Оцінка стану методів прогнозування оптимальних робочих частот декаметрового діапазону

Размещено на http://www.allbest.ru/

Військовий інститут телекомунікацій та інформатизації НТУУ «КПІ»

Науковий центр зв'язку та інформатизації

Оцінка стану методів прогнозування оптимальних робочих частот декаметрового діапазону

І.М. Козубцов

Анотація

В роботі розглянуто оцінку стану методів прогнозування оптимальних робочих частот декаметрового діапазону. Це дозволило виявити реальний стан забезпечення підрозділів зв'язку прогнозами. Обрано перспективний напрям тимчасового вирішення проблеми, що виникла. За рахунок високої розвідскритності методу пасивного нахиленого до площини зондування визначає його доцільність по удосконаленню математичного апарату визначення меж оптимальних робочих частот для забезпечення зменшення похибки прогнозування.

Ключові слова: декаметровий радіозв'язок, прогнозування оптимальних робочих частот.

Аннотация

В работе рассмотрена оценка состояния методов прогнозирования оптимальных рабочих частот декаметрового диапазона. Это позволило обнаружить реальное состояние обеспечения подразделов связи прогнозами. Избрано перспективное направление временного решения проблемы, которая возникла. За счет высокой розведскрытности метода пассивного наклоненного к плоскости зондирования определяет его целесообразность по усовершенствованию математического аппарата определения пределов оптимальных рабочих частот для обеспечения уменьшения погрешности прогнозирования.

Ключевые слова: декаметровая радиосвязь, прогозирования оптимальных рабочих частот.

Annotation

The estimation of the state of methods of prognostication of optimum workings frequencies of декаметрового range is in-process considered. It allowed to find out the real state of providing of subsections of connection prognoses. Perspective direction of temporal decision of problem which arose up is select. Due to high розвідскритності of method of the passive sounding inclined to the plane determines his expedience on the improvement of mathematical vehicle of determination of limits of optimum workings frequencies for providing of diminishing of error of prognostication.

Keywords: schortvelle radio contact, progozirovaniya of optimum workings frequencies

Постановка задачі. Надійність і якість роботи декаметрової (ДКМ) радіолінії, як відомо, залежить від сукупності параметрів, а саме: умов поширення радіохвиль [1, 2] та вибору робочих частот (РЧ) із складеного прогнозу оптимальних робочих частот (ОРЧ) для своєчасного маневрування РЧ на радіоцентрі [3, 4]. Для задоволення потреб кожної військової частини зв'язку Збройних Сил, надсилався інститутом земного магнетизму, іоносфери і розповсюдження радіохвиль Академії Наук СРСР (ІЗМІРАН), довгостроковий та короткостроковий прогноз максимально застосовної (МЗЧ), найменш застосовної частоти (НЗЧ). Стан забезпечення військової частини зв'язку погіршився з 1992 року у зв'язку припиненням їх надходження до України.

Аналіз останніх досліджень та публікацій. Із запровадженням високочастотних діапазонів частот та цифрових методів і способів передачі, спостерігається зменшення зацікавленості до розробок ДКМ діапазону. Однак досі зацікавленими у використанні ДКМ діапазону є військові, у яких він є одним і головних видів радіозв'язку. Особливо актуальним, якщо постає питання забезпечення радіозв'язку на відстань понад 1000 км. Загальному питанню в дослідження приділяється питанню прогнозування МЗЧ, ОРЧ, НЗЧ та стану шумової обстановки, яка постійно змінюється [5]. В роботі [6] автором запропоновано метод прогнозування стану іоносфери на основі нейроної мережі, однак складність їх використання не завжди досягають мети використання особливо для військових.

Виділення не вирішених раніше частин загальної проблеми. Не вирішеною проблемою лишається забезпечення радіоцентри прогнозовими значеннями МЗЧ, ОРЧ, НЗЧ та стану шумової обстановки для забезпечення тривалого безперервного ДКМ радіозв'язку.

Формулювання цілей статті. Отже метою статті є перегляд та оцінка стану існуючих методів прогнозування оптимальних робочих частот декаметрового діапазону націлених для використання військовими радіозасобами для рекомендації по застосування та подальшому удосконаленню їх.

Виклад основного матеріалу. Методи прогнозування, що набули широкого практичного застосування, поділяються за тривалістю на: довгострокові; короткострокові і оперативні.

Довгостроковий прогноз ґрунтується на прогнозі медіанного (середнього для даного місяця) спокійного стану іоносфери [7, 8]. Відповідно від цього і залежить точність складеного прогнозу. Розроблений (ІЗМІРАН) довгостроковий радіопрогноз, складають у вигляді іоносферних карт - ізоплетів [8]. Але вони мають ряд істотних недоліків, а саме: неавтоматизований великий об'єм обробки карт і графіків, що складені за московським місцевим декретним часом; графіки трас наведені дискретно за довжиною інтервалу 500 км та за сезонами; графіки складені для відстаней 4 000 - 6 000 км лише в напрямку широти. Використання їх для трас інших напрямків вдень мають середню похибку 20%, вночі похибка значно більша; прогноз складений за медіанними значеннями для спокійного стану іоносфери, а тому стійкий радіозв'язок можна забезпечити лише протягом 50% часу; похибка в прогнозі сонячної активності на 10 одиниць збільшує похибку в прогнозі МЗЧ порядку на 10 - 15%; графіки НЗЧ побудовані із розрахунком смуги пропускання тракту приймачів Дf_ПП = 3 кГц. Для інших значень смуг пропускання, (навіть вдвічі), значення НЗЧ змінюється приблизно на ± 1 МГц, для траси довжиною R ? 3 000 км - це істотно; границя НЗЧ розраховується для значення потужності, рівній 1 кВт; коефіцієнт захисту та Т-фактор не повному обсязі враховують тактико-технічні характеристики радіоприймачів; перевищення сигналу над атмосферними завадами прийнято 15 дБ при ширині смуги пропускання приймача 3 кГц; розрахунок МЗЧ для частот нижче 2 МГц не здійснюється, оскільки прийнято припущення, що радіозв'язок на нижчих частотах не використовується.

Порівняємо точність і похибку складання довгострокового (трьохмісячного) прогнозу НЗЧ з урахуванням та без урахування Т-фактора [9]. Оскільки всі розрахунки здійснюються для медіанних значень, то зрозуміло, що в окремі дні можуть поширюватися частоти вище за прогнозованих. Для цього розглянемо трасу радіозв'язку Луганськ - Чоп, вихідні данні якої відображені в табл. 1. Зведений графік кривих добового руху НЗЧ за відомими значеннями [9], отриманих без та з урахуванням технічного фактору (рис. 1) для наочності побудуємо в Microsoft Excel 2002. З графіка наочно спостерігається різкий стрибок змін сезонних значень найменш застосовних частот (НЗЧ), чого насправді не буває. Проміжні значення ж можна отримати методом: екстраполяції або складанням короткострокового прогнозу.

частота декаметровий зондування математичний

Таблиця 1. Вихідні дані для розрахунку ДКМ траси радіозв'язку між Луганськ - Чоп

Короткостроковий прогноз складають, як правило, на місяць і ґрунтується він на медіанних значеннях МЗЧ спокійного стану іоносфери. Він також розроблений ІЗМІРАН. Його складають у вигляді іоносферних карт - ізоплетів. Він має спільні недоліки із довгостроковим прогнозом.

Порівняємо аналітично складений короткостроковий прогноз НЗЧ з урахуванням без та з урахуванням Т-фактора. Зведений графік кривих добового руху НЗЧ побудовано в Microsoft Excel 2002 за відомими значеннями [9] (див. рис. 2.). Вихідні дані взяті з табл. 1.

Графік НЗЧ без урахування Т-фактора має параболічну форму, але менш точно визначає границю НЗЧ, ніж з урахуванням технічного фактора - Т. Тому перший метод придатний лише для попереднього прогнозу НЗЧ при умові роботи передавача потужністю більше за 1 кВт.

Рис.1. Графік порівняння сезонних значень НЗЧ

Рис.2. Графік порівняння точності визначення НЗЧ з урахуванням і без урахування Т-фактора

Другий метод має спотворену параболічну форму, але точніше враховує технічні параметри радіоапаратури, яку використовують при визначенні реальних значень меж НЗЧ. Даний метод ІЗМІРАН рекомендує для розрахунку НЗЧ з використанням передавачів потужністю меншою за 1 кВт, оскільки при малих значеннях потужності робота на екстремальних частотах найбільш критична. В роботах [9] розглянуто вплив на короткостроковий прогноз точність визначення відносних чисел сонячних плям R, на даних яких ґрунтується складання прогнозу критичних частот. В роки малої і середньої сонячної активності середня похибка визначення становить + 5 одиниць; у роки максимуму - точність падає і середня похибка досягає + 10 - 15 одиниць. В окремі періоди вона буває більшою. Ці похибки прогнозу сонячної активності різко впливають на прогноз критичних частот в різний час доби і пори року. Похибка на 10 одиниць в R спричиняє за собою похибку в критичних частотах шару F₂ у 0,2 МГц вночі і понад 0,5 МГц вдень. Критичні частоти шарів Е і F₁ менше залежать від сонячної активності, а тому при цій же похибці R вони не перевищують 0,1 МГц.

Похибка прогнозу критичних частот виникає так само через те, що використовувана при цьому залежність f₀F₂ від R не є цілком лінійною [10, 11]. Відхилення, що спостерігаються, від лінійного закону не можуть бути наперед передбачені. У результаті для шару F₂ похибки досягають 0,3 МГц в роки мінімуму сонячної активності і 0,5 - 0,7 МГц в роки максимуму.

Таким чином, сумарна похибка від цих двох причин може коливатися від 0,35 до 0,8 МГц. Якщо ж в тій області, для якої бажано набути прогнозованого значення f₀F₂, немає іоносферної станції, то доводиться вдаватися до інтерполяції між значеннями, одержаними з найближчих іоносферних станцій або представляти прогноз у вигляді карт. Тоді слід враховувати ще похибки довготної і широтної інтерполяцій, які для середніх широт становлять близько 0,3 - 0,4 МГц. Отже, середня сумарна похибка прогнозу f₀F₂ становить від 0,3 до 0,9 МГц. Похибка прогнозу f₀F₁ не перевищує 0,3 МГц, а f₀E - 0,2 Мгц. Для регулярних шарів похибки в середньому складають + 10%. Для шару Es похибка може бути понад 20%. Слід врахувати, що при перерахунку критичних частот в МЗЧ похибки дещо збільшуються за рахунок недостатньої точності прогнозу коефіцієнтів передачі. Якщо для шарів Е і F₁ прогноз МЗЧ можна вважати не менш точним, ніж прогноз критичних частот, тобто похибки в межах +10%, то для МЗЧ шару F₂ похибки можуть досягати ± 15%.

Оскільки методи ґрунтуються на значеннях сонячної активності, а саме числі Вольфа, то оцінимо довгостроковий та короткостроковий метод за кількістю можливих варіантів прогнозів. Період зміни сонячної активності в середньому становить 11 років [12]. За цей час середньорічне коливання значення чисел Вольфа, усереднених за 24 цикли, становить ДW = W_MAX - W_MIN = 185 - 11 = 174. Підрахуємо число варіантів прогнозів, які необхідно мати на стаціонарному або мобільному вузлах зв'язку. Довгострокових прогнозів потрібно: з урахуванням 4 сезонів 174*4 = 696 варіантів, з урахуванням 11 річного періоду 174*4*11=7 656 варіантів. Як бачимо, число варіантів прогнозів дуже багато.

Аналогічно для короткострокових (місячних) прогнозів: з урахуванням року 174*12 =2 088 варіантів, з урахуванням 11 річного періоду 174*12*11 = 22 968 варіантів. При такому числі варіантів не може мова йти про неавтоматизоване складання прогнозу значень МЗЧ, ОРЧ та НЗЧ.

Оперативний прогноз ґрунтується на виміряних поточних значеннях стану іоносфери [5, 13, 14]. Оперативний прогноз отримують такими методами:

1. Визначення частот, оптимальних за умов поширення радіохвиль за даними станцій іоносферного зондування іоносфери:

- зондування вертикальним променем ВЗ;

- зондування нахиленим променем до площини НЗ;

- зондування зворотно-нахиленим променем до площини ЗНЗ.

- пасивне нахилене зондування ПНЗ.

2. Вибір частот з мінімальним рівнем шумів (підбір ймовірносно оптимальних частот ЙОЧ) [15]:

- за даними проходження контрольно-маркерних сигналів (КМС);

- за чутністю сигналів відомих радіостанцій;

- вибір ОРЧ за мінімальним рівнем шумів.

Розглянемо методи, які ґрунтуються на іоносферному зондуванні. В табл. 2 наведені основні порівняльні характеристики цих методів.

За даними висотно-частотних характеристик (ВЧХ) отриманою методом ВЗ в реальному масштабі часу можна корегувати значення границь смуги ОРЧ і діючих висот радіолінії довжиною до 500 км. Для трас довжини понад 500 км необхідно перераховувати або за допомогою методів НЗ або ЗНЗ отримати дистанційно-частотну характеристику (ДЧХ).

Таблиця 2. Зведені порівняльні характеристики методів зондування

Загальним недоліком групи методів ВЗ, НЗ та ЗНЗ є низька розвідскритність їх функціонування за рахунок потужного активного електромагнітного випромінювання.

Це по-перше, демаскує стаціонарні мобільні вузли зв'язку, напрямок траси і ймовірний діапазон РЧ. Тому ці методи не бажано використовувати для потреб військових системах ДКМ радіозв'язку в особливий період, а по-друге - створюють електромагнітні завади роботі радіо засобам, що працюють за розкладом [16]. В усіх трьох методах умовою отримання меж значень ОРЧ є необхідність мати різної складності систему синхронізації для одночасної перестройки приймача за випромінюючою частотою передавача, що змінюється. Методика прогнозування докладно викладена в [15].

Метод ПНЗ має перевагу над активними методами по забезпеченню розвідскритність, що важливо для військ зв'язку. Однак метод має низьку точність визначення меж ОРЧ, що обумовлена відсутністю точного розрахункового математичного апарата. Оскільки він не передбачає електромагнітного випромінювання то внаслідок цього забезпечується висока розвідскритність системи зондування.

Отже активні методи оперативного прогнозування ОРЧ не відповідають і не задовольняють вимогам розвідскритності та простоті реалізації їх використання в умовах особливого періоду. Пасивний же метод має ряд переваг, але потребує удосконалення розрахункового апарата.

Розглянемо особливості вибору частот з мінімальним рівнем шумів

За даними проходження КМС. Для цього здійснюється прослуховування частот передачі КМС на головні телефони, вимірювання рівня сигналу за допомогою аналізаторів Р-015, Р-018, АУ-10 або „Іскра” і проценту телеграфних спотворень - прибором „ЭТИ-69” або „ЭТИ-64” на всіх частотах [15]. Точність методу можна підвищити, за рахунок використання вимірювальних приладів Rohde&Schwarz [17]. Вибір частот здійснюється методом аналізу результату прийому КМС контрольного пункту, (визначається орієнтовне значення МЗЧ і НЗЧ) та обирається РЧ з числа виділених, які розміщені поблизу частоти КМС з найбільшим рівнем сигналу і найменшим рівнем завад. На даний час сигналів КМС не передають.

За чутністю сигналів відомих радіостанцій використовують еталонні сигнали частоти і часу, що передаються в ДКМ діапазоні. Метод є перспективним по удосконаленню та застосуванню. Він забезпечує відсутність додаткового електромагнітного випромінювання. Набором таких відомих радіомовних станцій можна створити систему пасивного нахиленого до площини зондування (ПНЗ).

Вибір частот за критерієм мінімального рівня шумів (вибір ЙОЧ). Вибір ЙОЧ здійснюють з використанням апаратури аналізу завадової обстановки візуальним спостереженням або простим прослуховуванням частот приймачем. Сутність методу полягає у виборі групи частот та розподілу їх між кореспондентами. Періодично вимірюється рівень завад і від їх рівня приймається рішення на заміну непридатної частоти на резервну. Результати вимірювань частот з найменшим рівнем завад передаються на робочі місця радистів-операторів. Лише на частотах ведення найбільш важливого радіозв'язку передбачається на ЧДС реєстрація рівнів сигналів кореспондентів і документування, що потребує мати в наявності апаратури аналізу завадової обстановки і розрахунку порогового рівня [15].

На даний час цей метод є базовим у військах зв'язку ЗС, оскільки це пов'язано з відсутністю вітчизняної методики складання довгострокового і короткострокового прогнозу.

Висновки

Таким чином, методи довгострокового та короткострокового прогнозування: потребують модернізації з метою автоматизації процесу складання прогнозу; не враховують дестабілізуючі фактори.

Методи оперативного прогнозування потребують активного випромінювання зондуючого сигналу та не задовольняють вимогам: в мирний час створюють міжстанційні завади радіозасобам; у особливий час - призводить до зниження розкриття вузлів зв'язку.

Примітивність методів вибору частот за даними проходження контрольно-маркерних сигналів (КМС); за чутністю сигналів відомих радіостанцій; вибір ОРЧ за мінімальним рівнем шумів; пасивне нахилене до площини зондування ПНЗ та висока розвідскритність робить їх доцільність по удосконаленню математичного апарату визначення меж ОРЧ. Особливо це стосується удосконалення методу пасивного нахиленого до площини зондування.

Список літератури

1. Альперт Я. Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера. Изд. 2-е, пер. и доп. - М.: Наука, 1972. - 563 с.

2. Черенкова Е.Л. Чернышев О.В. Распространения радиоволн. - М.: Радио и связь, 1984. - 272 с.

3. Головин О.В. Декаметровая связь. - М.: Радио и связь, 1990. - 240 с.

4. Головин О.В. Простов С.П. Системы и устройства коротковолновой радиосвязи / Под ред. профессора О.В. Головина. - М.: Горячая линия-Телеком, 2006. - 598 с.

5. Жданов Б.Б. Прогноз рабочих частот делаем самостоятельно // Радио, №8, 1982. - С. 9 - 11.

6. Сафронов В.С. Прогноз состояния ионосферы с помощью нейросетевой модели. // Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук - общая и прикладная физика: Сборник трудов 49-й научной конференции МФТИ, Т. III / МФТИ - М.: 2006. [Електронний ресурс] // - Режим доступу URL: http://mipt.ru/nauka/conf_mipt/conf49/z49/faki/program/safronov.pdf.

7. Керблай Т.С. Вопросы прогнозирования состояния ионосферы и распространения радиоволн // Сб. статей / Отв ред. Т.С. Керблай, Л.Н. Ляхова. - М.: Изд-во АН СССР, 1961. - 151 с.

8. Основы долгосрочного радиопрогнозирования / Е.М. Жулина, Т.С. Керблай, Е.М. Ковалевская и др. - М.: Наука, 1976. - 68 с.

9. Прогноз наименьших применимых частот для лет высокой солнечной активности / Под ред. Т.С. Керблай - М.: Наука, 1968. - 106 с.

10. Кулешова В.П. О количественном прогнозе магнитной активности // Ионосферные возмущения и методы их прогноза. - М.: Наука, 1977. - С. 185 - 189.

11. Кулешова В.П., Лаврова Е.В., Ляхов Л.Н. Карты регулярных вариаций критических частот слоя F2 для разных типов ионосферных возмущений // Тракторные характеристики коротких радиоволн. - М.: ИЗМИРАН, 1978. - С. 153 - 159.

12. Бакулин П.И., Кононович Э.В., Мороз В.И. Курс общей астрономии. - М.: Наука, 1966. - 528 с.

13. Ионосферное прогнозирование. ИЗМИРАН. - М.: Наука, 1982. - 200 с.

14. Наклонное зондирование ионосферное // Труды ААНИИ. - Л.: Гидрометеоиздат, Т.390, 1983. - 216 с.

15. Гряник М.В. Ломан В.И. Распространение радиоволн: Учебное пособие. - К.: КВИДКУС, 1989. - 382 с.

16. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств связи и непреднамеренные помехи. Составитель Д.Р.Ж. Уайт Джермантаун, Мериленд, 1971 - 1973. Вып.1. Общие вопросы ЭМС. Межсистемные помехи / Сокращ. пер. Под ред. А.Д. Князева. - М.: Советское радио, 1977. - 352 с.

17. Раушер К., Йанссен Ф., Минихольд Р. Основы спектрального анализа: Пер. с англ. С.М. Скольского / Под редакцией Ю.А. Гребенко - М.: Горячая линия-Телеком, 2006. - 224 с.

Размещено на Allbest.ru