Введение к работе
Актуальность темы Условия распространения радиоволн сантиметрового (СМ) и миллиметрового (ММ) диапазонов, начиная с частоты 10 ГГц и вплоть до 300 ГГц, в последнее время привлекают пристальное внимание ученых и инженеров во многих странах мира, особенно в связи.с вопросами создания линий связи как ближайшего, так и более отдаленного будущего. Естественно, что при освоении нового диапазона частот кроме технических (аппаратурных) вопросов возникают проблемы оценки влияния атмосферы на распространение радиоволн и информационные свойства сигналов. Сюда входят вопросы ослабления и деполяризации радиоволн в атмосфере, вопросы рассогласования антенн при некоторых атмосферных условиях, вопросы флуктуационных свойств и ограничения ширины полосы сигналов.
Бри проектировании радиотехнических систем различного назначения, работающих на трассах "земля-земля'' и "земля-ИСЗ", в первую очередь требуются сведения о повторяемости возможных величин замираний радиоволн, обусловленных атмосферными явлениями, поскольку эти сведения определяют энергетический потенциал таких линий при заданной надежности работы, или заданном времени возможных перерывов связи. По существу речь идет о зависимости Р(АЫ±), которая представляет собой вероятностное интегральное распределение значений ослабления А на трассе связи, т.е. вероятность превышения тех или иных фиксированных значений А±. При этом вероятность, выраженная в процентах от интересующего нас периода времени (год, сезон, месяц), фактически представляет собой время в минутах. В дальнейшем изложении распределение Р(АЫ±) для краткости будет называться статистикой ослабления.
Проблема определения зависимости Р(АЪА%) в различных метеоусловиях активно изучается в США, Японии, Западной Европе
ухе на протяжении 15 лет. Для исследования привлечены мнение коллективы ученых, запущены специальные исследовательские ИСЗ с радиомаяками на борту, создана хорошая радиометеорологическая и радиотехническая аппаратура. Результаты этих .исследований находят отражение в многочисленных моделях и методиках расчетов статистики замирание радиоволн, предложенных западными учеными. В СССР существенный вклад в развитие этих работ внесли сотрудники НИИ Радио, ИРЭ АН СССР, ИРЭ АН УССР, ГГО, ЦАО, НИРФИ, ИПФ АН СССР, НШССУ, МНИИРС и многих других, но главный недостаток этих работ в стране заключался в отсутствии долговременных измерении статистики замираний радиоволн на реальных трассах на территории СССР.
К числу атмосферных явлений, вызывающих ослабление радиоволн исследуемого диапазона относятся: дожди, снегопады, туманы (для приземных трасс) и мощные конвективные 'облака (для космических трасс). Для приземных трасс и космических трасс с очень малыми углами места большую роль играет также ослабление радиоволн, вызванное аномалиями показателя преломления воздуха.
Экспериментально получить набор данных о вероятностных распределениях (статистике) замираний радиоволн в разных климатических районах при различных параметрах трасс практически невозможно, поскольку это требует проведения длительных, дорогостоящих работ. Поэтому во всем мире развиваются расчетные методы прогнозирования такой статистики на основе среднестатистических ^метеорологических данных о параметрах атмосферных явлений, характ&рных для данной местности в данное время года. Проверка методов производится путем последующего сравнения результатов расчета с результатами долговременных натурных измерений на контрольных, специально оборудоьан ных полигонах. Для условий СССР такие работы только начинаются.
Под прогнозированием здесь понимается проведешь таких
расчетов, когда параметры метеорологических явлений задаются в виде молелей, которые могут быть получены среднестатистическим образом по итогам метеорологических измерений за период в несколько лет. Такое- среднестатистическое прогнозирование применяется при разработке и конструировании радиотехнических систем. Вопросы прогнозирования статистики ослабления радиоволн в различных атмосферных явлениях (особенно в довде) рассматривались в большом числе оригинальных работ и монографий. Несмотря на это имеется необходимость анализа существующих методик прогнозирования и их применимости к условиям СССР, разработки новых методов расчета (там, где их пока нет) и объединения этих методов совместно с информацией о регионально-сезонной повторяемости параметров атмосферных явлений, влияющих на ослабление радиоволн, в одну общую комплексную радиофизическую модель атмосферы. Чтобы такой моделью могли легко пользоваться специалисты различных ведомств, ее целесообразно оформить в виде расчетной программы для ЭВМ, что позволит быстро и качественно проводить требуемые расчеты параметров проектируемых линий связи, в первую очередь их потенциалов на атмосферное затухание, в любой точке территории страны.
В литературе практически нет сведений о разработке таких комплексных моделей и компьютерных программ, хотя отдельные фрагменты и опубликованы. В СССР в качестве первой попытки такого рода мояно назвать работу [14], вышедшую в 1987 г. Таким образом, научное и практическое значение решения проблемы, которая исследуется в работе, характеризует актуальность исследований, выполненных в диссертации.
Целью работы являлось теоретическое и экспериментальное исследование влияния метеоявлений в атмосфере на ослабление радиоволн СМ и ММ диапазонов,. обобщение существующих данных о
повторяемости параметров этих метеоявлений по территории СССР и создание комплексной радиофизической модели неоднородной атмосферы для прогнозирования долговременных интегральных вероятностных распределений ослаОления радиоволн этого диапазона на различных трассах по территории СССР. Для этого необходимо было решить следующие основные задачи:
- разработать новые или выбрать из уже существующих методы
расчета долговременной статистики ослаОления радиоволн на
приземных и спутниковых линиях связи как в чистой атмосфере, так и
при наличии е ней гидрометеоров и аэрозолей;
- разработать новые или выбрать из уже существующих
среднестатистические радиофизические модели основных атмосферных
явлений, влияющих на ослабление радиоволн, которые могут
применяться на территории СССР;
провести долговременные круглогодичные измерения статистики ослабления радиоволн на реально действующих линиях связи с целью проверки правильности и точности принятых методов прогноза и моделей явлений и, если это необходимо, провести их модификацию;
обобщить существующие данные о повторяемости параметров метеоявлений по территории СССР с учетом климатических и сезонных особенностей;
создать комплексную модель атмосферы и на ее основе -
- вычислительную программу, позволяющую рассчитывать требуемую статистику ослаОления радиоволн на любой радиотрассе в произвольной точке территории СССР.
Решение этих задач и составляет содержание диссертации.
Выполненные в диссертации теоретические и экспериментальные исследования характеристик ослаОления радиоволн СМ и ММ диапазона в тропосфере Земли отличаются от предшествующих исследований в
этой области следующими положениями, определяющими научную новизну:
1) постановкой и решением задач расчета вероятностных
распределений возможного ослабления радиоволн на трассах связи
из-за влияния снегопадов [12,19], мощных конвективных облаков [16]
и туманов [14], включая создание расчетных радиофизических моделей
этих явлений с учетом их гажроструктурных, пространственных и
вероятностных характеристик;
-
решением задачи о вероятностном распределении ослабления радиоволн на приземных трассах, вызванном аномалиями показателя преломления воздуха в приземном слое с учетом диаграмм направленности антенн [21] и эффекта "экранировки" приемника слоем с резким скачком показателя преломления, расположенным на высоте между высотами передатчика и приемника;
-
анализом и интерпретацией экспериментальных данных по долговременной статистике ослабления радиоволн короткой части СМ диапазона на приземной и спутниковой трассах, полученных на Международном экспериментальном центре спутниковой связи (ЫЭЦСС) "Дубна -Интеркосмос" впервые в СССР, с целью поиска оптимальных методов расчета такой статистики при дождях, модификации методов ее расчета при снегопадах и явлении многолучевости на приземной трассе, а также с целью оценки границ естественных вариаций вероятностных распределений ослабления радиоволн, обусловленных различными причинами, от года к году 127,28);
-
созданием комплексов уникальной измерительной аппаратуры для проведения натурных исследований параметров атмосферных явлений, влияющих на ослабление радиоволн (8,18,25);
Ь) результатами экспериментальных исследований влияния атмосферных метеоявлений на затухание радиоволн, среди которых:
- количественно установлено большое влияние мелких капель дождя
на коэффициент ослабления радиоволн в двух разных климатических районах СССР (в зависимости от близости к морю), что приводит к его отличию до ± 25% от рекомендованных МККР для частот более 100 ГГц [22,24,261;
установлено количественное соотношение между коэффициентом ослабления СМ радиоволн во влажном снегопаде и его эквивалентной интенсивностью, полученное расчетом как по микроструктурным измерениям в снегопаде, так и по измерениям ослабления на трех длинах волн;
для оценки вероятностного распределения поглощения радиоволн в газовых составляющих атмосферы за счет естественных долговременных вариаций ее метеопараметров была установлена количественная связь между дисперсиями поглощения и дисперсиями метеопараметров и определены по экспериментальным данным требующиеся для этого коэффициенты;
-
созданием первой регионально-сезонной модели, содержащей параметры повторяемости осадков и водных аэрозолей по территории СССР, составленной путем анализа и обработки имеющихся метеорологических данных, и позволяющей учитывать климато-географические особенности местности при проектировании систем связи [23];
-
созданием первой радиофизической модели атмосферы для условий СССР для расчета статистики ослабления радиоволн СМ и ММ диапазонов на приземных, наклонных и спутниковых линиях связи, включающей в себя как методы расчета этой статистики в дождях, снегопадах, туманах, мощной конвективной облачности и газах атмосферы, так и информацию о регионально-сезонной повторяемости параметров этих метеоявлений по территории СССР [23].
Достоверность результатов по моделированию атмосферных явлений подтверждается как экспериментальными данными, полученными ь дис-
сертации, так и сравнением результатов их интерпретации с данными, известными из литературы по этому вопросу.
Практическая ценность работы заключается в том, что в ее итоге созданы:
радиофизическая модель атмосферы для расчета статистики ослабления радиоволн СМ и ММ диапазонов на трассах связи, применимая для условий СССР, причем основные части этой модели атмосферы были экспериментально проверены при первых в СССР долговременных измерениях на МЭЦСС;
вычислительная программа GL101 для персонального компьютера, позволяющая инженерам-разработчикам систем связи рассчитывать по предложенной в работе радиофизической модели атмосферы требуемую статистику ослабления радиоволн на любой радиотрассе в произвольной точке территории СССР.
Эти результаты могут найти применение в ряде организаций промышленных министерств и ведомств пси проектироьэнии (в тем ЧИСЛО и а^тсматизирсЕзином; различных радиотехнических систем, работающих в атмосферо.
Реализация результатов работы заключается в передаче заинтересованным организациям копии этой вычислительной программы вместе с инструкциями по ее применению. Имеются два подтверждения об использовании результатов, полученных в работе, на кафедре метеорологии Томского госуниЕерситета и НИИРФ ям. А.А. Расплетина. В настоящее время ведутся переговоры о продаже модели атмосферы GL101 в другие заинтересованные организации.
Апробация результатов. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на I (Москва, 1982) [4], II (Фрунзе, 1986) (101 и III (Харьков, 1989) [23-25] Всесоюзных школах-симпозиумах по распространению ММ и СБММ волн в атмосфере,
на XIV (Ленинград, 1984) [7-81 и XV (Алма-Ата, 1987) [17-183 Всесоюзных конференциях по распространению радиоволн, на Международном семинаре ООН по проблемам космической связи для развивающихся стран (Москва, 1987) [15], на заседании 5-ой Исследовательской комиссии МККР (Женева, 1989) [26], 40-ом конгрессе МАФ [28]. Основные результаты по теме диссертации опубликованы автором в 24 статьях и трудах симпозиумов и конференций, а также в 3 препринтах и в одной монографии, и приведены в диссертации отдельным списком в хронологическом порядке. Необходимо отметить, что все работы (кроме одной) выполнены и опубликованы с 1981 по 1989 год.
диссертация состоит из Введения, 10 глав, 47 параграфов. Заключения, двух списков литературы (авторской и цитируемой), двух. Приложений и содержит 200 страниц текста, 19 таблиц на 18 страницах, 105 рисунков на 105 страницах, списка цитируемой литературы из 150 наименований на 13 страницах и авторской - на 3 страницах. Общий объем работы - 367 страниц.
На защиту выносятся следующие результаты исследований автора.
I. Развитие методов расчета вероятностных распеределений ослабления радиоволн СМ и ММ диапазонов в атмосферных метеоявлениях, состоящее:
а) в количественной оценке отличия коэффициентов ослабления
радиоволн в . реальном дожде от рекомендованных Международным
консультативным комитетом по радио (МККР) на разных частотах в
зависимости от близости пункта наблюдения к морю,
б) в разработке методов расчета долговременной статистики
ослабления радиоволн в снегопаде на основе анализа как имевшихся,
так'и вновь полученных автором экспериментальных данных;
в) в- разработке метода расчета долговременной статистики
ослабления радиоволн в тумане на основе анализа имевшихся и вновь полученных экспериментальных данных;
г) в разработке метода расчета долговременой статистики
ослабления радиоволн в мощном конвективном облаке на основе
анализа имеющихся данных;
д) в разработке метода оценки вариаций молекулярного
поглощения радиоволн за счет естественных вариаций метеопараметров
атмосферы и в определении по экспериментальным данным требующихся
для этого коэффициентов;
е) в разработке нового подхода к оценке границ возможных от
клонений реальных среднегодовых распределений ослабления относи
тельно рассчитанного распределения, причем эти границы были
получены на основании анализа первых для условий СССР
экспериментальных данных, описывающих естественную климатическую
изменчивость условий распространения год от года, и анализа
погрешностей применяемых методов расчета;
ж) в разработке метода расчета вероятностного распределения
ослабления радиоволн на приземной трассе из-за явления
многолучевости при образовании атмосферных слоев с учетом диаграмм
направленности приемо-передающих антенн.
2. Банк данных, содержащих регионально - сезонные параметры
повторяемости атмосферных явлений по территории СССР, созданный
путем анализа и обработки имеющихся метеорологических данных, и
позволяющий учитывать климато-географичесгаю особенности местности
при проектировании систем связи.
3. Радиофизическая модель атмосферы GL101 для расчета
статистики ослабления радиоволн СМ и Ш диапазонов на
приземных, наклонных и спутниковых линиях связи, включающая в себя
как методы расчета ослабления радиоволн в дождях, снегопадах,
туманах и мощной кучевой облачности, так и информацию о регионально - сезонной повторяемости параметров этих атмосферных явлений по территории СССР.
Совокупность сформулированных и обоснованных в диссертации положений представляет собой основу развивающегося направления радиофизических исследований - моделирование условий распространения СМ и МЫ волн в неоднородной атмосфере на основе полученной к настоящему времени информации с целью учета и прогнозирования влияния атмосферы на работу различных радиотехнических систем.
Личный вклад автора заключается в формулировке и постановке задач исследований, в проведении теоретических исследований и расчетов по радиофизическому моделированию атмосферных явлений, в разработке общей идеи и практическом создании измерительных комплексов и отдельных уникальных приборов для регистрации параметров атмосферных явлений, влияющих на затухание радиоволн, в разработке методик и программ экспериментов, в руководстве -и непосредственном участии в проведении долговременных натурных измерений на полигонах МЭЦСС, в обработке полученных данных и их последующей интерпретации, в создании модели атмосферы и итоговой вычислительной программы GLI0I, а также в ее отладке.
Часть измерений была выполнена на аппаратуре МЭЦСС, разработанной специалистами из НИИ Радио Министерства связи СССР совместно со специалистами из НРБ, ГДР, ПНР, ЧССР и размещенной на полигонах в г.Дубне (Московская обл.) и пос.Головинка (Краснодарский край).
