Учет рефракции радиоволн

В общем случае формула для расчета мощности сигнала на входе приемника имеет внд

Pnp = PanpV\ (9.8)

где Ропр определяется формулами (9.1), (9.2). На практике величину V удобно выражать в децибелах:

V„B = 20IgV=10Ig (Япр/Яопр).

(9.9)

Ослабление при передаче энергии в реальных уЫовиях (между выходом передатчика н входом приемника)

PaplPatp = Спер+ С„р + Tlnep + %р + W<,+ V, • (9.10)

где Wo определяется по формуле (9.4), а все величины даны в децибелах. «Потерн передачи» i(b децибелах)

i = 6o - V -Спер -Спр -Tlnep -11пр. (9.П)

Множитель ослабления V зависит от протяженности трассы, длины волны, высот антенн, рельефа местности, метеорологических параметров тропосферы. Значение V можно определить как теоретически, так и экспериментально путем измерения мощности сигнала на входе приемника Рпр (см. (9.9)]. Из-за сложности н многообразия реальных природных условий практически невозможно создать строгие методы расчета V. С удовлетворительной для практики точностью пользуются приближенными методами, учитывающими влияние рефракции и рельефа местности.

9.4. УЧЕТ РЕФРАКЦИИ РАДИОВОЛН Определение

Рефракцией называется нскрнвленне траекторий-волн, обусловленное неоднородным строением тропосферы. Коэффициент преломления в тропосфере

п = /Г«1-Ь(е-Ь1)/2. (9.12)

где относительная диэлектрическая проницаемость воздуха

е = 1 -f (1.552.10-*/Г) (Р + 4810е/Т); (9.13)

Т - температура воздуха по абсолютной щкале: Т=273° C+t° С; Р, е -давление воздуха н водяных паров гПа (1 гПа=1 мбар); 8 и л по величине близки к единице, поэтому чаще пользуются коэффициентом преломления, выраженным в «Л-единнцах»:

А=(п-l).10ej« [(8-1)/2].10». (9.14)

Основное влияние на рефракцию оказывают вертикальные неоднородности S, которые характеризуются вертикальным градиентом диэлектрической проницаемости

g = deldh. (9.15)

нлн вертикальным градиентом показателя преломления

gn = dn/dh = 0,5g, (9.16)

где h - высота над поверхностью земли. •

В дальнейшем будем пользоваться величиной g. Обычно g принято считать отрицательным, когда е уменьшается с высотой, и положительным, когда е с высотой возрастает. Горизонтальные неоднородности е значетельно меньше вертикальных и проявляются чаще всего на границе суши с морем.

Распространение радиоволн на интервалах обычных РРЛ происходит в приземном слое тропосферы толщиной десятки - сотни метров, где метеорологические параметры, а следовательно, н g подвержены особенно сильным временным н пространственным изменениям вследствие перепадов температуры н влажности, вызванных влиянием подстилающей поверхности.

Эквивалентный радиус Земли

Для приближенного учета рефракции вводят понятиеэквивалентного радиуса Земли из, справедливое прн линейном изменении е с высотой. В действительности в тропосфере в среднем е убывает с высотой по экспоненциальному закону. Но для сравнительно тонких слоев, к которым можно отнести приземный слой, участвующий в переносе энергии на трассах РРЛ, это упрощение допустимо.

Под величиной Яэ понимают такое значение радиуса Землн, прн котором траектории радиоволн можно считать прямолинейными, причем

a, = a/(l+ag/2), (9.17)

1Де а = 6370 км геометрнческнн раднус Землн. Прн g=0 аа = а, т. е. рефракция отсутствует. На практике часто применяют понятие коэффициента рефракции

Кэ = аэ/а. (9.18)

Взаимосвязь значений Оэ, g и Кэ показана на рнс. 9.2.

5,0-4,0.

2,0{

1,0:

0,8-0,7, 0,6-

-15000

8500 6370

Puc. 9.2. Взаимосвязь значений flg, я g

Виды рефракции

В зависимости от значений g н различают следующие виды рефракции радиоиоли в тропосфере (рис. 9.3).

8-12

Отрицательная рефракция, или субрефракция, которая наблюдается при g>0, аз<а, Кз<. Субрефракция появляется при возрастании влажности воздуха с высотой, причем наиболее часто осенью нли весной во время утренних приземных туманов. Она нередко носит местный характер и отмечается на трассе РРЛ нли ее участке, где имеются низнны и застаивается холодный воздух.

Положительная рефракция, которая наблюдается при g<0, аэ>а, Ка>1.

Отрицательная ре/рращия

Положительная редзракция

Рис. 9.3. Виды рефракции в тропосфере Частные случаи положительной-рефракции:

1. Стандартная рефракция при §=-8-10- 1/м; аэ=8500 км; (э=4/3. Это наиболее распространенный случай рефракции, обусловленный средним состоянием тропосферы. Рефракция, близкая к стандартной, наблюдается чаще в дневные часы.

2. Повыщенная рефракция при 8-10- 1/м; аэ>8500 км. Наиболее часто отмечается в вечерние, ночные и утренние часы летних месяцев, а иногда в эти же часы весной или осенью. Причиной возникновения являются температур-ьые инверсии (увеличение температуры воздуха с высотой) и резкое уменьщение влажности с высотой, связанные с нагреванием и охлаждением земной поверхности, испарением с почвы, сменой теплых и холодных воздушных масс и т.д.

3. Критическая рефракция при ,?к=-2/о=-31,4-10- 1/м; аэ = оо, т. е. траектория волны концентрична земной поверхности. Условия возникновения те же, что для повышенной рефракции.

4. Сверхрефракция при g<-31,4-10- 1/м, Яэ принимает отрицательные значения. В этом случае волны преломляются к поверхности земли, отражаются от нее, снова преломляются и т. д. Распространение радиоволи при сверхрефракции называют волноводным, так как оно происходит в пределах тропосферного волновода. Волноводные условия распространения возникают также, при резких изломах высотного профиля диэлектрической проницаемости воздуха, вызывающих сильные отражения радиоволн.

Волноводы могут появляться в приземном (приводном) и в приподнятом слоях воздуха. При этом они обнаруживаются как по всей трассе, так и на отдельных ее участках. Волноводные условия распространения возникают главным образом над теплыми морями, реже - над сушей, в районах с ровной подстилающей поверхностью. В южных морских районах в летние месяцы тропосферные волноводы могут наблюдаться до 30-50% времени, в сухопутных - до 10%.

Несмотря на значительное увеличение дальности связи при волноводной распространении (сотни километров), это явление не может быть использовано

tt x x 4>

I "л

о о.

00 00

.□о со 00 00 00

I I I I I

о о о о о

о> а из о ю

Т " т т

00 00 со со 00

I I I I I

о о о о о

Ю СТ) со ю

I 7.т

00 <»

о о о

со 00 00

со со со со

, lilt

1 о о о о

° I

о) о> о>

00 о из

ос со

сс 00

00 « 1 nj I D.

со о I со о ~ - о о -»

I «1,§5

с • ™

о x и,

= с- *

&а =

1- S о

«: с. 5

i«i

е «

co a>

о с.

Ох о о о к

§1

Со ,

« &= 5

3 fe о

с л о

S £•

о « им

с с.

se о

2 я я

s с 5 ™ s

id 4) C. 0.X0

S M с i-t; с x x л

co уо

. - X ™

i 5 oj „ к я * л гс 5 a: S

" S 3 i

ac I Co

=m xf

: с ! t: --2 s

я о

s о <n s л

D. с.

к a> я

>> Й

cj DO

«j ..

3 "

с»

t(ffl

для практических целей из-за малой вероятности появления волноводов. Его следует рассматривать как источник дополнительных замираний или помех на интервалах РРЛ, работающих на одинаковых или близких частотах.

Эффективный вертикальный градиент диэлектрической проницаемости воздуха

Для учета нелинейного изменения г с высотой и изменений г по длине трассы, которые могут наблюдаться в реальных условиях, вводится понятие эффективного вертикального градиента диэлектрической проницаемости воздуха йэф [12]. Под величиной §эф понимают постоянный по высоте градиент е, при котором напряженность поля в точке приема будет такой же, как и в случае реального изменения в на трассе. Величина §эф характеризует сравнительно плавные изменения диэлектрической проницаемости воздуха.

Статистические распределения значений §эф различны для разных климатических районов. Для больщинства климатических районов СССР эф подчиняется примерно нормальному закону распределения случайных величии со средним значением g-эф и стандартным отклонением а, причем дисперсия значений .эф, как п равило, существенно больше в летние месяцы. В табл. 9.2 приводятся значения ga и а для летних и зимних месяцев [2, 33].

Проектирование РРЛ ведется исходя из условий выполнения норм на качественные показатели линий в наиболее неблагоприятные месяцы. В большинстве районов СССР - это летнее время. Для некоторых специфических районов необходима учитывать распределения §эф и а для других месяцев года (см. табл. 9.3), так как они могут повлиять на выбор высот антенных опЬр или ухудшить качественные показатели по сравнению с летними месяцами. Например, в районе 4 весной и осенью субрефракция наблюдается значительно чаще, чем летом, поэтому высоты антенных опор должны выбираться с учетом данных табл. 9.3.

В эксплуатационных условиях по дапиы>; приведенным в табл. 9,2 и 9.3, для заданного кли.чатического района можно оценить ожидаемые пределы колебаний качественных показателей РРЛ, определяемых условиями распростране-пия радиоволн при наиболее тяи<елых и легких л:етсорологичсских условиях.

Т А Б Л и Ц .\ 9.3

Дополнительные данные о значениях и а

Приморскими [):jiio!i:;mi! yi.ioiiiio .!Ииегся но.ЮСг! h.iuj Ь r.clteloHMi ,11Ч1И!1. и hinopyif, проникают MOpcKjK 6pii:u.i. Opiit;HTnpuiio4iiu 1лирина jTOii полосы над jjoHhOii местностью до К)0 км [13], над срсдиснс-ресечоннии до 30-50 км. в горноГ местности (г :1бсг)лютнымп высотами > IU00 м) значи1ельпо меньше 113).

В табл. 9.2 не приводятся значения эф и а для некоторых южных морских и приморских районов, пустынь Средней Азии и ряда горных районов. В летние месяцы в южных приморских районах преобладает повышенная рефракция, распределения §эф во многих случаях аппроксимируются более сложными законами, в горных же районах отмечается сильная зависимость параметров распределений эф от местных условий [6, 7].

При проектировании интервалов РРЛ, проходящих в граничных областях, расчеты необходимо проводить по ус- 0,9 редненным значениям эф и о.

Параметры распределений §:,ф, указанные в табл. 9.2, 9.3, получены при длине 0,8 трасс 50-60 км. При изменении Rq дисперсия 0 несколько меняется: незначительно в области повышенной ре- 0,7 фрации и более существенно в области субрефракции. На коротких трассах возможно значительное увеличение а, так как, в отличие от повышенной рефракции, субрефракция более локальна и нередко носит местный характер. Вследствие этого иа коротких интервалах закон распределения т{§,ф) отличается от нормального, Однако приближенно для упрощения расчетов можно считать .чакоп распределения нормальным, причем:

1) средп!п"1 градиент g,,,;, постоянен для всех R(,:

2) стандартное отклонение a{Ro)~o при Ro5Q км;

3) при Ro<oO км; в области попышснной рефракции a{Ro)~o; в области субрефракиин a{Ro) можно определять по формуле

10 20 30 W 50

Рис. 9.4. К определению зависр;мости о от R

(9.19) (9.20)

<т (i?o) «(10 • 10""-f Яэф/3,1) (!/</-где у==Кэ(Яо)/Кэ,

Ля(io) - коэффициент рефракции, соответствующий giRo)- При io=50 км К:,(Ро)=Кэ. Значения у находят ия рис. 9.4, построенного с учетом [21]. При RoiS к.м можно считать г/яО.бВ. Параметры а и gэф определяются и: табл. 9.2, 9.3.

9.5. УЧЕТ РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ

Профиль трассы

Рельеф местности при расчете и проектировании РРЛ учитывается с по-ющыo профилей интервалов линии.

Профиль трассы отображает вертикальный разрез местности между соседними радиорелейными станциями со всеми высотными отметками, включая строения, лес и т. д. (рис. 9.5). На профиле трассы необходимо указывать водные поверхности: реки, болота, водохранилии;а. Построение продольных профи-леи осуществляется с помощью топографических карт после предварительного 11ыбо]),1 трассы, Первоначально используют карты мапитаба 1:100 000 и 1 : 50 ООО. В дальнейшем отдельные участки трассы, включая критические точки, места установки станций вблизи иасслеииых пунктов и пр., уточняются по кар-