2. РАДИОТРАССЫ, ПОМЕХИ И ЗОНЫ ПОКРЫТИЯ

: структура и параметры радиотрасс : : атмосферный участок радиотрасс : : граница атмосферы и воды : : подводный участок радиотрасс : : помеховая обстановка в пунктах приема : : зоны покрытия :

 

Структурно каждая трасса радиосвязи между передающей станцией и подводной лодкой в подводном положении включает три участка, принципиально отличающиеся по виду и степени воздействия на распространение радиосигнала:

• атмосферный участок, где сигнал распространяется в атмосфере между границами волновода Земля-ионосфера;
• подводный участок, где сигнал распространяется в морской воде вглубь от ее поверхности;
• граница атмосферы и воды, где сигнал разделяется на отраженный и преломленный.

Основным параметром трасс связи с подводными лодками в диапазоне VLF является величина ослабления радиосигнала при его распространении от передающей антенны до приемной. Она зависит, в первую очередь, от расстояния, глубины погружения приемной антенны и проводимости земной поверхности и морской воды. Кроме того, на него влияет также целый ряд других факторов - азимут распространения сигнала, время суток, высота солнца, время года, солнечная активность, а также случайные возмущения, источниками которых являются солнечные вспышки, солнечные коронарные выбросы, магнитные бури, мощные грозовые разряды, пролеты метеоров, ядерные взрывы и др.

Рис.2.1. Параметры радиотрассы

 

Вторым характерным параметром радиотрасс является фазовый сдвиг сигнала, который возникает вследствие зависимости его фазовой и групповой скоростей от его частоты и условий трассы. Фазовый сдвиг достаточно стабилен днем, но нестабилен в ночное время за счет нестабильности свойств нижней границы слоя E ионосферы. Эта нестабильность критична для систем дальней радионавигации, работающих на принципе сравнения фаз двух сигналов, поступающих по двум разным трассам. Однако она не является значимым фактором для каналов связи с подводными лодками в диапазоне VLF. Это обусловлено использованием в конкретный момент для связи только одной трассы и узкополосностью канала. Какие либо значимые публикации по исследованию влияния фазовых искажений в диапазоне VLF на параметры радиосвязи отсутствуют. В связи с этим данный параметр в настоящей главе не рассматривается.

Третьим параметром является тип поляризации сигнала. Он однозначно определяется технической реализацией передающих антенн и особенностями трансформации сигнала на границе атмосферы и морской воды. В конечном итоге он определяет тип и параметры поляризации приемных антенн, используемых в надводном и подводном положениях.

Четвертым параметром является помеховая обстановка. Она характеризуется спектром и уровнем радиопомех в точке приема, которой является конечная точка трассы. Исходя из помеховой обстановки определяется необходимый для стабильного и надежного приема уровень полезного сигнала и, соответственно, параметры излучения передающей станции, либо, при известных ее параметрах определяется ее зона покрытия.

Далее рассмотрим особенности участков трассы с той степенью детализации, которая минимально необходима для целей настоящего обзора. Более подробные сведения о распространении радиоволн диапазона VLF являются предметом отдельного обзора.

 

Общая схема

Радиоволны диапазона VLF распространяются в атмосфере двумя путями - т.н. земной волной, огибая поверхность Земли за счет дифракции, и т.н. ионосферной волной путем последовательного отражения от ионосферных слоев D (днем) или E (ночью) и от земной поверхности. Дальность распространения земной волны ограничена, преимущественно, параметрами дифракции и составляет около 3000 км. Первое падение ионосферной волны на землю наблюдается на расстояниях 500-600 км, и с этого расстояния до полного затухания земной волны характер электромагнитного поля определяется интерференцией обеих волн.

После затухания земной волны характер электромагнитного поля определяется только одной ионосферной волной. Плотность энергии при этом падает за счет двух факторов - поглощения энергии ионосферой и землей и расширения объема волновода.

После прохождения волной экватора волновода последний начинает сужаться, за счет чего имет место эффект фокусировки, при этом плотность энергии сначала продолжает снижаться, но с меньшим темпом, а затем начинает расти с достижением локального максимума в точке антипода.

Рис.2.2. Распространение радиоволны диапазона VLF в атмосфере

 

Затухание сигнала на дальних трассах вследствие потерь может составлять от 1 до 4 дб/Мм в зависимости от степени освещенности, параметров земной поверхности, широты, времени года и т.д. Значение уровня сигнала в диапазоне расстояний от передатчика от 2000-3000 км до 16000-18000 км для различных условий (суша/море, день/ночь и др.) определяется по эмпирическим формулам и методикам, основанным на экспериментальных данных, например, по формуле Остина, по методикам рекомендаций ITU-R-P.684 и др.

Наименьшим затуханием обладают трассы, проходящие над океанической поверхностью, что обусловлено малыми потерями при отражении радиоволн от морской воды вследствие ее высокой электропроводности. В то же время наибольшим затуханием обладают трассы, проходящие над ледяными поверхностями, в частности, над Гренландией и над полярными шапками, что обусловлено крайне низкой электропроводностью льда, и, соответственно, большими потерями при отражении от него радиоволн. Низкой электропроводностью также обладают скалистые породы, вследствие чего большое затухание свойственно и трассам, проходящим над горными массивами. Значения электропроводности для всей территории земного шара приводятся в Мировом Атласе проводимости почвы (ITU-R P.832)

Рис.2.3. Фрагменты карт проводимости почвы ITU-R P.832

Проводимость указана в миллисименсах на метр. Для всей морской поверхности указана средняя проводимость 4000 миллисименс на метр, т.е. без учета вариаций солености и температур (см. рис.2.8)

Поляризация

Теоретически радиоволны диапазона VLF как с вертикальной, так и с горизонтальной поляризацией распространяются в волноводе Земля - ионосфера примерно с одинаковым затуханием. Тем не менее, все наземные передающие станции диапазона VLF с начала эры радио использовали и продолжают использовать только лишь вертикальную поляризацию. Единственной причиной этого являются непреодолимые сложности реализации наземных передающих антенн диапазона VLF с горизонтальной поляризацией, связанные, в первую очередь, с обеспечением приемлемой (несколько километров) высоты их подвеса.

В процессе распространений сигнала в атмосфере вертикальная поляризация может трансфорироваться в эллиптическую, но со значительным преобладанием вертикальной электрической компоненты и горизонтальной магнитной и незначительной величиной горизонтальной электричесой и вертикальной магнитных компонент.

Т.о., сигнал в надводном положении должен приниматься антеннами, чувствительными к преобладающим компонентам электромагнитного поля, т.е. либо вертикальными рамочными магнитными антеннами, либо вертикальными штыревыми элктрическими.

ВременнЫе вариации уровня сигнала

Днем радиоволны диапазона VLF отражаются от слоя D ионосферы, а ночью, когда он почти полностью исчезает, от расположенного выше слоя E. Потери энергии радиоволн при отражения от слоя D выше, чем при отражении от слоя E, при этом число отражений на трассе распространения больше из-за меньшей высоты (в среднем 75 км против 90 км при отражении от слоя E). В результате уровень сигнала в диапазоне VLF на дальних дистанциях, где земная волна уже отстутствует, в дневное время на несколько децибел ниже, чем ночью. На ближних дистанциях (менее 3000 км) суточные вариации имеют более сложные и менее выраженные зависимости из-за интерференции земной и ионосферной волн.

Летом и при росте солнечной активности уровень сигнала днем несколько возрастает (до 10-30%), что обусловлено ростом отражающей способности нижней границы слоя D вследствие увеличения концентрации электронов.

Ночью уровень сигнала в среднем постоянен и практически не зависит от сезона или солнечной активности. Однако, в зависимости от трассы, возможны квазипериодические фединги с интервалом от 7-10 минут до часа и более, являющиеся следствием случайных процессов в слабоионизированном слое E и размытости его нижней границы. На данные фединги могут накладываться более быстрые колебания уровня, вызванные вариациями геомагнитного поля Земли (геомагнитными пульсациями), которые заметно возрастают и становятся доминирующими при магнитных бурях.

Рис.2.4. ВременнЫе вариации сигналов в диапазоне VLF

 

Резкие вариации уровня сигнала имеют место при прохождении им зоны терминатора (см. рис.2.5). Данные вариации часто именуют сумеречными, а сам эффект - сумеречным. Природа сумеречных вариаций детально не исследована, хотя и предполагается, что они являются результатом сложной картины интерференции волн в зоне резко изменяющейся высоты их отражения на границе между слоями D и E.

Рис.2.5. Ночные, сумеречные и суточные вариации сигнала VLF станции NWC (Harold E.Holt)

(источник информации: Kenneth Lynn. VLF Waveguide Propagation: The Basics.)

Вариации при внезапных ионосферных возмущениях

К внезапным ионосферным возмущениям относятся возмущения, источниками которых являются внешние по отношению к ионосфере кратковременные физические явления, в т.ч.:

• солнечные вспышки;
• солнечные протонные события;
• магнитные бури;
• мощные грозовые разряды;
• метеоры;
• высотные ядерные взрывы.

Все эти возмущения кратковременно изменяют параметры ионизации нижних слоев ионосферы, что может приводить как к повышению, так и к понижению уровня сигнала. Наиболее опасными являются солнечные протонные события, в результате которых нижние слои ионосферы в полярных областях насыщаются тяжелыми положительными ионами, что приводит к резкому увеличению абсорбции электромагнитной энергии и падению уровня сигнала, особенно на полярных трассах, проходящих над ледниками. При этом эффект ослабления сигнала может круглосуточно сохраняться достаточно длительное время.

Азимутальная зависимость

Многочисленные измерения показывают, что уровень ослабления сигнала прямо зависит от магитного азимута распространения сигнала. Для трасс, проходящих большей частью над водной поверхностью, коэффициент ослабления в восточном направлении на 1 - 3 дб/Мм ниже, чем в западном направлении ( M.L.Hutchins et al. Azimuthal dependence of VLF propagation).

Причиной данной зависимости является влияние геомагнитного поля на взаимодействие электромагнитного поля с плазмой ионосферы.

 

Прохождение радиоволной границы между атмосферой и водой сопряжено с известными эффектами отражения и преломления электромагнитного излучения на границе раздела двух сред. При падении радиоволны на поверхность морской воды под углом θi к вертикали она отражается под тем же углом и продолжает распространение в волноводе Земля-ионосфера, унося с собой основную долю энергии. Потерянная при отражении энергия в виде преломленной волны уходит под воду под углом θp к вертикали. Отношение синусов углов падения и преломления при этом обратно пропорционально отношению показателей преломления воздуха и морской воды, которое составляет в среднем около 1:9. Для данного отношения во всем диапазоне углов падения угол преломления не выходит за пределы 7°, т.е. преломленная волна уходит вглубь почти вертикально.

Коэффициенты отражения и пропускания волн определяются формулами Френеля. Для всего диапазона углов падения коэффициент пропускания поверхности морской воды теоретически лежит в диапазоне от 0 до 0,5 и тем меньше, чем больше угол падения. Фактические значения зависят от распределения углов падения радиоволн на земную поверхность при их распространение по трассе. Например, для среднего угла падения θi=60°, что сооветствет углу диаграммы излучения антенны над горизонтом 30°, под воду теоретически будет распространяться не более 20% электромагнитной энергии. Точные оценки с учетом всех факторов требуют сложных и громоздких и расчетов, что выходит за рамки настоящего обзора.

Рис.2.6. Распространение радиоволны на границе атмосферы и морской воды

 

Поскольку магнитные проницаемости атмосферы и морской воды практически равны, магнитная волна при переходе их границы не претерпевает изменений в части направления поляризации. В то же время электрическая волна поменяет направление поляризации, сохраняя ортогональность по отношению к магнитной волне, и ее вектор станет почти параллелен поверхности воды (см. рис.2.5. справа). Для приема такой электромагнитной волны нужна электрическая антенна с горизонтальной поляризацией, либо магнитная рамочная антенна, чувствительная также к горизонтальной магнитной волне, т.е. такая же антенна, как и для приема в надводном положении.

 

ВНИМАНИЕ! Во многих публикациях утверждается, что при переходе из атмосферы в морскую воду вертикально поляризованнная электромагнитная волна становится горизонтально поляризованной. Это терминологически неверно, т.к. преломленная волна распространяется в воде почти перпендикулярно ее поверхности, и понятия горизонтальной и вертикальной поляризации к ней неприменимы, поскольку они привязаны к волнам, распространяющимся параллельно земной поверхности. Т.е. в данном случае можно говорить лишь о том, как ориентированы колебания магнитной и электрических волн, а не о поляризации радиоволны в целом.

 

 

 

 

Напряженность электромагнитного поля экспоненциально убывает при распространении вглубь помещенного в него проводника. Данный эффект именуется скин-эффектом, а слой проводника, ограниченный глубиной, на которой электромагнитное поле ослабляется в e раз (на 8.7 дБ), называется скин-слоем. Его глубина равна:

 

Ds = √(1/π f μo σ), где:

 

π - число пи, f - частота Гц, μ o - магнитная проницаемость вакуума, σ - удельная проводимость материала проводника См/м.

 

Для морской воды со средней удельной проводимостью (4 сименса на метр) на частоте 20 кГц глубина скин-слоя, вычисленная по приведенной формуле, составляет около 2,5 метров. На каждую ступень глубины, равную глубине скин-слоя, ослабление сигнала будет нарастать на 8,7 дб или в 2,72 раза. Удельное ослабление при этом составит порядка 3.5 дБ/м. Оно не зависит ни от каких других факторов, кроме проводимости воды и частоты сигнала.

Рис.2.7. Ослабление радиосигнала в морской воде c шагом в 1 скин-слой.

 

Проводимость морской воды зависит от трех параметров - солености, температуры и давления, при этом с ростом их значений она тоже растет. Зависимость от давления в интервале глубин, используемых в диапазоне VLF, крайне мала и ей можно пренебречь. Соленость в сответствии с международной шкалой Practical Salinity Scale PSS-78 в разных районах мирового океана лежит в интервале от 6 до 40 единиц PSU, а температура - в интервале от 0 C° до 30 C°. При этом удельная проводимость лежит в пределах от 0.57 до 6.10 См/м. Для данного диапазона проводимостей глубина скин-слоя на частоте 20 кГц будет лежать в пределах от 6.6 м до 1.6 м. В связи с этим разброс по глубине связи в диапазоне VLF на всей акватории мирового океана достаточно велик. В частности, по данным замера сигнала передающей станции Goliath в 1943-45 годах глубина устойчивой связи в разных районах Северного, Баренцева, Карибского и Средиземного морей, а также Северной, Средней и Южной Атлантики и Индийского океана варьировалась от 8 до 25 метров при уровнях солености от 30 до 37 единиц PSU и температурах от 0 С° до 29 С°

В настоящее время мониторинг показателей солености и температуры вод мирового океана осуществляется в рамках проектов Aquarius (NASA) и SMOS (ESA).

Рис.2.8. Карты солености и температуры мирового океана по данным спутников NASA проекта Aquarius

(источник иллюстраций - svs.gsfc.nasa.gov/3652)

 

Основным источником помех в диапазоне VLF являются грозовые разряды. Общий фон в конкретной области земной поверхности создается суммой помех от грозовых разрядов, имеющих место в трех глобальных грозовых центрах, расположенных в экваториальных областях Карибского бассейна, Африки и Юго-восточной Азии. Уровень данного фона зависит от расстояния до указанных грозовых центров, их текущей активности и текущих параметров трасс их распространения. В связи с этим картина помеховой обстановки на земной поверхности носит неравномерный характер и зависит от времени суток и времени года. Кроме того, на нее накладывается картина помех от ближних и локальных грозовых разрядов.

В диапазоне VLF уровень помех растет с понижением частоты, достигая локального максимума в интервале от 8 до 11 кгц (регламентом ITU распределен вспомогательной службе метеорологии как раз для наблюдения за грозовыми разрядами). Далее идет локальный минимум на частотах свистящих атмосфериков, связанный с особенностями их распространения, после чего снова начинается рост помех.

Рис.2.9. Зависимость уровня радиопомех от частоты и широты

(источник иллюстрации: A.D.Watt. VLF Radio Engeneering)

 

По мере приближения к полярным широтам уровень помех падает (см. на рис.2.9 график для Аляски), что связано с ростом расстояния до глобальных грозовых центров. В ночное время и в летний период уровень помех возрастает, что связано с уменьшением потерь на трассах их распространения. Территориальная разница в уровне помех может достигать 20 дБ, суточные и сезонные вариации могут достигать 10 дБ, при этом максимальный уровень может доходить до 1000 мкВ/м, а минимльный - до 70-80 мкВ/м. При распространении под воду помеха ослабляется в той же пропорции, что и полезный сигнал, при этом до ее полного затухания соотношение сигнал/шум остается постоянным, а далее уровень шума будет определяться уровнем собственных шумов приемного тракта.

В целом помеховая обстановка детально исследована и отражена в картах атмосферных помех рекомендаций консультативного комитета CCIR 322, а также в рекомендациях ITU-R P.372-8.

Рис.2.10. Фрагмент карты радиопомех по данным CCIR 322

Данные для периода декабрь-февраль с 00 до 04 GMT. Уровень помех указан в дБ по отношению к уровню в 1 В/м в полосе частот 1 Гц. (источник иллюстрации: A.D.Watt. VLF Radio Engeneering)

 

Акватория, в которой возможен устойчивый прием подводными лодками в состоянии погружения сигналов передающей станции, называется зоной покрытия последней. Ее конфигурация и размеры зависят от частоты и мощности излучения станции, параметров ослабления ее сигнала в зависимости от азимута, расстояния, времени суток и других факторов, а также от величин скин-слоя морской воды и помеховой обстановки в пунктах приема сигнала.

Знание границ и параметров зон покрытия необходимо для планировани радиотрафиков и организации сети береговых передающих станций. Они могут быть определены расчетным путем, для чего существуют специальные программные средства, а также путем замеров уровней полезного сигнала и помех. Для примера на рис.2.11 приведен фрагмент карты зоны покрытия одной из самых мощных и совершенных передающих VLF станций США NAA Cutler, составленной по результатам измерений ее сигнала фирмой GEM Systems Inc. (Канада), занимающейся проблематикой измерения электромагнитных полей.

Рис.2.11. Фрагмент карты зоны покрытия VLF станции NAA Cutler
(по данным компании GEM Systems Inc.)

Контур 54 dB соответствует уровню полезного сигнала 0.5 мВ/м, контур 48 dB - уровню 0.25 мВ/м (глубина замера и соотношение сигнал/шум не указаны, источник иллюстрации: www.gemsystems.ca)

* * * * * * * * *

 

 

Опубликовано 04.02.2020 Последнее изменение - нет

© Janto 2020 Все права защищены