Математичний апарат інтервалу системи збору даних для прогнозування погоди на базі мережі стільникового зв’язку

Размещено на http://www.allbest.ru/

Військовий інститут телекомунікацій та інформатизації НТУУ «КПІ»

Науковий центр зв'язку та інформатизації

Математичний апарат інтервалу системи збору даних для прогнозування погоди на базі мережі стільникового зв'язку

І.М. Козубцов

Анотація

В роботі розглянуто математичний апарат інтервалу системи збору вихідних даних для прогнозу погоди на базі мережі стільникового зв'язку. Відмінністю даної роботи від раніше зроблених спроб у представленні математичного апарату заснованого на методології розрахунку ліній радіорелейного зв'язку.

Ключові слова: мережа стільникового зв'язку, прогноз погоди, системі збору даних.

Аннотация

В работе рассмотрено математический аппарат интервала системы сбора выходных данных для прогноза погоды на базе сети сотовой связи. Отличием данной работы от ранее сделанных попыток в представлении математического аппарата основанного на методологии расчета линий радиорелейной связи.

Ключевые слова: сеть сотовой связи, прогноз погоды, система сбора данных.

Annotation

The mathematical vehicle of interval of the system of capture of basic data is in-process considered for a weather forecast on the base of cellular communication network. By the difference of this work from the before done attempts in presentation of mathematical vehicle of the calculation of flow lines based on methodology.

Keywords: cellular communication network, weather forecast, system of capture of data.

Постановка задачі. В наслідок нерівномірного розподілу сонячного тепла і атмосферних опадів на земній поверхні, клімат Землі дуже різноманітний, що і ускладнює процес передбачення погоди. Температура повітря багато в чому залежить від того, яким чином сонячні промені потрапляють на дану ділянку земної поверхні. Це відбувається внаслідок форми еліптичної орбіти та кута нахилу обертання Землі навколо своєї осі. Найбільш цікавою властивістю для Землі є непередбаченість та неповторність з дня в день атмосферно-кліматичних умов, погоди. Саме погода (дощ, сніг, вітер, температура повітря та ін.), головним чином, впливає на біосферу, в якій живе людина.

Для своєчасного прогнозування зміни атмосферно-кліматичних умов та погоди для різного цільового призначення, створено прогнозуючі Національні та міжнародні Гідрометцентри. Об'єктивність та похибка складання такого прогнозу погоди напряму залежить від кількості та щільності розміщення Гідрометцентрів та накопленої бази статистичних даних за кожен регіон. Однак і досі проміжні результати за окремими регіонами отримують лише методом інтерполяції. Частіше отримані ці інтерполяційні результати можуть мати істотну похибку або взагалі не придатні до застосування в народному господарстві України. Як наслідок цього, ці та інші суміжні галузі зазнають найбільшого впливу та втрат сільськогосподарської продукції від несвоєчасного передбачення (спрогнозування) атмосферно-кліматичних та погодних умов. Ця інформація має актуальне значення для контролю початку весняно-польових робіт у сільськогосподарських підприємствах та фермерських угіддях, більшість яких мають великі засівні площі, ускладнені в контролі. Для цього потрібно оперативно слідкувати за температурним режимом навколишнього середовища.

Аналіз останніх досліджень та публікацій. Дослідниками в роботі [1] проведено аналіз 24 годинних даних зміни сигналу між вежами станцій стільникового зв'язку, та порівняні з даними, отриманими погодними датчиками. Результати, отримані зі стільникових веж, виявились точнішими. В роботі автори пропонують для складання прогнозу погоди використовувати вежі стільникового зв'язку. В основі їх теорії [1] лежить спостереження за зміною радіосигналу при проходженні через, скажімо, грозову зону. стільниковий зв'язок погода персонал

Сама ж технологія застосування мікрохвильових сигналів для уточнення прогнозів погоди не є новою. Новизною даної інноваційної роботи є модифікація застосування веж стільникового зв'язку. Однак, в запропонованій роботі [1], система володіє істотним недоліком: виміряні дані зі стільникових веж не можуть надати тривимірну картину середовища та не розкривають математичний апарат.

Формулювання цілей статті. Метою даної статті є розгляд ряду питань, пов'язаних з прогнозуванням атмосферно-кліматичних умов та обґрунтуванням можливості побудови глобальної системи уточнення даних для прогнозу погоди на базі існуючої телекомунікаційної мережі стільникового зв'язку без збільшення штату персоналу та кількості регіональних Гідрометцентрів.

Необхідність проведення досконалого дослідження даного питання пов'язане з відсутністю оприлюднено отриманих точних результатів [1]. Отриманий результат носитиме науковий та прикладний характер для народного господарства країни в цілому.

Опис математичного апарату. Прогнозування поточної погоди ґрунтується на аналізі і екстраполяції спостережень метеорологічних полів з особливим упором на мезомасштабні поля хмар і опадів, отриманих за даними супутників і радіолокаторів. Широкого практичного застосування набули: чисельний, синоптичний та статистичний методи прогнозування поточної погоди.

Чисельний (гідродинамічний) метод прогнозу погоди ґрунтується на математичному вирішенні системи повних рівнянь гідродинаміки і отриманні прогностичних полів тиску та температури за певні проміжки часу. Точність чисельних прогнозів залежить від: швидкості розрахунку обчислювальних систем; кількості і якості інформації, що поступає з метеостанцій. Чим більше даних - тим точніше розрахунок.

Синоптичний метод складання прогнозів погоди ґрунтується на аналізі карт погоди, на яку наносяться дані метеорологічних спостережень на різних висотах, а також на поверхні Землі. Докладно аналізуючи карти, синоптик визначає характер розвитку атмосферних процесів за певний період часу, і на основі цього розраховує характеристики: температуру, швидкість вітру, хмарність, кількість опадів в заданому районі.

Статистичні методи прогнозування дозволяють за результатами минулого і значенням в даний час стану атмосфери спрогнозувати погоду на певний період часу наперед, тобто передбачити зміни різних метеорологічних умов в майбутньому.

Похибка прогнозування поточної погоди у розглянутих методах, головним чином, залежить від кількості синоптичних станцій, які обслуговують задану зону. Отримані результати вимірів геофізичних параметрів навколишнього середовища слід розглядати на цих станціях, як результати локального характеру, що не в змозі об'єктивно оцінити значні простори. Однак часто постає завдання в необхідності мати такі дані. Охопити значну територію спроможні супутникові системи спостереження. Передані з супутника космічні знімки поверхні Землі в Гідрометцентр не в повній мірі відповідають дійсним вимірам атмосферно-кліматичним параметрам на поверхні її у певних районах.

Для постійного щільного контролю за територією пропонується створити глобальну систему по збору вихідних даних для прогнозу погоди на базі існуючої телекомунікаційної мережі стільникового зв'язку. Вибір мережі стільникового зв'язку не випадковий, оскільки останнім часом швидкими темпами розвиваються глобальне покриття території стільниковим зв'язком. Навіть у віддалених малонаселених районах в напрямі головних автодоріг є цей зв'язок. Цього достатньо на початковому етапі формування глобальної системи уточнення даних для прогнозу погоди.

В роботі на основі телекомунікаційної мережі стільникового зв'язку запропоновано створити центр збору даних спостережень. Датчики збору інформації про погодні умови пропонується розташовувати на вежах базових станцій стільникового зв'язку. Для акумуляції та подальшої обробки отриманої інформації доцільно тримати зв'язок з регіональними метеостанціями. Розглянемо модель найпростіший варіант побудови цієї системи. Для цього введемо обмеження: будемо розглядати один інтервал магістральної радіорелейної (РРЛ) лінії відкритого типу, що об'єднує стільникові комірки.

Як відомо, якість РРЛ пов'язана зі ступенем спотворення сигналів на її інтервалах [2-4] та типу інтервалу. Тому методологія розрахунку РРЛ зводиться до розрахунку її інтервалів та зони Фрюнеля. Розрахунок інтервалів (визначення їхньої придатності для забезпечення зв'язку з необхідною якістю Q) здійснюється на основі рішення двох рівнянь, що зв'язують параметри і інтервали РРС з якістю зв'язку на цих інтервалах.

Перше рівняння називається рівнянням передачі, і що зв'язує потужність сигналу на вході приймача з енергетичними параметрами РРЛ і загасанням (ослабленням) радіохвиль на інтервалах РРЛ. Еквівалентна схема зображена на рис. 1.

Рис. 1. Еквівалентна схема рівняння передачі

Найбільш розповсюдженою формою запису його є запис у логарифмічних одиницях

(1)

де _ потужність сигналу на вході приймача, дб/Вт;

_ потужність передавача на виході фідера передавальної антени, дб/Вт;

_ ослаблення радіохвиль у фідері відповідно передавальній і приймальній антені, дб;

_ коефіцієнти підсилення антен відповідно передавальної і приймальної, дб;

_ медіанне ослаблення радіохвиль без врахування їхнього ослаблення на завмирання при поширенні між антенами інтервалу, дб.

Аналізуючи складові рівняння передачі (1) можна встановити, що від функціоналу залежить рівень потужності сигналу на вході приймача. Коефіцієнти підсилення передавальної та приймальної антен _ приймемо за константу. Їх значення треба корегувати лише при зміні частотного діапазону роботи системи радіорелейного зв'язку (РРЗ). Ці значення даються в довідниках та інструкціях з експлуатації, що комплектують радіорелейні станції (РРС) заводами-виробниками. Класичне рівняння передачі, на жаль, не враховує реальне загасання, що вносить дуплексер. Сучасна РРС комплектується одним антено-фідерним трактом - прийомно-передавальною антеною. Отже, слід було б доповнити формулу (1) постійною, що враховуватиме загасання дуплексера Wд.

Точне значення на виході передавальної антени можна виміряти за допомогою вбудованого датчика контролю випромінювання Р-414 або за показами індикатора прохідної потужності РРС Р-409 (Р-419, Р-415).

Таким чином, визначивши різницю значень потужностей на виході передавальної антени та потужність сигналу на вході приймача _ , ми отримаємо значення потужності сигналу, втраченого на загасання у вільному просторі. На такій основі може ґрунтуватися запропонована теорія [1], як це слідує з короткого Інтернет інформаційного повідомлення дослідників Ізраїлю.

Введений коефіцієнт , що враховує медіанне ослаблення радіохвиль без обліку їхнього ослаблення на завмирання при поширенні між антенами інтервалу теж не в повній мірі інформує про атмосферно-кліматичні та погодні умови.

Розрахуємо медіанну потужність сигналу на вході приймача інтервалу РРЛ. Величину медіанної потужності сигналу на вході приймача інтервалу РРЛ, тобто потужність сигналу при відсутності завмирань, знаходимо з першого рівняння передачі (1) при відомих енергетичних параметрах і медіанному загасанню на інтервалі РРЛ. Медіанне ослаблення на інтервалі РРЛ W_МЕД.і визначається як сума ослаблення сигналу вільним простором W_СВ і ослабленням, внесеного рельєфом місцевості Wp.

W_МЕД.і = W_СВ.і + W_P.і (2)

1. Мешков Г. Израильские учёные предлагают прогнозировать погоду по сотовым вышкам // [Электронный ресурс] - Режим доступа URL: http://science.compulenta.ru/267469/ - 10 мая 2006 г.

2. Немировский А.С., Данилович О.С. Радиорелейные и спутниковые системы передачи. - М.: Радио и связь, 1986.

3. Немировский А.С., Рыжков Е.В. Системы связи и радиорелейные линии: учебник для электротехнических институтов связи. - М.: Связь, 1980.

4. Данилович О.С. Методические указания к расчету устойчивости работы РРЛ прямой видимости. - Л.: ЛЭИС, 1987.

5. Садомовский А.С. Расчет радиорелейных линий (РРЛ) вязи: методические указания по курсовому проектированию для студентов специальности 21030265 и 21020165 / А.С. Садомовский, В.А. Гульшин. - Ульяновск: УлГТУ, 2005. - 28 с.

Размещено на Allbest.ru