельтаf мешающего передатчика и приемника помехи. Указанное ослабление помехи - коэффициент ослабления помехи (КОП), определяется основным и внеполосным излучениями ПРД источника помех, а также полосой пропускания основного канала и характеристикой избирательности приемника. Метод расчета КОП Ф(Дельтаf) рассмотрен в Разделе 7.
Примечание 4.1.2 - При расчете мощности помехи в больших процентах времени, условно t > 1%, следует учитывать систему автоматической регулировки мощности (АРМ) мешающего передатчика. При наличии АРМ максимальная мощность (с учетом КОП) передатчика уменьшается в соответствии с глубиной регулировки. При отсутствии - в (4.1.1) подставляется значение максимальной мощности (с учетом КОП). Максимальная мощность (с учетом КОП) участвует в расчетах и в случае малых процентов времени, условно t < 1%.
Примечание 4.1.3 - В подавляющем большинстве случаев ДН антенн ЗС и РРС имеют осевую симметрию, а их коэффициент усиления является функцией углового отклонения от оси главного лепестка ламбда.
Примечание 4.1.4 - Методы расчета множителя ослабления V(t) зависят от наличия прямой видимости между антеннами источника и рецептора помехи (разделы 4.3-4.5). Наличие или отсутствие прямой видимости выявляется на основании геометрических данных, полученных из профилей трасс между источником и рецептором помехи, учитывающих реальный рельеф местности (раздел 4.2). При отсутствии информации о рельефе приближенные расчеты V(t) проводятся в предположении, что земная поверхность является гладкой сферой.
Примечание 4.1.5 - Ослабление, вызываемое поглощением в газах атмосферы, рассмотрено в разделе 6.
Примечание 4.1.6 - Коэффициент поляризационной защиты D зависит от вида поляризации мешающего излучения и характеристик приемной антенны, от характеристик антенно-фидерного тракта ПРД и ПРМ, взаимной ориентации антенн. При этом можно утверждать, что в Режиме 1:
- при совпадении поляризации мешающего сигнала и принимаемого излучения коэффициент поляризационной защиты равен 0;
- если передающая и приемная антенны обладают, соответственно, круговой и линейной поляризацией, или наоборот, то коэффициент поляризационной защиты равен минус 3 дБ при всех механизмах возникновения помехи и любой ориентации антенн;
- если круговая или линейная поляризация мешающего сигнала ортогональна поляризации принимаемого излучения, то в диапазоне процентов времени t < 0.1% значение коэффициента поляризационной защиты не превышает (в алгебраическом смысле) минус 10 дБ в случае наличия прямой видимости между антеннами источника и рецептора помехи, и равено# 0, в случае отсутствия таковой;
- если круговая и линейная поляризация мешающего сигнала ортогональна поляризации принимаемого излучения, то в диапазоне процентов времени t > 1% коэффициент поляризационной защиты не превышает минус 20 дБ.
4.2 Построение и анализ профиля местности
Профиль трассы и эквивалентный радиус Земли
Построение профилей осуществляется с помощью топографических или цифровых карт местности.
В общем случае профиль трассы отображает вертикальный разрез местности между точками установки передающего и принимающего РЭС со всеми высотными отметками, включая застройку, лес и т. д. При этом на профиле указываются водные поверхности: участки морей, водохранилищ, озер, рек и болот.
Для решения задач расчета ЭМС в профиле местности сохраняется информация о рельефе местности и участках поверхностей морей (рис. 4.2.1).
Построение профиля выполняется с учетом эквивалентного радиуса Земли a_э:
а
а = --------------------, км, (4.2.1)
э 3
1 + a x g x 10 /2
где а - геометрический радиус Земли, равный 6370 км; g - эффективный вертикальный градиент
диэлектрической проницаемости воздуха, 1/м, средние значения которого для наихудшего месяца
_
года, g, для различных районов в соответствии с картой районирования приведены в Приложении 5 [22].
При построении профилей используют параболический масштаб. В этом случае траектории радиолучей будут прямыми, а линия, изображающая на профиле уровень моря или другой условный нулевой уровень, от которого отсчитываются все высоты, имеет вид параболы.
В общем случае профиль трассы строится для эквивалентного радиуса Земли a , значение которого
э
меняется в зависимости от условий рефракции (4.2.1).
_
Для решения задач расчета ЭМС профиль трассы строится для условий средней рефракции (g = g).
Ниже приводится процедура построения профиля (рис. 4.2.1).
1) На карте соединяют прямой линией пункты размещения антенного оборудования источника и
рецептора помехи.
2) Описывают профиль местности, для чего:
а) Находят расстояния от левой антенны до точек пересечения трассы с изолиниями высот и
записывают информацию в виде множества пар точек D1(R ,h), где R и h - расстояние и высота,
i i
соответственно.
б) Находят расстояния от левой антенны до точек пересечения трассы с водными объектами (морями)
1 2 1 2
и записывают информацию в виде множества точек D2(R , R , type), где R и R расстояние от пункта
i i i i
установки левой антенны до начала и конца объекта, соответственно, type - тип моря
(3 - холодное(полярное), 4 - умеренное, 5 - теплое).
Полученные множества описывают профиль местности. Для профиля, представленного на рис. 4.2.1,
они приведены в таблице 4.2.1 (объекты морей отсутствуют, то есть D2 = диаметр).
3) Наносят линию, изображающую уровень моря (или условный нулевой уровень).
4) Используя информацию о множестве 1D, наносят высотные отметки рельефа местности относительно
уровня моря (или условного нулевого уровня) и соединяют их линией.
5) На профиль наносят водные объекты из множества D2.
Просветом H называют минимальную разность высот между линией, соединяющей центры апертур левой
(h ) и правой (h ) антенн (линией AB) и профилем трассы. Просвет зависит от условий рефракции.
1 2
Таблица 4 2.1
Пример описания профиля
|
D1 |
R i |
0 | 1.51 | 1.97 | 2.11 | 2.34 | 3.13 | 4.86 | 5.15 | 5.39 | 5.90 | 11.47 | 11.62 | 11.86 | 13.19 | 13.45 | 16.47 | 21.75 | 25.61 | 28.89 | 29.56 | 29.69 | 29.86 | 35.0 | |
| h | 120 | 120 | 120 | 80 | 80 | 120 | 120 | 80 | 60 | 40 | 40 | 60 | 80 | 80 | 60 | 60 | 60 | 40 | 40 | 40 | 40 | 40 | 57 | ||
|
D2 |
1 R i |
- | |||||||||||||||||||||||
| 2 R i |
- | ||||||||||||||||||||||||
| type | - | ||||||||||||||||||||||||
Примечание 4.2.1 - При отсутствии информации о профиле местности просвет H определяется
относительно гладкой сферы Земли с эквивалентным радиусом a_э , следующим образом:
Классификация трасс
В зависимости от величины просвета трассы подразделяются на следующие:
1) Открытые, для которых
H > H , (4.2.2)
0
где H соответствует радиусу минимальной зоны Френеля:
0
альфа R (R - R )
1 i i 1
H = кв. корень ( - х ------------------ ) = кв. корень ( - альфа Rk (1 - k)), (4.2.3)
0 3 R 3
k = R /R - относительная координата точки, определяющей просвет на трассе (все длины и высоты в
i
одинаковых единицах измерения). В используемых на практике в единицах:
100R
H = кв. корень ( ----- x k x (1 - k)), м, (4.2.3а)
0 f
где R в км; f в ГГц.
2) Полуоткрытые, для которых H >= Н > 0.
0
3) Закрытые, для которых H < 0.
4.3 Расчет множителя ослабления в зоне прямой видимости
Для открытых трасс значение множителя ослабления, равно сумме [20]:
V (t) = V + ДельтаV(t), дБ, (4.3.1)
пв м
где V - медианное значение множителя ослабления, в случае открытых трасс близкое к 0, и дельтаV(t)
м
- распределение множителя ослабления выше его медианы, аппроксимирующееся в летние месяцы законом,
близким к логарифмически-нормальному:
0.7
Дельта V(t) = [3/1 x in(50/t] x (1 - exp(- 0.1 x R)), дБ, (4.3.2)
где t- процент времени наихудшего месяца; R в км.
Таким образом, процедура расчета множителя ослабления V в зоне прямой видимости в малых
пв
процентах времени следующая:
1. Для заданного процента времени "среднего года" p рассчитывается процент времени "наихудшего"
месяца: t = 3 x р.
2. Определяется отклонение множителя ослабления от медианного значения дельтаV(t) (выражение
(4.3.2)).
3. Значения множителя ослабления )V (t принимается равным рассчитанному в п. 2 значению
пв
дельтаV(t).
4.4 Расчет множителя ослабления в дифракционной зоне
Общие сведения
На полуоткрытых и закрытых трассах происходит дифракционное ослабление поля, которое зависит от протяженности трассы, частоты, количества препятствий, их формы и взаимного расположения. Расчет дифракционных потерь выполняется в соответствии с [6].
Количество препятствий
Прежде всего на трассе выделяются затеняющие препятствия. Их количество меньше или равно количеству изломов линии гипотетического пути распространения сигнала (далее по тексту просто "линии"), соединяющей фазовые центры антенн источника и рецептора помехи, и огибающей все препятствия.
Отсутствие изломов (линия совпадает с линией визирования антенн) говорит о том, что трасса является полузакрытой и на ней нет затеняющих препятствий. В этом случае считается, что на трассе имеется только одно полузатеняющее препятствие, которое определяет просвет на трассе.
Наличие одного или нескольких изломов "линии" говорит о том, что имеются одно или несколько затеняющих препятствий. Весь интервал как бы разделяется на отдельные подинтервалы, на которых источниками и приемниками являются передающая или приемная антенна и одна из вершин соседнего с ними затеняющего препятствия, либо вершины соседних препятствий.
"Линия" может огибать препятствия, при этом наблюдается совпадение какой-либо части "линии" с поверхностью объекта (рис. 4.4.1).
В случае если два препятствия расположены близко друг к другу, им иногда можно сопоставить одно эквивалентное препятствие. При этом следует пользоваться рядом предположений, сформулированных в виде отдельных Положений:
Положение 1) - Если оба затеняющих препятствия образованы рельефом местности (рис. 4.4.2), в качестве критерия их объединения служит выполнение неравенства [22]:
lg(пи - arcsin кв. корень (R(x - x )/[x (R - x )] > 0.408, (4.4.1)
2 1 2 1
где x и x - расстояния до ближайших друг к другу точек излома "линии", соответствующих данным
1 2
препятствиям. При выполнении (4.4.1) условно считается, что дифракционные потери на трассе
определяются эквивалентным препятствием с вершиной в точке С.
Положение 2) - Не объединяются затеняющее и полузатеняющее препятствия. На подинтервалах возможно наличие разного количества полузатеняющих (не перекрывающих линию визирования) препятствий. На подинтервале учитывается только одно полузатеняющее препятствие [6], вносящее наибольшее закрытие с каждой стороны затеняющего препятствия.
Аппроксимация препятствий
Во многих случаях дифракция на реальных препятствиях может быть представлена как дифракция на полуплоскостях. Однако моделирование полуплоскостью затеняющего препятствия с протяженной вершиной обычно приводит к недооценке ослабления. Аппроксимация такого препятствия проводится с помощью цилиндра.
Для неоднородностей рельефа местности радиус аппроксимирующего цилиндра определяется с помощью профиля местности (рис. 4.4.3).
На рис. 4.4.3 показана геометрия препятствия, включающего несколько точек отметки высот. Здесь:
w - ближайшая точка предыдущего затеняющего препятствия,
х - ближайшая к левому концу интервала точка рассматриваемого препятствия,
у - ближайшая к правому концу интервала точка рассматриваемого препятствия,
z - ближайшая точка следующего затеняющего препятствия,
р - точка отметки высоты рельефа, предшествующая x,
q - точка отметки высоты рельефа, следующая за y,
v - точка пересечения касательных лучей, проведенных от соседних затеняющих препятствий.
Примечание 4.4.1 - Точки w , z могут представлять центры апертур антенн или точки затеняющих препятствий, точки x, y, p, q должны быть точками рельефа.
Примечание 4.4.2 - Для последовательности препятствий рельефа местности точки y и z при анализе одного препятствия будут являться точками w и x при анализе следующего препятствия.
Радиус цилиндра определяется разностью наклонов участков p - x и y - q, а также расстоянием между точками p и q. Разность наклонов указанных участков с учетом эквивалентного радиуса Земли вычисляется как:
здесь v - параметр дифракции (определяется далее) для эквивалентной полуплоскости с вершиной в точке v.
Примечание 4.4.3 - Если точки p или q являются оконечными точками трассы, соответствующие высоты h_р и h_q являются высотами рельефа местности в этих точках, но не высотами подвеса антенн.
Наряду с трассами, на которых затенение оказывают препятствия, образованные неоднородностями рельефа местности и местными предметами, возможно существование трасс, где затеняющий эффект будет оказывать сферическая поверхность Земли (трассы, проходящие над водными поверхностями или над участками равнинной местности). В данном случае затеняющая поверхность моделируется сферой с радиусом a_э, а трассы условно называются "сферическими".
Препятствия, аппроксимируемые полуплоскостью
На рис. 4.4.4 показана геометрия интервала с препятствием на пути распространения волны, причем в случае а) препятствие перекрывает линию визирования, а в случае б) - не перекрывает. Оценить ослабление, создаваемое этим препятствием, можно, используя формулу
Формула (4.4.4) справедлива для значений v > -0.7, при v < -0.7 считается, что L_D(v) = 0.
Препятствия, аппроксимируемые диэлектрическим цилиндром
Дифракционные потери на препятствии, аппроксимируемом цилиндром (рис. 4.4.5), находятся из выражения
L = L (v) + T ,дБ. (4.4.6)
ц D (m, n)
Здесь L (v) - дифракционные потери, вносимые эквивалентным ребром, вершина которого образована
D
пересечением касательных, проведенных к цилиндрическому препятствию со стороны передающей и приемной
антенн. Эти потери определяются по выражению (4.4.4). T - дополнительные потери, связанные с
(m, n)
округлой формой препятствия радиусом a :
ц
b
T = (8.2 + 12.0 )m , дБ (4.4.7)
(m, n) n
где
Значения h_1, h_2, a_ц, h и альфа должны подставляться в приведенные выше выражения в одинаковых единицах измерения.
Последовательность препятствий
На рис. 4.4.6 вершина каждого препятствия моделируется поверхностью цилиндра, но на месте цилиндра может быть и полуплоскость.
Для каждого из затеняющих препятствий рассчитывается значение ослабления L_Дифр З по формуле (4.4.4) для полуплоскости или (4.4.6) - для цилиндрического препятствия.
Рассчитывается значение поправки C_N, зависящее от взаимного расположения препятствий на интервале
Расчет потерь на каждом полу затеняющем препятствии (если таковые имеются) производится по формуле (4.4.4).
Примечание 4.4.4 - Полузатеняющим препятствием может быть и поверхность Земли.
Значение суммарных дифракционных потерь на множестве препятствий вычисляется как:
Дифракция на сферической Земле
Дополнительные потери распространения на "сферических" трассах могут быть выражены как произведение члена F, определяющего расстояние, и двух членов G, определяющих выигрыш за счет высоты антенн над сферой.
В некоторых редких случаях необходимо учитывать электрические характеристики поверхности Земли с помощью нормированного коэффициента проводимости земной поверхности K, определяемого формулами
Примечание 4.4.5 - При расчетах в выражениях (4.4.14) и (4.4.14а) значения эпсилон и сигма выбираются равными, соответственно: 25 и 1 для сухопутных трасс и смешанных (имеющих сухопутные и морские участки) трасс; 80 и 4 для трасс, большая часть которых проходит над морем. Значения эпсилон = 25 и сигма = 1 также используются в случае отсутствия информации о профиле трассы.
Примечание 4.4.6 - При круговой поляризации излучения расчет ведется с использованием выражения для вертикальной поляризации.
Если K меньше 0.001, то электрические параметры земли не существенны для определения уровня сигнала. В противном случае необходимо вычислять параметр:
2 4
1+ 1.6К + 0.75К
бета = -------------------- (4.4.15)
2 4
1 + 4.5К + 1.35К
Формулы для расчета дифракционных потерь имеют следующий вид
Примечание 4.4.7 - Если трассу нельзя с уверенностью отнести к трассе с дифракционными потерями на препятствиях, отличных от сферы Земли, либо к "сферической" трассе, то расчет L_Дифр следует вести и согласно (4.4.13), и согласно (4.4.16). Результирующее значение дифракционных потерь является минимумом из двух полученных значений.
Примечание 4.4.8 - При отсутствии информации о профиле местности трассу следует считать "сферической" и расчет L_Дифр следует вести согласно (4.4.16).
Процедура расчета медианы дифракционных потерь
Процедура разбита на три части. В части 1 проводится вычисление дифракционных потерь для "сферических" трасс; в части 2 вычисляются дифракционные потери на препятствиях отличных от сферы Земли. Часть 3 предназначена для вычисления дифракционных потерь на трассах, попадающих под действие Примечания 4.4.7.
При расчетах считаются заданными:
- широта Ш_1 и долгота Д_1 РЭС 1, град;
- широта Ш_2 и долгота Д_2 РЭС 2, град;
- протяженность трассы, совпадающая с расстоянием от источника до приемника помехи R, км;
- высоты антенн РЭС 1 и РЭС 2 над уровнем моря h_1 и h_2, соответственно, в км;
- частота излучения мешающего передатчика f, ГГц;
- поляризация излучения мешающего передатчика;
- эквивалентный радиус Земли в месте расположения трассы a_э, км
- профиль местности (при отсутствии профиля все расчеты ведутся для гладкой сферы Земли).
Часть 1
1. Согласно Примечанию 4.4.5 для трассы определяются значения эпсилон и сигма.
2. Для заданной поляризации излучения с помощью (4.4.14) или (4.4.14а) с учетом Примечания 4.4.6 рассчитывается нормированный коэффициент проводимости земной поверхности K.
3. Согласно (4.4.15) рассчитывается значение параметра бета.
4. С помощью выражения (4.4.17) или (4.4.17а) для заданного a_э определяется нормированная длина трассы X и нормированные высоты Y_1, Y_2.
5. С помощью (4.4.18) рассчитывается множитель расстояний F(X).
6. С помощью (4.4.19)-(4.4.22) рассчитываются высотные множители G(Y_1), G(Y_2).
7. Согласно (4.4.16) рассчитывается L_Дифр.
Часть 2
1. Оценивается количество препятствий на трассе, при этом:
1.1. Если трасса является полуоткрытой, выявляется наиболее затеняющее препятствие, то есть препятствие, определяющее просвет на трассе H.
1.2. В случае закрытой трассы:
1.2.1. Определяется количество затеняющих препятствий, которое не превышает количества изломов и огибаний "линии". При этом необходимо учитывать возможность объединения препятствий (Положения 1)-2)). Трасса разбивается на подинтервалы, которые не содержат затеняющих препятствий.
1.2.2. На каждом подинтервале выявляется одно полузатеняющее препятствие, вносящее наибольшее закрытие, при этом учитывается Примечание 4.4.4.
2. Подбирается аппроксимация препятствий:
2.1. В случае полуоткрытой трассы выявленное препятствие аппроксимируется полуплоскостью, вершина которой располагается в точке с просветом H на трассе. При этом из профиля местности определяются расстояния d_1 и d_2 до вершины полуплоскости и h, равное H.
2.2. В случае закрытой трассы:
2.2.1. Затеняющие препятствия аппроксимируются цилиндрами. При этом для каждого препятствия:
- по пересечению касательных к препятствию определяется положение эквивалентной полуплоскости, для которой далее из профиля местности находятся расстояния d_1 и d_2 и высота h.
- с помощью профиля местности и выражений (4.4.3) определяется радиус аппроксимирующего цилиндра.
2.2.2. Любое полузатеняющее препятствие аппроксимируется полуплоскостью, вершина которой располагается в точке с наименьшим просветом на соответствующей части подинтервала. Из профиля местности для каждой полуплоскости определяются расстояния d_1 и d_2 до ее вершины и h.
Флуктуации множителя ослабления в дифракционной зоне
При дифракции радиоволн статистическое распределение изменений во времени множителя ослабления относительно его медианного значения удовлетворительно аппроксимирующееся законом близким к логарифмически-нормальному. При этом медиана множителя ослабления
V = L , дБ, (4.4.23)
м Дифр Дифр
где L рассчитывается согласно приведенной выше процедуре. Стандартное отклонение определяется
Дифр
следующей зависимостью[20]:
сигма = 6 (1 - ехр(-0.036 х R)), дБ, (4.4.24)
ст
в которой протяженность трассы R выражена в км. Отклонение множителя ослабления от медианного
-5 -2
значения в диапазоне процентов времени [10 , 2 x 10 ] можно определить с помощью приближенного
выражения:
ДельтаV(t) = сигма (2.74 - 0.217 х ln(t)), дБ, (4.4.25)
ст
При расчете мощности мешающего сигнала в дифракционной зоне в малых процентах времени согласно (4.1) значение процента времени выбирается равным:
t = z х p, %, (4.4.26)
дф
где значение p выбирается из табл. 3.1а) или 3.1б), а коэффициент пересчета z от "среднего года"
дф
к "наихудшему" месяцу составляет 4 для сухопутных трасс и 3 для трасс проходящих над морем, то есть
4 при D2 = диаметр
z = { , (4.4.27)
дф 3 при D2 не равно диаметру
где D2 - множество водных объектов, характеризующее профиль трассы.
Примечание 4.4.9 - При отсутствии информации о профиле местности выбирается z_дф = 4
Процедура расчета множителя ослабления в дифракционной зоне в малых процентах времени
Исходные данные для расчета те же, что и в процедуре расчета медианы дифракционных потерь. Также считается заданным процент времени "среднего года" p.
1. Согласно процедуре расчета медианы дифракционных потерь, определяется значение L_Дифр на трассе.
2. Для расчета множителя ослабления в дифракционной зоне V_Дифр в малых процентах времени выполняется следующее:
- определяется медианное значение V_мДифр (выражение(4.4.23));
- рассчитывается стандартное отклонение сигма_ст (выражение(4.4.24));
- согласно (4.4.27) с учетом Примечания 4.4.9 рассчитывается значение z_дф;
- для заданного процента времени "среднего года" p рассчитывается процент времени "наихудшего" месяца: t = z_дф х р;
- определяется отклонение множителя ослабления от медианного значения ДельтаV(t) (выражение(4.4.25).
Расчет множителя ослабления в дифракционной зоне проводится согласно выражению:
V (t) = V + ДельтаV(t), дБ, (4.4.28)
Дифр мДифр
4.5 Расчет множителя ослабления при дальнем тропосферном распространении радиоволн
Если препятствия на трассе вызывают значительное ослабление уровня сигнала, следует определять значение множителя ослабления как за счет дифракции радиоволн, так и за счет ДТР [20].
Значение множителя ослабления при ДТР зависит от эквивалентного расстояния
R = R + а (дельта + дельта ), км (4.5.1)
э э 1 2
где R - выражено в км, a = 8500 км, дельта и дельта - углы закрытия (открытия) в конечных
э 1 2
пунктах трассы, выраженные в радианах (рис. 4.5.1). Значения углов дельта и дельта берутся со
1 2
знаком "плюс", если вершина препятствия находится выше горизонтальной плоскости, и со знаком "минус",
если препятствие находится ниже этой плоскости (угол открытия). Под горизонтальной плоскостью
понимается плоскость, проходящая через центр антенны перпендикулярно радиусу Земли.
Углы определяются с помощью профиля трассы, построенного для a = 8500 км, по формулам:
э
дельта = (h -h ) / d - 0.5 x d / а , рад, (4.5.2)
1 n1 1 n1 n1 э
дельта = (h - h ) / d - 0.5 х d / a , рад, (4.5.3)
2 n2 2 n2 n2 э
где h , h - высоты соответственно центра антенны и препятствия, которого касается линия AC
1,2 n1,n2
или CB над условным уровнем отсчета (уровнем моря), км; d - расстояние от конечной точки трассы
n1,n2
до наивысшей точки препятствия, км (рис. 4.5.1).
Примечание 4.5.1 - При отсутствии информации о профиле местности трассу следует считать
"сферической", а углы закрытия определяются как дельта = - кв. корень (2h /а ).
1,2 1,2 э
Зависимости множителя ослабления V(t), превышаемого в t% времени наихудшего месяца, от R_э и f оказываются различными для сухопутных, морских и приморских трасс. При этом считается, что:
- сухопутные трассы - трассы, удаленные от морского побережья на расстояние более 100 км;
- морские трассы - трассы, проходящие полностью над морем;
- приморские (прибрежные) трассы - трассы, проходящие над сушей в прибрежной полосе не далее 100 км от береговой линии.
Вся территория России и прилегающие к ней территории сопредельных государств разделяется по принципам формирования ДТР на пять основных Зон.
К трассам, располагающимся в Зоне 1, относятся все сухопутные трассы, за исключением трасс в горных районах. Наихудший месяц для трасс данной зоны будет приходиться на летний период.
К территориям Зоны 2 относятся горные районы.
Примечание 4.5.2 - Ввиду отсутствия надежных экспериментальных данных по аномальному ДТР радиоволн в горах расчет множителя ослабления для горных трасс проводится также как и для сухопутных трасс. Также условно считается, что горные районы являются частью территорий Зоны 1
Зона 3 формируется акваториями морей Северного Ледовитого океана. Наихудший месяц с точки зрения возможности появления больших уровней мешающих сигналов - июль, август.
К Зоне 4 относятся территории в акваториях морей умеренных широт: Балтийского, Охотского и северной части (>50° c.ш.) Японского морей. Наихудший месяц с точки зрения появления аномально высоких уровней помех ДТР радиоволн для этих морей может быть различным, но приходится на летний период.
К Зоне 5 относятся акватории Черного, Азовского, Каспийского, а также южной части (<50° c.ш.) Японского морей. Для этой зоны характерна наибольшая вероятность аномально высоких уровней сигналов и максимальная длительность периода их возникновения. Аномально высокие уровни сигналов ДТР наблюдаются практически весь весенне-летний период.
В особый вид территорий - приморские зоны, следует выделять участки суши, примыкающие к акваториям различных морей и занимающие полосу 100 км вдоль берега моря (рис. П5.2 Приложения 5).
Выражение для расчета множителя ослабления при тропосферном распространении для трассы, целиком расположенной в одной из основных Зон (i = 1, 3, 4, 5), в общем виде может быть представлено как [20]:
В выражениях (4.5.4 - 4.5.11) R_э выражено в км, f в ГГц, t в процентах, k - климатический параметр (рис. П5.3 Приложения 5).
Высота объема рассеяния ДельтаН, входящая в (4.5.4), определяется выражением:
при этом значения высот и расстояний выражены в км, а угловые величины в радианах.
Для трасс, проходящих в приморских зонах, множитель ослабления V_j (t) определяется, как средняя величина в децибелах величин множителей ослабления для соседней сухопутной V_i (t) (i = 1) и соседней морской V_j (t) (j = 3,4,5 ) зон, то есть
V (t) = (V (t) + V (t)) / 2, дБ. (4.5.14)
ij i j
При этом значения V_13(t), V_14(t), V_15(t) будут соответствовать приморским зонам полярных, умеренных и теплых морей.
Если трасса между источником помех и точкой приема является смешанной, то есть имеет участки, находящиеся в различных зонах, то значение множителя ослабления при ДТР радиоволн может быть вычислено по формуле:
V (t) = сумма (c x V (t)), ДБ. (4.5.15)
ДТР n n n
где V (t) - значение множителя ослабления трассы в зоне n, c = R / R - коэффициент, описывающий
n n n
протяженность участка(ов) трассы, проходящего(их) по зоне n, при этом n может принимать значения 1,
3, 4, 5, 13, 14, 15. Подставляя (4.5.14) в (4.5.15) получаем:
V (t) = w х V (t) + w х V (t) + w - V (t) + w - V (t), дБ. (4.5.16)
ДТР 1 1 3 3 4 4 5 5
где
w = c + (c + c + c ) / 2, w = c + c / 2, w = c + c / 2, w = c + c / 2. (4.5.17)
1 1 13 14 15 3 3 13 4 4 14 5 5 15
При расчете множителя ослабления мощности мешающего сигнала в малых процентах времени, значение
процента времени выбирается равным:
t = z х p, %, (4.5.18)
тр
где значение p выбирается из табл. 3.1а) или 3.1б), а коэффициент пересчета от "среднего года" к
"наихудшему" месяцу может быть определен следующим образом:
6 при Ш , Ш > 63°
1 2
z = {2 w неравно 0 , (4.5.19)
5
тр 4 для всех ост. случаев
где Ш , Ш - широты оконечных пунктов трассы, град; w - коэффициент в (4.5.17).
1 2 5
Процедура расчета множителя ослабления при ДТР
При расчетах считаются заданными:
- широта Ш_1 и долгота Д_1 РЭС 1, град;
- широта Ш_2 и долгота Д_2 РЭС 2, град;
- протяженность трассы, совпадающая с расстоянием от источника до приемника помехи R, км;
- высоты антенн РЭС 1 и РЭС 2 над уровнем моря h_1 и h_2, соответственно, в км;
- частота излучения мешающего передатчика f, ГГц;
- профиль местности (при отсутствии профиля все расчеты ведутся для гладкой сферы Земли) ;
- процент времени "среднего года" p (при расчете множителя ослабления в малых процентах времени).
1. С помощью рис. П5.2 Приложения 5 определяются суммарные протяженности приморских участков трассы, км, соответствующих приморской зоне полярных морей -длина R_13 км, приморской зоне умеренных морей - длина R_14 км, приморской зоне теплых морей - длина R_15 км.
Примечание 4.5.4 - При определении протяженности приморских участков трассы возможно использование картографической информации, более точной, чем представленная на рис. П5.2 Приложения 5.
2. Суммарные протяженности сухопутных и морских участков трассы определяются следующим образом:
2.1 При наличии профиля трассы, с помощью хранящейся в нем информации о водных объектах (множество D2), рассчитываются:
- длина R_3 - суммарная протяженность участков трассы в Зоне 3, км;
- длина R_4 - суммарная протяженность участков трассы в Зоне 4, км;
- длина R_5 - суммарная протяженность участков трассы в Зоне 5, км;
Протяженность сухопутных участков трассы определяется согласно выражению:
R = R - сумма (R ), км, (4.5.20)
1 m m
где m = 3, 4, 5, 13, 14, 15, 16.
2.2 При отсутствии профиля трассы рассчитываются максимальная суммарная протяженность
приморского участка:
R = max(R , R , R ), км, (4.5.21)
max 13 14 15
в зависимости от которой:
а) Если R = 0 , то R = R и R = 0.
max 1 3,4,5
б) Если R не равно 0 и R = R , то R = R - (R + R + R ) и R = 0.
max max 15 5 13 14 15 1,3,4
в) Если R не равно 0 и R = R , то R = R - (R +R + R и R = 0.
max max 14 4 13 14 15 1,3,5
г) Если R не равно 0 и R = R , то R = R - (R +R + R ) и R = 0.
max max 13 3 13 14 15 1,4,5
3. Используя найденные значения R , (n = 1, 3, 4, 5, 13, 14, 15) определяются коэффициенты
n
c = R_ / R.
n n
4. Согласно выражению (4.5.17) рассчитываются коэффициенты w , w , w , w .
1 3 4 5
5. Из профиля местности (при a = 8500 км) определяются высоты препятствий h и h , а также
э п1 п2
соответствующие им расстояния d и d . Далее с помощью (4.5.2) и (4.5.3) рассчитываются углы
п1 п2
закрытия дельта и дельта (см. Примечание 4.5.1).
1 2
6. Согласно выражению (4.5.1) рассчитывается эквивалентное расстояние R . (R ограничивается
э э
снизу значением, равным 1 км).
7. Согласно (4.5.13) рассчитывается значение угла тэта (тэта ограничивается снизу значением
равным, 1/a рад.).
э
8. Согласно (4.5.12) рассчитывается значение высота объема рассеяния Дельта Н.
9. Климатический параметр k определяется с помощью рис. П5.3 Приложения 5, как среднее для
значений данного параметра в оконечных пунктах трассы.
10. Для малых процентов времени согласно (4.5.19) рассчитывается значение коэффициента z , и,
тр
далее, для заданного процента времени "среднего года" p рассчитывается процент времени "наихудшего"
месяца: t = z х р. При расчете медианного значения процент времени t выбирается равным 50% (расчет
тр
z_ не проводится).
тр
11. Если w не равно 0 или w не равно 0, или w не равно 0 , то с помощью выражения (4.5.11)
3 4 5
определяется значение функции гамма(t). В противном случае (w = 0) считается, что гамма(t) = 0.
3,4,5
12. Проводится расчет множителей ослабления V (t) i = 1, 3, 4, 5. При этом, в случае, если w
i i
= 0, значение множителя ослабления V (t) принимается равным 0, в противном случае (w не равно 0)
i i
для расчета предварительно определяются:
- значение функции кси (R , t)(выражения (4.5.5)-(4.5.8));
i э
- значение функции Ф (f) (выражения (4.5.9)-(4.5.10)).
i
Расчет множителя ослабления V (t) выполняется согласно (4.5.4).
i
13. Значение множителя ослабления при ДТР V (t) определяется согласно (4.5.16).
ДТР
4.6 Коэффициенты усиления антенн при распространении мешающего сигнала в Режиме Р1
Коэффициенты усиления антенн РРС и ЗС рассчитываются с помощью реальных ДН антенн (при их наличии) или с помощью аналитических выражений Приложения 2. При этом выражение для определения угла отклонения от оси ДН Ламбда, являющегося функцией четырех параметров аz,Дельта, аz'и Дельта', в общем виде записывается как:
180 ~ ~ ~
Ламбда (аz, Дельта, аz', Дельта') = --- arccos [sin(Дельта) х sin(Дельта') + cos(Дельта) х
Пи
~ ~ ~
cos(Дельта') x cos(az - az')], град. (4.6.1)
где аz и Дельта - азимут и угол возвышения направления основного излучения антенны РЭС, град.; аz' и Дельта' - азимут и угол возвышения направления, для которого рассчитывается коэффициент усиления, град. При этом в зависимости от того, антенна какого РЭС рассматривается, значение az' равно либо значению азимута направления от РЭС 1 к РЭС 2, az_12, или значению азимута направления от РЭС 2 к РЭС 1, az_21 (Приложение 1). Угол возвышения Дельта' определяется при наличии прямой видимости между РЭС как угол визирования антенн, при отсутствии прямой видимости как угол закрытия (открытия) (Раздел 4.5).
Таким образом, исходными данными для расчета коэффициентов усиления являются для РЭС 1 и РЭС 2:
- широты Ш_1 и Ш_2, град.;
- долготы Д_1 и Д_2, град.;
- азимуты направления основного излучения az_1 и az_2, град.;
- углы возвышения антенн Дельта_1 и Дельта_2, град.;
- протяженность трассы, R, км;
- высота антенн над уровнем моря h_1 и h_2, км;
- частота излучения мешающего передатчика f, ГГц;
- углы закрытия, дельта_1 и дельта_2, град.
При расчете необходима информация о том, является ли трасса открытой (условие (4.2.2) выполняется) или нет (условие (4.2.2) не выполняется)
Ниже приведена процедура расчета коэффициентов усиления.
1. C помощью выражения (П1.3) рассчитываются углы, дополняющие направление от РЭС 1 к РЭС 2, альфа_12 и направление от РЭС 2 к РЭС 1, альфа_21 до направления на Север.
2. Согласно (П1.4) вычисляются азимуты направления от РЭС 1 к РЭС 2, az_12 и направления от РЭС 2 к РЭС 1, az_21.
3. С помощью выражения (4.6.1) рассчитываются углы отклонения от осей ДН, Ламбда_1 и Ламбда_2 для РЭС 1 и РЭС 2 соответственно, при этом:
а) если трасса является открытой, то:
h - h
180 2 1
Ламбда = Ламбда (az , Дельта ,az , --- x ---------) и
1 1 1 12 Пи R
h - h
180 2 1
Ламбда = Ламбда (az , Дельта , az , --- x --------)
2 2 2 21 Пи R
б) если трасса не является открытой, то:
Ламбда = Ламбда (az , Дельта , az , дельта ) и
1 1 1 12 1
Ламбда = Ламбда (az , Дельта ,az , дельта ).
2 2 2 21 2
4. Расчет коэффициентов усиления антенны РЭС 1 G(Ламбда_1) и антенны РЭС 2 G(Ламбда_2) проводится с помощью соответствующих реальных ДН антенн или с помощью выражений Приложения 2.
4.7 Процедура расчета мощности мешающего сигнала при распространении в Режиме Р1
Для случаев распространения мешающего сигнала в Режиме Р1 ниже приведены процедура расчета медианы мощности сигнала, а также процедура расчета мощности в малых процентах времени. В качестве источников и приемников помех рассматриваются ЗС ФСС и РРС ФСС. При этом вне зависимости от того, является ли ЗС источником или приемником помех, всем относящимся к ней параметрам присваивается индекс "1", а параметрам, относящимся к РРС - индекс "2".
При расчетах считаются заданными для ЗС (РРС):
широта, Ш_1(Ш_2), град.; долгота, Д_1 (Д_2), град.; азимут направления основного излучения (луча), az_1 (az_2), град.; угол возвышения антенны, Дельта_1(Дельта_2) град.; высота антенны над уровнем моря, h_1 (h_2) км; диаметр антенны d_1 (d_2), м; максимальный коэффициент усиления антенны G_1max (G_2max), дБи; поляризация излучения (угол наклона вектора поляризации относительно горизонтах тау_1 (тау_2)).
Примечание 4.7.1 - Диаграммы направленности антенны ЗС, работающей на передачу и прием в различных частотных диапазонах, отличаются друг от друга. Максимальные коэффициенты усиления антенны ЗС на прием и передачу также принимают различные значения.
Примечание 4.7.2 - Значение угла наклона вектора поляризации относительно горизонта для вертикальной, горизонтальной и круговой поляризации принимается равным пи/2, 0 и пи/4, соответственно. Значение угла указывается для источника помехи в соответствии с поляризацией излучения, для рецептора помехи - в соответствии с поляризацией принимаемого полезного(рабочего) излучения.
Перевод угловых величин из градусной меры в радианы проводится согласно выражению
~ Пи
х = ---- х.
180
Так же считаются заданными: мощность излучения мешающего передатчика P_ПРД, дБВт; частота излучения мешающего передатчика f, ГГц; затухание в антенно-фидерном тракте ПРД, эта_ПРД, дБ; затухание в антенно-фидерном тракте ПРМ, эта_ПРМ, дБ; процент времени "среднего года" p.
Процедура расчета мощности помехи в малых процентах времени
1. По заданным координатам ЗС и РРС с помощью выражений (П1.1-П1.2) рассчитывается расстояние между РЭС, R, км.
2. C помощью рис. П5.1 и табл. П5.1 Приложения 5 в местах расположения ЗС и РРС определяются значения эффективного вертикального градиента диэлектрической проницаемости воздуха g_1 и g_2.
3. Согласно выражению (4.2.1) для трассы рассчитывается значение эквивалентного радиуса Земли a_э при этом в качестве g в выражение подставляется среднее значение для g_1 и g_2.
4. При наличии информации о местности с помощью процедуры Раздела 4.2 строится профиль трассы с учетом ранее рассчитанного значения a_э.
5. Исходя из профиля местности, при его наличии, или согласно Примечанию 4.2.1, при отсутствии профиля, для рассматриваемой трассы определяется просвет H.
6. В точке профиля, определяющей просвет на трассе, с помощью выражения (4.2.3) или (4.2.3а) рассчитывается радиус минимальной зоны Френеля H_0.
7а) Если условие (4.2.2) выполняется, то с помощью приведенной в Разделе 4.3 процедуры рассчитывается значение V_пв(t). Значение множителя ослабления сигнала при распространении в Режиме 1V(t) приравнивается полученному значению V_пв(t).
7б) Если условие (4.2.2) не выполняется, то с помощью приведенных в Разделе 4.4 и Разделе 4.5 процедур рассчитываются значение V_Дифр(t) и V_ДТР(t), соответственно. Значение множителя ослабления сигнала при распространении в Режиме 1 V(t) приравнивается значению max(V_Дифр(t), V_ДТР(t).
8. С помощью приведенной в Разделе 4.6 процедуры проводится расчет коэффициентов усиления антенн источника и рецептора помехи.
9. Ослабление в атмосферных газах A_а рассчитывается согласно соответствующей процедуре Раздела 6.
10. Коэффициент поляризационной защиты D выбирается в соответствии с Примечанием 4.1.6, то есть
0 при тау - тау = 0
1 2
-3 при |тау - тау | = Пи/4
| 1 2|
D = {-10 при |тау - тау | = Пи/2 и Н >Н , дБ.
| 1 2| 0
0 при |тау - тау | = Пи/2 и Н <= H
| 1 2| 0
11. Согласно (4.1.2) рассчитывается значение потерь распространения в свободном пространстве L_0.
12. Мощность мешающего сигнала на входе приемника помехи, превышаемая в t% времени P(t) рассчитывается согласно (4.1.1).
Процедура расчета медианного значения мощности помехи
1. Выполняется п. 1. процедуры расчета мощности в малых процентах времени.
2. Выполняется п. 2. процедуры расчета мощности в малых процентах времени.
3. Выполняется п. 3. процедуры расчета мощности в малых процентах времени.
4. Выполняется п. 4. процедуры расчета мощности в малых процентах времени.
5. Выполняется п. 5. процедуры расчета мощности в малых процентах времени.
6. Выполняется п. 6. процедуры расчета мощности в малых процентах времени.
7а) Если условие (4.2.2) выполняется, то медианное значение множителя ослабления сигнала при распространении в Режиме 1 V(50) принимается равным 0.
7б) Если условие (4.2.2) не выполняется, то
- согласно (4.4.23) рассчитывается медианное значением множителя ослабления в дифракционной зоне V_мДифр;
- с помощью приведенной в Разделе 4.5 процедуры рассчитывается медиана множителя ослабления V_ДТР(50).
Значение множителя ослабления сигнала при распространении в Режиме 1 V(50) приравнивается значению max(V_мДифр, V_ДТР(50)).
8. Выполняется п. 8. процедуры расчета мощности в малых процентах времени.
9. Выполняется п. 9. процедуры расчета мощности в малых процентах времени.
10. Коэффициент поляризационной защиты D выбирается в соответствии с Примечанием 4.1.6, то есть
0 при тау - тау = 0
1 2
D = { -3 при |тау - тау | = Пи/4, дБ.
| 1 2|
-20 при |тау - тау | = Пи/2
| 1 2|
11. Выполняется п. 12. процедуры расчета мощности в малых процентах времени.
12. Мощность мешающего сигнала на входе приемника помехи, превышаемая в t = 50% времени P(50), рассчитывается согласно (4.1.1).
5. Определение мощности мешающего сигнала при распространении в Режиме Р2
5.1 Общие соображения
Известно, что наибольший вклад в создание взаимных помех между РЭС из-за рассеяния энергии СВЧ сигнала в гидрометеорных образованьях# (дождь, снег, град и др.) дает дождь с большой интенсивностью осадков (10 и более мм/час). С физической точки зрения ясно, что наилучшие условия для возникновения таких помех возникают в случае, когда оси основных лепестков диаграмм передающей и приемной антенн (ДНА) пересекаются в центре дождевой зоны, где интенсивность дождя имеет наибольшее значение. При этом возникает дождевая зона определенного объема, которая возбуждается энергией СВЧ сигнала, содержащейся в секторе основного лепестка передающей антенны.
Рассеяние радиоволн в дождях может существенно ухудшить ЭМС РЭС, причем на больших расстояниях. Наиболее характерным примером является случай взаимодействия через рассеяние в дождях работающей на передачу земной станции спутниковой связи и приемников радиорелейных станций, работающих в заданном регионе вокруг ЗС.
Расчет мощности помех можно проводить несколькими методами, построенными на различных теориях. Наиболее известными являются теории однократного и многократного рассеяния, а также теория переноса излучения.
Теория однократного рассеяния - классический подход, широко применяемый при анализе распространения волн в разреженных случайных облаках рассеивателей. Ее особенностью является рассмотрение всего комплекса задач в два этапа. На первом этапе рассматриваются характеристики рассеяния и поглощения отдельной частицей. На втором - изучаются характеристики волн, обусловленных большим числом случайно распределенных в пространстве частиц. При этом рассеянными волнами вследствие взаимодействия между частицами (многократное рассеяние) пренебрегают. Этот подход предполагает сравнительно небольшую концентрацию рассеивающих частиц в объеме и малый диаметр частиц по сравнению с длиной волны альфа. Обычно рассматривается Рэлеевское рассеяние, расчетные выражения для которого дают погрешность менее 5% при условии, что диаметр частиц меньшей 0.1 альфа, что выполняется при интенсивностях дождей до, примерно, 60 мм/ч и частотах менее 10 ГГц. Поэтому для повышения точности расчетов мощности помех обычно вводится поправка на отклонение от Рэлеевского рассеяния.
Теория переноса излучения в случайном облаке частиц в отличии от строгой теории, исходящей из уравнений Максвелла, оперирует непосредственно с переносом энергии в среде, которая содержит частицы. При этом предполагается, что при сложении полей, обусловленных рассеянием частицами, отсутствует корреляция между ними. Поэтому складываются не сами поля, а их интенсивности. Исследование изменения интенсивности волны при ее прохождении через облако рассеивателей, а также других энергетических характеристик этого процесса, является предметом теории переноса излучения. Наиболее полное рассмотрение теории переноса излучения содержится в работе [26].
Направление и плотность потока энергии в хаотически неоднородной среде в заданной точке пространства r постоянно изменяются. Для их описания в теории переноса вводится понятие лучевой интенсивности J(r, s) - средней плотности потока мощности, содержащейся в единичном телесном угле и в единичном интервале частот, Вт/ (м2 стерад х Гц), s - единичный вектор заданного направления. При распространении излучения в среде, содержащей частицы, поглощающие и рассеивающие энергию, величина лучевой интенсивности уменьшается с увеличением длины пути в такой среде. Это изменение описывается уравнением переноса - дифференциальным уравнением первой степени для J(r, s) вдоль луча с направлением s для элементарного объема dv. Переход к объему конечных размеров приводит к уравнению баланса мощностей. Обусловленная источником излучения входящая в объем мощность P_vвход, расходуется на потери поглощения и на излучение из объема, поэтому:
P =P + P .
v вход акт. v выход
В тоже время излучаемая объемом мощность состоит из двух составляющих - части мощности P_vвход, которая ослаблена при прохождении объема частиц лучом от его начала и до конца, и мощности рассеяния Р_расс, то есть
Р = К х Р + P .
v выход осл v вход расс
Таким образом:
Р +P = (1 - К ) х Р .
акт. расс осл v вход
Коэффициент ослабления мощности сигнала К_осл, проходящего через гидрометеоры, зависит от погонного ослабления гамма .
При наличии информации о частоте излучения, поляризации сигнала, длине пути, по которому луч (луч ДН антенны) проходит через облако рассеивателей, а также мощности, входящей в облако рассеивателей, можно определить общую сумму потерь мощности P_акт. + P_расс. Для определения P_расс сумму необходимо разделить на составляющие. Это можно сделать с использованием [13], где приводятся данные для комплексной диэлектрической проницаемости воды.
5.2 Геометрические параметры трассы
Необходимые условия пересечения
Для наличия пересечения лучей антенн в пространстве необходимо выполнение ряда условий, а именно:
1. Расположение проекций главных лепестков ДН антенн РЭС 1 и РЭС 2 по одну сторону от линии, соединяющей их местоположение. Выполнение этого условия обеспечивается в случае, если угол, образуемый азимутом РЭС 1 и направлением от РЭС 1 к РЭС 2, альфа_1, и угол, образуемый азимутом РЭС 2 и направлением от РЭС 2 к РЭС 1, альфа_2, имеют различные знаки, то есть
sign(aльфа ) = -sign(aльфа ). (5.2.1)
1 2
Величины углов вычисляются согласно выражениям:
Определение геометрии трассы
В методе определения геометрии трассы рассеяния используется трехмерное векторное представление [4]. При этом элементами вектора являются его проекции на оси прямоугольной системы координат. Упрощенное (без учета сферичности Земли) представление о геометрии рассеяния приведено на рис. 5.1.
Вектор с началом в месте расположения антенны РЭС 1 и концом в месте расположения антенны РЭС 2 определяется как:
Принимая во внимание сферичность Земли, единичные векторы V_10 и V_20 в направлении главных лепестков ДН антенн РЭС 1 и РЭС 2, соответственно, определяются следующим образом:
Используя приемы векторной алгебры (см. Приложение 3), с помощью скалярного произведения векторов V_20 и V_10 находим так называемый угол рассеяния:
фи = arccos[- V х V ], рад. (5.2.7)
s 20 10
Единичный вектор, перпендикулярный лучам антенн РЭС 1 и РЭС 2, рассчитывается с помощью векторного произведения векторов V_20 и V_10:
V = V x V / sin фи . (5.2.8)
s0 20 10 s
Кратчайшее расстояние между лучами двух антенн рассчитывается как:
-det[V V R ]
10 20 12
r = -----------------------, км. (5.2.9)
s det[V V V ]
10 20 s0
Наклонные дальности r_1 и r_2 (см. рис. 5.2.1) определяются как:
det[R V V ]
12 20 s0
r = |--------------------|, км. (5.2.10)
1 det[V V V ]
10 20 s0
-det[V R V ]
10 12 s0
r = |--------------------|, км. (5.2.11)
2 det[V V V ]
10 20 s0
Горизонтальные дальности R_1 и R_2, соответствующие r_1 и r_2, рассчитываются по формулам:
~
R = |r | x cos Дельта , км, (5.2.12)
1 1 1
~
R = |r | x cos Дельта , км. (5.2.13)
2 2 2
Угол между осью ДН антенны РЭС 1 и направлением на ближайшую точку на оси ДН антенны РЭС 2 составляет:
180
Ламбда_1 = ----- arctan|r / r |, град. (5.2.14)
Пи s 1
Угол между осью ДН антенны РЭС 2 и направлением на ближайшую точку на оси ДН антенны РЭС 1 составляет:
180
Ламбда = ---- arctan|r / r |, град. (5.2.15)
2 Пи s 2
Углы Ламбда_1 и Ламбда_2 определяют: имеется ли пересечение главных лепестков ДН антенн, или взаимодействие носит характер "главный лепесток - боковой лепесток".
Особенности геометрии трассы при взаимодействии ЗС и РРС
Далее будем относить обозначения с индексами "1" к ЗС, а обозначения с индексами "2" к РРС. Таким образом, если выполняется неравенство
Ламбда < тэта / 2, (5.2.16)
2 0.5
где тэта - ширина главного лепестка ДН антенны РРС (см. Приложение 2), то имеет место пересечение
0.5
главных лепестков ДН антенн ЗС и РРС (см. рис. 5.2).
Высота точки пересечения лучей определяется как:
2 2 ~
h = кв. корень (a + r + 2a r sin(Дельта ) - a + h , км. (5.2.17)
э 1 э 1 1 э 1
Примечание 5.2.1 - Значения широты Ш и долготы Д центра дождевого очага определяются согласно выражений (П1.5-П1.6) Приложения 1 по известным координатам и азимуту основного излучения РЭС 1 (ЗС) и горизонтальной дальности R_1.
Если (5.2.16) не выполняется, то можно считать что взаимодействие происходит между главным лепестком ДН антенны ЗС и боковыми лепестками ДН антенны РРС. При этом необходимо учитывать ситуацию, когда взаимодействие происходит с первым боковым лепестком, т.е когда
Ламбда < Ламбда , (5.2.18)
2 r
в то время как при больших отклонениях взаимодействие можно вообще не учитывать.
Примечание 5.2.2 - В выражениях (5.2.16) и (5.2.18) все величины подставляются в одинаковых единицах.
При выполнении (5.2.16) условно можно считать, что геометрия трассы при рассеянии осадками совпадает с приведенной на рис. 5.2. Если угол Ламбда_2 принадлежит диапазону (Тэта_0.5/2, Ламбда_r), то необходимо рассчитать эквивалентные геометрические параметры. Наклонная дальность r'_2 определяется как:
2 2
r' = кв. корень (r + r ) ,км, (5.2.19)
2 2 s
Примечание 5.2.2 - Соответствующая r'2 горизонтальная дальность R'2, определяется согласно выраженям (П1.1-П1.2) Приложения 1 по известным координатам центра дождевого очага и РЭС 2 (РРС). Эквивалентный угол рассчитывается как:
~
Дельта' = arccos(R' / r'), рад, (5.2.20)
2 2 2
Следует отметить, что даже если происходит пересечение главных лепестков ДН антенн ЗС и РРС, но при этом
h > 11, км. (5.2.21)
то условно можно считать, что помехой, созданной при рассеянии, можно пренебречь. Высота 11 км является максимально возможной высотой существования дождя в климатических условиях России [20].
Примечание 5.2.3 - В случае если линия визирования, построенная между антенной РЭС 2 (РРС) и точкой пересечения лучей ЗС и РРС (точкой с координатами Ш, Д на высоте h), оказывается перекрытой препятствиями, расположенными на земной поверхности (здесь, рельефом местности), то помехой, созданной при рассеянии радиоволн осадками, можно пренебречь.
5.3 Параметры объема рассеяния
Характеристики дождевого очага
Наибольшее рассеяние радиоволн вызывают ливневые дожди с большими значениями интенсивности и ограниченными горизонтальными размерами очагов. Форма очага дождя может быть аппроксимирована цилиндром диаметром [14, 20]:
-0.08
d = 3.3 x [I (p)] , км, (5.3.1)
д 0
где I (p) - значение приземной интенсивность# дождя, мм/ч (далее по тексту I ), в проценте времени p.
0 0
Значение интенсивности зависит от географического местоположения очага дождя. Для территории России
эта зависимость определяется как [27]:
-3 2
4 -2.0 -0.3 (-0.5397 + 3.051 х 10 lg P )
сг
I = кси х 2.2 х 10 Ш (Д + 25) х Р , мм/ч, (5.3.2)
0 сг
где Р - процент времени "среднего года", в котором наблюдается заданная интенсивность, Ш и Д -
сг
широта и долгота центра дождевого очага, кси - коэффициент, характеризующий конкретный регион России
(табл. 5.1 и рис. П5.4).
Рассеивающие свойства дождя
Численно, рассеяние описывается с помощью эффективной площади рассеяния единицы объема дождя S_д, определяемой выражением [19, 20]:
5 2
Пи |эпсилон - 1 | -18 2 3
S_д = ------ х М х |------------| Z x Z x 10 , м /м , (5.3.3)
4 |эпсилон + 2 | 0 h
ламбда
где ламбда - длина волны, м, M - коэффициент развязки по поляризации, Z - коэффициент отражательной
0
способности при рассеянии в дожде на единицу объема у поверхности Земли в среднем по территории
России [28]:
1.5 6 3
Z = 230 х I , мм /м , (5.3.4)
0 0
Z - высотный множитель коэффициента отражательной способности[20]:
h
2
-0.25h x 0.1 x A = 0.1 x A ,
1 2
Z = 10 (5.3.5)
h
где
А = 1 + 0.0286 x Ш + 0.004 x Д,
1
2
А = 11 - 0.1 x Ш + 0.172 x Д - 0.00074 x Д . (5.3.6)
2
В выражении (5.3.3) эпсилон - комплексная диэлектрическая проницаемость воды, зависящая от частоты радиоволны, и температуры воды.
Примечание 5.3.1 - В рассматриваемом диапазоне частот (4.40 ГГц) в выражении (5.3.3) величину
2
|эпсилон - 1 |
|------------|
|эпсилон + 2 |
можно считать константой, численно равной 0.926 [13].
Таблица 5.1
Коэффициент кси
|
Регион |
кси |
|
Астраханская обл., Юго-Восточная зона Респ. Калмыкии |
0.5 |
|
Саратовская, Волгоградская, Ростовская обл., Респ. Калмыкия |
0.65 |
|
Камчатская обл. |
0.7 |
|
Сахалинская обл. |
0.8 |
|
Респ. Дагестан |
0.85 |
|
Самарская, Оренбургская, Ульяновская, Кировская, Пермская, Свердловская, Челябинская, Магаданская области; Республики Татарстан, Удмуртская, Чувашская, Марий Л, Башкортостан |
0.9 |
|
Орловская, Курская, Белгородская, Воронежская области; Краснодарский край, Ставропольский край |
0.95 |
|
Новосибирская, Томская, Омская, Иркутская, Читинская области; Республики Саха(Якутия), Бурятия, Эвенкийский авт. округ |
1.05 |
|
Черноморское побережье Кавказа (г. Анапа, Новороссийск, Геленджик, Туапсе, Сочи); Ямало-Ненецкий авт. округ |
1.2 |
|
Амурская область, Хабаровский край, Приморский край |
1.5 |
|
На остальных территориях России |
1.0 |
Геометрические характеристики объема рассеяния
Объем рассеяния описывается с помощью нескольких характеристик.
Минимальный размер объема рассеяния определяется диаметром зоны главного лепестка ДН по уровню мощности 0.5 (минус 3 дБ), D_0.5, создаваемой в центре дождевого очага антенной ЗС (рис. 5.3):
-3 0.05 х G -0.05 x G
1max 1max
D = 0.14 х 10 х 10 / f + 2.79 x r x 10 , км, (5.3.7)
05 ЗС 1
где G - максимальный коэффициент усиления антенны ЗС, дБи, f в ГГц. Длина луча антенны ЗС в
1max
дождевом очаге при нахождении объема рассеяния на краю очага (рис. 5.3а) определяется как
D d D
0.5 ЗС д 0.5 ЗС
Дельта d = 2 кв. корень (2 -------- ----- - (----------)), км, (5.3.8)
д 2 2 2
Длина луча при нахождении объема рассеяния в центре очага (рис. 5.3б) равна диаметру дождевого
очага, то есть
"
Дельта = d , км, (5.3.8б)
д д
Примечание 5.3.2 - Длина луча антенны ЗС в дождевом очаге не может превышать диаметр дождевого
очага, поэтому Дельта d = d при D > d , и, таким образом,
д д 0.5 ЗС д
"
Дельта d = Дельта d .
д д
Расстояния от РЭС 1 (ЗС) до ближнего r и дальнего r краев очага:
1min 1max
Найденные высоты выступают в качестве минимальной и максимальной высот объема рассеяния, то есть
h = h , h = h , км. (5.3.11а)
min 1min max max
" " " "
h = h , h = h , км. (5.3.11б)
min min max max
Ослабление при распространении
При прохождении дождевого очага радиоволна, помимо рассеяния, подвергается ослаблению, которое характеризуется величиной погонного ослабления гамма. Погонное ослабление в дожде с интенсивностью I определяется как [12]:
альфа
гамма = К х (I) , дБ/км, (5.3.12)
где K, альфа - коэффициенты:
2
К = [K + K + (K - K ) х (cos Дельта) х cos2тау]/2, (5.3.13)
H V H V
коэффициенты для которых приведены в таблицах 5.2 - 5.5
Таблица 5.2
Коэффициенты для вычисления K_H
|
j |
a_j |
b_j |
c_j |
m |
n |
|
1 |
-5.33980 |
-0.10008 |
1.13098 |
-0.18961 |
0.71147 |
|
2 |
-0.35351 |
1.26970 |
0.45400 |
||
|
3 |
-0.23789 |
0.86036 |
0.15354 |
||
|
4 |
-0.94158 |
0.64552 |
0.16817 |
Таблица 5.3
Коэффициенты для вычисления K_V
|
j |
а_j |
b_j |
c_j |
m |
n |
|
1 |
-3.80595 |
0.56934 |
0.81061 |
-0.16398 |
0.63297 |
|
2 |
-3.44965 |
-0.22911 |
0.51059 |
||
|
|
-0.39902 |
0.73042 |
0.11899 |
||
|
4 |
0.50167 |
1.07319 |
0.27195 |
Таблица 5.4
Коэффициенты для вычисления альфа_H
|
j |
a_j |
b_j |
c_j |
m |
n |
|
1 |
-0.14318 |
1.82442 |
-0.55187 |
0.67849 |
-1.95537 |
|
2 |
0.29591 |
0.77564 |
0.19822 |
||
|
3 |
0.32177 |
0.63773 |
0.13164 |
||
|
4 |
-5.37610 |
-0.96230 |
1.47828 |
||
|
5 |
16.1721 |
-3.29980 |
3.43990 |
Таблица 5.5
Коэффициенты для вычисления альфа_V
|
j |
a_j |
b_j |
c_j |
m |
n |
|
1 |
-0.07771 |
2.33840 |
-0.76284 |
-0.053739 |
0.83433 |
|
2 |
0.56727 |
0.95545 |
0.54039 |
||
|
3 |
-0.20238 |
1.14520 |
0.26809 |
||
|
4 |
-48.2991 |
0.791669 |
0.116226 |
||
|
5 |
48.5833 |
0.791459 |
0.116479 |
Примечание 5.3.3 - Хотя интенсивность дождя и изменяется с ростом высоты, однако в дальнейших расчетах условно принимается, что погонное ослабление не зависит от высоты и определяется приземным значением интенсивности дождя I_0.
Для оценки ослабления в дожде вне дождевого очага предполагается экспоненциально падающая интенсивность дождя. При этом используется понятие приведенного расстояния r_д (рис. 5.4), на которое, как предполагается, будет приходится все ослабление вне дождевого очага, по одну сторону от него. Приведенное расстояние связано с интенсивностью дождя в дождевом очаге как [16]:
Таким образом, ослабление при рассеянии в дожде условно складывается из: ослабления на участке от антенны одного РЭС до ближнего к ней края дождевого очага, ослабления непосредственно в дождевом очаге и на участке от края очага до другого РЭС. При этом если какая либо часть любого участка лежит выше нулевой изотермы, то считается, что эта часть вклада в общее ослабление не вносит [20, 16]. Высота нулевой изотермы для территории России определяется как:
2 -3
h = (6100 - 65 х Ш + 20.5 х Д - 0.106 х Д ) х 10 , км (5.3.18)
д0
где Ш и Д - широта и долгота центра дождевого очага, град.
5.4 Условия применения методов расчета при распространении в Режиме Р2
В разделе 5.5 и 5.6 приводятся методы расчета уровня мощности помехи, возникающей при рассеянии дождем. Для большинства случаев взаимодействия ЗС и РРС применяется метод раздела 5.5 (Метод 1). Метод базируется на теории однократного рассеяния и изложен в [29, 20].
Метод, приведенный в разделе 5.6 (Метод 2), может быть назван методом энергетического баланса области рассеяния. Этот упрощенный метод основывается на теории переноса излучения в среде и позволяет рассчитывать энергетические соотношения в объеме, образованном пересечением главных лепестков диаграмм направленности по данным погонного ослабления падающей волны. Метод частично учитывает и наличие эффекта многократного рассеяния и обмена энергией между частицами. Его следует рассматривать как инженерный метод предварительной оценки мощности помехи для худшего случая - когда считается, что лучи ДН антенн могут пересекаться.
Метод энергетического баланса в особенности полезен, когда диаметр зоны главного лепестка ДН ЗС (5.3.7) в центре дождевого очага больше диаметра зоны главного лепестка ДН РРС, т.е
D > D , км, (5.4.1)
0.5 ЗС 0.5 РРС
где
0.05 x G -0.05 x G
-3 2max 2max
D = 0.14 x 10 x 10 / f + 2.79 x r x 10 , км, (5.4.2)
0.5 РРС 2
где G - максимальный коэффициент усиления антенны РРС, дБи, f в ГГц.
2max
Метод энергетического баланса применяется также в случае условно горизонтальных трасс, то есть если:
Дельта < 5°. (5.4.3)
1
5.5 Метод 1
Общее выражение для расчета мощности мешающего сигнала
С учетом введенных ранее обозначений и уточнений [29, 20] расчетная формула мощности мешающего сигнала на входе приемника рецептора радиопомехи, превышаемой в t% времени, имеет следующий вид:
Расчет дополнительного ослабления сигнала в дожде
Дополнительное ослабление в дожде определяется участками трассы, схематически показанными на рис 5.5а) и рис 5.5б), для случаев расположения объема рассеяния на краю и в центре дождевого очага, соответственно:
Протяженность ослабляющего участка внутри дождевого очага определяется для случая расположения объема рассеяния на краю очага как
min(D , d )
0.5 ЗС д
Дельта r = ------------------ ,км, (5.5.5а)
д 2 х sin фи
s
где D и фи рассчитываются согласно (5.3.7) и (5.2.7), соответственно. При расположении
0.5 ЗС s
объема рассеяния в центре очага
d
" д
Дельта r = ------------, км. (5.5.5б)
д 2 х sin фи
s
Протяженность каждого из ослабляющих участков вне дождевого очага принимается равной r .
д
Дополнительное ослабление зависит также и от положением объема рассеяния по отношению к
высоте нулевой изотермы. При расположении объема рассеяния на краю дождевого очага в зависимости от
соотношений между h , h - выражение (5.2.17) и h - выражение (5.3.18):
min д0
Определение поправки, связанной с отличием реального рассеяния от приближения Рэлея
На частотах выше 10 ГГц рассчитывается поправка, учитывающая уменьшение сигнала из-за отличия реального рассеяния каплями дождя от приближения Рэлея [16]:
5.6 Метод 2
Размеры объема рассеяния
При наличии пресечения главных лепестков ДН антенн ЗС и РРС, как и в методе 1, мощность рассеяния определятся не границами дождевой зоны вообще, а объемом рассеяния, который, в свою очередь, определяется пресечением телесных углов главных лепестков ДН. Поэтому необходимо рассчитать длину пути l_д, который проходит луч антенны передающего РЭС в объеме взаимодействия.
Длина l_д является функцией наклонной дальности для РЭС - рецептора помехи - r, ширины главного лепестка ДН антенны рецептора помехи тэта_0.5, и угла возвышения Дельта_прд антенны передающего РЭС (с учетом рефракции):
Таким образом длина луча для передающей ЗС в объеме рассеяния -
~
l_д (r_2, тэта_0.5ррс, Дельта_1 + тэта_1),
для передающей РРС -
~
l_д (r_1, тэта_0.5зс, Дельта_2 + тэта_2).
При этом r_1 и r_2, тэта_1 и тэта_2 - те же, что и в Методе 1;
тэта_0.5ррс и тэта_0.5зс определяются с помощью выражения (П2.6) или (П2.7).
Соотношение между мощностью рассеяния и мощностью, входящей в объем рассеяния
Мощность рассеяния описывается выражением:
-0.1 х l
гамма д
1 - 10
Р = Р + 10 х lg(---------------------), дБ
расс v вход 0.93 + 0.035 x f
где гамма - погонное ослабление в дожде, рассчитываемое согласно (5.3.12) для частоты мешающего
передатчика f, поляризации излучения и угла возвышения передающего РЭС; l - длина луча для
д
передающей РЭС в объеме рассеяния (5.6.1), км; f в ГГц.
Общее выражение для расчета мощности мешающего сигнала
Объем рассеяния рассматривается как изотропный точечный источник. Расчетная формула мощности мешающего сигнала на входе приемника радиопомехи, превышаемой в t% времени, имеет следующий вид:
Дополнительное ослабление мешающего сигнала в дожде V_д определяется согласно формуле:
5.7 Процедура расчета мощности мешающего сигнала при распространении в Режиме Р2
Ниже приведена процедура расчета мощности мешающего сигнала при рассеянии радиоволн осадками. В качестве источников и приемников помех рассматриваются ЗС ФСС и РРС ФСС. При этом вне зависимости от того, является ли ЗС источником или рецептором помех, всем относящимся к ней параметрам присваивается индекс "1", а параметрам, относящимся к РРС - индексы "2".
При расчетах считаются заданными для ЗС (РРС):
широта, Ш_1 (Ш_2), град.; долгота, Д_1 (Д_2), град.; азимут направления основного излучения (луча), az_1 (az_2), град.; угол возвышения антенны, Дельта_1 (Дельта_2) град.; высота антенны над уровнем моря, h_1 (h_2) км; диаметр антенны d_1 (d_2), м; максимальный коэффициент усиления антенны G_1max (G_2max) (см. Примечание 4.7.1), дБи; поляризация излучения (угол наклона вектора поляризации относительно горизонта тау_1 (тау_2), см. Примечание 4.7.2).
Перевод угловых величин из градусной меры в радианы проводится согласно выражению
пи
x = ------ x.
180
Так же считаются заданными: максимальная мощность излучения мешающего передатчика P_ПРД, дБВт; частота излучения мешающего передатчика f, ГГц; затух
Если вы являетесь пользователем интернет-версии системы ГАРАНТ, вы можете открыть этот документ прямо сейчас или запросить по Горячей линии в системе.