автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Повышение надёжности в морских системахрадиосвязи при использовании судового декаметрового оборудования ГМССБ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ АДМИРАЛА С.О. МАКАРОВА

На правах рукописи

Неволин Михаил Тимофеевич

"Повышение надёжности в морских системах радиосвязи при использовании судового декаметрового оборудования ГМССБ"

Специальность 05.12.17- Радиотехнические и телевизионные системы и устройства.

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена в Государственной морской академии имени адмирала С.О. Макарова.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Устинов Ю.М. Научный консультант:

кандидат технических наук, профессор Ильин A.A. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Трискало И.А. кандидат технических наук Петренко О.Э.

Ведущая организация- Центральный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт морского флота.

Защита диссертации состоится " J^-^ " ^f ^ tP Р^.--- 2000 г. в

/ y часов на заседании диссертационного Совета К 101.02.04 при Государственной морской академии имени адмирала С.О. Макарова по адресу: 199106, Санкт-Петербург, Косая линия 15а в аудитории 216.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Государственной морской академии.

Автореферат разослан"

Ж 000 года.

Отзывы на реферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 199106, Санкт-Петербург, Косая линия 15а на имя учёного секретаря Совета.

Учёный секретарь диссертационного Совета: кандидат технических наук, доцент _В Н. Рябышкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Увеличение объема морских грузовых и пассажирских перевозок, связанных с товарообменом в рыночной системе между регионами, внедрение Глобальной Морской Системы Связи при бедствии и для обеспечения безопасности мореплавания (ГМССБ), а таюкг повышенные требования к более оперативному управлению морскими грузопотоками,- обусловливают необходимость повышения надежности обмена информацией в морских системах радиосвязи.

Дальняя радиосвязь с морскими подвижными объектами осуществляется как с использованием искусственных спутников Земли (ИСЗ), так и с использованием естественных каналов радиосвязи в декаметровом диапазоне (HF) радиоволн. Если раньше диапазон HF использовался на флоте преимущественно в режиме прямого буквопечатания, телефонии и телеграфии азбукой Морзе, то в последние годы в диапазоне декаметровых волн работают новые системы связи, являющиеся неотъемлемой составной частью ГМССБ. Это, прежде всего, система Цифрового Избирательного Вызова (ЦИВ, DSC) и радиотелекс (NBDP). Кроме того, в настоящее время интенсивно развиваются все новые системы радиосвязи, работающие в диапазоне HF, например, Global Radio Network,- система связи, позволяющая вести обмен корреспонденцией с судами в море и передачу данных на больших скоростях.

Декаметровые каналы характеризуются непостоянством условий связи и, как следствие, низкой надёжностью. Для повышения надежности морской радиосвязи в диапазоне декаметровых волн можно применять разные способы:

во-первых, это способы, связанные с усовершенствованием самой каналообразующей аппаратуры, к которым можно отнести помехоустойчивое кодирование сигналов, использование

различных режимов передачи информации, повышение стабильности частоты, уменьшение внутренних шумов аппаратуры и др.;

во-вторых, это способы, относящиеся непосредственно к среде распространения радиоволн, которая входит в общую систему радиосвязи с морскими подвижными объектами и естественно влияет на надежность радиосвязи с судами.

Если первый способ в настоящий период относительно хорошо исследован и применяемая аппаратура имеет высокие технические показатели, близкие к предельно достижимым при современном уровне научно-технического состояния, то второй способ- еще далек до предельного, поскольку среда распространения радиоволн нестабильна, недостаточно изучена и именно она, в основном, лимитирует надежность радиосвязи.

Общим вопросам влияния среды распространения радиоволн на системы радиосвязи посвящено много работ Российских и зарубежных авторов. Особенно интересные материалы получены в трудах Я.Л.Альперта, А.Н.Казанцева, М.П.Долуханова, А.И.Калинина, В.А.Котельникова, Ш.Г.Шпионского, Т.С.Керблай, М.КоЬегТ, К.Лалуеге, Р.Вапкя и др.

Однако до настоящего времени мало опубликовано работ и недостаточно исследованы вопросы, связанные с судовыми каналами радиосвязи, имеющими специфические особенности. На актуальность исследования декаметровых радиоканалов морской подвижной службы не раз обращал внимание Международный Консультативный Комитет по радио, входящий в настоящее время в МСЭ-Р.

В предлагаемой работе делается попытка дополнить и развить теоретические и практические вопросы повышения надежности морских систем радиосвязи при использовании декаметрового оборудования ГМССБ именно с учетом влияния среды распространения радиоволн.

Цель работы. Целью работы является решение проблемной научно-ехнической задачи повышения надежности в морских системах 1адиосвязи, использкующих декаметровое оборудование ГМССБ, с точки рения более обоснованного учета особенностей морских радиоканалов, ¡ыбора оптимальных рабочих частот (ОРЧ), выбора оптимального времени еансов радиосвязи (ОВС), влияния внешних помех в судовых условиях, а акже рационального использования радиоспектра, выделенного морской юдвижной службе.

Методы исследования. В диссертационной работе проводились еоретические и экспериментальные исследования. При этом применялись 1етоды теории вероятностей и математической статистики с использовани-:м средств вычислительной техники. При проведении экспериментальных гсследований в судовых условиях использовались различные методы, в -ом числе, метод компарирования.

Научная новизна.

. Сформулированы, обоснованы и исследованы особенности морских сис-ем радиосвязи, которые необходимо учитывать в инженерных расчетах [иний радиосвязи с морскими подвижными объектами, использующими шпаратуру ГМССБ декаметрового диапозона волн.

!. Впервые экспериментально и теоретически исследованы конкретные лиши радиосвязи с морскими судами, находящимися в регионах интенсивно-о движения флота в переходный период освещенности трассы и выработа-1Ы соответствующие рекомендации для оценки надежности радиосвязи. 1. Обоснована возможность применения в инженерных расчетах более про-:той аппроксимации распределения электронной концентрации по высоте [ля определения поглощения радиоволн в иносфере при расчетах морских расс в декаметровом диапозоне частот, выделенных Международным 'егламентом радиосвязи морской подвижной службе.

4. Разработана методика и составлен алгоритм расчета линий радиосвязи с морскими подвижными объектами с учетом: особенностей морских трасс; оптимального выбора мод; влияния внешних помех; технических данных судовой аппаратуры; - дрейфа антипода.

5. Представлена зависимость вероятности изменений количества ошибок в судовых каналах при узкополосной буквопечатающей радиосвязи от отношения напряженности поля сигнала к напряженности поля помех как для медианных, так и модальных значений.

6. Уточнено выражение расчета напряженности поля на длинных трассах, вплоть до районов антипода.

7. Даны рекомендации для соответствующих Международных организаций о целесообразности перераспределения полос частот с учетом прохождения радиоволн в различных регионах. Показано, что максимум оптимальных рабочих частот в экваториальных регионах значительно смещается в сторону коротковолновой части декаметрового диапозона.

Пракпгческая ценность. В результате проведенных исследований на конкретных морских трассах разработаны и представлены методы учета особенностей морских радиолиний при инженерных расчетах напряженности поля и выборе оптимальных рабочих частот. На основе анализа составлены волновые расписания по выбору ОРЧ для регионов с наибольшей интенсивностью движения транспортных судов, в том числе и для регионов антипода.

Волновые расписания оптимальных полос частот были практически использованы в отдельных службах связи и могут найти дальнейшее применение в различных судоходных компаниях. Обнаружено, что радио-

связь значительно улучшается, когда точки пода и антипода находятся в сумеречной зоне, в этот период диапозон рабочих частот увеличивается примерно в три раза.

Накопленный экспериментальный материал о влиянии различит-внешних помех в судовых системах радиосвязи позволил откорректировать зоны внешних помех при расчетах радиолиний с морскими судами.

Выполненная диссертационная работа имеет условный экономический эффект, выражающийся в повышении надежности морской радиосвязи и в этой связи повышении безопасности мореплавания, сохранении человеческой жизни на море и сохранен™ материальных ценностей перевозимых морским путем.

Внедрение результатов работы.

Результаты, проведенных исследований и расчетов частично вошли в Госбюджетные НИР, использовались в службах пароходств (имее-ются соответствующие акты о внедрении) и в учебном процессе на кафедрах морской радиосвязи и радиоэлектроники, а также на учебно-тренажерном центре ГМА. Кроме того, отдельные исследоваши включены в методические указания по технической эксплуатации и работе с судовыми буквопечатающими и факсимильными устройствами и могут применяться в АРМ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава совместно с Бассейновым научно-техническим обществом водного транспорта (г.г. Ленинград, С-Петербург, 1988-1999г.г.); на ХУ-ой Всесоюзной научно-технической конференции секции радиосвязи и радионавигации (Москва, Ленинград, 1990г.); на XVI Международной научно-технической конференции секции радиосвязи и радионавигации совместно с Российской Академией транспорта и С-

Петербургским Бассейновым научно-техническим обществом водного транспорта (С-Петербург, 1992 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 9 статей, 3 тезисов докладов, отчет НИР.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 132 страницы. Работа содержит 39 рисунков, 20 таблиц, 103 наименования использованной литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, отмечаются основные публикации по рассматриваемой проблеме, дается краткая характеристика исследуемых в диссертации вопросов их научная и практическая направленность.

Первый раздел диссертационной работы посвящен общему теоретическому исследованию ослабления сигнала за счет поглощения радиоволн в ионосфере, анализу особенностей излучения и распространения электромагнитной энергии и обработке данных в судовых условиях. Показано, что в диапазоне декаметровых радиоволн, выделенных Международным Регламентом радиосвязи морским подвижным службам допустимы упрощенные инженерные расчеты поглощения радиоволн.

При прохождении радиоволн поглощающих слоев ионосферы через максимумы ионизации необходимо учитывать поглощение радиоволн

как до максимумов, так и после максимумов ионизации ( Гх и Г2), поскольку поглощения сравнимы, например для поглощающего слоя Д ионосферы (1), таблица 1.

Гд= 2(Г!+Г2)= 120 Я"

^}:т I» ЗИт т; ^

г<ухап г сг2ап

1~ГТ+ J

Ит

0

(1)

где <х -удельная проводимость и е'-относительная диэлектрическая проницаемость соответствующих областей ионосферы. Таблица 1

Параметры ионосферы Частота (МГц) г1 Г2

Н =9000м о0 =1,2Л06сек~х 4 0,14319 0,10499

8 0,05717 0,03718

10 0,04431 0,01814

15 0,01884 0,01788

20 0,01431 0,00811

25 0,00683 0,00478

Проведённый анализ показал, что поглощение целесообразно определять, опираясь на методы, основанные на работах А.Н.Казанцева, М.П.Долуханова, ЯЛ.Альперта, рекомендующие раздельный учет поглощения в слоях ионосферы (Р,Е,РДругие методы расчета напряженности поля, например СШ>Ь (США), КРи-9 (США), БР1М (ФРГ -Франция), использующие усредненные параметры поглощения не в полной мере отражают физические представления о распространении радиоволн, особенно при радиосвязи с морскими подвижными объектами. Постепенное удаление судна от береговой радиостанции создает условия, при которых происходит изменение длины скачка, угла падения радиоволны на отражающий слой ионосферы и, в соответствии с законом секанса, изменение максимально применимой частоты (МПЧ). В пределах одного скачка (при-

близительно 4000 км) с увеличением расстояния наблюдается рост МПЧ, но в дальнейшем радиосвязь одним скачком становится невозможной и пр1 переходе на двухскачковый вариант связи МПЧ уменьшается. Далее снова происходит рост МПЧ до следующего перераспределения скачков. Как показали судовые наблюдения неравномерные скачкообразные изменения МПЧ и ОРЧ при удалении от источника излучения особенно проявляются до расстояний порядка 13-15 тысяч км. Далее с увеличением расстояния в результате все возрастающей вероятности комбинированных модов, создаются условия для других механизмов распространения радиоволн, например, при большой ионизации слоя Е ионосферы возможен способ распространения радиоволн типа Л/РУНУД на расстояниях, приближающихся к 20000 км начинает проявляться "эффект антипода".

Судовые радиостанции в декаметровом диапозоне радиоволн вынуждены работать на несимметричные антенны, имеющие круговую диаграмму напрвленности в горизонтальной плоскости и прижатую к воде диаграмму направленности в вертикальной плоскости. Кроме того, по требованию Российского Морского Регистра Судоходства судовые радиостанции должны находиться на уровне ходового мостика или на одну палубу ниже. В этом случае передатчик вместе с антенной оказывается приподнятым над сложной подстилающей (отражающей) поверхностью (палубный груз, краны, трубы, мачты), что влияет на реальную диаграмму направленности антенны.

Во втором разделе представлены подробные исследования параметров радиолиний при связи с морскими подвижными объектами, использующими аппаратуру ГМССБ декаметрового диапозона, на основе анализа конкретных морских радиотрасс, охватывающих регионы с наибольшим движением транспортного флота. Показано, что надежность радиосвязи с морскими подвижными объектами относительно стабильна в

установившийся период освещенности трассы по всем областям отражения радиоволн от ионосферы. Для анализа поглощения радиоволн в переходный период освещения трасс были исследованы два направления радиолиний примерно одинаковой протяженности (около 7000 км), но излучающие объекты (суда) сдвинуты по долготе (Черное море - Японское море). Это радиолинии Индийский океан - Черное море и Индийский океан - Японское море. Расчеты выполнены для максимума и минимума солнечной активности в диапазоне частот, выделенных морской подвижной службе. Анализ проведённых автором расчетов и экспериментальных данных в переходный период показал что:

в переходный период освещения трасс создаются условия, затрудняющие выбор оптимальных рабочих частот, а, следовательно, в это время значительно ухудшается надежность радиосвязи;

наблюдается расширение временного интервала радиационного воздействия на ионосферу в годы максимума солнечной активности и это ведет к некоторому увеличению по времени прохождению радиоволн высокочастотной части декаметрового диапозона частот;

в длинноволновой части декаметрового диапазона (4МГц) в переходный период имеют место очень резкие перепады напряженности поля Е;

экспериментальная проверка выявила более сглаженное влияние освещенности трассы на изменения напряженности поля Е в средневолновой части (12МГц) декаметрового диапазона; имеется сдвиг переходного периода по временной оси в рассматриваемых радиотрассах от 2 до 5 часов.

Анализ расчетных и экспериментальных данных по другим трассам, охватывающим регионы с наибольшим движением транспортного флота и применением судовых буквопечатающих устройств выявил следующее: на морских трассах свыше 7000 км напряженность поля сигнала на частотах 4 и 8 МГц в освещенный период времени падает ниже уровня чувствительности приемника как при max, так и при min солнечной активности; на длинных трассах, значительно растянутых вдоль широт (10000-12000 км), переходный период длится несколько часов и радиосвязь возможна только в небольшие промежутки времени на определенных частотах, указанных в диссертации; на относительно коротких морских трассах (1500-2500 км) возможна радиосвязь в течение суток в интервале до трех частотных полос, например, в полосах 6,8,12 МГц для трассы С-Петербург-Ламанш;

в годы максимальной солнечной активности в период наибольшего освещения трассы МПЧ могут достигать предельных значений декаметрового диапазона - 30 МГц.

По результатам анализа всех трасс в работе разработаны рекомендации и представлены волновые расписания оптимальных полос частот для регионов с наиболее интенсивной плотностью морских судов. Представленные рекомендации и волновые расписания могут найти практическое применение в службах связи различных судоходных компаний.

Поскольку надежность ионосферного канала радиосвязи определяется как:

Ii

K = 1--Ü— (2)

T

n

где ^ vi - сумма промежутков времени, в течение которых приём полез-

/=1

ного сигнала невозможен; Т - время общей длительности передачи сообщений, то связистов интересует диапазон рабочих частот при которых ожидается наименьшее поглощение радиоволн. Решая уравнения Максвелла для полупроводящей среды можно показать, что поглощение радиоволн при прохождении слоев ионосферы уменьшается с увеличением частоты.

На рис. 1 и 2 представлены расчетные и экспериментальные данные, полученные при радиосвязи на частотах близких к МПЧ. Как видно из рис. 1 рабочая частота в диапазоне 12 МГц наиболее приближается к МПЧ по сравнению с частотой 8 МГц. На рис. 2 под индексами 8-1, 8-2 представлены вероятности ошибок в диапазоне 8 МГц для медианных и модальных значений соответственно. Под следующими индексами представлены вероятности ошибок в диапазоне 12 МГц для медианных (12-1) и модальных (12-2) значений. Из графиков следует, что вероятность изменения ошибок от х на частотах в полосе 12 МГц сильнее зависит от модальных значений, чем от медианных. В диапазоне 8 МГц разница между медианными и модальными значениями меньше.

Таким образом, при анализе канатов радиосвязи и при разработке систем повышения надежности связи необходимо учитывать зависимости Р(%) как от медианных, так и от модальных значений напряженности поля, используя преимущества того или другого варианта.

Третий раздел работы полностью посвящен антиподным морским линиям радиосвязи, поскольку все антиподы основных морских береговых радиоцентров находятся на морской поверхности.

о* et et Рис. 1

t

MCK

P(X)

i a S

W IS

Рис.2

*e X

02

Ш

S

Х=Есиг/Епом,

Процесс фокусировки электромагнитной энергии в районах антипода можно представить, опираясь на геометрическую модель, определяющую изменение площади (F) в зависимости от расстояния, то есть характеризующую плотность потока энергии (вектор Пойтинга):

п = ^ = =_I_

F 120л- nh{2a + h)sme

где а - радиус Земли, h - высота основного отражающего слоя ионосферы, в - центральный угол, соответствующий расстоянию между станциями.

Эффект фокусировки электромагнитной энергии в районах антипода также следует рассматривать как результат суммарного воздействия различного рода составляющих напряженности поля, но определение Е в районах антипода еще более затруднительно, поскольку в точку антипода приходит бесконечно большое количество радиоволн, огибающих Землю со всех сторон. Теоретическое рассмотрение этой модели (сложение всевозможных мод) может привести к бесконечности результирующего поля, хотя с энергетической точки зрения напряженность поля в идеальном случае не должна превышать напряженности поля вблизи антенны. В подобных случаях используют полуэмпирические способы решения проблемы.

Еще в ранних работах К. Rawera, Ш. Г. Шпионского, P. Banksa, М. Roberta отмечались трудности строгого решения и предлагались полуэмпирические пути исследований. Невозможно получить строгую универсальную аналитическую формулу, учитывающую Есе вариации антиподной радиосвязи, но экспериментальный материал позволяет уточнять и определять основные параметры радиолиний (МПЧ, ОРЧ, Е) при антиподном распространении радиоволн.

В диссертационной работе проведен анализ и математическая обработка экспериментальных данных по антиподным линиям радиосвязи с использованием метода наименьших квадратов. Измерения напряженности

поля сигнала выполнялись на теплоходах "Нововолынск" и "Нововятск", объём эксперимента включил 137 медианных значения Е. Результаты медианных значений напряженности поля представлены на рис. 3, где сплошными линиями обозначены экспериментальные значения напряженности электрического поля Е в зависимости от расстояния. За нулевой отсчет по расстоянию взят геометрический антипод. Аналитические выражения напряженности удовлетворительно аппроксимируются квадратичной параболой (пунктирные линии) при соответствующей разбивке участков по расстоянию (г в км, Е в мкВ/м), формулы (3,4,5):

е_ |ехр(-7,97-10"7/-2+4,02-Ю-4г+ 2,1 б) г <250 ~ |ехр(-1,02 -10"V +1,67• 10"5г + 2,27^ г > 250

_ (ехр(-1,22• 1<Г*г2 - 6,27 • 10"4г + 2,02), г < -326 ~ |ехр(-2,71 ■ 10"V -4,7 • 10"4г +1,97), г > -326

(4)

Е =

[ехр(-7,88-10~*г2 +7,69-10"4г+1,60) г <510 |ехр(-2,27-10~ V -3,33• 10"4г + 2,20), г >510

(5)

Из анализа экспериментально полученных результатов, представленных на рис.3, следует, что максимумы реального антипода имеют значительные отклонения от геометрического ("дрейф антипода") и различные по расстоянию начальные отсчеты увеличения напряженности поля, вызванные фокусировкой электромагнитной энергии. Смещение максимумов Е реального антипода от геометрического зависит от многих факторов, поскольку существуют различные причины асимметрии при антиподной радиосвязи. Смещение максимума Е происходит за счет разности групповых

скоростей. Распространение декаметровых радиоволн по теневой стороне Земли происходит в основном за счет отражения их от ионосферного слоя /у при отсутствии полупроводящих слоев Д в то время как распространение радиоволн по освещенной части Земли происходит за счет отражения их от Г2 при наличии слоев Д Е, Р/. Поэтому групповые скорости Есиг будут различные. Кроме того, причины дрейфа антипода могут возникать за счет асимметрии ионосферного состояния полярных шапок.

Рис. 3

В этой связи в работе усовершенствована формула расчета напряженности поля Е, полученная ранее в НИР ЛВИМУ и применяемая в РТМ. Усовершенствованная формула (6) учитывает "дрейф антипода" путем изменения коэффициента в (0,05-0,002).

Е=-

122

'в + япв

ехр

-3,8-10'2 '3-Ю2

/|

ехр|

/=1

(6)

раб

где г- расстояние в тыс. км.;

Р- мощность излучения в кВт;

в - центральный угол, соответствующий расстоянию г; С - коэффициент, изменяющийся в пределах 0,05-0,002;

п

^ Г 1 - суммарное поглощение радиоволн в ионосфере. /=1

Особый практический интерес представляет изменение МПЧ, а следовательно и ОРЧ в течение суток. Зная особенность суточного хода ОРЧ, можно обеспечить более уверенную радиосвязь с районами антипода. В работе представлены графики хода МПЧ для антиподов Москвы и Владивостока. В графиках отражены трассы различных направлений, проходящие как по освещенным, так и по затемненным сторонам земного шара. Из графиков хода МПЧ видно, что при положении точек конечных пунктов в сумеречных зонах (утро-вечер) наблюдается расширение диапазона МПЧ, а следовательно, и рабочих частот антиподной радиосвязи, поскольку радиоволны низких частот декаметрового диапазона распространяются по трассам теневой стороны и фокусируются в точке антипода, а радиоволны

высоких частот — распространяются по трассам освещенной стороны и так же фокусируются в районе антипода. В сумеречный период диапазон рабочих частот увеличивается примерно в три раза.

В четвертом разделе диссертационной работы приведены обобщённые материалы по повышению надежности морских систем радиосвязи при использовании декаметрового оборудования ГМССБ, результаты теоретического и экспериментального анализа конкретных радиолиний.

В работе дан краткий анализ всех диапазонов, использующихся для радиосвязи в морских системах, что позволяет уточнять взаимодействие поверхностных и пространственных волн во избежание образования "мертвых зон". Показано, что во избежании образования "мертвой зоны" в течение любой фазы солнечной активности, необходимо для ближней радиосвязи применять следующие частоты:

— не свыше 4-4,5 МГц при связи с радиостанциями, расположенными в широтах более 60 градусов;

— не свыше 4,5-4,7 МГц при связи с радиостанциями, расположенными в широтах порядка 40-60 градусов;

— не свыше 4,7-5,5 МГц при связи с радиостанциями, расположенными в районе широт 0-40 градусов.

Дополнительные исследования дальней радиосвязи в малых широтах (т/х "Пайде", "Илья Ульянов") выявили значительное смещение макисмума оптимального диапазона частот в сторону коротковолновой части декаметрового диапазона (18-25 МГц). В этой связи целесообразно администрациям государств, находящимся в малых широтах, выделять больше частот коротковолновой части декаметрового диапазона, а государствам, расположенным в высоких широтах, выделять из частотного ресурса больше частот длинноволновой части декаметрового диапазона (ниже 12 МГц).

Функционирование любой современной системы радиосвязи, в то\< числе и ГМССБ, невозможно без учёта влияния помех в радиоканалах. Влиянию помех в каналах радиосвязи посвящено ряд работ, но наиболее подробно вопросы подавления негауссовских помех в судовых каналах радиосвязи рассмотрены в трудах К. Венскаускаса. Однако, еще недостаточно внимания в литературе уделено практическим вопросам влияния помех с учетом конкретных частот декаметрового диапазона, выделенного морской подвижной службе, и с учетом конкретных морских регионов. В четвертом разделе диссертационной работы рассмотрены вопросы учета внешних помех при расчете морских линий радиосвязи. На основе проведенных измерений и наблюдений показано, что из пяти видов внешних помех (атмосферные, от мешающих радиостанций, индустриальные, пурговые, космические — формула 7) основное влияние на надежность радиосвязи в морских каналах декаметрового диапазона оказывают атмосферные помехи и помехи от мешающих радиостанций.

Епом - ^Еат.и + Е1еш + Е1,д + Епур + Е1ос (7)

Очень важно корректировать зоны интенсивности атмосферных помех в морских регионах, где нет постояннодействующих измерительных пунктов, а эти регионы заниамют около 70% нашей планеты. В работе представлены усредненные значения атмосферных помех в экваториальны широтах в период максимума солнечной активности.

За послевоенный период количество зарегистрированных МКРЧ коротковолновых радиостанций возросло более чем на два порядка. Ограниченность частотной емкости декаметрового диапазона приводит к росту среднего уровня помех от мешающих радиостанций. В таблице 2 представлены усредненные данные по уровню помех от мешающих радиостанций е

мкВ/м для морских трасс при пересечении Атлантики в зависимости от сезона и времени суток.

Усреднённые значения напряжённости поля

помех мешающих станций в точке приёма Е(меш) в мкВ/м Таблица 2

Сезон года Время Суток (мест) Г МГц

4.1 6.4 8.6 12.6 16.7 22.2

Лето 0000 2.5 2.3 2.3 2.0 1.2 0.8

1200 0.2 0.2 0.4 1.0 1.2 2.0

Зима 0000 1.5 2.0 3.0 2.0 1.0 0.7

1200 0.3 0.4 0.5 1.0 1.1 2.0

На рис. 4 представлены усредненные значения напряженности поля помех от мешающих радиостанций (в дБ) в зависимости от частоты для дневного и ночного периода в зимне-весенний сезон на морских трассах меридионального направления (Северное море, Средиземное море, районы Южной Африки). Как видно из графиков кривые имеют четко выраженные максимумы как для ночного, так и для дневного периода, объясняемые условиями прохождения радиоволн в зависимости от времени суток.

При определении надежности радиосвязи величины помех от мешающих радиостанций следует вводить в расчетные формулы с учетом данных, усредненных по конкретным районам, для определенного времени и определенной частоты. Например, на рисунке 5 представлена кривая зависимости надежности радиосвязи (в %) от коэффициента направленного действия антенны (Д) при мощности излучения в I кВт и/ра5 = 12,6 мГц.

Е (д Б)

zo

/с

'/о

'ZO

I ¡¡¿щ

/ 1 s t 1 1 / » ^s^ t ^ 1

1 1 1 « 1 » 1 1 / iS r » i ■ i t

» t 1 1 » к î » i i \ i i • t ■ i

а s

/о

К (%)

/s- 2.0

Рис.4 зима

/оо

zs so f(MJ

«•=3000 км.

/ 4о ôo /*о /бо Zfx? Рис. 5

Поскольку суммарное поле в точке приема — результат вектороного сложения отдельных мод, а каждый мод имеет свою частотную зависимость £,(/), то максимальная напряженность поля будет равна:

Результаты расчетов на основании частотного и энергетического анализа показали целесообразность учета только двух (не более трех) мод на линиях средней протяженности (~ 7000-8000 км), кроме того анализ показал, что поглощение радиоволн в ионосфере сильнее влияет на надежность радиосвязи, чем изменение мощности излучения. При изменении излучения в десять раз напряженность поля Е изменяется приблизительно в три раза, а при изменении суммарного поглощения в десять раз напряженность поля изменяется в 50—70 раз. Следовательно, уточнение поглощения радиоволн и выбор оптимальных рабочих частот имеет доминирующее значение для определения надежности морской радиосвязи.

В работе представлены соответствующие расчетные и экспериментальные материалы в графическом и табличном исполнении зависимости напряженности поля (£) от длины волны (К) в рассматриваемом диапазоне волн, зависимости Е от времени суток, зависимости Е от суммарного поглощения, которые позволили уточнить параметры, влияющие на надежность радиосвязи, и выработать алгоритм расчета морских радиолиний.

На основе проведенных исследований можно кратко сформулировать следующие основные выводы:

(8)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1) Строгое аналитическое решение задачи об учете поглощения радиоволн при радиосвязи с морскими подвижными объектами затруднительно для практических инженерных расчетов. В диссертационной работе показано, что в диапазоне декаметровых волн, выделенных Международным Регламентом связи морской подвижной службе, вполне допустима линейная аппроксимация изменений электронной концентрации по высоте. При этом расчетные данные удовлетворительно согласуются с экспериментальными.

2) При расчете морских систем радиосвязи следует учитывать специфические особенности судовых объектов:

— судовые передающие устройства имеют ограничения по мощности излучения, поэтому исключается возможность повышения надежности в морских системах радиосвязи путем увеличения Р£. В диссертационной работе подробно рассмотрены другие способы повышения надежности передачи информации, например, выбор оптимальных рабочих частот, выбор оптимального времени сеансов радиосвязи, более точный учет всех особенностей морской радиосвязи и влияния внешних помех в судовых условиях;

— судовые радиостанции в декаметровом диапазоне работают на несимметричные антенны, поэтому электромагнитная энергия излучается и принимается при малых углах возвышения, следовательно, расстояние скачков нужно брать предельное, порядка 4000 км;

— на судне значительное влияние оказывают вторичные излучатели, которые искажают диаграммы направленности антенных устройств, оценку их влияния можно определить путем моделирования.

3) На трассах, растянутых в меридиальном направлении, надежность радиосвязи более стабильна при правильном выборе рабочих частот в течение суток. На указанных трассах возможна радиосвязь в нескольких полосах частот, выделенных морской подвижной службе. На длинных трассах (порядка 10000-12000 км), растянутых в широтном направлении, или близких к ним надежность морской радиосвязи ухудшается в связи с неравномерностью освещенности по длине радиолиний. Переходный период освещенности трассы на таких радиолиниях длится до нескольких часов и радиосвязь возможна только в определенные промежутки времени и на определенных частотах, которые указаны в диссертационной работе.

4) На основе анализа расчетных и экспериментальных данных в работе получены и представлены в табличном и графическом исполнении волновые расписания оптимальных полос частот для регионов с наиболее интенсивным движением судов. Волновые расписания оптимальных полос частот были уже практически использованы в некоторых службах связи и могут найти дальнейшее применение в службах связи различных судоходных компаний.

5) Радиосвязь между антиподами существенно отличается от обычной радиосвязи в результате многовариантности путей распространения радиоволн. Особенно важно рассмотрение антиподной радиосвязи для морских судов, поскольку все антиподы основных береговых радиоцентров морских судоходных компаний России находятся на морской поверхности. В работе подробно рассмотрены вопросы антиподной радиосвязи, предложены волновые расписания для антиподов Москвы и Владивостока, а ткаже представлена более усовершенствованная формула расчета напряженности поля с учетом "дрейфа" антипода.

6) Надежность радиосвязи значительно улучшается, когда точки "пода" и "антипода" находятся в сумеречной зоне. В этот период диапазон рабочих частот увеличивается примерно в три раза. Ход экспериментальных значений напряженности поля в районе антипода удовлетворительно аппроксимируется квадратичной параболой.

7) Результаты теоретического и экспериментального анализа конкретных радиолиний в морских системах связи позволяют уточнить влияние спектра побочных излучений, взаимодействие пространственных и поверхностных волн во избежание образования "мертвых зон", уточнить методику расчета линий радиосвязи с морскими судами на ближних и дальних трассах, рекомендовать рациональное использование радиоспектра между радиослужбами различных государств.

8) Экспериментальный материал о влиянии различных внешних помех в судовых системах радиосвязи дает возможность откорректировать зоны внешних помех при расчетах радиолиний с морскими судами, что в результате повышает достоверность расчетов по надежности радиосвязи.

9) В диссертационной работе предложен алгоритм расчета морских радиотрасс в декаметровом диапазоне, применяя который показано удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных и, следовательно, он может применяться в расчетах морских систем радиосвязи с использованием аппаратуры ГМССБ.

В целом представленная диссертационная работа дополняет и развивает теоретические и практические вопросы повышения надежности в морских системах радиосвязи.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих работах автора:

1. Неволин М.Т. К вопросу получения и обработки случайных величин экспериментальных данных. Тр. ЛБ НТОВТ, М.:1989, с.121-124.

2. Неволин М. Т. Влияние помех от мешающих радиостанций на надежность морской радиосвязи. Материалы 15-й Всесоюзной научно-технической конференции секции радиосвязи и радионавигации. Всесоюзное НТО водного транспорта, М.: 1990, с. 114-119.

3. Неволин М.Т. Методические указания по технической эксплуатации и работе с судовыми буквопечатающими устройствами. СПб., ГМА, 1991,26 с.

4. Неволин М.Т. Экспериментальная проверка надежности буквопечатающей радиосвязи при работе на частотах близких к МПЧ. Материалы 15-й Всесоюзной научно-технической конференции секции радиосвязи и радиоавигации. Всесоюзное НТО водного транспорта. Том 2. М.:1992, с.84-89.

5. Неволин М.Т. Методические указания по технической эксплуатации и работе с судовыми факсимильными устройствами. СПб, ГМА, 1992, с.29.

6. Неволин М.Т. Необходимость учета эффекта антипода при радиосвязи с морскими подвижными объектами. Материалы XVI Международной научно-технической конференции. М.: 1992, с.77-82.

7. Неволин М.Т., Кельзон A.A. Математическое описание некоторых особенностей "эффекта антипода". Материалы XVI научно-технической конференции секции радиосвязи и радионавигации,Том 2. М.: 1993, с.194-201.

8. Неволин М.Т. К выбору оптимальных рабочих частот для морской буквопечатающей радиосвязи. Научно-техническая конференция, СПб., ГМА, тез. док. 1994, с. 2.

9. Отчет НИР "Развитие и совершенствование систем и технических средств морской радиосвязи, радионавигации, радиолокации". Руководитель Солодовниченко М.Б., СПб., ГМА им. адм. С.О. Макарова. 1996 г. (раздел 5). № Гос. Регистрации 01950003726.

10. Неволин М.Т. О прохождении радиоволн в экваториальных районах. СПб., ГМА, тез. док. 1997, с. 3.

11. Неволин М.Т. К вопросу о повышении надежности морской радиосвязи за счет более эффективного использования радиочастотного ресурса (спектра). Материалы XVII научно-технической конференции, М.: 1997, с.30-37.

12. Неволин М.Т. Анализ морской радиосвязи в переходный период освещенности трассы. Сб. "Морские информационные технологии", СПб., ГМА, 1999 (в печати).

13. Неволин М.Т. Исследование некоторых особенностей морских линий радиосвязи при использовании судового декаметрового оборудования ГМССБ. Научно-техничсекая конференция, СПб., ГМА, тез. док. 1999,2 с.

ГМА им.адм.С.О.Макарова Заказ № 96 от 08.02.2000. Тираж 80 экз. 1,75 усл.печ.п. 199106, Санкт-Петербург, Косая линия, 15-а