Рекомендация мсэr p. 45215 (092013) Процедура прогнозирования для оценки
 Скачать 1.87 Mb.
|
|
22 Рек. МСЭ-R P.452-15 4.7 Расчет потерь передачи Метод, описанный выше в пп. 4.1–4.6, определяет основные потери передачи между двумя станциями. Для расчета уровня сигнала на одной станции в результате действия помех от другой станции необходимо знать потери передачи, учитывающие коэффициенты усиления антенн двух станций в направлении радиотрассы (т. е. трассы прихода помехи) между ними. Следующая процедура предоставляет метод расчета потерь передачи между двумя наземными станциями. В данном методе в качестве промежуточных этапов представлены также формулы для расчета длины трассы по дуге большого круга и углового расстояния, основанные на географических координатах станций, в отличие от вывода этих параметров из профиля трассы, как предложено в таблице 3. Рассчитаем угол, образованный трассой в центре Земли, , из географических координат станций, используя формулу: δ = arccos(sin(φ t ) sin(φ r ) + cos(φ t ) cos(φ r ) cos(ψ t – ψ r )) рад. (65) Расстояние по дуге большого круга, d, между станциями равно: d = 6371 · км. (66) Рассчитаем опорное направление (азимутальное направление по часовой стрелке от истинного севера) от станции t к станции r, используя формулу: tr = arccos({sin( r ) – sin( t ) cos( )}/sin( ) cos( t )) рад. (67) Выполнив расчет по уравнению (67) для случая t – r > 0, имеем: tr = 2π – tr рад. (68) Рассчитаем опорное направление от станции r к станции t, rt , за счет симметрии уравнений (67) и (68). Далее предположим, что направление главного луча (опорное направление) станции t соответствует ( t , t ) по (углу места, пеленгу), в то время как направление главного луча станции r соответствует ( r , r ). Для получения углов места радиотрассы (т. е. трассы прихода помехи) на станциях t и r, pt и pr соответственно, необходимо различать трассы прямой видимости и загоризонтные трассы. Например, для трасс прямой видимости: e t r pt a d d h h 2 рад (69a) и e r t pr a d d h h 2 рад, (69b) где h t и h r – высоты станций над средним уровнем моря (км), в то время как для загоризонтных трасс углы места задаются их соответствующими углами горизонта: 1000 t pt рад (70a) и 1000 r pr рад. (70b) Заметим, что углы радиогоризонта, t и r (мрад), впервые встречаются в таблице 3 и определены соответственно в пп. 5.1.1 и 5.1.3 Прилагаемого документа 2 к Приложению 1. Для расчета внеосевых углов для станций t и r, t и r соответственно, в направлении трассы прихода помех на станциях t и r рекомендуется использовать: χ t arccos(cos(ε t ) cos(ε pt ) cos( tr – t ) + sin(ε t ) sin(ε pt )) (71a) и r = arccos(cos( r ) cos( pr ) cos( rt – r ) + sin( r ) sin( pr )). (71b) Рек. МСЭ-R P.452-15 23 Коэффициенты усиления (дБ) антенн для станций t и r, G t и G r соответственно, получаем, используя их соответствующие внеосевые углы. Если фактические диаграммы направленности излучения антенн неизвестны, то изменение усиления в зависимости от углов внеосевого излучения можно определить из информации в Рекомендации МСЭ-R S.465. Для получения потерь передачи, L, используем формулу: L = L b ( p) – G t – G r дБ. (72) Для сценариев помех в условиях ясного неба, когда распространение радиоволн определяется преимущественно тропосферным рассеянием, углы места будут ненамного больше углов радиогоризонта t и r . Использование этих углов приведет к незначительной ошибке, если только они не будут также совпадать с опорными направлениями соответствующих станций. 5 Прогнозирование помех за счет рассеяния в гидрометеорах В отличие от предыдущих рассмотренных выше методов прогнозирования в условиях ясного неба описываемая далее методика прогнозирования помех за счет рассеяния в гидрометеорах формулирует выражения для потерь передачи непосредственно между двумя станциями, поскольку при этом требуется знание диаграмм направленности излучения мешающей и испытывающей помехи антенн для каждой станции. Этот метод является довольно общим в том смысле, что он может использоваться с любой диаграммой направленности антенны и обеспечивает метод определения усиления антенны для любого угла вне оси основного излучения. Могут использоваться все диаграммы направленности, такие как приведены, например, в Рекомендациях МСЭ-R P.620, МСЭ-R F.699, МСЭ-R F.1245, МСЭ-R S.465 и МСЭ-R S.580, как и более сложные диаграммы, основанные на функциях Бесселя, и реальные измеренные диаграммы, если они доступны. Данный метод может также использоваться со всенаправленными антеннами или секторальными антеннами, такими как описаны в Рекомендации МСЭ-R F.1336, усиление которых обычно определяется исходя из вертикального угла вне оси основного излучения (т. е. возвышения относительно угла максимального усиления). Этот метод является также общим в том смысле, что он не ограничивается какой-либо конкретной геометрией, при условии что имеются диаграммы направленности антенны с охватом ±180°. Таким образом, он включает как связь между главными лучами, так и связь между боковыми и главным лепестками, а также геометрию рассеяния по дуге большого круга и геометрию бокового рассеяния. При помощи этого метода можно рассчитать уровни помех для геометрий как длинных трасс (> 100 км), так и коротких трасс (до нескольких километров) с произвольными углами места и азимута на каждой станции. Поэтому такая методика подходит для широкого диапазона сценариев и служб, включая определение помех за счет рассеяния в дожде между двумя наземными станциями, между наземной станцией и земной станцией и между двумя земными станциями, работающими в полосах частот, распределенных в двух направлениях. 5.1 Введение Рассматриваемая методика основана на применении уравнения бистатического радара, которое можно записать в виде мощности P r , полученной на приемной станции в результате рассеяния в дожде мощности P t , переданной передающей станцией: all space r t r t t r V r r A G G P P d 4 2 2 3 2 Вт, (73) где: : длина волны; G t : усиление передающей антенны (линейное); G r : усиление приемной антенны (линейное); : эффективная площадь рассеяния на единицу объема V (м 2 /м 3 ); 24 Рек. МСЭ-R P.452-15 A : ослабление вдоль трассы от передатчика к приемнику (в линейных единицах); r t : расстояние от передатчика до рассеивающего элемента объема; r r : расстояние от рассеивающего элемента объема до приемника. Выраженное на основе потерь передачи (дБ) для случая рассеяния между двумя станциями, Станцией 1 и Станцией 2, уравнение бистатического радара превращается в: M A S C Z f L g R log 10 log 10 log 10 log 20 208 дБ, (74) где: f : частота (ГГц); Z R : отражательная способность радара на уровне земли, которую можно выразить через интенсивность дождевых осадков, R (мм/ч): 4 , 1 400R Z R ; (75) 10 log S : поправка, (дБ), для учета отклонения от рэлеевского рассеяния на частотах выше 10 ГГц: ГГц 10 для 0 ГГц 10 для 2 cos 1 10 5 2 cos 1 10 4 10 log 10 7 , 1 6 , 1 3 4 , 0 f f f f R S S S (76) где: φ S : угол рассеяния; A g : ослабление в атмосферных газах вдоль трассы от передатчика к приемнику (дБ), рассчитанное по данным Приложения 2 к Рекомендации МСЭ-R P.676; M : любое рассогласование по поляризации между передающей и приемной системами (дБ). В приведенной здесь модели рассеяние ограничивается уровнем рассеяния в очаге дождя, определяемом в виде кругового поперечного сечения, диаметр которого зависит от интенсивности дождевых осадков: 08 , 0 3 , 3 R d c км. (77) Предполагается, что в пределах очага дождя интенсивность дождевых осадков и, следовательно, отражательная способность радара являются постоянными вплоть до высоты слоя дождя, h R . Также предполагается, что на высотах, превышающих высоту слоя дождя, отражательная способность уменьшается линейно с высотой со скоростью –6,5 дБ/км. В этом случае передаточная функция рассеяния, C, представляет собой интеграл по объему в очаге дождя и может быть записана в цилиндрических координатах как: ma x c h d h r r A r r G G C 0 2 0 2 0 2 2 2 1 2 1 d d d , (78) где: G 1 , G 2 : значения линейного усиления Станции 1 и Станции 2 соответственно; r 1 , r 2 : расстояния (км) от элемента интегрирования, V, до Станции 1 и Станции 2 соответственно; A : ослабление в дожде как внутри, так снаружи очага дождя, выраженное в линейных единицах; : зависимость отражательной способности радара от высоты: Рек. МСЭ-R P.452-15 25 ; для 10 ; для 1 65 , 0 R h h R h h h h R (79) h R : высота дождя (км); r, , h : переменные интегрирования в пределах очага дождя. Интегрирование выполняется в числах, в цилиндрических координатах. Однако вначале удобно рассмотреть геометрию рассеяния от передающей станции через очаг дождя к приемной станции на основе декартовой системы координат, причем за начало координат берется Станция 1, поскольку фактическое расположение очага дождя не определяется сразу, особенно в случае бокового рассеяния. В рамках декартовой системы координат целесообразно сначала в целях упрощения преобразовать различные геометрические параметры из их фактических значений для искривленной Земли в соответствующее отображение для плоской Земли. Наличие связи между главными лучами антенн устанавливается из геометрии, а очаг дождя затем помещается в точке пересечения осей главных лучей. Если связь между главными лучами отсутствует, то очаг дождя помещается вдоль оси главного луча Станции 1 с центром в точке наибольшего приближения к оси главного луча Станции 2. В этом случае потери передачи должны определяться для второго случая с взаимозаменяемыми параметрами каждой станции, а распределение потерь для наихудшего случая считается представительным для вероятных уровней помех. 5.2 Входные параметры В таблице 5 перечислены все входные параметры, необходимые для реализации метода расчета кумулятивного распределения потерь передачи между двумя станциями вследствие рассеяния в дожде. ТАБЛИЦА 5 Перечень входных параметров (нижний индекс 1 относится к параметрам для Станции 1, нижний индекс 2 относится к параметрам для Станции 2) Параметр Единицы Описание d км Расстояние между станциями f ГГц Частота h 1_loc , h 2_loc км Местные высоты Станции 1 и Станции 2 над средним уровнем моря G max-1 , G max-2 дБ Максимальные значения усиления для каждой антенны h R (p h ) км Кумулятивное распределение высоты слоя дождя, превышаемой в функции процента времени, p h (см. примечание 1) M дБ Рассогласование по поляризации между системами P гПа Поверхностное давление (по умолчанию 1013,25 гПа) R(p R ) мм/ч Кумулятивное распределение интенсивности дождевых осадков, превышаемой в функции процента времени, p R T C Поверхностная температура (по умолчанию 15 °C) 1_loc , 2_loc рад Местные пеленги Станции 1 от Станции 2 и Станции 2 от Станции 1 в направлении по часовой стрелке H1_loc , H2_loc рад Местные углы горизонта для Станции 1, Станции 2 г/м 3 Плотность водяных паров на поверхности (по умолчанию 8 г/м 3 ) град Угол поляризации линии (0° для горизонтальной поляризации, 90° для вертикальной поляризации) ПРИМЕЧАНИЕ 1. – Если распределение неизвестно, используйте медианную высоту дождя, h R , наряду с таблицей 6, ниже. 26 Рек. МСЭ-R P.452-15 5.3 Этапы процедуры Шаг 1. Определение метеорологических параметров Для получения кумулятивного распределения потерь передачи вследствие рассеяния в дожде в виде процентов времени превышения таких потерь требуемыми входными параметрами служат распределения вероятностей интенсивности дождевых осадков и высота слоя дождя. Если имеются местные значения этих параметров, они должны применяться. При отсутствии местных значений для получения кумулятивных распределений интенсивности дождевых осадков для любого местоположения может использоваться Рекомендация МСЭ-R P.837, в то время как медианное значение высоты слоя дождя можно получить из Рекомендации МСЭ-R P.839. По умолчанию для получения кумулятивного распределения высот слоя дождя может использоваться распределение высот слоя дождя относительно медианного значения в таблице 6. ТАБЛИЦА 6 Кумулятивное распределение высот слоя дождя относительно его медианного значения Разность высот дождя (км) Вероятность превышения (%) –1,625 100,0 –1,375 99,1 –1,125 96,9 –0,875 91,0 –0,625 80,0 –0,375 68,5 –0,125 56,5 0,125 44,2 0,375 33,5 0,625 24,0 0,875 16,3 1,125 10,2 1,375 6,1 1,625 3,4 1,875 1,8 2,125 0,9 2,375 0,0 Кумулятивные распределения как интенсивности дождевых осадков, так и высоты слоя дождя преобразуются в функции плотности вероятностей следующим образом. Для каждого интервала между двумя соседними значениями интенсивности дождевых осадков или высоты слоя дождя в качестве представительной величины для этого интервала берется среднее значение, а вероятность его появления равна разности между двумя соответствующими вероятностями превышения. Любые значения, для которых h R меньше 0 км при использовании таблицы 5, устанавливаются на 0 км, причем их вероятности суммируются. Предполагается, что значения интенсивности дождевых осадков и высоты слоя дождя статистически независимы друг от друга, так что вероятность появления для любой заданной пары сочетаний интенсивности дождевых осадков/высоты слоя дождя представляет собой всего лишь произведение отдельных вероятностей. Рек. МСЭ-R P.452-15 27 Для каждой пары значений интенсивности дождевых осадков/высоты слоя дождя потери передачи вычисляются согласно приведенным ниже шагам. Шаг 2. Преобразование геометрических параметров в изображение на плоской Земле Геометрия рассеяния в дожде между двумя станциями определяется из основных входных параметров: расстояния d по дуге большого круга между двумя станциями, локальных значений углов места антенны каждой станции, 1-loc и 2-loc , и азимутальных смещений осей главных лепестков антенн для каждой станции от направления другой станции, определяемых как положительные в направлении часовой стрелки, 1-loc и 2-loc . Станция 1 принимается за исходное положение, т. е. начало отсчета, в декартовой системе координат, а опорные параметры вычисляются следующим образом: loc _ 1 1 , loc _ 1 1 и loc H H _ 1 1 рад. (80) Сначала преобразуем все геометрические параметры в обычную декартову систему координат, взяв Станцию 1 как начало отсчета, с горизонтальной плоскостью в виде плоскости x-y, осью x, ориентированной в направлении Станции 2, и осью z, ориентированной вертикально вверх. На рисунке 4 показана геометрия на искривленной поверхности Земли (для упрощенного случая рассеяния в прямом направлении, т. е. вдоль дуги большого круга), где r eff – эквивалентный радиус Земли: E eff R k r 50 км, (81) где: k 50 : медианный коэффициент эквивалентного радиуса Земли = 1,33; R E : истинный радиус Земли = 6371 км. Две станции разделяются расстоянием по дуге большого круга, d (км), стягивающей угол в центре Земли: δ eff r d рад. (82) Местная вертикаль на Станции 2 отклоняется на угол от местной вертикали на Станции 1, т. е. оси z. Углы места и азимута на Станции 2 соответственно преобразуются в изображение на плоской Земле, как показано ниже, где нижний индекс loc относится к местным значениям. Вычисляем угол места Станции 2: cos sin sin cos cos arcsin _ 2 _ 2 _ 2 2 loc loc loc (83) и угол горизонта на Станции 2: cos sin sin cos cos arcsin _ 2 _ 2 _ 2 2 loc H loc loc H H (84) Смещение азимута Станции 2 относительно Станции 1 составляет: sin sin cos cos cos sin cos arctan _ 2 _ 2 _ 2 _ 2 _ 2 2 loc loc loc loc loc , (85) а высота Станции 2 над базовой плоскостью определяется как: 2 1 _ 2 2 d h h h loc км. (86) Азимутальный разнос между двумя станциями в точке пересечения проекций на плоскость Земли осей главных лепестков составляет: 2 1 S рад. (87) |