Висше военноморско училище “Н. Й. Вапцаров” факултет „навигационен”

1. Сравнителният анализ на детерминираните и емпиричните модели показва, че детерминираните модели отразяват по-точно процесите на разпространение на УКВ в крайбрежните райони и дават възможност да се отчита конкретната атмосферна рефракция, видът на използваните антени и клатенето на кораба.

2. Определена е зависимост между наклона на корабната антена и диаграмата и́ на насоченост за полувълнов вибратор (2.21) и за вълнов вибратор (2.23).

На тази основа са направени изводи за мястото на приложение на този вид антени.

3. Синтезиран е математически модел на въздействието на вълнението на морската повърхност върху пространственото положение на корабната УКВ антена (2.25).
ГЛАВА 3. Експериментално изследване на разпространението на ултракъсите вълни използвани в системата за Цифрово избирателно повикване.
В глава 3 е решена втора и трета задача на дисертационния труд.
Целта на извършеният експеримент е да се изследват условията за разпространение на ултракъсите вълни на базата на статистически анализ на получени експериментални данни в зоната на българското черноморско крайбрежие.

Основна задача на експеримента е получаване на данни за процеса на разпространение на УКВ, техния статистически анализ и получаване на математически зависимости.

За постигане на поставената цел експериментът се проведе по следния план:

1. 
   Получаване на данни за различни по характер морски радиотрасета;
   
2. 
   Определяне на закона на разпределение на напрегнатостта на електромагнитното поле въз основа на експериментални данни;
   
3. 
   Изглаждане на получения по експериментален път закон на разпределение на напрегнатостта на електромагнитното поле;
   
4. 
   Проверяване на правдоподобието на хипотезите.
   

Експерименталните измервания се извършват в реални условия и за да не се нарушава радиообмена между корабите и бреговите радиостанции се налагат честотни и времеви ограничения.

Честотни ограничителни условия:

- за експерименталните радиопредавания се използва само честота 156,525MHz, тъй като на тази честота се осъществява радиообмен в режим ЦИП;

Времеви ограничителни условия:

- време – 09:00 – 17:00 местно време, следва от препоръките за безопасно корабоплаване, по възможност само през светлата част на денонищието

- сеанси – не-повече от 5 повиквания през 5 минути, за да излъчват и други кореспонденти между сеансите.

Експерименталните измервания са извършени от Районна станция за контрол на съобщенията – Варна.

Първият ден е извършено изследване на крайбрежието с мобилна станция в южно направление от град Варна до устието на река Ропотамо, през втория ден отново с мобилна станция е извършено изследване на крайбрежието в северно направление от град Варна до нос Калиакра, през третия ден изследването е извършено като за излъчвателна станция бе използвана стационарната УКВ радиостанция на баркентината „Роял Хелена”, която плава по крайбрежния фарватер „Варна – Несебър” и обратно.

Резултатите от измерванията са удостоверени с измервателни протоколи от Главна дирекция „Контрол на съобщенията” на Комисия за регулиране на съобщенията съответно чрез:

• 
  Измерителен протокол № В-СС-232/29.07.2011 г.
  
• 
  Измерителен протокол № В-СС-284/17.09.2011 г.
  

Измерените стойности са обобщени в 4 групи:

• 
  данни от морското радиотрасе;
  
• 
  данни от крайбрежното радиотрасе;
  
• 
  данни обобщени за двете радиотрасета;
  
• 
  данни с минималните стойности на напрегнатостта.
  

Фиг. 3.5 Графика на измерените максимални и минимални стойности на електромагнитното поле в зависимост от разстоянието на морско трасе

Фиг.3.8 Графика на измерени максимални и минимални стойности на електромагнитното поле в зависимост от разстоянието на крайбрежно трасе

	Вид на радиотрасето
1.	Морско радиотрасе	10,89	12,26	150,31
2.	Крайбрежно радиотрасе	10,74	6,54	42,77
3.	Обобщено радиотрасе	12.57	13,24	175,29
4.	Минимални стойности	5,1	3,55	12,6

Табл. 3.3: Стойности на математическото очакване, стандартното отклонение и дисперсията на експерименталните данни.

От теорията на разпространението на радиовълните и от вида получените хистограми се приема да се изследват следните закони на разпределение на случайната величина:

- експоненциален закон на разпределение [37];

- логаритмично-нормален закон на разпределение[18];

- нормален закон на разпределение [21];

- релеевски закон на разпределение [21].

Статистическите редове и изобразяващите ги хистограми неизбежно съдържат случайни елементи и е необходимо тези елементи да се отстранят чрез избиране на определена аналитична функция с която да се филтрира експерименталния материал от неслучайните стохастични свойства на случайния резултат на изследването. Теоретичната функция е избрана по външния вид на хистограмите и от съображенията, свързани с физичната обусловеност на радиоканалите. За пресмятане на параметрите на аналитичната функция е използван методът на статистическите моменти. Избира се този метод тъй като могат да се използват оценките на съответните моменти пресметнати по-горе направо от статистическия материал.

Изглаждането на статистическите редове и определяне на закона на разпределение на величината, напрегнатост на електромагнитното поле в точката на приемане, е извършено в средата на програмен продукт STATGRAPHICS. Основната причина за това е, че изчисленията се извършват с по-висока точност, допълнителна причина е, че броят на интервалите се променят така, че да се получи оптималната функция и освен това се дава възможност за проверка на няколко закона на разпределение (в случая четири) едновременно.

За всяка изследвана извадка от данни е възприета определена хипотеза:

• 
  Морско радиотрасе: - хипотеза Y – 1;
  
• 
  Обобщено радиотрасе: - хипотеза Y – 2;
  
• 
  Крайбрежно радиотрасе: - хипотеза Y - 3;
  
• 
  Минимални стойности: - хипотеза Y – 4.
  

От направените тестове се вижда, че за хипотези Y - 1, Y - 2 и Y - 4 плътността на разпределение на вероятностите се описва с логаритмично-нормално разпределение, а за хипотеза Y – 3 плътността на разпределение на вероятностите се описва с релеевскоо разпределение. За дефиниране на функцията на плътността на логаритмично-нормалното разпределение и разпределението на Релей се определят съответните параметри както следва:

За логаритмично-нормално разпределение параметрите са показани в таблица 3.16.
Таблица 3.16: Стойности на параметрите и за хипотезите Y – 1, Y – 2, Y – 4.

Хипотеза
Y – 1	0,83	1,98
Y – 2	0,75	2,46
Y – 4	0,39	1,43

Тогава функциите на разпределение за съответната хипотеза добиват следния вид:

За Y – 1:

(3.3)

(3.4)

За Y – 4:

(3.5)

За Y – 3

(3.7)

От техническите характеристики на използваните методи за предаване на данни и вида модулация (G2B) използван в Системата за цифрово избирателно повикване се приема минимално допустима вероятност за грешка на бит: = 0,01,

Съгласно (1.20) вероятността за грешка в релеевски канал при некохерентно приемане се определя по формулата (3.8):

(3.8)

При известно ниво на шума в канала – 1,33 μV/m, и зададена минимална вероятност за грешка на бит – 0,01 се определя нормата на напрегнатост на полето .

За решаваните задачи може да се приемаме, че това е средната норма на полето, което е възможно защото при сравнение с математическото средно на хипотеза Y – 3 е от съшият порядък и при двата способа на обработка, а именно съответно 10,74 μV/m и 11,73 μV/m. Може да се допусне, че условието се изпълнява т.к. измерените и изчислени стойности са по-големи от средната норма. Извадката, обаче е ограничена и този извод е недостатъчно мотивиран (не са изключени непредвидени случайни грешки). За ограничаване на неопределеността до приемливи граници се извършва интервална оценка за определено ниво на доверие. За такива оценки се използва разпределение на Стюдънт с n – 1 степени на свобода (Student's t -distribution with r degrees of freedom). При голям брой степени на свобода в случая 7 може да се приеме за квантил стойността 2,656 за ниво на значимост 0,01 макар, че тази стойност за всички програмни среди е 0,05 изискванията за по-високо ниво на доверие налагат горното и съответно ниво на доверие – 0.99.

При тези условия асимптотическия интервал на доверие се определя по формулата:

(3.9)

След заместване във формулата се получават следните резултати за интервалите на доверие при ниво на значимост 0,01 показани в таблица 3.14.

Хипотеза	Вид на данните	Норма,	Min,	Max,
Y – 1	Емпирич.	10,37	8,15	13,63
Y – 1	Програмн.	10,37	8,27	13,49
Y – 2	Емпирич.	10,37	10,32	14,82
Y – 2	Програмн.	10,37	10,24	14,72
Y – 3	Емпирич.	10,37	8,5	12,89
Y – 3	Програмн.	10,37	9,72	13,74
Y – 4	Емпирич.	10,37	3,77	6,43
Y – 4	Програмн	10,37	0,32	9,9

В таблицата за всяка хипотеза са определени по два интервала, единият е за емпиричните данни, а другият за изчислените стойности на съответната аналитична функция.

От таблицата се вижда, че в посочените интервали на първите три хипотези средната норма е в посочените интервали с вероятност 0,99, докато при четвъртата хипотеза нормата е в посочените интервали с вероятност 0,01.

Доверителни интервали за дисперсията се пресмятат въз основа на факта, че ако то величината

(3.10)

се подчинява на - разпределение с n – 1 степени на свобода, следвайки специфични съображения, последния факт позволява да пресметнем доверителен интервал по формулата:

(3.11)

за различните хипотези горната граница на интервала е показана на таблица 3.15.

Хипотеза	Закон	Степени на свобода	n		max	Горна граница,
Y – 1	Неустановен	4	158	15,79	13,28	1799,82
Y – 2	Неустановен	7	245	23,96	18,47	2298,64
Y – 3	Rayleigh	7	60	11,40	18,47	109,98
Y – 4	Lognormal	5	50	5,8	15,1	41,34

За първите две хипотези границата на интервала е нереална на практика тъй като и закона на разпределение е неустановен.

Показана е само горната граница, понеже разпределенията са несиметрични.

При проверка на статистическите хипотези се установи, че само хипотезите Y–3 и Y–4 са статистически значими. Основание за това е следния факт, при избрана доверителна стойност на нивото на значимост p = 0,05, основание за отхвърляне на хипотезата е получената стойност на оцененото ниво на значимост (P-Value) да е по-малко от р = 0,05. По тази причина можем да отхвърлим хипотези Y–1 и Y–2. т.е. те нямат нито един от предполагаемите закони на разпределение. Този извод, обаче не е достатъчен за пълно отхвърляне. Съществуването на различие между емперичното средно и нормата на напрегнатостта на полето е достатъчно условие за отхвърляне на „нулевата хипотеза”, което ще рече, че съществуват достатъчно статистически аргументи да се направи обосновано заключение за наличието на ефект т.е. че измерванията имат случаен характер. Този извод се отнася до четирите хипотези. Отхвърлянето на нулевата хипотеза означава, че на практика фактически приемаме някаква алтернативна хипотеза т.е., че съществува някаква вероятност за грешка. За хипотези Y–1 и Y–2 не може да се определи какво е разпределението т.к.

(3.12) P-Value < <р ,

Съответно за Y–1

(3.13) P-Value = 0,00331873< < р = 0,05,

За Y–2

но може да се твърди, че данните в извадките имат статистически случаен характер.

Не така стои въпросът с хипотези Y–3 и Y–4 т.к. условието P-Value < < р не се изпълнява понеже за Y–3:

(3.15) P-Value = 0,121989 > р = 0,05,

а за Y–4:

(3.16) P-Value = 0,3255 > р = 0,05,

Тогава за хипотеза Y–3 на основание /3.15/ може да се твърди, че не противоречи на релеевско разпределение, а за хипотеза Y–4 на основание /3.16/, че не противоречи на логаритмично-нормално разпределение.
Изводи по глава 3:

1. 
   Направени са проверки за съгласуване на експерименталния материал със следните функции на разпределение:
   
   • 
     Експоненциално разпределение;
     
   • 
     Логаритмично-нормално разпределение;
     
   • 
     Нормално разпределение;
     
   • 
     Разпределение на Релей.
     
2. 
   Експерименталните данни от Морско радио трасе и данните от Обобщеното радио трасе не се съгласуват с приложените разпределения;
   
3. 
   Експерименталните данни от Крайбрежно радиотрасе се съгласуват с разпределение на Релей.
   
4. 
   Експерименталните данни от минималните стойности се съгласуват с логаритмично-нормално разпределение;
   
5. 
   Определени са параметрите на съответните функции на разпределение на плътността на вероятностите;
   
6. 
   Определена е нормата на нивото на необходимата напрегнатост на електромагнитното поле в точката на приемане;
   
7. 
   Определени са доверителни интервали за математическото средно за Крайбрежно радиотрасе.
   
8. 
   За конкретната практическа дейност е доказано, че разпространението на радиовълните в УКВ радиоканал по западното черноморско крайбрежие се подчинява на релеевски закон.
   

ГЛАВА 4. Аналитично изследване на разпространението на ултракъсите вълни използвани в системата за Цифрово избирателно повикване.

Измерените стойности на напрегнатостта на електромагнитното поле за морско радиотрасе и крайбрежнорадио трасе се анализират по метода на сравнението с изчислените стойности за същите радиотрасета.

При определяне на параметрите на радиотрасетата, на основание на изводите, направени в § 2.1.1, е избран аналитичен модел в който се използва метод, изложен в [55].

Задачата се разделя на три части:

• 
  Определяне на коригиращи коефициенти за вида на използваната антена и клатенето на кораба;
  
• 
  Изчисляване на напрегнатостта на електромагнитното поле за морско радио трасе;
  
• 
  Изчисляване на напрегнатостта на електромагнитното поле за крайбрежно радио трасе;
  

- определяне на вида на атмосферната рефракция в изследвания географски район;

- отчитане на влиянието на вълнението на морската повърхност и клатенето на кораба;

- определяне на далечината на пряка видимост на изследваните радио трасета;

- определяне на далечината на интерференционната зона;

- определяне на границата между плоско и сферично радио трасе;

- изчисляване на напрегнатостта на електромагнитното поле в точката на приемане за плоско радио трасе;

- привеждане на височините на предавателната и приемната антени към сферично трасе;

- определяне на коефициента на разсейване на радиовълните от сферична повърхност;

- определяне на ъгъла на отражение на радиовълните от земната повърхност;

- определяне на коефициента на отражение от повърхността на земята и фазовия ъгъл ;

- определяне на коефициента на отражение от сферична повърхност;

- изчисляване на множителя на отслабване;

- изчисляване на напрегнатостта на електромагнитното поле в точката на приемане за сферично радио трасе.

- коригиране на напрегнатостта на електромагнитното поле в точката на приемане в зависимост от вида на корабната антена.

- оценяване на степента на съответствие между теоретично и експериментално получените зависимости.

При решаването на първата част на задачата, определяне на вида на атмосферната рефракция в западната част на черноморското крайбрежие, се използва методът описан в [32]. По карти с изолинии за средномесечните стойности се намира (разлика между стойността на коефициента на пречупване на тропосферата на височина 1 км и на земната повърхност) за района на Черно море. Избрани са два сезона – лято (месец юли) и зима (месец януари), които имат съответно следните стойности = 70 и = 30.

Вертикалният градиент на диелектрическата проницаемост се определя по следната формула [32]:

(4.1)

Следователно в тази част на Черно море атмосферната рефракция е положителна тъй като

Коефициентът на атмосферната рефракция се изчислява по формулата:

(4.2)

където: - е радиус на Земята;

С коефициента на атмосферна рефракция се определя коефициентът на еквивалентния радиус на тректорията на радиолъча:

(4.3) .

Чрез него е изчислена далечината на пряка видимост за конкретния случай през сезоните: лято и зима по формула:

(4.4)

където: - – височина на корабната антена;

- – височина на приемната антена.

Конкретните стойности са показани в таблица 4.1.

Таблица 4.1: Стойности на коефициентът на атмосферна рефракция за сезоните зима, лято и при нормална атмосфера.

Сезон	,	,			Морско трасе, , km	Край- брежно трасе, , km
Зима	30	- 3.10¯	1,23	3,96	68,4	58,2
Лято	70	- 7.10¯	1,8	4,79	82,7	70,4
Нормална атмосфера	39	-3,9.10¯	1,33	4,12	71,1	60,6

Процесът на въздействие на морското вълнение върху условията на распространение на радиовълните е разгледан в § 2.4. Този процес има пространствено-времеви характер. Изменението на положението на антената в пространството се изразява в промяна на височината на антената. Реалната височина на антената се определя по формула 2.25. Изменението на височината на антената във времето има синусоидален характер с период на колебание от 5 до 20 секунди. Тази промяна на височината на антената е причина за замиране на сигнала. При системата за Цифрово избирателно повикване за класифициране на този вид замиране е сравнена продължителността на цифровото съобщение с периода на колебание на антената. Дължината на цифровото съобщение  в зависимост от неговия вид е в границите от 0,45 сек. до 0,72 сек. тогава при _зам  , 57 замиранията са бавни тъй като (5 – 20)сек  (0,45 – 0,72) сек. следователно морското вълнение оказва влияние чрез понижаване на височината на корабната антена и създава бавни замирания на напрегнатостта на електромагнитното поле в точката на приемане.

При височина на морските вълни 2 ÷ 10 метра и крен на кораба 25°, 35° и 45° [58] корабна антена с височина 15 метра, съгласно формула 2.25 има приведени височини показани на таблица 4.2.

При анализа на резултатите получени в табл. 4.2 се установяват две последствия: първо реалната височина на корабната антена намалява и второ според условие 2.26 при височина на морските вълни над 6 метра радиовръзката е неудовлетворителна, тъй като трасето периодично се закрива от морските вълни т.е. няма пряка видимост. При останалите случаи се скъсява дистанцията на пряка видимост и съответно интерференционната зона на радио трасето. Височината на приемната антена не се коригира тъй като тя се намира на сушата и не изпитва въздействието на морското вълнение.

За отсраняване на влиянието на бавните замирания е необходимо да се използва времево разнасяне и пространствено разнасяне.
Таблица 4.2: Коригирани височини на корабната УКВ антена в зависимост от височината на морските вълни при крен на кораба 25°, 35° и 45°.

При решаване на втората част на задачата са получените резултати за напрегнатостта на електромагнитното поле в точката на приемане са показани на таблици 4.7 и 4.8.

№	Дистанция -	Изчислена стойност на напрегнатостта електромагнитното поле,
1.	6,45	0,82
2.	16,66	0,12
3.	22,13	0,07
4.	25,20	0,054
5.	26,41	0,048
6.	32,92	0,046
7.	44,98	0,033
8.	46,54	0,031
9.	48,73	0.029

Таблица 4.5: Изчислени стойности на напрегнатостта на полето в точката на приемане за Морско радиотрасе.

№	Дистанция -	Изчислена стойност на напрегнатостта електромагнитното поле,
1	8,95	0,46
2	9,95	0,35
3	11,05	0,29
4	11,58	0,27
5	12,30	0,25
6	14,12	0,19
7	14,40	0,18
8	15,21	0,14
9	16,66	0,13
10	17,87	0,12
11	19,14	0,10
12	20,21	0,09
13	21,73	0,08
14	23,16	0,07
15	24,29	0,06
16	25,57	0,0595
17	27,86	0,055
18	28,15	0,054
19	29,40	0,052
20	31,05	0,049
21	32,52	0,047
22	32,54	0,047
23	35,06	0,044
24	36,41	0,042
25	38,15	0,040
26	39,29	0,039
27	40,73	0,037
28	41,76	0,036
29	43,38	0,035
30	45,20	0,034
31	45,99	0,033
32	47,42	0,032
33	48,85	0,031
34	50,88	0,030
35	51,62	0,0295