Model calculation of a radio communication line based on remote sensing data

Texto integral

Введение

Устойчивая и непрерывная радиосвязь – залог эффективности применения современных средств специализированного назначения. Для оперативной оценки условий применения средств радиосвязи необходимы инструменты, позволяющие проводить оценку физико-географических условий района и влияния на каналы радиосвязи условий пересеченной местности. Как показывает практика, нередко при использовании комплексов и средств специализированного назначения в условиях, удовлетворяющих критерию оптической (прямой) видимости между средствами, радиосвязь отсутствует, что приводит к поиску новых вариантов размещения с последующим перемещением, повторным развертыванием средств, или работа осуществляется в неавтоматизированном режиме, если линия радиосвязи используется для внутрикомплексного обмена, что существенно снижает эффективность. Как показала практика, наибольшим спросом пользуется программное обеспечение, позволяющее применять спутниковые интерактивные карты, которые дают возможность при выборе мест размещения средств достаточно детально анализировать пригодность выбираемых мест для размещения по таким критериям, как наличие транспортной доступности, наличие естественных препятствий ландшафта и местности.

Существующие стандарты и рекомендации [1; 2] по расчету линий радиосвязи обладают сложным изложением материала и сориентированы для проектировочных работ с результатами в виде оптимальных высот размещения антенных устройств в линии радиосвязи для ее устойчивого функционирования. При применении мобильных средств и комплексов специализированного назначения, как правило, высота антенных устройств неизменна, лица, определяющие места размещения средств, ищут компромисс между всеми факторами, влияющими на эффективность в условиях крайне ограниченного времени и ограниченных возможностей территориального маневра силами и средствами.

1. Теоретические положения модели

Качественная и устойчивая радиосвязь не обуславливается лишь наличием оптической (прямой) зоны видимости между точками приема и передачи. Рельеф местности в зависимости от его конфигурации оказывает интерференционное и дифракционное влияние на радиосигнал. Как минимум лучевую модель распространения радиосигнала можно использовать при полном отсутствии препятствий в существенной зоне распространения, что все равно требует проведения расчетов и оценки. Таким образом, существенную пользу окажет программное обеспечение, доступное для пользователя и устанавливаемое на портативные средства с операционной системой типа Android, а не только на специализированные стационарные ЭВМ и ноутбуки, которые также могут быть с различными операционными системами. С этой точки зрения и с точки зрения кросс-платформенности представляет интерес реализация на языке программирования Java. Существенный интерес представляет рассмотрение возможности генерации рельефа местности из данных дистанционного зондирования Земли и реализации на его основе автоматизированных расчетов. По оценке научного геоинформационного центра РАН, а также на основе проведенных исследований точности модели Shuttle Radar Topographic Mission (SRTM) [3] с абсолютными высотами земной поверхности в углах с точностью до 3 угловых секунд (или примерно 90 × 90 м) в самой крупной в России широтно ориентированной близ 52–55° с. ш. зоне разница между SRTM-матрицей и отметками государственной геодезической сети изменяется от –3,5 до –4,5 м, а в нулевых зонах от –0,5 до +0,5 м и т. д. (рис. 1). Другим типом международных файлов DEM SRTM являются файлы цифровой модели рельефа, которые опубликованы с точностью до 1 угловой секунды (или примерно 30 × 30 м) и демонстрируют улучшенный характер данных SRTM с самым высоким разрешением из тех, которые сейчас открыто публикуются.

 

Рис. 1. Фрагмент карты зональности систематических ошибок на матрице высот SRTM с точностью до 3 угловых секунд (или примерно 90 × 90 м) в пределах территории Северной Евразии

Fig. 1. Fragment of the map of zonality of systematic errors on the SRTM height matrix with an accuracy of up to 3 arc seconds (or approximately 90 × 90 m) within the territory of Northern Eurasia

 

Таким образом, целью работы являлась разработка алгоритмов и программная реализация инструмента, позволяющего при заданных характеристиках средств оперативно и достоверно проанализировать возможность организации устойчивой радиосвязи еще на этапе планирования c использованием спутниковых интерактивных карт.

Обращение к данным DEM SRTM осуществляется с геодезическими координатами мест размещения средств, получение которых легко реализовать использованием современных интерактивных карт.

Уравнение передачи [1–4; 7] связывает мощность сигнала на входе приемника с энергетическими параметрами и затуханием (ослаблением) радиоволн на интервалах. В соответствии с этим мощность сигнала на входе приемника сравнивается с потерями на интервале для получения запаса уровня сигнала, от которого будет зависеть качество радиосвязи в развертываемой линии.

Исходя из анализа существующих рекомендаций по расчету [7; 8] и теоретических положений по распространению радиоволн [4–6], отметим затрудняющие оперативное определение условий и оценку обстановки особенности по всем этапам проведения расчетов.

Первоначальный этап – предварительное определение мест размещения средств, построение профиля местности на интервале линии внутрикомплексной радиосвязи с учетом эквивалентного радиуса Земли и вертикального градиента диэлектрической проводимости для соответствующего географического региона, расчет существенной зоны распространения радиосигнала, классифицирование канала. Кроме построения профиля местности также классифицирование канала усложняется необходимостью проведения геометрических расчетов при разности высот антенных устройств (рис. 2).

 

Рис. 2. Расположение существенной зоны распространения радиосигнала при разности высот антенн

Fig. 2. Location of the significant radio signal propagation zone with a difference in antenna heights

 

Указанные на рис. 2 обозначения характеризуют следующие параметры: h_{н. гр. Фр} – высота нижней границы существенной зоны распространения радиосигнала (первой зоны Френеля), которая отсекает часть препятствия, Н_{1,2абсАФУ} – высоты мачт соответствующих антенно-фидерных устройств, $\Delta h_{н.гр.Фр}$ – величина смещения нижней границы зоны вниз или вверх.

Второй этап расчета – расчет влияния на распространение радиосигнала атмосферы и рельефа местности. На данном этапе необходимо произвести расчет потерь свободного пространства, расчет потерь в атмосфере и в соответствии с проведенной классификацией канала и анализа профиля на первоначальном этапе определить величину интерференционных и дифракционных потерь. При открытом интервале рассчитывается интерференционное влияние рельефа (точки отражения с большой вероятностью должны присутствовать на радиотрассе), при полузакрытом интерференционное влияние рельефа и дифракционное и при закрытом – дифракционное. Данный этап существенно осложняется: поиском точек отражения, необходимостью учета подстилающей поверхности в точках отражения и их принадлежности направлению диаграммы направленности антенных устройств с целью оценки ослабления отраженного сигнала и необходимостью аппроксимации полузатеняющих и затеняющих препятствий для применения соответствующих методов расчета.

На заключительном этапе расчета требуется определить запас уровня q_i и в соответствии с уравнением качества, которое связывает качество связи по каналам на интервале Q с уровнем сигнала на входе приемника P_пр, определяется потеря надежности на интервале радиолинии по графикам зависимости, приведенным в [4; 7]. Если величина потери надежности связи на интервале T_i%<T_i%_зад, то качество связи на интервале УКВ-радиолинии удовлетворяет заданным требованиям на качество связи. Для линий связи с внутрикомплексной передачей данных величина потери допускается не более 5 %.

2. Разработка алгоритмов модели

На рис. 3 приведен разработанный алгоритм извлечения данных о высотах рельефа местности из файла DEM SRTM с разрешением 1 угловая секунда.

 

Рис. 3. Алгоритм извлечения данных о высотах рельефа местности из файла DEM SRTM и генерации профиля рельефа местности между средствами радиосвязи

Fig. 3. Algorithm for extracting terrain elevation data from a DEM SRTM file and generating a terrain profile between radio communication facilities

 

На рис. 4 показаны разработанные алгоритмы расчета потерь в линии радиосвязи в целях их программной реализации.

 

Рис. 4. Алгоритм расчета потерь в линии радиосвязи

Fig. 4. Algorithm for calculating losses in a radio communication line

 

На момент публикации статьи осуществлена программная реализация в части, касающейся генерации профиля рельефа соответствующих геодезическим координатам мест размещения средств, а также расчета интерференционных потерь в линии радиосвязи. В таблице приведено описание созданных классов при разработке программы.

 

Таблица. Перечень и описание созданных классов

Table. List and description of created classes

Наименование класса	Описание класса
SRTMEle	Методы класса возвращают значения высот на интервале радиотрассы, обращение к классу и его методам осуществляется в других классах и методах для программного преобразования координат, программных геометрических расчетов, расчетов потерь в линии радиосвязи и визуального отображения результатов расчета в интерфейсе пользователя, получение значений высот осуществляется на основе передаваемых в методы класса геодезических координат точки
SpaceXYZ	Методы класса возвращают значения прямоугольных пространственных координат, расчет производится на основе передаваемых в методы класса геодезических координат выбираемых точек
SRTM_Distance Calculation	Методы класса возвращают расстояние между двумя точками, расчет осуществляется на основе передаваемых в методы класса прямоугольных пространственных координат точек
SRTMGeodezCoordCalc_fromXYZSpace	Методы класса возвращают геодезические координаты (широту и долготу), расчет осуществляется на основе передаваемых в методы класса прямоугольных пространственных координат точек
SRTMSk42Coord	Методы класса возвращают плоские прямоугольные координаты СК42, расчет осуществляется на основе предаваемых в методы класса геодезических координат
АrrHeight CalculationGeodez	Методы класса возвращают массив данных точек с выбираемым шагом дискретизации рельефа местности на радиотрассе, массив содержит информацию о высоте точки, ее геодезических и плоских пространственных координатах, обращение к классу и его методам осуществляется в интересах дальнейших преобразований, геометрических расчетов, расчетов потерь в линии радиосвязи и визуального отображения результатов расчета в интерфейсе пользователя
Наименование класса	Описание класса
ArrHeightWater	Методы класса возвращают массив данных, который содержит информацию об абсолютном уровне водного объекта и координаты границ водного объекта, которые определяются пользователем на интерактивной карте на радиотрассе
CalculationRadioLinkFild	Методы класса возвращают: значения координат для визуального отображения в интерфейсе пользователя существенной зоны распространения радиосигнала в соответствии с его радиочастотой; абсолютные высоты антенно-фидерных устройств; в соответствии с шагом дискретизации рельефа массив отрезков для запрограммированных геометрических расчетов в целях классификации канала и поиска точки отражения и ее принадлежности к участку местности; координаты точек отражения на основе равенства углов падения и отражения радиосигнала; значение разности хода ЭМВ, величину сдвига фаз, множитель интерференционного ослабления; величину ослабления радиосигнала с учетом ослабления свободного пространства; величину просвета на радиотрассе в каждой точке в соответствии с выбираемым шагом дискретизации и классификацию канала радиосвязи
XYPolyReliefCalculation	Методы класса возвращают значения координат полиномов для визуального отображения в интерфейсе пользователя профиля рельефа местности, профиля водного объекта в соответствии с шагом дискретизации рельефа

 

3. Программная реализация модели

Выбор мест размещения средств радиосвязи, определение границ водного объекта на радиотрассе и получение их геодезических координат на интерактивной карте отображены на рис. 5, 6.

 

Рис. 5. Выбор мест размещения средств и получение их геодезических координат на интерактивной карте

Fig. 5. Selecting locations for the placement of funds and obtaining their geodetic coordinates on an interactive map

 

Рис. 6. Определение границ водного объекта и получение их геодезических координат на интерактивной карте

Fig. 6. Determining the boundaries of a water body and obtaining their geodetic coordinates on an interactive map

 

Интерфейс разработанной программы с получаемыми результатами расчета и генерации рельефа местности приведен на рис. 7. Полученные результаты генерации рельефа местности между выбранными местами размещения средств соответствуют визуально определяемым на топографической карте с масштабом 1:100000 уровням высот. Программа осуществляет расчет существенной зоны распространения радиосигнала в соответствии с радиочастотой, классифицирует канал в зависимости от наличия в существенной зоне препятствий рельефа, определяет точку отражения на радиотрассе по принципу равенства углов падения и отражения и проверяет ее принадлежность направлениям диаграмм антенн, осуществляет учет коэффициента отражения у подстилающей поверхности водного объекта в точке отражения и рассчитывает величину интерференционных потерь. Программа также осуществляет точный пересчет геодезических координат мест размещения средств радиосвязи в плоские прямоугольные координаты, которые при необходимости могут быть использованы пользователем.

 

Рис. 7. Интерфейс программы (окно с отображением сгенерированного рельефа местности и расчетом канала линии радиосвязи в соответствии с установленными параметрами приемной и передающей аппаратуры)

Fig. 7. Program interface (window displaying the generated terrain and calculating the radio communication channel in accordance with the set parameters of the receiving and transmitting equipment)

 

Заключение

Таким образом, проанализированы существующие рекомендации, методики по расчету линии радиосвязи, структура файлов DEM SRTM, проведена разработка алгоритмов и на их основе программная реализация расчета интерференционного влияния рельефа местности в линии радиосвязи.

Sobre autores

Andrey Albuzov

Military Educational and Scientific Center of the Air Force «Air Force Academy»

Email: albuzov81@mail.ru

Candidate in Military Sciences, lecturer 

Rússia, 54a, Staryh Bolshevikov Street, Voronezh, 394064

Pavel Shakhov

Military Educational and Scientific Center of the Air Force «Air Force Academy»

Email: vva@mil.ru

cadet 

Rússia, 54a, Staryh Bolshevikov Street, Voronezh, 394064

Vladimir Filatov

Bauman Moscow State Technical University

Autor responsável pela correspondência
Email: vfil10@mail.ru
ORCID ID: 0009-0004-6892-2236
Código SPIN: 9514-7430

Candidate in Engineering Sciences, associate professor at the Department of IU-10

Rússia, 5, 2nd Baumanskaya Street, Moscow, 105005

Bibliografia

Arquivos suplementares