Разработка и исследование модели каналов линий связи космический аппарат-Земля при пыльных бурях

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационного исследования с освещением текущего состояния проблемы в области обработки сигналов, прошедших многолучевые радиоканалы. Сформулирована научная проблема, определены цели и задачи исследования, её объект и предмет, методическая база, научная новизна и практическое значение, определены результаты, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ радиоканалов линий связи между космическими аппаратами (КА) и земными станциями (ЗС) для низкоорбитальных, геостационарных и высокоэллиптических спутников. В зависимости от используемых диапазонов частот определены выражения для оценки:
– затухания сигналов в свободном пространстве с учетом угла места антенн ЗС; – ослабление сигналов в газах атмосферы;
– потери из-за гидрометеоров.
Доказано, что методика расчета энергопотенциала линий связи (ЛС) между КА и ЗС нуждается в коррекции, чтобы учесть такие природные явления, как пыльные и песчаные бури и наблюдаемые на практике более глубокие по сравнению с релеевскими замирания сигналов.
Результаты первой главы были опубликованы в работах автора [1-3, 5].
Во второй главе исследованы особенности прохождения радиосигналов через радиационные пояса Земли, ионосферу и атмосферу. Показано, что затухание сигналов на линиях связи КА-ЗС имеет детерминированную и
стохастическую составляющие. Детерминированная составляющая ослабления
сигналов определяется протяженностью линии связи и используемыми частотами, а переменная составляющая в основном зависит от состояния атмосферы и наличия в ней гидрометеоров и пыльных образований. Причем газы атмосферы, гидрометеоры, пыльные и песчаные бури, флуктуации в ионосфере и радиационные пояса Земли вносят по сравнению с ослаблением в свободном пространстве меньшее ослабление сигнала. Однако именно флуктуирующее затухание сложнее учесть при расчетах линий связи, а возникающие погрешности приводят к ошибкам при передаче информации.
В Рекомендациях МСЭ отмечается, что засорение атмосферы пыльными образованиями ослабляет радиосигналы, но затухание, вносимое пыльными бурями изучено пока недостаточно. Для учета влияния пыльных бурь на передаточную функцию радиоканалов КА-ЗС выполнен анализ характеристик пыльных бурь, наблюдавшихся в Ираке в 2016-2020 гг. , как показано на рис.1.
Рис.1. Источники пыльных бурь в Ираке
Около 40 % аэрозолей в атмосфере Земли являются частицами пыли от
ветровой эрозии. Основными источниками этой минеральной пыли являются засушливые районы Северной Африки, Аравийского полуострова, Центральной Азии и Китая. Пыль поднимается в атмосферу за счет турбулентного перемешивания воздуха и конвективных восходящих потоков.Затем под действием ветра пылевые облака переносятся на большие расстояния, в зависимости от их размера и метеорологических условий.
Пыльные бури различаются по плотности, размерам, интенсивности, высоте и расстоянию, которое они преодолевают. Переносимые ветром пыльные бури могут преодолевать тысячи километров, перемещаясь по континентам. Пыль различается по составу и плотности в зависимости от происхождения и скорости несущих ее ветров. Поэтому классифицировать пыльные бури можно по различным критериям, таким как плотность пыли, скорость перемещения, интенсивность, средние размеры частиц пыли и др. В качестве основного критерия в работе предложено использовать оптическую видимость, измеряемую на фиксированой высоте V0 = 1,8 м.
В результате проведенного анализа предложена классификация пыльных бурь на четыре категории: взвешенная пыль, поднимающаяся пыль, пыльная буря и песчаная буря. Предложенная классификация позволяет дифференцировано учитывать ослабление радиосигналов из-за влияния пылевых и песчаных бурь на радиосвязь.
Видимость, Vo, км 1 < Vo < 6 Vo > 1
Vo < 1 Vo < 1 Скорость ветра, Vв, м/с Vв < 4 4 < Vв < 7 Vв > 7 Vв > 7
Высота, h1, км
h1 < 5,5 h1 < 5,5 h1 < 0,05 h1 < 6 Таблица 1. Классификация пыльных бурь Наименование категории Взвешенная пыль Поднимающаяся пыль Песчаная буря Пыльная буря Поднимающаяся пыль, когда частицы пыли поднимаются под влиянием умеренных ветров, скорость которых находится в пределах 4-7 м/с, а горизонтальный диапазон видимости превышает 1 км (Vo > 1км, h примерно до 1 – 3 км над поверхностью Земли). При такой скорости ветра пыль не переносится на большие расстояния, но подняться может на высоту в несколько километров
показанная на рис. 2 в)., это начало пылевых бурь,
а)
б)
г) поднимающаяся в) и взвешенная г) пыль.
Взвешенная пыль, показанная на рис. 2 г), это предпоследняя стадия пылевых бурь и восходящих пылевых явлений. Частицы пыли остаются зависшими после затишья ветра и медленно оседают под влиянием гравитации Земли. Чем дальше шторм от начала градиента давления, тем ниже скорость ветра, а так как пылевые частицы характеризуются небольшими размерами и малым весом, то даже малая скорость ветра может переносить частицы пыли и удерживать их в воздухе в течение длительного времени (1 – 15 часов).
Поднимающаяся пыль, показанная на рис. 2 в), это начало пылевых бурь, когда частицы пыли поднимаются под влиянием умеренных ветров, скорость которых находится в пределах 4-7 м/с, а горизонтальный диапазон видимости превышает 1 км (Vo > 1км, h примерно до 1 – 3 км над поверхностью Земли). При такой скорости ветра пыль не переносится на большие расстояния, но подняться может на высоту в несколько километров.
в)
Рис. 2. Надвигающиеяся пыльная а) и песчаная б) бури,
На основании рассмотрения изменения концентрации пыли с высотой
определена зависимость видимости от высоты, которая получена в результате многочисленных экспериментов, выполненных различными исследователями в разных регионах мира. Эмпирическое уравнение имеет следующий вид.
V = V0 [h ]0.26 (5) 0
где: V – видимость (км) на высоте h (км), связанная с эталонной видимостью V0 (км) на эталонной высоте h0 (км).
Результаты второй главы были опубликованы в [ 4, 14 – 17 ].
Третья глава работы посвящена разработке математической модели передаточной функции каналов спутниковой радиосвязи. Для решения этой задачи выполнен анализ и определено ослабление передаточной функции радиоканала линий связи КА-ЗС. При этом учтены потери сигнала при распространении в свободном пространстве, затухание сигналов в атмосферных газах с учетом угла места приемных антенн, потери из-за многолучевости, наличия гидрометеоров и ослабление сигналов в пыльных бурях.
Потери сигнала в свободном пространстве, в атмосферных газах и из-за гидрометеоров определены для разных частотных диапазонов спутниковой связи (СС) для низкоорбитальных, навигационных и геостационарных орбит спутниковой связи по известным выражениям и методикам. Например, на рис. 3 приведены расчеты потерь в свободном пространстве для низкоорбитальных КА, работающих в разных частотных диапазонах, на рис. 4 потери в сухом воздухе Ирака, а на рис. 5 приведены погонные потери в газах атмосферы.
Рис. 3. Ослабление сигналов низкоорбитальных КА в свободном пространстве
Рис.4. Погонные потери сигнала в воздухе Ирака. Рис.5. Потери с учетом влаги.
Когда сигнал проходит по радиоканалу, амплитуда и фаза радиосигнала умножаются на изменяющийся во времени комплексный коэффициент, который называется передаточной функцией радиоканала. Некоторые параметры радиоканала не случайны, а некоторые изменяются по случайным законам. Поэтому математическая модель передаточной функции спутникового радиоканала может быть представлена суммой детерминированной и случайной составляющих. Детерминированные компоненты передаточной функции включают в себя затухание сигнала при его распространении в свободном пространстве, потери в газах атмосферы. Доплеровские сдвиги частоты в радиоканалах с быстро движущимися низкоорбитальными спутниками тоже не случайны. Затухание из-за присутствия гидрометеоров, затухание во время пыльных и песчаных бурь представляют собой редкие и не регулярные случайные процессы. Однако экспериментальные исследования этих процессов выявили закономерности их влияния на радиосигналы, позволяющие описать их детерминированными выражениями, зависящими от параметров этих процессов.
Многолучевость, возникающая из-за слоистости и турбулентности атмосферы, приводит к случайным интерференционным замираниям принимаемых радиосигналов. Замирания, описываемые распределением Релея неоднократно наблюдалось на радиолиниях, работающих в разных частотных диапазонах, в среднем в 60% времени сеансов связи. Поэтому такое описание замираний широко используется в математических моделях радиоканалов. Однако к операторам связи нередко возникали претензии из-за наличия ошибок при передаче информации, что потребовало описания более глубоких замираний.
Модель передаточной функции многолучевых радиоканалов с более глубокими замираниями по сравнению с распределением Рэлея была предложена
Накагами, но она была слишком сложной для практического использования.
Кловским Д.Д. была предложена более простая четырехпараметрическая модель замирания [90], которая оказалась более удобной для практического использования. Использование при описании многолучевых радиоканалов четырехпараметрического закона распределения вероятностей позволяет учитывать более глубокие по сравнению с релеевским описанием замирания, не редко наблюдающиеся на многолучевых линиях связи. Плотность распределения амплитуд четырехпараметрического закона имеет вид:
H  H2 m22 m22    (2l2g1)!(2 2 )lm2g2g XYYX YXYX
w(H) exp 2 2 2 

ифазыw()2(2cos22 sin2)[1L[1F( 2L)] exp(L)], (7) YX
где L  связи;
XY  2X HlgI (HmX)
2XY
l0 g0
l 2l4g l!(2g)!2Y
lg mX
(6)
lg 2 X
m2 m2   exp X  Y
XY 2222 XY2
m 2cosm2 sin
X Y Y X ; H- модуль передаточной функции канала
 2cos22sin2 XYYX
Ilg ()- модифицированная функция Бесселя порядка l+g; mX, mY ,σX, σY –
параметры распределения, F (·) – интеграл вероятности.
Четырехпараметрическая модель передаточной функции радиоканала
включает в себя множество частных случаев распределений и при различных условиях выражение (6) вырождается в более простое, при σX=σY=σ в распределение Рэлея:
H H2 
w(H)2 exp22 . (8)
При σX или σY равных нулю четырехпараметрический закон распределения вероятностей преобразуется в усеченно-нормальное распределение:


2  22 0X2 
w(H) 2 exp H2 . (9) 
  22 X,Y X,Y
Усеченно-нормальное распределение отличается самой высокой плотностью амплитуды, что и приводит к наиболее глубоким замираниям огибающей радиосигнала и к большей вероятности ошибок по сравнению с распределением Релея.
Если σX=σY=σ и mY ≠ 0 уравнение (6) вырождается в обобщенное распределение вероятностей Рэлея:
X
w(H)HexpH2m2 Im H, (10)
где: I0 (·) – это модифицированная функция Бесселя нулевого порядка.
При mX = ≠ 0 уравнение (6) вырождается в подрелеевское
распределение:
Объединяя детерминированные и случайные ослабления сигналов можно математическую модель передаточной функции радиоканалов на линиях спутниковой связи с Землей, объединяющую возможные потери при передаче информации на таких линиях связи описать следующим выражением:
= + + + , , [дБ], (12)
где: = 92,45 + 20lg( ) + 20lg( ) − затухание в свободном пространстве; R расстояние от КА до ЗС, км; f − радиочастота, ГГц; − потери в атмосферных газах; − затухание из-за дождей и других гидрометеоров; , − затухание в пылевых и песчаных бурях.
Затухание, вносимое пыльными и песчаными бурями изучено пока недостаточно. Исследование этого направления проведем на основании собранного экспериментального материала о параметрах прошедших в 2016-2020
w(H) H expH211IH211, (11)
4 2 2  0  4 2 2   XY  X YX Y
  

гг. пыльных бурь в Ираке. При этом требуется решить много разноплановых
задач, начиная от разработки критерия для оценки пыльных бурь и заканчивая методикой расчета затухания радиосигналов в пыльных бурях и рекомендациями по компенсации таких затуханий передаточной функции.
Результаты третьей главы были опубликованы в работах [2, 4, 6-10].
В четвертой главе проведено исследование затухания радиосигналов в каналах спутниковой связи из-за пыльных бурь, разработан алгоритм расчета затуханий сигнала во время пыльных бурь, определены условия срыва связи из-за них, выполнено моделирование и рассчитано затухание сигналов в пыльных бурях для различных условий и частотных диапазонов.
Используем в качестве основного критерия, характеризующего свойства пыльных бурь, показатель оптической видимости V, измеряемой на опорной высоте h0. Следует отметить, что видимость зависит от концентрации пыли в атмосфере, а концентрация зависит от высоты, так как крупные частицы пыли быстрее притягиваются к поверхности Земли. Эти зависимости были изучены и автором получено эмпирическое соотношение, связывающим затухание в пыльной буре высотой h с эталонной видимостью на опорной высоте в виде выражения
А = 0,578 × 10−3 h0,72 ( −1), [дБ] (13) 0 −2
где: f – рабочая частота (ГГц); – безразмерная постоянная, зависящая от состава пыли в пыльной буре и климатических условий (для Ирака γ = 1,07); видимость V0 (км) на эталонной высоте h0=0,0015 км.; E – комплексная диэлектрическая проницаемость частиц сухой пыли; Ɵ – угол места антенны наземной станции.
На основании выведенного уравнения (13) разработан алгоритм и реализующая его программа на ЭВМ [18] и была проведена серия расчетов, показывающих зависимость затухания сигналов в пыльных бурях от видимости, высоты пыльных бурь, рабочей частоты и угла места антенн ЗС. Были выполнены
расчеты по оценке затухания сигналов в пыльных бурях, случавшихся в различных городах и районах Ирака в 2016 – 2020 годах. Предложенный алгоритм расчета затухания сигналов позволил оценить взаимосвязь затухания не только с видимостью, а и с высотой пыльной бури, рабочей частотой линии связи. Выполненные расчеты показали, что затухание может составлять несколько

На рис. 6 показано влияние рабочей частоты и высоты пыльной бури на затухание сигналов в городе Ди-Кар на юге Ирака.
Таблица 2. Значения затухания при различных высотах пыльных бурь и различных частотах.
децибел, как, например, показано в таблице 2, что может вызвать дополнительные ошибки при приеме информации.
Высота пылевой
бури, км
Частота (ГГЦ)
0,5
1
3
5,5
10 0,0439 14 0,0615 24 0,1055 37 0,1626
Затухание, дБ
0,3297 0,8663 0,4615 1,2128 0,7912 2,0791 1,2197 3,2053
1,7293 2,4211 4,1504 6,3985
а)
б)
Рис. 6. Зависимость затухания от высоты пыльной
бури и от видимости на разных частотах: а) f = 10 ГГц, б) f = 24 ГГц
Из таблицы 2 и рис. 6. видно, что при малой видимости затухание радиосигналов в пыльных бурях может составлять несколько децибел, что вызывает ошибки при приеме информации и даже может вызвать долговременное прекращение связи.
Так как появление пыльных бурь не регулярно во времени, то принимать дополнительный запас энергопотенциала на возможное затухание сигналов в пыльных бурях при проектировании линий связи КА ЗС не целесообразно, а увеличение мощности передатчика транспондера КА проблематично, то для решения проблемы компенсации затухания, возникающего из-за мощных пыльных бурь, кроме уже использующихся методов помехоустойчивого кодирования сигналов, можно предложить на наземных станциях спутниковой связи применять методы пространственно-разнесенного приема. Это затратно по аппаратуре, но позволит исключить возможные перерывы связи без изменения частотных параметров линии связи.
Результаты четвертой главы были опубликованы в работах [11-18].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе выполнения диссертационной работы автором получены следующие основные результаты:
1. На основании проведенного анализа показано, что в радиоканалах линий связи КА-ЗС основное ослабление сигнала происходит при его распространении в свободном пространстве, в атмосферных газах, из-за наличия гидрометеоров, многолучевости и из-за пылевых и песчаных бурь.
2. Пыльные и песчаные бури имеют значительную протяженность во времени и ослабление сигнала из-за них может приводить к длительным срывам связи и влиять на качество и надежность телекоммуникационных услуг.
3. Предложена классификация, разделяющая пылевые явления на взвешенную пыль, поднимающуюся пыль, пыльные бури и песчаные бури.
4. Показано, что величина затухания сигналов на линиях связи КА-ЗС во время пыльных бурь зависит также от видимости, частоты, угла места и высоты пыльных бурь:
– затухание увеличивается на несколько децибел, когда видимость уменьшается во время поднимающейся пыли и пыльных бурь, например, при видимости 100 м затухание сигналов диапазона Ка в буре высотой 4 км составляет 0,15 дБ, а при видимости 5 м уже 2.0 дБ;
– рост частоты приводит к увеличению общего затухания, в том числе и затухания из-за пыльных бурь, например, при f =10 ГГц в буре высотой 4 км при видимости 100 м затухание равно 0,05 дБ, а при f=37 ГГц уже 0,15 дБ при той же видимости; – меньший угол места приводит к более высокому затуханию при той же высоте пыльной бури, на границах приема сигнала КА увеличиваясь в 5 раз;
– при увеличении высоты пыльных бурь величина затухания растет нелинейно.
5. Предложен критерий оптической видимости в пыльных образованиях, позволяющий рассчитывать ослабление радиосигналов пыльными бурями.
6. Разработана математическая модель, алгоритм расчета затухания спутниковых радиосигналов на линиях связи КА-Земля и реализующая его программа на ЭВМ в зависимости от основных параметров пылевых явлений.
7. Определено, что затухание при видимости в пыльных бурях менее 5 м на частотах Ка диапазона может превышать 6 дБ.
8. Предложены практические рекомендации для компенсации затухания, возникающего из-за мощных пыльных бурь, основой которых является
20
применение методов пространственно-разнесенного приема на наземных станциях
спутниковой связи.