Оценка зон радиодоступности стационарных станций радиоконтроля

Оценка зон радиодоступности

стационарных станций радиоконтроля

, инженер службы научно-технического обеспечения

Центр «Укрчастотнагляд»

Введение

Одной из основных функций Центра «Укрчастотнагляд» является контроль и надзор за использованием радиочастотного ресурса, радиочастотный мониторинг. От полноты и актуальности информации, предоставляемой системой радиомониторинга, зависит эффективность управления использованием РЧР в целом. Более того, в условиях стремительного роста количества РЭС, разнообразия радиотехнологий, освоения новых частотных диапазонов контроль выполнения пользователями РЧР лицензионных и технических требований, связанных с организацией работы РЭС, является необходимым условием функционирования системы управления использованием РЧР.

Главная роль в системе радиомониторинга Центра «Укрчастотнагляд» отводится стационарным измерительно-пеленгационным комплексам (большей частью необслуживаемым), позволяющим создать сплошную зону радиоконтроля в местах наибольшего сосредоточения РЭС. Стационарная подсистема дополняется мобильными комплексами, обеспечивающими радиоконтроль на остальной территории.

Большая часть коммерческих и ведомственных РЭС используют частоты 30..300 МГц (ОВЧ) и 300..3000 МГц (УВЧ). В диапазоне ОВЧ и УВЧ излучения имеют ограниченный радиус действия, обычно не более нескольких десятков километров. Поэтому измерительный комплекс должен располагаться в зоне работы или вблизи контролируемых станций. Общий принцип построения объектовой системы радиоконтроля для большого города:

- один стационарный пост радиоконтроля в центре города;

- комплекс необслуживаемых пеленгаторов по периметру города;

- мобильная станция РК (для поиска источников радиоизлучений, работы по РК вне зоны охвата РКП);

- несколько удаленных постов с возможностью их удаленного управления из центрального РКП.

В отличие от мобильных станций РК, имеющих возможность выбирать “удобную” диспозицию, качество работы стационарного поста РК напрямую зависит от места его установки.

Для построения эффективной системы радиомониторинга необходимо иметь возможность на самом раннем этапе оценить зоны действия (зоны радиодоступности) стационарных станций радиоконтроля – основных кирпичиков системы РМ.

Факторы, влияющие на зону радиодоступности

Зона радиодоступности РКП зависит от ряда факторов. Среди них параметры приемника РКП, рельеф местности, плотность городской застройки, характеристики излучения объектов контроля и т. д. При прогнозировании зоны радиодоступности необходимо учитывать влияние этих факторов. Основой при расчете зоны радиодоступности является процедура определения напряженности электромагнитного поля в месте установки РКП. Тем не менее, даже самые сложные, комплексные методики не предоставляют абсолютно точной физической модели распространения радиоволн. Невозможность учета всех факторов позволяет говорить лишь об оценке зоны радиодоступности станции радиоконтроля.

Модели распространения радиоволн

Распространение РВ в свободном пространстве

Самая простая модель распространения радиоволн [7]. Для определения напряженности электромагнитного поля, создаваемого передатчиком с заданной мощностью в некоторой случайной точке, удаленной от передатчика на определенное расстояние используется формула:

, (1)

где E­­mV/m – напряженность электромагнитного поля, мВ/м;

PkW – эквивалентная изотропно-излучаемая мощность, кВ;

dkm – расстояние до передатчика, км.

Модель может служить основой для точных, детерминированных методов. При ее использовании необходимы дополнительные коррекции результата за исключением тех случаев, когда реальные характеристики среды распространения близки к идеальным.

Модель Окумура-Хата [3, 4]

В 1968 г. Y. Okumura была предложена эмпирическая модель распространения радиоволн, основанная на результатах измерений, проведенных в нескольких районах г. Токио (Япония). Первоначально модель представляла собой набор кривых распространения для различных частот излучения и типов местности. В 1980 г. M. Hata, исследуя модель Окумуры, аппроксимировал кривые распространения математическим выражением. Это выражение теперь известно как модель Окумура-Хата:

, (2)

где:

– напряженность электромагнитного поля

– ЭИМ передатчика БС, дБВт;

– частота излучения, МГц;

– эффективная высота подвеса антенны передатчика БС на расстоянии 3‑15 км, м;

– высота подвеса антенны приемника над поверхностью земли, м;

– расстояние до передатчика, км;

, для R £ 20 км;

, для 20 £ R £ 100 км.

Формула (1) рекомендована Международным союзом электросвязи при расчетах напряженности электромагнитного поля для сухопутной подвижной службы в диапазоне УВЧ [4].

Модель Окумура-Хата (в оригинальном виде) хорошо подходит для прогнозирования напряженности поля в условиях большого города с плотной застройкой. Стандартные параметры модели рассчитаны для частоты 900 МГц и высот подвеса приемной антенны 1–10 м., что соответствует потребностям сухопутной подвижной службы. Тем не менее, предложены методы адаптации модели Окумура-Хата для условий распространения, отличных от описанных выше, путем изменения стандартных параметров [3]. Модель Окумура-Хата достаточно проста и, при соответствующей настройке, может использоваться для прогнозирования зоны радиодоступности РКП. Однако ограничения, присущие этой модели снижают ее универсальность. Кроме уже упомянутых ограничений (предопределенный частотный диапазон, ограничение по высоте антенны приемника), можно также отметить отсутствие в модели механизмов учета рельефа местности.

Рекомендация МСЭ P.370

Более универсальная методика расчета напряженности электромагнитного поля предложена в рекомендации Международного союза электросвязи Р.370. Вот некоторые характеристики этой модели.

Расчет напряженности электромагнитного поля основан на кривых распространения радиоволн. Кривые представляют собой полученные экспериментальным путем значения напряженности поля, превышаемые в 50% мест для различных значений процента времени. Кривые охватывают полосы частот 30 ¸ 250 МГц (диапазон ОВЧ), и 450 ¸ 1000 МГц (диапазон УВЧ) и расстояния от 01.01.01 км. Эффективная высота передающей антенны может быть равна 37.5, 75, 150, 300, 600, 1200 м., высота приемной антенны – 10 м. Значение эффективной излучаемой мощности передатчика принимается 1 кВт. В Рекомендации учитываются три типа путей распространения радиоволн:

- Суша

- Море

- Холодное море.

Для значений параметров, отличных от стандартных, значение напряженности корректируется.

Значение высоты передающей антенны, используемое для расчета напряженности поля, принимается равной эффективной высоте, определяемой как высота над поверхностью земли, усредненная на участке от 3 до 15 км. от места установки передатчика в направлении приемника. Это означает, что эффективная высота антенны может быть отрицательной. Такая ситуация возможна, когда средняя высота рельефа, окружающего место установки передатчика, превышает высоту подвеса передающей антенны над уровнем земли. В этом случае расчет напряженности поля основывается на использовании коррекции, которая зависит от величины угла просвета местности. Угол просвета (для передатчика) рассчитывается как угол между горизонталью, проходящей на высоте подвеса передающей антенны и линией, устраняющей все препятствия в направлении приемной антенны. На рис. 1 представлена иллюстрация к определению угла просвета. Аналогичная коррекция может использоваться при наличии препятствий для распространения РВ в месте установки приемника.

Кривые позволяют рассчитывать значение напряженности поля для трасс, проходящих над сушей либо над поверхностью моря. Если путь распространения радиоволн проходит над участками с различными характеристиками распространения рекомендация предлагает метод расчета напряженности поля, учитывающий этот фактор.

Рис. 1 Угол просвета местности (q – угол просвета, ha – высота подвеса передающей антенны над землей)

Рекомендация МСЭ P.1546

Рекомендация МСЭ P.1546, снимает некоторые ограничения рекомендации P.370 и повышает точность прогнозирования распространения радиоволн. Методики, изложенные в данном документе, могут использоваться при расчете напряженности поля для вещательных, подвижных (сухопутных и морских), фиксированных служб в диапазоне частот 30..3000 МГц на расстояниях до 1000 км.

В рекомендации используются кривые распространения, отражающие зависимость напряженности поля от расстояния при ЭИМ передатчика равной 1 кВт. Рекомендация содержит кривые для номинальных частот 100, 600 и 2000 МГц. Номиналы высоты передающей антенны – 10, 20, 37.5, 75, 150, 300, 600 и 1 200 м. Высота приемной антенны принимается 10 м. Все кривые приведены для различных типов трасс распространения (Суша, Теплое море, Холодное море), и для различных процентов времени (1%, 10%, 50%).

Использование цифрового рельефа местности

Значительное влияние на размер и форму зоны радиодоступности РКП оказывает рельеф территории, подлежащей радиоконтролю. В областях со сложным рельефом и значительными перепадами высот обеспечить сплошную зону контроля практически невозможно. Остаются “теневые” зоны, которые необходимо закрывать с помощью мобильных станций контроля. С другой стороны возможна обратная ситуация, когда рельеф дает возможность контролировать участки, недоступные при обычных условиях. Учитывая фактор рельефа местности при оценке зоны радиодоступности, можно заранее выявить такие участки и, возможно, оптимизировать расположение стационарных станций радиоконтроля.

Данные о рельефе могут быть представлены в цифровой форме в виде электронных карт высот местности. При этом формат представления этих данных может быть различным. Электронные карты по формату данных делятся на векторные и растровые.

В векторной карте вся информация хранится в виде векторных графических объектов (точки, символы, полигоны, полилинии), к которым привязаны некоторые атрибуты – текстовые или числовые. Рельеф в векторном виде описывается изолиниями (линиями равных высот) и (или) точками (рис. 2а). Атрибутами этих объектов является, например, значение высоты над уровнем моря.

Растровая карта хранит только атрибутные данные. Для этого представляемая территория условно разбивается на некоторое количество одинаковых участков. Расстояние между соседними участками называется шагом растра (шагом растровой сетки). Требуемая информация по каждому участку, сохраненная в цифровой форме в определенном порядке и составляет растровую карту (рис. 2б). Для корректного извлечения этих данных из растровой карты должны быть определены:

- географическую привязку растровой карты;

- шаг растровой сетки;

- формат представления атрибутной информации;

- порядок записи данных.

Точность векторной карты определяется точностью представления объектов, их количеством. Точность растровой карты определена шагом растровой сетки – чем меньше шаг, тем выше точность. Но и в том и в другом случае основой точности является, естественно, качество исходных данных.

Различие в представлении данных имеет значение при проведении автоматизированных расчетов. Алгоритм извлечения информации о высоте в заданной точке для векторной карты сложнее, чем для растровой. Соответственно и время обработки рельефа в процессе расчета при использовании векторной карты выше. Поэтому иногда имеет смысл предварительное преобразование формата карты.

А

Б

Рис. 2 Формат представления рельефа: А – векторный (линии равных высот), Б – растровый

Некоторые модели распространения радиоволн позволяют учитывать рельеф местности. При этом они не предъявляют требований ни к точности, ни к формату представления рельефа. Параметрами рельефа в этих моделях служат характеристики профиля трассы распространения радиоволн – неравномерность высот на трассе, угол просвета местности, эффективная высота подвеса антенны. Имея цифровой рельеф местности, можно с помощью математических методов рассчитать эти величины.

Расчет зоны местоопределения

Наряду с задачами обнаружения источников радиоизлучений и измерения параметров и характеристик сигналов, важной задачей является определение местоположения источника радиоизлучения.

В настоящее время, при высокой плотности РЭС (только в столичном регионе сосредоточено более 6 тыс. РЭС), выявление незаконно действующих передатчиков приобретает особое значение. Чаще всего для определения местоположения источника радиоизлучения используют пеленгационный метод. Этот метод требует наличия нескольких пеленгаторов. Для оценки местоположения достаточно данных о пеленге с двух разнесенных пеленгаторов, однако для повышения достоверности рекомендуется использовать не менее трех пеленгаторных пунктов. В этом случае три пеленга, пересекаясь, образуют треугольник, и при известном качестве пеленгов можно рассчитать положение наиболее вероятной точки, которая принимается за оценку местоположения ИРИ [2].

Зону местоопределения группы РКП можно определить как область пересечения зон радиодоступности как минимум двух постов из группы. Точность местоопределения напрямую зависит от качества пеленга. При наличии более трех разнесенных пеленгаторов недостоверные пеленги не учитываются для оценки местоположения, а остальным придается определенный вес в соответствии с их качеством. Прогнозировать точность определения местоположения можно основываясь на простейшем показателе качества пеленга – соотношении сигнал/шум.

Практическая реализация

Описанные методики использовались при выборе топологии автоматизированной системы радиомониторинга (АСРМ) в г. Киеве. Существующая схема подсистемы радиоконтроля – два радиоконтрольных пункта в г. Киев и один в г. Борисполь – способна была лишь частично выполнять возлагаемые на нее функции.

На рис. 3 показано распределение РЭС в г. Киеве.

Рис. 3 Распределение РЭС по г. Киеву:

-GSM 1800, -GSM 900, -DAMPS, -CDMA, -SMARTRUNK,

-POCSAG, -УКВ (146–174), - УКВ (410–430)

Основная часть РЭС располагается в центральной части города, контроль над которой усложняется высокой плотностью застройки. Значительную роль играет неравномерность рельефа (рис. 4).

Рис. 4 Рельеф местности (г. Киев)

Для оценки зон радиодоступности пунктов радиоконтроля в г. Киев были приняты следующие исходные данные:

- эффективная излучаемая мощность передатчика объектов контроля – 10 Вт;

- высота антенн передатчика – 40 м;

- высота антенн приемника – 20 м;

- частота – 900 МГц;

- минимальное значение напряженности поля в точке установки приемника 48 дБмкВ/м.

Расчеты проводились в соответствии с рекомендацией МСЭ P.1546. При проведении расчетов использовалась карта рельефа с шагом растра 50 м. Фактор застройки не учитывался.

Результаты расчета зон радиодоступности приведены на рис. 5.

Рис. 5 Зоны радиодоступности действующих постов радиоконтроля

Из рисунка видно, что покрытие не обеспечивается в западном, северо-западном и юго-западном районах города. Таким образом, проведение радиоконтроля в этих районах в режимах местоопределения, пеленгования и измерений является малоэффективным. Также осложнен процесс местоопределения в северном, западном и восточном районах. Из-за особенностей рельефа правого берега реки Днепр использование существующих постов в режиме местоопределения для центральной части города затруднительно.

Так как в центре города располагается большая часть РЭС (больше 50%), целесообразна установка дополнительных постов радиоконтроля для увеличения площади зон радиодоступности и местоопределения.

При определения места установки дополнительных постов радиоконтроля учитывались следующие требования:

- максимальный объем РЭС в зоне радиодоступности;

- наличие многоэтажных зданий для установки постов и отсутствие препятствий в направлении на центр;

- отсутствие вблизи необходимость отнесения постов от мощных источников радиоизлучения (ТВ-вышка) на расстояние не менее 3 км;

- для режима местоопределения необходимо пересечение зон доступности как минимум двух ПТРК.

Исходя из того, что существующие РКП не обеспечивают покрытие большей части города, необходимо добавить еще четыре поста для формирования зоны радиодоступности по всему городу.

На рис. 6 показаны места предполагаемого расположения дополнительных постов и их зоны радиодоступности для передатчиков мощностью не менее 10 Вт.

Рис. 6 Зоны радиодоступности дополнительных постов радиоконтроля (синей линией обозначена зона местоопределения для данной группы постов)

Как видно из рис. 6, зона радиодоступности системы радиоконтроля из 6 ПТРК покрывает большую часть города.

По результатам расчетов были сделаны прогнозы доступности РЭС в режиме местоопределения для мощностей передатчиков 2,5 Вт и 10 Вт (таб. 1).

Приведенные результаты расчетов зон радиодоступности РЭС имеют оценочный характер и могут быть дополнены данными по эксплуатации уже существующих постов радиоконтроля, а также измерениями, проводимыми непосредственно в местах предполагаемой установки дополнительных постов.

Таблица 1

Тип РЭС	Общее кол-во	В зоне 2,5 Вт	В зоне 10 Вт	%
2,5 Вт	10 Вт
GSM 1800	269	204	240	76	89
GSM 900	184	145	169	79	92
DAMPS	16	11	13	69	81
CDMA	8	6	8	75	100
SMARTRUNK	34	30	34	88	100
POCSAG	18	14	15	78	83
УКВ (146–174) УКВ (410–430)	37	25	33	67	89

Моделирование зон радиодоступности стационарных станций радиоконтроля помогло создать в г. Киеве фрагмент АСРМ, состоящий из центра управления радиомониторингом, двух центральных постов радиоконтроля (на правом и левом берегу), одного удаленного поста радиомониторинга и поста радиомониторинга в Центре «Укрчастотнагляд».

Рис. 7 Действующий фрагмент АСРМ – зона радиодоступности

Выводы

Выбор места установки РКП важная задача, требующая тщательного и взвешенного подхода.

Один из факторов, который необходимо учитывать при выборе места установки РКП — оптимальность зоны радиодоступности станции радиоконтроля, критерием которой является максимизация количества контролируемых РЭС.

Автоматизация процедуры выбора местоположения станции радиоконтроля позволяет принимать более обоснованные решения при построении системы мониторинга и повысить эффективность функционирования системы.

Литература

1. Логинов вопросы радиоконтроля в Российской Федерации. — М.: Радио и связь, 2000. — 240 с.: ил.

2. Справочник по радиоконтролю. — МСЭ, 1995.

3. Medeisis A. Fine tuning of the Okumura-Hata propagation prediction model using the minimum squares method and fuzzy logic approach // Fifteenth International Wroclaw Symposium and Exhibition on Electromagnetic Compatibility, EMC 2000, p. 619-623.

4. PREDICTION METHODS FOR THE TERRESTRIAL LAND MOBILE

SERVICE IN THE VHF AND UHF BANDS // RECOMMENDATION ITU‑R P.529‑3. Geneva: ITU, 1999.

5. VHF AND UHF PROPAGATION CURVES FOR THE FREQUENCY

RANGE FROM 30 MHz TO 1 000 MHz // RECOMMENDATION ITU-R P.370‑7. Geneva: ITU, 1995.

6. Method for point-to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30 MHz to 3 000 MHz // RECOMMENDATION ITU-R P.1546-1. Geneva: ITU, 2003.

7. CALCULATION OF FREE-SPACE ATTENUATION // RECOMMENDATION ITU-R PN.525-2. Geneva: ITU, 1994.