Расчёт эффективности коротковолновой радиолинии на группе частот

Расчёт эффективности коротковолновой радиолинии на группе частот

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

КАФЕДРА СВЯЗИ

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине:

"Устройство и эксплуатация военных систем радиосвязи оперативно-тактического звена управления"

на тему:

"Расчёт эффективности коротковолновой радиолинии на группе частот"

Работу выполнил:

курсант Сень В.А.

МИНСК

Содержание

Введение

Исходные данные

1. Определение расстояния между узлами связи, азимута на корреспондента, координат точки отражения

2. Определение суточного хода МПЧ трассы

3. Определение ОРЧ, времени перехода с дневной на ночную, с ночной на дневную частоты

4. Расчет напряженности поля в точке приема

4.1 Определение действующих высот отражений и необходимых углов излучения

.2 Расчет эффективных значений напряженности поля сигналов в точке передачи, пересчитанных к 1,2 кВт

.3 Расчет средних уровней сигналов и их рассеяния на входе приёмника

5. Расчет напряженности помехи в точке приема

6. Расчет энергетического потенциала КВ радиолинии

7. Выбор антенн

Выводы

Литература

Введение

К коротким волнам (КВ) относятся радиоволны с частотами 3…30 МГц (длинами волн 10…100 м соответственно). В отличие от более коротких волн, которые распространяются земной волной, декаметровые волны распространяются, в основном, путем отражения от ионосферы. Радиус действия земной волны в диапазоне коротких волн сравнительно невелик и при обычно используемых мощностях передатчиков не превышает нескольких десятков километров. Это обусловлено потерями в полупроводящей поверхности Земли и большими потерями в процессе дифракции вдоль Земли.

Но короткие волны могут распространяться на многие тысячи километров путем многократных последовательных отражений от ионосферы и Земли (рис.2.1), и для этого не требуются передатчики большой мощности, т.к. поглощение энергии волны незначительно и уменьшается, в отличие от потерь в земной поверхности, по мере роста частоты. Дальность связи ионосферной волной может составлять несколько тысяч километров.

Это уникальное свойство диапазона KB и используется для построения систем дальней связи.

Однако существуют некоторые особенности распространения КВ:

.        Зависимость условий распространения ионосферной радиоволны от времени суток, месяца, сезона года и цикла солнечной активности;

.        Многообразие видов траекторий волн и углов их наклона;

.        Наличие зон молчания;

.        Глубокие замирания сигнала вследствие многолучёвости;

.        Радиоэхо.

Данные особенности необходимо учитывать при расчётах и эксплуатации радиолиний КВ. В частности, сильная зависимость условий распространения ионосферных волн от времени суток может привести к тому, что при использовании фиксированной частоты качество работы радиолинии в течение суток будет различным, а в некоторые отрезки времени радиосвязь может вообще отсутствовать. Это приводит к необходимости определения суточного хода рабочей частоты и составлению волнового расписания.

Под показателем эффективности понимается количественная мера способности радиосвязи выполнять отдельные требования в заданных условиях функционирования. Однако возможность их выполнения зависит ещё от целого ряда других факторов, часть из которых носит случайный характер, изменяется во времени. Таким образом, показатели эффективности радиосвязи должны либо иметь вероятностный смысл, либо являться усредненными характеристиками радиосвязи. Радиосвязь в КВ диапазоне имеет специфику, поэтому для оценки её эффективности приняты различные показатели.

Оценка КВ радиолинии осуществляется по следующим показателям:

.        Вероятности обеспечения связи с достоверностью не хуже заданной (надёжность связи);

.        Вероятности своевременной передачи сообщения известного объёма с достоверностью не хуже заданной.

Методика расчёта перечисленных показателей учитывает все основные факторы, влияющие на эффективность радиосвязи.

Исходные данные

Исходные данные для расчета берутся из таблицы согласно порядкового номера в журнале.

Вариант № 16

1.      Тип радиостанции - Р-161А-2М;

2.      Конечные пункты узла связи - Гродно-Полоцк;

3.      Мощность передатчика - 1,2 кВт;

.        Количество антенн - 1шт;

.        Вид сигнала - А3J-A1;

.        Требуемое качество связи - 25(дБ);

.        Скорость передачи информации - 25 Бод (сл/мин);

.        Объем сообщения - 300 слов;

.        Время года -январь;

.        Время связи - 00.00 - 02.00, 12.00-14.00.

Примечание:

.Время московское дискретное;

.Время работы на узлах связи - местное;

.Год со средней активностью (число Вольфа W=50).

. Определение расстояния между узлами связи, азимута на корреспондента, координат точки отражения

Для определения длины трассы и координат точек отражения или контрольных точек по заданным координатам конечных пунктов использовал "Карту Белоруссии".

Дальность связи d=437,07 км;

Азимут на корреспондента γ=287°.

Максимальная дальность одного скачка при отражении от слоя F1 составляет 3000 - 4000 км, при отражении от слоя F2 - 3000 км, а при отражении от слоя Е - 1000 км. Рассчитываемую трассу будем рассматривать как односкачковую, поэтому точка отражения находится на середине трассы.

Географические координаты:

ü  точки отражения: 54,19°с.ш., 27,08°в.д.

ü  Гродно: 53° 80' с.ш., 23° 80' в.д.

ü  Орша: 54⁰ 57' с.ш., 30 °35' в.д.

2. Определение суточного хода МПЧ трассы

МПЧ определяют расчётным или экспериментальным путём с использованием данных наклонного и возвратно-наклонного зондирования. До настоящего времени экспериментальный путь определения МПЧ является наиболее точным. Вместе с тем, на практике при эксплуатации КВ радиолиний для определения МПЧ используют в основном расчётные методы. В их основе - пересчёт данных вертикального зондирования ионосферы на наклонное падение с использованием теорем эквивалентности и закона секанса.

Существующие расчётные методы определения МПЧ разделяют на графоаналитические, аналитические, эмпирические. Графоаналитический метод определения МПЧ использует высотно-частотные характеристики и кривые передачи или ионосферные карты и графики.

Аналитический метод - это расчёт МПЧ с помощью уравнения для дальности скачка.

Эмпирический метод - использование эмпирических коэффициентов для пересчёта данных вертикального зондирования на наклонное падение.

В данной курсовой работе я использую графоаналитический метод определения МПЧ по ионосферным картам месячных прогнозов.

Для выбора частот КВ радиосвязи на предстоящее время Институтом прикладной геофизики Российской Федерации (ИПГ РФ, г. Москва) разрабатываются и рассылаются заказчикам месячные прогнозы. Указания о порядке пользования месячным прогнозом с необходимыми для расчётов графиками и номограммами издано отдельно, и, кроме того, ежегодно приводятся в июльском месячном прогнозе.

Месячный прогноз составляется по медианным значениям МПЧ, т.е. на среднее для данного месяца спокойное состояние ионосферы. Точность прогноза МПЧ зависит от точности прогнозирования точности солнечной активности на месяц, данные о которой в виде сглаженного относительного числа солнечных пятен W приводятся в прогнозе на обратной стороне титульного листа. Состояние ионосферы представлено в прогнозе для трёх регулярных слоёв E, F1, F2 в виде карт, на которых указаны значения критических частот.

При расчете МПЧ трассы учитываются все слои ионосферы (F2,F1,E) и для каждого часа выбирается наибольшая из МПЧ, принадлежавших различным слоям. Наибольшая МПЧ получается для слоя F2.

На рис.1 изображена ионосферная карта прогноза, для относительного числа солнечных пятен W=50, для широт 45º с.ш. - 55º в.д., для слоя F2 и дальности связи 500 км.

Рисунок 1 - Суточный ход МПЧ для слоя F2, широта 55 - 65°

Значения МПЧ занесены в таблицу 1.

Таблица 1

Для времени связи с 00.00 до 02.00 fмпч =5,85 МГц;

Для времени связи с 12.00 до 14.00 fмпч =13,35 МГц.

3. Определение ОРЧ, времени перехода с дневной на ночную, с ночной на дневную частоты

Для увеличения напряжённости поля в точке приёма необходимо повышать частоту, приближая её к МПЧ. Однако следует иметь в виду, что под МПЧ радиолинии обычно понимается найденное экспериментально или рассчитанное её среднее (медианное) значение. Поэтому при f=fмпч вероятность отражения радиоволны от ионосферы меньше единицы (для слоёв F2, F1 она составляет около 0,5). Для обеспечения отражения волны от ионосферы с вероятностью не менее чем 0,9, следует снизить рабочие частоты относительно МПЧ на 15% для слоя F2 и на 5% для слоя F1. Полученные таким образом частоты называют оптимальными рабочими частотами (ОРЧ). При отражении от слоя Е МПЧ и ОРЧ совпадают.

Значения ОРЧ = 0,85 МПЧ могут быть определены либо по ионосферным картам прогноза, либо по графикам суточного хода МПЧ, обычно приводимым в месячных прогнозах МПЧ. При этом следует иметь в виду, что первый способ определения МПЧ более точный. Вместе с тем второй способ определения МПЧ является более простым и обычно используется при расчете МПЧ на односкачковых трассах малой и средней протяженности.

Для времени связи с 00.00 до 02.00 fорч= fр= 4,9МГц;

Для времени связи с 12.00 до 14.00 fорч= fр=11,3 МГц.

4. Расчет напряженности поля в точке приема

Все существующие в настоящее время методы расчёта напряжённости поля ионосферной волны являются приближёнными. Действующее значение напряжённости поля волны определяется с учётом многолучёвости распространения радиоволн в ионосфере.

От передающей антенны в место приёма могут попасть лучи, прошедшие различные пути, в том числе и претерпевшие разное количество отражений от ионосферы и Земли, причём каждый из этих лучей под действием магнитного поля Земли расщепляется на два в общем случае эллиптически поляризованных луча, распространяющихся по разным путям в ионосфере.

Вследствие неоднородностей ионосферы эти лучи по выходу сопровождаются пучком слаборасходящихся (с углом расхождения 5 градусов) элементарных лучей.

Таким образом, поле сигнала в точке приёма создаётся в результате суперпозиции ряда лучей с непрерывно изменяющимися вследствие непостоянства ионосферы фазами и поляризацией.

Поэтому интенсивность и поляризация суммарного поля сигнала оказываются изменчивыми, что проявляется в быстрых замираниях сигнала ионосферной волны.

Обычно из всего многообразия лучей выбирается только один луч с наименьшим количеством переотражений от ионосферы и прошедший наименьший путь в ней. Он будет иметь максимальную амплитуду из всего набора лучей. Действие остальных лучей учитывается глубиной быстрых замираний.

4.1 Определение действующих высот отражений и необходимых углов излучения

Действующие высоты отражений находятся по таблице 1.

Таблица 1

Из данной таблицы имеем:

Н (зима, день)= 250 км;

Н (зима, ночь)= 400 км.

Из рисунка 2 при известных величинах действующих высот отражения Н, км и протяженности трассы определяем необходимый угол излучения Θ:

Θ=52° - днём и Θ=65° - ночью.

Рисунок 2 - Зависимость угла излучения от длины скачка и высоты отражающего слоя

4.2 Расчет эффективных значений напряженности поля сигналов в точке передачи, пересчитанных к 1,2 кВт

При определении эффективных значений напряженности поля сигнала в точке приема E_с(дБ) поглощение энергии радиоволн на трассе обычно учитывается величиной критической частоты слоя E (индекс поглощения f_оE). Величина f_оE зависит от широты и местного времени в точке отражения, сезона и уровня солнечной активности. На многоскачковых трассах величина f_оE находится как среднее арифметическое критических частот слоя E в каждой точке отражения, определяемых в серединах равных скачков, на которые разбивается трасса. На рис.3 приведена карта f_оE для июля и для уровня солнечной активности W =50

Рисунок 2 - Карта для определения критических частот для слоя Е

Данные о критических частотах слоя Е в каждой точке поглощения и средних индексах поглощения f_оEср приведены в таблице 3.

Таблица 2

Для заданной протяженности трассы d=437км по найденным значениям индекса поглощения f_оEср и ОРЧ из графика на рис.1 определяются эффективные значения напряженности поля сигнала E_с^I (дБ) от передатчика с эффективной мощностью излучения 1,2 кВт.

Рисунок 3 - Зависимость напряженности поля от индексов поглощения f_оEср и рабочей частоты fр.

 - ночью;  - днем;

Значения напряженности поля сигналов в точке приема для передатчика с отличной от 1,2 кВт эффективной мощностью излучения рассчитывается по формуле:

где  - эффективная мощность излучения передатчика;

 - мощность, подводимая к передающей антенне;

 - относительный коэффициент усиления передающей антенны.

Относительный коэффициент усиления антенны ВНнайдем из рис.4.

Рисунок 4.

Gэ=1,95 - ночью (4,9МГц, =61,2м);

Gэ=1,8 - днем (11,3 МГц, =26,5 м);

Рэф.изл.=0,25*1,2*кВт*1,95= 0,59 кВт - ночью (4,9 МГц);

Рэф.изл.=0,25*1,2*кВт*1,8=0,54 кВт - днём (11,3 МГц);

Ес=42+10lg0,72=39,7дБ - ночью (4,9 МГц)

Ес=33+10lg0,54=32,3дБ - днём(11,3 МГц).

Рассчитанные значения представлены в таблице 4.

Таблица 4.

.3 Расчет средних уровней сигналов и их рассеяния на входе приёмника

Расчет средних уровней сигналов на входе приемника с учетом полученных в пункте 4 значений напряженности поля сигналов в точке приема, а так же характеристик приемной антенны ВН 13/9 и входа приемника, производим по формуле:

 . (3)

Зависимость входного сопротивления наклонного вибратора 13/9 приведена на рис. 6.

Для согласования V-образной наклонной антенны с коаксиальным фидером (pф=Rпр=75 Ом) используется согласующий трансформатор с коэффициентом трансформации:

η²=RА.ср/Rпр, (4)

где RА.ср - среднее входное активное сопротивление антенны в диапазоне рабочих частот.

В данном случае RА.ср=110 Ом.

η²=110/75=1,47.

Пересчитанные активное и реактивное сопротивления антенны

На частоте 4,9 МГц равны:

R'A= RА / η²=225/1,47=153 Ом;'A=XA/ η²= 110/1,47 =74,8 Ом.

На частоте 11,3 МГц:

R'A= RА / η²=107/1,47=72,8 Ом;'A=XA/ η²= 60/1,47=40,8 Ом.

При расчете среднего уровня сигнала на входе приемника с учетом согласующего трансформатора необходимо в выражение для расчета среднего уровня сигнала на входе приёмника внести поправку 20lgn=6,7 дБ вследствие уменьшения ЭДС на выходе трансформатора в n раз. Таким образом получим:

Ночью, 4,9 МГц:

дБ;

Днем, 11,3 МГц:

дБ;

Результаты расчёта представлены в таблице 5.

Таблица 5

На основании статистических данных задаемся величинами рассеяния уровня сигнала sу = 3 дБ днем, sу= 7 дБ ночью.

5. Расчет напряженности помехи в точке приема

Для заданных времени суток, года, цикла солнечной активности, типа приемной антенны, географического положения точки приема и определенных ОРЧ с учетом требуемой для данного вида сигнала полосы пропускания приемника из статистики по загрузке радиочастотного диапазона находятся средние уровни помех  [дБ] и их рассеяния s[дБ] на входе приемника.

Ориентировочные значения средних уровней помех на входе приемника с учетом обобщенных статистических данных по загрузке КВ диапазона в годы минимума солнечной активности, июль, примем равными:

 = 42 дБ -(4,9 МГц)-ночь;

 = 11 дБ -(11,3 МГц)-день;

,

 46 дБ - (4,9 МГЦ)-ночь;

 15 дБ - (11,3 МГЦ)-день;

Исходя из статистических данных задаемся также величиной рассеяния уровней помех на входе приемника:

sх = 8 дБ - день;

sх = 17 дБ - ночь.

Результаты сведены в таблицу 6.

Таблица 6.

6. Расчет энергетического потенциала КВ радиолинии

По результатам, полученным в пункте 5, рассчитывается среднее превышение уровня сигнала над уровнем помех:

 [дБ]= [дБ] -  [дБ]. (6)

Рассеяние превышения сигнала над помехой:

sz [дБ] = s²y [дБ] + s²x [дБ]. (7)

Откуда

= 54-42 =12[дБ] (4,9 МГц);

= 40,2-11 =29,2[дБ] (11,3 МГц);

sz =  [дБ] - ночь;

sz =  [дБ] - день.

По заданным данным к достоверности передачи информации с учётом вида сигнала и способа его обработки определяется требуемое превышение уровня сигнала над уровнем шума (помех). Зависимости вероятности ошибок приёма элемента сигнала от отношения сигнал/помеха для наиболее употребляемых видов сигналов приведена на рис.7.

Так как требуемое качество связи (процент достоверности передаваемых сигналов) равно 25 %, то получаем, что допустимая вероятность ошибки равна 0,005. Из рис.5 получаем:

доп = 25 дБ.

С использованием данных расчёта определяется величина расчётного параметра :

. (8)

 - ночь (4,9МГц);

- день (11,3МГц);

Из рис.6 находим ожидаемое значение вероятности связи с достоверностью не хуже заданной.

Рисунок 6 - График интеграла вероятности

Окончательные результаты сведены в таблицу 7.

Таблица 7

8. Выбор антенн

Одним из важных устройств для расчёта эффективности радиосвязи является антенна. Выбор антенны главным образом зависит от дальности радиосвязи и диапазона рабочих частот. В данном задании необходимо выбрать одну антенну.

Характеристики антенн представлены в таблице 8.

Таблица 8 Виды антенн

В соответствии с данной дальностью связи и выбором рабочих частот среди штатных антенн радиостанции Р-161А-2М была выбрана в качестве приёмной Диполь Д213

Выводы

В ходе выполнения курсовой работы были получены практические навыки по расчёту эффективности КВ радиолинии на группе частот.

Для выполнения дальнейших расчётов были определены дальность связи, азимут на корреспондента и координаты точки отражения. Расстояние между оконечными пунктами КВ радиотрассы равно 437 км. Азимут на корреспондента показывает, как необходимо юстировать антенну, чтобы добиться наибольшей дальности радиосвязи и наилучшего качества приёма. Так как трасса односкачковая, то точка отражения определяется как середина трассы.

По ионосферной карте прогноза на март графоаналитическим методом был определён суточный ход МПЧ трассы. Максимально применимая частота - это критическая частота, при превышении которой электромагнитная волна не будет отражаться от ионосферы, а будет проходить сквозь неё. Выбрав наибольшую из МПЧ всех слоев ионосферы получили МПЧ для всей радиотрассы. В ходе анализа было установлено, что отражение от ионосферы при максимальной частоте будет от слоя F2.

Так как ионосфера это среда со случайно изменяющейся электронной плотностью, то возникает необходимость использовать оптимальные рабочие частоты, чтобы не произошло нарушение связи. ОРЧ задается несколько ниже чем МПЧ. ОРЧ для данной КВ радиолинии будет на 15% меньше чем МПЧ для слоя F2. Исходя из того что ОРЧ зависит от времени года, суток и солнечной активности, то было установлено время перехода с дневной на ночную и с ночной на дневную ОРЧ.

Определив, напряженность поля сигнала и помехи в точке приема произвел расчет энергетического потенциала КВ радиолинии и величины параметра ξ. В результате чего установили, что ночью не обеспечивается связь с требуемым качеством связи 25дБ. Вследствие этого, разборчивость ночью ниже, чем днём.

На основании проделанных расчётов и минимально необходимой вероятности связи(90% -94,9%в ТЗУ и 95%-100% в ОТЗУ) с заданной достоверностью делаю вывод, что на трассе Минск-Борисов в ночное и дневное время организовывать связь невозможно без применения дополнительных средств. Увеличение вероятности связи с достоверностью не хуже заданной можно добиться следующими образом:

)        заменой антенны(передающей, приемной);

)        для улучшения связи на низких частотах можно увеличить длину плеч вибратора при помощи медного провода, тем самым мы увеличим волновой размеров антенны, что также приведет к сужению ДН антенны ;

)        улучшить направленность антенны на корреспондента путем сближения плеч наклонного вибратора;

)        уменьшение приёмной и передающей частоты;

)        изменение режима работы;

)        уменьшение допустимой качества связи.

Литература

1. Горбуша Г.Н., Дриацкий В.М., Жулина Е.М. Инструкция по расчёту коротковолновых линий радиосвязи на высоких широтах. М.: Наука, 1969.

2.      Прохоров В.К., Шаров А.Н. Методы расчёта показателей эффективности радиосвязи. Пособие по курсовому и дипломному проектированию. М.: ВАС, 1990.

3.      Улановский А.В., Заневский Д.В. Распространение радиоволн и антенные устройства. Радиолинии связи различных диапазонов. Пособие по курсовой работе. Мн.: ВАРБ, 2000.

4.      Улановский А.В., Заневский Д.В. Распространение радиоволн и работа радиолинии. Учебное пособие. Мн.: ВАРБ, 2004.

5.      Степанов Г.А. Инженерная графика. Правила оформления текстовых и графических документов курсовых и дипломных проектов. Мн.: ВАРБ, 1999.