О прогнозировании уровней помехового воздействия

Общие соображения

Чтобы гарантировать удовлетворительное сосуществование наземных и спутниковых систем при совместном использовании многих полос частот различными радиослужбами и различными операторами схожих радиослужб, важно уметь прогнозировать с удовлетворительной достоверностью вероятные уровни помех между этими системами, используя достаточно точные и надежные модели и процедуры прогнозирования, приемлемые для всех заинтересованных сторон. Поскольку при проведении статистического анализа ЭМС оперируют именно реальными значениями мощностей ПС и МС на входе рецептора помех, определяемыми в соответствии с (7.2) и (7.3), а также их отношений, необходимо определять статистические характеристики (дифференциальные или интегральные законы распределения) быстрых и медленных замираний полезных и мешающих радиосигналов на трассах различных типов при использовании различных диапазонов частот. При этом соотношение мощностей ПС и МС на входе приемника-рецептора помех может изменяться от многих десятков дБ (в моменты отсутствия замираний ПС и наличия глубоких замираний МС) до весьма малой величины (единиц дБ или даже долей дБ), недостаточной для нормальной работы основной радиосистемы (в моменты глубоких замираний ПС и отсутствия их у МС).

В качестве исходныхстатистических характеристик замираний взаимодействующих радиосигналов на заданных трассах распространения ПС и МС можно было бы использовать четыре дифференциальных закона распределения замираний ПС и МС:

-- Wпс(Vбз) – плотность распределения вероятности глубины быстрых замираний ПС; -- Wмс(Vмз)– плотность распределения вероятности глубины медленных замираний МС. -- Wмс(Vбз) – плотность распределения вероятности глубины быстрых замираний МС; -- Wмс(Vмз) – плотность распределения вероятности глубины медленных замираний МС.

Однако, заранее эти законы распределения глубины замираний заранее неизвестны для каждой заданной трассы распространения данного радиосигнала. Такой подход возможен лишь после разработки достаточно достоверной альтернативной методики нахождения законов распределения замираний радиосигнала заданного диапазона волн по имеющимся данным о совокупности параметров трассы раcп ространения этого сигнала с последующим нахождением интегрального закона распределения отношения мощностей ПС и МС на входе приемника-рецептора помех и оценки ЭМС по критерию защитного отношения.

Поэтому в существующих методиках расчета ЭМС информация о статистике быстрых и медленных замираний радиосигнала на трассе рассматриваемого типа обычно предоставляется в виде кумулятивных законов распределения вероятностей (определяющих вероятность превышения или непревышения случайной величиной заданного значения) глубины замираний: Fпс (V”) = Вер. (Vпс <V”) для полезного сигнала (интегральный закон распределения Vпс: множитель ослабления ПС ниже текущего значения V”) и

Fмс(V”) = Вер. (Vмс >V”) для мешающего сигнала.

Здесь учитываются вероятности худших случаев: множитель ослабления ПС ниже текущего значения V” и множитель ослабления МС выше текущего значения V”, соответственно. Особенно часто в виде кумулятивных распределений выдаются результаты исследований статистики замираний на базе реальных измерений на трассах или аппроксимации неких усредненных параметров замираний на трассах определенного типа. Вместо вероятностей превышения/непревышения определенного значения V часто используют соответствующие проценты времени. Для анализа меняющейся во времени величины множителя ослабления V(t) радиосигнала на трассах распространения ПС и МС необходимо знать высотный профиль местности между точками передачи и приема (трассы распространения радиосигнала) над средним уровнем моря. При построении высотного профиля трассы между точкой t1 передачи радиосигнала и точкой t2 приема радиосигнала и определении реальной протяженности этой трассы используется понятие дуги большого круга. Большим кругом называется сечение Земли плоскостью, проходящей через центр Земли и точки t 1 и t 2 (рис. 7.3).

 

Рис. 7.3 Дуги большого круга t1- t2

 

Дуга большого круга представляет собой кратчайший маршрут по поверхности земной сферы между любыми двумя точками t1 и t2, находящимися на этой поверхности. Соответствующая кривая между этими точками называется ортодромией. Она получается в результате сечения земной сферы плоскостью, проходящей через точки t1, t2 и центр Земли. В отличие от обычной Эвклидовой геометрии, в которой кратчайшим расстоянием между двумя точками является длина прямой линии между ними, на сфере оно определяется длиной меньшей из двух частей дуги большого круга, разделяемых точками t 1 и t 2 (Рис. 7.3).

 

Любым двум точкам на поверхности сферы, если только они не прямо противоположны друг другу по отношению к центру Земли (то есть не являются антиподами), соответствует единственный большой круг и единственная ортодромия, так как 3 точки (t1, t2 и центр Земли) лежат в одной единственной плоскости. Между двумя точками-антиподами можно провести бесконечное количество больших кругов, но расстояние между ними будет одинаково на любом круге и равно половине окружности круга, или π R, где R – радиус сферы (Земли).

Понятие дуги большого круга используется не только в радиосвязи, но и в совершенно иных областях. Так морской и авиатранспорт для экономии топлива как правило используют маршруты минимального расстояния между точками, то есть их движение осуществляется по дуге большого круга.

При нахождении параметров распространения как ПС, так и МС тоже естественно проводить расчеты с использованием дуги большого круга по следующим причинам: в случае расчета уровня ПС - поскольку максимумы диаграмм направленности антенн в точках передачи и приема естественно направить по кратчайшему пути; в случае расчета уровня МС – поскольку при кратчайшем расстоянии между передатчиком МC и приемником ПС как правило наблюдается наибольший уровень МС, т.е. худший случай. Между станциями, расположенными на поверхности Земли, а также между этими станциями и космическими системами могут существовать множество типов и комбинаций трасс распространения, причем для каждого конкретного случая требуется свой метод прогнозирования. Второй из этих двух вариантов взаимодействия кратко рассмотрен в главе 8.

 

Каждому механизму возникновения помех соответствует своя, как правило достаточно сложная методика расчета, объем которой часто соответствует целой брошюре. Поэтому существующие общие методики расчета уровней полезных и/или мешающих сигналов, состоящие преимущественно из формул, графиков и рисунков, весьма объемны, сложны и требуют длительного и внимательного изучения. Например, документ “РЕКОМЕНДАЦИЯ МСЭ-R P.452-14. Процедура прогнозирования для оценки помех между станциями, находящимися на поверхности Земли, на частотах выше приблизительно 0,1 ГГц [21], действующий в настоящее время (2014г), содержит более 50 страниц весьма плотного насыщенного текста, а одна из отечественных разработок “Методика расчета статистических характеристик мешающих сигналов при фиксированном положении пунктов передачи и приема в полосах частот 1-60 ГГц” – 90 страниц, включая таблицы “данных об усредненных значениях давления, температуры и абсолютной влажности у земной поверхности для наиболее влажного месяца’’ [27].

Большинство практически используемых методик прогнозирует помехи в условиях ясного неба (режим распространения волн 1) и за счет рассеяния в гидрометеорах (режим распространения волн 2) раздельно, хотя в реальных условиях возможны комбинации этих режимов.

Поскольку основной целью данного пособия является изложение основных физических подходов к анализу ЭМС, то, учитывая высокую степень разнообразия вариантов замираний ПС и МС и объемность процедур расчета каждого из них, ограничимся общим рассмотрением существенных моментов статистического анализа этих замираний на входе рецептора помех, опираясь для простоты лишь на один авторитетный источник [21] и попутно отмечая неидеальность отдельных суждений, положенных в его основу. Например, в [27], авторы которого выполнили колоссальный объем натурных измерений и обработки их результатов, отмечено, что при прогнозировании помех, одним из механизмов распространения которых является дальнее тропосферное рассеяние, существуют трудности разработки единого согласованного набора практических методов расчета, охватывающих широкий диапазон расстояний и значений процентов времени (превышения или непревышения определенного уровня сигнала в зависимости от того, является ли он полезным или мешающим), поскольку в реальной атмосфере степень влияния на уровень МС какого-то одного преобладающего механизма распространения из двух-трех постепенно изменяется по сравнению с влиянием другого механизма по мере изменения метеорологических условий и/или трассы. При этом временные интервалы недопустимо высоких уровней МС из-за разных механизмов распространения МС могут частично перекрываться, усугубляя помеховую ситуацию на время этого перекрытия. В то же время это приводит даже к некоторому уменьшению суммарного процента времени недопустимого уровня МC на входе рецептора помехи.

В отличие от сложных реальных процессов распространения радиоволн на трассах, анализ которых требует достаточно высокого уровня исследователя, для физического осмысления студентами процессов распространения радиоволн СВЧ исключительно полезной является так называемая двухлучевая модель распространения радиоволн, учитывающая лишь два маршрута распространения (“луча”) радиоволн – прямую волну и волну, отраженную от подстилающей земной поверхности – и, безусловно, являющаяся заметным упрощением реальных процессов на трассе распространения волн. Владение этой моделью позволяет даже по виду профиля пролета предвидеть основные характерные особенности распространения радиоволн на этом пролете. Кстати, именно на базе двухлучевой модели построена классификация трасс распространения (открытая, полуоткрытая, закрытая трассы) [8].

и проведем “экскурсию” по сложной методике расчета уровня МС, изложенной в [21]это P.452-14 (10/2009).

7.6. Пример процедуры расчета уровня МС между наземными станциями на частотах выше примерно 100 МГц

7.6.1. Построение высотного профиля трасс распространения радиосигналов

 

Вначале производится построение высотного профиля рассматриваемой трассы (рис. 7.3). Основываясь на географических координатах станции, создающей помехи (T-transmitter), и станции, испытывающей эти помехи (R-receiver), следует определить высоты местности над средним уровнем моря вдоль трассы по дуге большого круга (см. выше), используя для этого топографическую базу данных или соответствующие крупномасштабные контурные карты. Расстояние между точками профиля должно, по мере возможности, захватывать основные черты местности. Как правило, подходят приращения расстояния между 30м и 1 км. В целом целесообразно использовать приращение расстояний большей длины для более длинных трасс. В качестве начальной и конечной точки профиль должен включать высоты над поверхностью земли станции, создающей помехи, и станции, испытывающей эти помехи.

Хотя вариант с равноотстоящими точками профиля является предпочтительным, используют и метод с неравноотстоящими точками профиля. Это может оказаться полезным, когда профиль берется из цифровой карты горизонталей высот и предоставляются координаты точек, имеющих фиксированные дискретные значения высоты (например, c “шагом” 10м).

Точка профиля, соответствующая высоте станции, создающей помехи, принимается за нулевую точку, а точка, соответствующая станции, испытывающей помехи, – за n-ую. Таким образом, профиль состоит из (n+ 1) точки. На рис.7.4. в качестве примера дан профиль высот над средним уровнем моря для наземной трассы распространения мешающего радиосигнала, на котором показаны различные связанные с реальной местностью параметры [21].

 

 

Рис.7.4. Профиль высот над средним уровнем моря для наземной загоризонтной трассы.

 

В таблице 7.1 определены параметры, используемые или получаемые в ходе анализа профиля трассы.

 

ТАБЛИЦА 7.1

Определение параметров профиля трассы

Параметр	Описание
œ	Эквивалентный радиус Земли (км)
d	Расстояние на трассе по дуге большого круга (км)
di	Расстояние вдоль дуги большого круга от станции, создающей помехи, до i-й точки поверхности (км)
dii	Интервал приращения для регулярных данных профиля трассы (км)
f	Частота (ГГц)
λ	Длина волны (м)
hts	Высота (м) антенны станции, создающей помехи, над средним уровнем моря (нсум)
hrs	Высота антенны станции, испытывающей помехи (м) (нсум)
ϴt	Для загоризонтной трассы угол места по отношению к горизонту над местной горизонталью (мрад), измеренный со стороны антенны, создающей помехи. Для трассы прямой видимости это должен быть угол места, измеренный со стороны антенны, испытывающей помехи.
ϴr	Для загоризонтной трассы угол места по отношению к горизонту над местной горизонталью (мрад), измеренный со стороны антенны, испытывающей помехи. Для трассы прямой видимости это должен быть угол места, измеренный со стороны антенны, создающей помехи.
ϴ	Угловое расстояние на трассе (мрад)
hst	Высота гладкой поверхности Земли (нсум) в месте размещения станции, создающей помехи (м)
hsr	Высота гладкой поверхности Земли (нсум) в месте размещения станции, испытывающей помехи (м)
hi	Высота i-й точки земной поверхности над средним уровнем моря (м) h0: высота станции, создающей помехи hn: высота станции, испытывающей помехи
hm	Неровность земной поверхности (м)
hte	Эффективная высота антенны, создающей помехи (м)
hre	Эффективная высота антенны, испытывающей помехи (м)