Расчёт эффективности коротковолновой радиолинии на группе частот

Размещено на http://www.allbest.ru/

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: к-т Прокопчик В.В.

Работу принял: нач.цикла-профессор п/п-к Машкин

МИНСК 2011

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

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

4.3 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

8. Выводы

Литература

ВВЕДЕНИЕ

К коротким волнам (КВ) относятся радиоволны с частотами 3…30 МГц (длинами волн 10…100 м соответственно). В этом диапазоне возможно создание направленных антенн. Короткие волны распространяются как поверхностные (земные) и пространственные (ионосферные). Земная радиоволна диапазона КВ поглощается поверхностью Земли, поэтому дальность связи земной волной обычно составляет несколько сотен километров. Расчет напряженности поля земных волн в этом диапазоне может осуществляться по дифракционной формуле. При распространении КВ ионосферной волной путём однократного или многократного отражения от ионосферы и Земли 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. По сравнении с более длинноволновыми диапазонами КВ имеют как преимущества, так и недостатки.

К недостаткам КВ диапазона можно отнести сложности с миниатюризацией радиостанций, большие размеры антенн (десятки метров), низкую помехозащищенность (в дни хорошего прохождения сигнала можно услышать на выбранной частоте передачу с противоположной стороны Земли).

К достоинствам - полную автономность на больших расстояниях, низкую

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

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

1. Тип радиостанции - Р-161А-2М;

2. Конечные пункты узла связи - Брест - Полоцк;

3. Мощность передатчика - 1,2 кВт;

4. Количество антенн - 1шт приемная, 1шт. передающая;

5. Вид сигнала - F6-200;

6. Требуемое качество связи - 21дБ;

7. Скорость передачи информации - 75 Бод;

8. Объем сообщения - 6000 слов;

9. Время года -декабрь;

10. Время связи - 09.00 - 11.00; 21.00-23.00.

Примечание:

1. Время работы на узлах связи - местное;

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

1. 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 Республики Беларусь ".

Дальность связи d=582 км;

Азимут на корреспондента г=32°.

Максимальная дальность одного скачка при отражении от слоя F1 составляет 3000 - 4000 км, при отражении от слоя F2 - 2500-4000 км, а при отражении от слоя Е - 2000 км. Рассчитываемую трассу будем рассматривать как односкачковую, поэтому точка отражения находится на середине трассы.

Координаты точки отражения:

52°57`55``с.ш.;

27°48`55``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 был использован 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 декабрьском 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 (F1,F2,E) и для каждого часа выбирается наибольшая из МПЧ, принадлежащих различным слоям. Наибольшая МПЧ получается для слоя F2, эта МПЧ определяет МПЧ всей трассы.

На рис.1 изображена ионосферная карта прогноза на январь, для относительного числа солнечных пятен W=50, для широт 45° с.ш. - 55° с.ш., для слоя Е, F1, F2 и дальности связи 582 км.

Рисунок 1 - Суточный ход МПЧ для слоя E,F1, F2, широта 45 - 55°.

Для времени связи с 09.00 до 11.00 f_мпч =9,6 МГц;

Для времени связи с 21.00 до 23.00 f_мпч =4,8 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 21.00 до 23.00 f_орч =4,08 МГц;

Для времени связи с 09.00 до 11.00 f_орч =8,16 МГц.

Известно, что параметры слоёв ионосферы, в частности электронная концентрация Nе, подвержены регулярным суточным изменениям. Это приводит к тому, что МПЧ и ОРЧ для данной радиолинии также изменяются в течение суток.

Работать на непрерывно изменяющейся ОРЧ неудобно и из практических соображений целесообразно определить для радиолинии набор дискретных частот: f1, f2, f3, … ,fn, на каждой из которых осуществляется работа в определённый интервал времени. Такой временной график использования выбранных частот называется волновым расписанием. При составлении волнового расписания добиваются, чтобы количество рабочих частот, обеспечивающих круглосуточную работу, было минимальным. Практически смену рабочих частот - переход с частот дня на частоты ночи и обратно осуществляют дважды в сутки. Большее число переходов, особенно на протяжённых радиолиниях, практически не допускают, так как переход с частоты на частоту приводит к потере связи и требует время для её восстановления. Анализ работы большого числа ионосферных радиолиний позволяет разделить весь диапазон коротких волн на следующие поддиопазоны:

Ночные волны f = 3…8,5 МГц ;

Дневные волны f = 12…30 МГц ;

Промежуточные волны f = 8,5…12 МГц.

Из радиопрогноза на декабрь нашел, что переход с ночных частот на дневные должен производиться в 08.00, а переход с дневных на ночные - в 17.00.

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 слабо расходящихся (с углом расхождения 5°) 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

Время суток	Действующие высоты H отражений, км
	Лето	Зима	Равноденствие
День	300	250	270
Ночь	300	400	350

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 И:

И=35° днём и ночью 54°.

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. Так как в нашем случае трасса является односкачковая то индекс поглощения f_оE определяется величиной критической частоты слоя E. На рис.3 приведена карта f_оE для января и для уровня солнечной активности W =50.

Рисунок 3 - Карта для определения критических частот для слоя Е

Данные о критических частотах слоя Е(индекс поглощения f_оE) в точке поглощения приведены в таблице 2.

Таблица 2

Время связи	fоEcр, МГц
09.00 - 11.00	2,2
21.00 - 23.00	0,4

Для заданной протяженности трассы d=582 км по найденным значениям индекса поглощения f_оEср и ОРЧ из графика на рис.4 определяются эффективные значения напряженности поля сигнала E_с^I (дБ) от передатчика с эффективной мощностью излучения 1 кВт.

Рисунок 4 - Зависимость напряженности поля от индексов поглощения f_оEср и рабочей частоты fр

Относительный коэффициент усиления передающей антенны типа ВН 11/9 найдем из рис.5.

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

Е_с= E_с^I + 10lg Р_эф.изл., (1)

где Р_эф.изл.=0,25•Р_а •G_э - эффективная мощность излучения передатчика;

Р_а - мощность, подводимая к передающей антенне;

G_э - относительный коэффициент усиления передающей антенны.

Рисунок 5 - Коэффициент усиления и входное сопротивление наклонного вибратора 11/9

Р_эф.изл.=0,25•1,2кВт•2,8=0,84 кВт - ночью;

Р_эф.изл.=0,25•1,2•кВт•1,2= 0,36кВт - днем;

Е_с=50+10lg0,84 =49,24дБ - ночью;

Е_с=43+10lg0,36 =38,56дБ - днем;

Рассчитанные значения представлены в таблице 3.

Таблица 3

Время связи	fр, МГц	fоEcр, МГц	EсI, дБ	Gэ	Рэф.изл.,кВт	Ес, дБ
21.00 -23.00	6,5	0,4	32	2,8	0,84	49,24
09.00 - 11.00	10,5	2,2	42	1,2	0,36	38,56

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:

. (2)

Зависимость коэффициент усиления наклонного вибратора 13/9 от рабочей частоты приведена на рис. 6.

Зависимость входного сопротивления наклонного вибратора 13/9 от рабочей частоты приведена на рис. 7.

Рисунок 6 - Зависимость коэффициент усиления наклонного вибратора 13/9 от рабочей частоты



Рисунок 7- Зависимость входного сопротивления наклонного вибратора 13/9 от рабочей частоты

Для согласования антенны с коаксиальным фидером (p_ф=Rпр=75 Ом) используется согласующий трансформатор с коэффициентом трансформации:

зІ=RА.ср/Rпр, (3)

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

В данном случае RА.ср=84 Ом.

зІ=84/75=1,12.

Пересчитанные активное и реактивное сопротивления антенны:

На частоте 6,38 МГц равны:

R'A= RА / зІ=60/1,12=53,57 Ом;

X'A=XA/ зІ= -20/1,12= - 17,86Ом.

На частоте 10,37 МГц:

R'A= RА / зІ= 60/1,12=53,57 Ом;

X'A=XA/ зІ= -50/1,12=-44,64 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=1,85 дБ вследствие уменьшения ЭДС на выходе трансформатора в n раз. Таким образом получим:

Ночью: 4,08 МГц:

Днем: 8,16МГц:

Результаты расчёта сведены в таблицу 4.

Таблица 4

fр, МГц	RА,Ом	XA,Ом	R'A,Ом	X'A,Ом	Gэ
4,08	60	-20	53,57	- 17,86	3,0	88,9
8,16	60	-50	53,57	-44,64	1,6	62,55

На основании статистических данных задаемся величинами рассеяния уровня сигнала у = 4 дБ днем, у= 6 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 [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,

f_р1 = 4,08 МГц и f_р2 = 8,16 МГц,_?F=1,2 кГц, декабрь, примем равными:

Таблица 5

₁ = 42 дБ -(4,08 МГц, ночь);

₁ = 21 дБ - (8,16 МГц, день).

Так как полоса пропускания приемника при работе с сигналом F6-200 (1,2кГц) отличается от той, для которой известна статистика помех, то необходимо произвести пересчет средних уровней помех по следующей приближенной формуле:

Где X - искомое значение среднего уровня помех в полосе пропускания приемника _?F₂;

X₁ - искомое значение среднего уровня помех в полосе пропускания приемника _?F₁ .

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

х = 10 дБ - день;

х = 15 дБ - ночь.

Результаты сведены в таблицу 6.

Таблица 6

Время суток	fр, МГц	, дБ	х, дБ
ночь	4,08	42	15
день	8,16	21	10

6. РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА КВ РАДИОЛИНИИ

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

[дБ]= [дБ] - [дБ]. (4)

Рассеяние превышения сигнала над помехой:

z [дБ] = . (5)

Откуда

= 88,9-42 = 46,9 дБ - (4,08 МГц, ночь);

= 62,55-21 = 41,55 дБ - (8,16 МГц, день);

z = дБ - ночь;

z = дБ - день.

Так как требуемое качество связи согласно исходным данным доп = 21 дБ.

С использованием данных расчёта определяется величина расчётного параметра :

Из рис.8 находим ожидаемое значение вероятности связи с достоверностью не хуже заданной.

Рисунок 8 - График интеграла вероятности

Окончательные результаты сведены в таблицу 8.

Таблица 8

Время суток	fр, МГц	, дБ	z, дБ		F()
день	8,16	41,55	10,8	1,9	0,96
ночь	4,08	46,9		1,6	0,92

7. 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 7.

Таблица 7

Тип антенны	Рабочий диапзон,МГц	КУ, дБ	КНД, дБ	Дальн. связи, км	Раб. угол возв.,град	Ширина ДН в гориз. плоскости
ВН 40/12	1,5 ... 5,5	0...5	6...9	0...700	40...90	80...360
ВН 13/9	1,5 ... 17	_10..5	6...9	0...1000	30...90	80...360
ВН 11/9	4 ... 17	0...5	6...9	0...1000	30...90	80...360
ВПД 40/22	1,5 ... 5	4...8	7...11	0...1000	30...90	80...360
ВПД 13/9	5 ... 16	7...9	7...11	0...1000	30...90	80...360
VH 46/12	10 ... 30	0...7	7...14	400..2000	45...10	80...20
ВГДШ 24/26 3,5	2 ... 7	5...9	7...11	0...1500	20...90	60...360
ВГДШ 16/24 3	3 ... 10	5...9	7...11	0...1500	20...90	60...360
ВГДШ 8/14 1,5	6 ... 20	5...9	7...11	0...1500	20...90	60...360
ВГДШ 6/12 1,2	8 ... 24	5...9	7...11	0...1500	20...90	60...360
ВГД 30/24 2	2,5 ...6,25	5...9	7...11	0...1500	20...90	60...360
ВГД 25/22 2	3 ...7,5	5...9	7...11	0...1500	20...90	60...360
ВГД 15/12 1,5	5 ...12,5	5...9	7...11	0...1500	20...90	60...360
ВГД 8/12 1	9,5 ... 23	5...9	7...11	0...1500	20...90	60...360
ОБ 150/2,8 21 180	3 ... 30	_8...9	10...20	600..3000	30...5	80...30
БС2 -_ -_- 17 8 4,4	7 ... 24	0...17	8...24	1000.2000	30...7	60...15
БС2 -_ -_- 25 8 4,4	7 ... 24	4...19	19...24	1500.3000	26...5	15...60
Штырь 10м	1,5 ... 10	_9...2	5...7	0...70	0...30	360
ТН 13/9	1,5 ... 5	_3...3	5...7	0...80	0	360
ШАЗИ	1,5 ... 3	_20..3	0...3	0...500	0...90	360
РАЗИ	1,5 ... 12	_20..0	2...3	0...500	0...90	360...90

В соответствии с данной дальностью связи и выбором рабочих частот среди штатных антенн радиостанции Р-161А-2М была выбрана в качестве передающей ВН11/9,а в качестве приёмной ВН 13/9.

частота приемник радиосвязь напряженность

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.

Размещено на Allbest.ru