Тропосферная связь

Введение

Развитие современной техники привело к необходимости быстрого и точного решения задач управления и координации с учетом событий, происходящих на больших расстояниях от центров управления. При этом резко возросла роль связи не только в схеме «человек-человек», но и для передачи данных в схеме, соединяющей между собой две электронных машины.
В настоящее время линии тропосферной связи применяются для передачи программ телевидения и многоканальных сообщений (телефонных, телеграфных, сигналов тензометрии и передачи данных). Используются те же способы модуляции и уплотнения каналов, что и в обычных радиорелейных линиях. Сигналы многоканальной телефонии и телевидения в основном предаются с помощью частотной модуляции, а дискретные сигналы - посредством частотной и фазовой манипуляции. Применяются также импульсно-кодовая модуляция и дельта-модуляция.Построению систем тропосферной связи уделяется большое внимание в России и за рубежом. Общая протяженность тропосферных линий связи в настоящее время составляет сотни тысяч километров.Целью работы является изучение сущности тропосферной связи.

Задачи работы:
1)Рассмотреть понятие и характеристика тропосферной связи.
2)Рассмотреть общие принципы работы тропосферной связи.
3)Изучить компоненты для разработки тропосферной связи.
4)Изучить отличия тропосферной связи от других связей по типу используемых радиоканалов.
5)Провести сравнение схем тропосферной связи по типу используемых радиоканалов.

1. Понятие и характеристика тропосферной связи

Тропосферная связь - вид передачи информации, использующий явления отражения, рефракции электромагнитной волны тропосферой.Стиль распространения волны определён частотой. Тропосферная связь задействует диапазоны ДМВ (дециметровые), СМВ (сантиметровые). Прочие частоты хуже отражаются воздушными слоями. Луч сигнала направляют заведомо выше горизонта. Азимут соответствует нахождению принимающей стороны. Достигает места назначения малая толика энергии (триллионная часть), однако методика оправдывает себя в условиях значительно изрезанной местности.
При построении тропосферных радиорелейных линий связи используется эффект отражения дециметровых и сантиметровых радиоволн от турбулентных и слоистых неоднородностей в нижних слоях атмосферы - тропосфере.
Использование эффекта дальнего тропосферного распространения радиоволн УКВ диапазона позволяет организовать связь на расстояние до 300 км при отсутствии прямой видимости между радиорелейными станциями. Дальность связи может быть увеличена до 450 км при расположении радиорелейных станций на естественных возвышенностях.
Для тропосферной радиорелейной связи характерно сильное ослабление сигнала. Ослабление возникает как при распространении сигнала через атмосферу, так и вследствие рассеяния части сигнала при отражении от тропосферы. Поэтому для устойчивой радиосвязи как правило используют передатчики мощностью до 10 кВт, антенны с большой апертурой, а значит, и большим коэффициентом усиления, а также высокочувствительные приёмники с малошумящими элементами.Так же для тропосферных радиорелейных линий связи характерно постоянное наличие быстрых, медленных и селективных замираний радиосигнала. Уменьшение влияния быстрых замираний на принимаемый сигнал достигается использованием разнесенного частотного и пространственного приема. Поэтому на большинстве тропосферных радиорелейных станций расположено несколько приёмных антенн.Типичное значение дальности составляет 300 км, предельное - 1000 км. Уточнения вносят погодные условия, климат. Обычно луч электромагнитной волны двигается прямолинейно, возможность связи ограничена условиями прямой видимости (48-64 км). Длинные волны способны огибать поверхность. ДМВ, СМВ - преломляются слоями атмосферы. Наилучшим вариантом считают частоты 2 ГГц.
Тропосферная связь станции «Гроза» обеспечивается повсеместно передачей сигнала, рассеянного (в том числе отраженного обратно) от нижнего слоя атмосферы в радиусе до 230-300 км без прямой видимости антенн. Возможность обеспечения интернет-канал со скоростью цифровых потоков до 50 Мбит/с была реализована недавно. Раньше таких космических скоростей на тропосферных станциях не достигали. Малогабаритная перевозимая военная станция тропосферной связи Р-423-ПМ имеет скорость передачи всего 256 Кбит/с. Да и габариты всего агрегата снизились на порядок. Раньше такие системы располагались на шасси маза. Сейчас же в разборном состоянии вся станция помещается в легковой автомобиль. Снизилась и потребляемая мощность 400 Вт, у Р-423-ПМ 750 Вт.
Сейчас Научно-исследовательский институт радио развивает проект тропосферных станций. Готовая инфраструктура позволит обеспечить скорость передачи данных до 46 Мбит/с.

2. Общие принципы работы тропосферной связи

Принцип тропосферной связи сходен с принципом радиорелейной связи и во многом характеризуется теми же особенностями. Исходя из названия, нетрудно догадаться, что главным героем процесса является тропосфера. Именно в этом слое атмосферы происходит отражение ультракоротких волн (длиной до 10 метров) от неоднородных по диэлектрическим свойствам воздушных масс.
Ещё в 40-х годах это явление назвали дальним тропосферным распространением ультракоротких волн (ДТР УКВ), что на языке эффективности означало революцию - теперь можно было отправлять радиосигнал на расстояние до 500 км без лишних проводов и эффекта «прямой видимости» (станции можно максимально отдалить друг от друга).При прохождении несущего сигнала через тропосферу часть излучаемой энергии отражается. Отраженный сигнал можно принять, получив, таким образом, всю необходимую информацию. Технология позволяет решить проблему отсутствия оптоволоконной инфраструктуры в удаленных регионах, где достаточно много населенных пунктов. Тянуть к каждому из них линию связи - дорого. Спутниковая связь - медленная и тоже дорогая.
Прокладывать оптоволоконную сеть в удаленные населенные пункты технически сложно и экономически нецелесообразно. Спутниковая связь также не решает проблему из-за слабого развития спутниковых группировок в северных регионах. Поэтому установка тропосферных станций может стать наиболее оптимальным решением вопроса, особенно для России с ее обширными территориями.Тропосферная связь имеет ряд особенностей, обусловленных непосредственно явлением ДТР УКВ:Эффективность рассеяния и отражения энергии УКВ от неоднородностей тропосферы очень низка, а поэтому потери на участке распространения УКВ очень велики и растут с увеличением расстояния R и укорочением длины волны. К примеру, при расстоянии R = 500 км и длине волны = 1,5 м дополнительные потери по сравнению с потерями в свободном пространстве составляют около 80 дБ, т.е. на тропосферной линии протяженностью 500 км потери практически такие же, что и на линии космической связи протяженностью 5 млн. км.На уровень сигнала при ДТР УКВ оказывает влияние рельеф местности, простирающийся на некотором расстоянии перед антеннами в направлении на корреспондента. Находящиеся здесь высоты, лес, крупные строения могут оказывать вредное экранирующее действие.
На устойчивость тропосферной радиосвязи существенно влияют метеорологические условия и, следовательно, климатические особенности района, по которому проходит трасса.
Антенны при ДТР УКВ не могут полностью реализовать свои способности по усилению сигнала по сравнению с излучением в свободное пространство. Следовательно, для тропосферной связи характерно такое явление, как «потери усиления антенны», что существенно снижает эффективность антенных устройств, а это требует дополнительного повышения мощности передатчиков и чувствительность приемников или повышения коэффициента усиления самих антенн,Сигнал ДТР УКВ не стабилен во времени. Средний уровень сигнала испытывает сезонные (а летом и суточные) колебания, причем уровень сигнала зимой ниже, чем летом.
Особенностью тропосферной радиосвязи является многолучевая структура сигнала ДТР УКВ, для которой характерна существенная неравномерность запаздывания отдельных компонентов, переизлученных неоднородностями объема, что приводит к сильному искажению амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик среды распространения радиосигнала системы тропосферной связи.
В результате этого резко сужается полоса пропускания всей системы, искажаются сигналы, возрастают шумы нелинейных переходов между каналами.

3. Компоненты для разработки тропосферной связи

Принципы построения тропосферных радиорелейных линий характеризуются рядом особенностей, связанных со спецификой передачи радиосигналов. Создание тропосферных радиорелейных линий стало возможным после того, как было открыто явление дальнего тропосферного распространения ДТР УКВ. ДТР происходит за счет отражения и рассеяния радиоволн турбулентными и слоистыми неоднородностями тропосферы. При этом поле в точке приема создается в результате переизлучения только тех неоднородностей, которые находятся в пределах объема, образованного пересечением диаграмм направленности, передающей и приемной антенн. Если использовать антенны с высокой направленностью (большим коэффициентом усиления), то объем переизлучения будет уменьшаться.
При построении тропосферных радиорелейных линий связи используется эффект отражения дециметровых и сантиметровых радиоволн от турбулентных и слоистых неоднородностей в нижних слоях атмосферы - тропосфере.Использование эффекта дальнего тропосферного распространения радиоволн УКВ диапазона позволяет организовать связь на расстояние до 300 км при отсутствии прямой видимости между радиорелейными станциями. Дальность связи может быть увеличена до 450 км при расположении радиорелейных станций на естественных возвышенностях.
Для тропосферной радиорелейной связи характерно сильное ослабление сигнала. Ослабление возникает как при распространении сигнала через атмосферу, так и вследствие рассеяния части сигнала при отражении от тропосферы. Поэтому для устойчивой радиосвязи как правило используют передатчики мощностью до 10 кВт, антенны с большой апертурой (до 30 x 30 м²), а значит, и большим коэффициентом усиления, а также высокочувствительные приёмники с малошумящими элементами.
Так же для тропосферных радиорелейных линий связи характерно постоянное наличие быстрых, медленных и селективных замираний радиосигнала. Уменьшение влияния быстрых замираний на принимаемый сигнал достигается использованием разнесенного частотного и пространственного приема. Поэтому на большинстве тропосферных радиорелейных станций расположено несколько приёмных антенн.

4. Отличия тропосферной связи от других связей по типу используемых радиоканалов

Радиосвязь - вид электросвязи, использующий принцип передачи информации, минуя эфир, посредством электромагнитных волн частотой ниже 3000 ГГц.
По типу используемых радиоканалов связи, кроме тропосферной, различают следующие виды радиосвязи:Поверхностная волна - это волна распространения вдоль земной поверхности.
Дальность связи поверхностными волнами зависит от длины волны и уровня излучаемой мощности, а также от состояния (электрических характеристик) земной поверхности. Положительным качеством линий радиосвязи земными волнами является независимость напряженности поля от состояния ионосферы и обусловленное этим относительное постоянство сигнала в точке приёма, необходимое при отсутствии отраженной от ионосферы волны или малой ее интенсивности.
Недостатком линии связи земными волнами является их малая дальность. Это объясняется сильным поглощением энергии радиоволн проводящим слоем земли и экранизирующим действием ее сферической поверхности. С ростом длины волны действие этих факторов ослабляется, поэтому для связи на значительные расстояния используются средние, длинные и сверхдлинные волны. На трассах малой протяженности связь земной волной может обеспечиваться и в диапазонах коротких и ультракоротких волн (100-150 км). Диапазон частот от 3 до 30 МГц -высокие частоты. Основной диапазон, используемый для любительской и профессиональной радиосвязи на расстояния в несколько тысяч и десятков тысяч километров.
Радиосвязь на декаметровых волнах проводится только с помощью пространственных волн, так как поверхностные волны в этом диапазоне имеют слабую способность к дифракции и кривизну земного шара практически не огибают.Скорость этой волны равна скорости продольной волны. Своего амплитудного значения головная волна достигает под поверхностью вдоль луча с углом ввода 780. Головная волна, как и вытекающая, порождает боковые поперечные волны под третьим критическим углом к границе раздела. Ионосферная радиосвязь - радиосвязь посредством декаметровых радиоволн (частоты 3-30 Мгц), отражающихся от ионизированных слоев атмосферы.
Для ионосферной радиосвязи характерны большая дальность, малая скорость передачи сообщений, непостоянство среды распространения радиоволн (из-за тесной связи свойств ионосферы с солнечной активностью), ослабление и искажение сигналов (из-за флуктуаций диэлектрической проницаемости среды), многолучевое Распространение радиоволн и т. д. Для устойчивой ионосферной радиосвязи с минимумом искажений сигналов применяют адаптивные системы с автоматическим запросом ошибок и с управляемым компандированием передаваемых сигналов.
Для повышения пропускной способности используют системы уплотнения радиоканалов с передачей на одной боковой полосе частот. Создание цифровых радиоканалов позволяет использовать ионосферные радиосвязи. для передачи телефонных, телеграфных, фототелеграфных сигналов и данных в двоичной форме.Ионосферная радиосвязь по существу явлений, происходящих в ионосфере, во многом сходна с тропосферной. Линии ионосферной связи обеспечивают передачу небольших объемов информации. При этом в процессе связи возможны быстрые и медленные замирания сигнала. Уровень сигнала зависит от времени года и суток: летом, зимой и днем связь более устойчива, чем осенью, весной и ночью.
Метеорная радиосвязь - вид радиосвязи, использующий отражение радиосигнала от ионизированных следов метеоров, сгорающих в атмосфере Земли. Обычно используемый частотный диапазон - от 20 МГц до 500 МГц, дальность связи до 2250 км. Метеоры, сгорающие в атмосфере Земли на высоте 120-70 км, образуют следы ионизированного газа, достаточно хорошо отражающие радиоволны. Время существования такого следа - от долей секунд до нескольких секунд, определяется размером сгорающей частицы. Плотность следов значительно увеличивается во время регулярных метеорных потоков.
По отношению к радиорелейной и тропосферной связи метеорная связь обеспечивается на значительно большие расстояния без ретрансляций и не зависит от рельефа местности, а также не требует расчетов при планировании. Недостатками системы метеорной радиосвязи являются: прерывистый характер сообщений который приводит к задержке при приеме информации. Космическая радиосвязь - это радиосвязь, которая осуществляется при помощи космических объектов (пассивные ретрансляторы и космические радиостанции), находящихся за пределами земной атмосферы.
В зависимости от вида предоставляемых данных системы космической связи делятся на несколько классов: Системы пакетной передачи данных. Данный вид связи предназначен для передачи любой информации в цифровом виде. Скорость передачи данных в этом случае может достигать нескольких сотен килобайт в секунду. В этих системах жестких требований к оперативности доставки сообщений не предъявляется. Системы речевой передачи связи. Данный вид связи предназначен для передачи сообщений в цифровом виде в соответствии с международными стандартами: обслуживание абонентов должно быть непрерывным, задержка сигнала на трассе распространения не должна быть более 0,3 секунд; обслуживание абонентов должно осуществляться в реальном масштабе времени.
Системы определения координат. Данный вид связи предназначен для использования в авиационных, автомобильных и морских транспортных средствах. Космическая радиосвязь осуществляется между земными станциями (подвижными и стационарными) и представляет собой развитие традиционной радиорелейной связи посредством вынесения ретранслятора на большую высоту. Зона видимости в этом случае составляет почти половину земного шара, поэтому необходимость в цепочке ретрансляторов отпадает. Для успешной передачи сигнала через спутник, этот сигнал должен быть модулированным. Большая часть данных транслируется на Землю со скоростью 160 бит/с - это всего раза в три-четыре быстрее, чем скорость набора текста профессиональной машинисткой и в 300 раз медленнее телефонного модема.
Для приема сигнала на Земле используется 34-метровые антенны сети дальней космической связи NASA, но в некоторых случаях задействуются самые большие 70-метровые антенны, и тогда скорость удается поднять до 600 и даже 1400 бит/с. Космическая или спутниковая связь по существу является разновидностью радиорелейной (тропосферной) связи и отличается тем, что ее ретрансляторы находятся не на поверхности Земли, а на спутниках в космическом пространстве.
Радиорелейная связь - особый тип беспроводной связи, позволяющий передавать данные на большие расстояния (десятки и сотни километров), с высокой пропускной способностью (от сотен мегабит до нескольких гигабит). Причина применения радиорелейных линий объясняется необходимостью заложить большой объем информации, невозможный на низких частотах.
Использование эффекта дальнего тропосферного распространения радиоволн УКВ диапазона позволяет организовать связь на расстояние до 300 км при отсутствии прямой видимости между радиорелейными станциями. Дальность связи может быть увеличена до 450 км при расположении радиорелейных станций на естественных возвышенностях. Для тропосферной радиорелейной связи характерно сильное ослабление сигнала. Прием и передача данных разнесены по разным частотам и происходят одновременно - все радиорелейные связи работают в режиме полного дуплекса.
Принципиальным отличием радиорелейной станции от иных радиостанций является преимущественно дуплексный режим работы, то есть приём и передача происходят одновременно (на разных несущих частотах).Вследствие сходства с радиорелейной связью тропосферную связь часто называют тропосферной радиорелейной связью.
В отличие от радиорелейной связи прямой видимости, для тропосферной связи необходим более высокий энергетический потенциал, для чего применяются передатчики мощностью от нескольких сотен ватт до 50 кВт.В отличие от радиорелейной связи прямой видимости в тропосферной связи используются передатчики большой мощности. Это обусловливает возникновение вблизи антенны электромагнитного поля большой напряженности, что создает опасность облучения для окружающих и обслуживающего персонала. Поэтому тропосферные станции, как правило, располагаются на расстоянии 5-10 км от населенных пунктов.
Метод тропосферной радиосвязи своеобразен в том смысле, что, являясь способом радиосвязи, он реализуется только в присутствии воздушной среды, неоднородной по своим диэлектрическим свойствам.

5. Сравнение схем тропосферной связи по типу используемых радиоканалов

Поверхностные радиоволны распространяются над поверхностью Земли и обладают способностью изменять траекторию своего движения, следуя за кривизной Земли. Это явление называется фракцией радиоволн. Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн: в полупроводящей поверхности Земли радиоволны поглощаются; при падении на земнуюповерхность они отражаются; сферическая форма земной поверхности препятствует прямолинейному распространению радиоволн. Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли (в масштабе длины волны) называют земными радиоволнами. Рассматривая распространение земных волн, атмосферу считают средой без потерь с относительной диэлектрической проницаемостью равной единице.
Влияние атмосферы учитывают отдельно, внося необходимые поправки. В окружающей Землю атмосфере различают три области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Границы между этими областями выражены не резко и зависят от времени и географического места.
Радиосвязь ионосферными радиоволнами осуществляется в диапазоне коротких волн. Это объясняется тем, что для данного диапазона земля является сравнительно плохой проводящей средой и земные радиоволны испытывают сильное поглощение, возрастающее с повышением частоты. В результате связь земными волнами на расстояние в несколько десятков километров становится невозможной даже при значительной мощности передатчика. Наоборот, при распространении ионосферных волн поглощение энергии радиоволн этого диапазона в слоях ионосферы невелико и уменьшается с повышением частоты. Поэтому энергия отраженных от ионосферы ионосферных радиоволн приходит в точку приема с малыми потерями.
В общем случае отражение радиоволн от ионосферы подчиняется известному из оптики закону: угол отражения равен углу падения. Поэтому для ближних связей ионосферными волнами желательно применять антенны, излучающие энергию под большими углами к горизонту, а для дальних связей - под малыми углами.
Антенны, применяемые для связи ионосферными волнами, можно разделить на следующие группы: антенны зенитного излучения и антенны комбинированного излучения.
Метеорный радиоканал. Несколько раз в году Земля проходит по орбите, пересекая следы от метеоритных потоков, источниками которых являются кометы. Потоки бывают спорадические и постоянные (регулярные). Последние интересуют больше всего, так как количество метеоров в них измеряются десятками в час.
Сгорая в верхних слоях атмосферы, метеориты оставляют на короткое время за собой длинный след заряженных частиц. За счет наличия плотного слоя происходит отражение и преломление радиоволны, которая по законам геометрии может отражаться в радиусе от 700 до 2000 км.
Связь с отражением от метеорных следов является весьма специфической ввиду того, что области ионизации, появляющиеся в результате сгорания в атмосфере метеоритов, существуют весьма короткое время.
При проведении метеорной связи решается проблема не борьбы с затуханием в канале радиосвязи, а на первый план выходит временной фактор. Условия для связи в канале образуются за счет появления ионизированного следа от сгоревшего метеорита в атмосфере на высоте около 100 км, который существует от долей секунды до нескольких секунд (редко десятков секунд).
За это время должны быть передана минимальная информация - позывной, рапорт корреспонденту.
Спутнико-космические системы радиосвязи состоят из двух основных частей или сегментов:
- Космический сегмент содержит определенное число спутников с установленными на них ретрансляторами радиосигнала.
- Наземный сегмент содержит центральную станцию - центр управления системой, осуществляющие связь со спутниками и слежение за их орбитами.
К числу основных параметров космического сегмента системы:
- тип орбиты, ее высота, наклонение и число орбитальных плоскостей;
- количество спутников, их число в одной орбитальной группировке и период обращения вокруг Земли;
- зоны обслуживания на Земле - системы в целом и каждым из спутников;
- параметры спутника - его масса, мощность источника электропитания, срок активного существования, точность удержания на орбите и т.д.;
- параметры ретранслятора спутника - диапазон частот, ширина полосы частот, мощность радиопередатчика, чувствительность радиоприемника и т.д.
Радиорелейная связь прямой видимости являются одним из основных наземных средств передачи сигналов телефонной связи, программ звукового и ТВ вещания, цифровых данных и других сообщений на большие расстояния. Ширина полосы частот сигналов многоканальной телефонии и ТВ составляет несколько десятков мегагерц, поэтому для их передачи практически могут быть использованы диапазоны только дециметровых и сантиметровых волн, общая ширина спектра которых составляет 30 ГРц.
Кроме того, в этих диапазонах почти полностью отсутствуют атмосферные и промышленные помехи. Расстояние между соседними станциями (протяженность пролета) зависит от рельефа местности и высоты подъема антенн. Обычно его выбирают близким или равным расстоянию прямой видимости. Для сферической поверхности Земли с учетом атмосферной рефракции

Заключение

В заключении хочется подчеркнуть, что тропосферная связь - вид передачи информации, использующий явления отражения, рефракции электромагнитной волны тропосферой.
Принципиальным отличием радиорелейной станции от иных радиостанций является преимущественно дуплексный режим работы, то есть приём и передача происходят одновременно (на разных несущих частотах).Развитие и жизнь современного общества немыслимы без широкого использования разнообразных средств и систем передачи сообщений. Объём информации непрерывно возрастает, увеличивается дальность связи, более высокими становятся требования к надёжности, качеству связи, эффективности использования оборудования. Всё это приводит к непрерывному совершенствованию всех систем, в том числе и систем радиосвязи. В перспективе, данная область будет развиваться ещё больше, т.к. концепции построения современного общества фактически основаны на информации.

Список использованных источников
Баскаков, С.И. Радиотехнические цепи и сигналы / С.И. Баскаков. - М.: Высшая школа, 2020. - С. 46-92.Бонч-Бруевич, А.М. Системы спутниковой и тропосферной связи / А.М. Бонч-Бруевич, В.Л. Быков, Л.Я. Кантор. - М.: Радио и связь, 2022. - 224 с.Гусятинский, И.А. Дальнее тропосферное рассеивание / И.А. Гусятинский. - СПб.: Логос, 2022. - С. 262-291.Петров, Б.Е. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах: учебное пособие для радиотехнических специальностей вузов / Б.Е. Петров, В.А. Романюк. - М.: Высшая школа, 2019. - 232 с.Шахгильдян, В.В. Радиопередающие устройства / В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев, А.А. Ляховкин. - М.: Радио и связь, 2020. - С. 156-170.