Вердуин Я. и др. Справочник по радиоконтролю

Подождите немного. Документ загружается.

- 509 -

Глава 6

Аэрофотосъемка становится все более важным источником данных для составления цифровой модели

возвышений (ЦМВ) с высоким разрешением; она широко применяется в обычном картографировании.

Аэрофотосъемка особенно полезна при разрешающих способностях и точности, лежащих за

пределами возможностей бортовых спутниковых датчиков, доступных в настоящее время

пользователям гражданского сектора. Исходной точкой считаются аэрофотографии с масштабами

обычно от 1:10 000 до 1:30 000. Значительное перекрытие соседних кадров аэрофотосъемки по

местности позволяет получать стереопары изображений. Эти фотографии преобразуются в цифровую

форму с использованием высокоточных сканеров с целью получения цифровых изображений с

разрешающей способностью от нескольких дециметров до 1 или 2 метров. Такое изображение

далее может быть обработано на цифровой технологической линии для получения на выходе

фотопродукции широкого диапазона от ортогональных фотографий, ЦММ, ЦМВ; данных о застройке

и до карт землепользования и векторной информации. Главным недостатком этих фотографий

является их низкая доступность. На многие регионы, представляющие интерес, современные

аэрофотоснимки просто отсутствуют, и поэтому они часто рассматриваются как засекреченные.

Кроме того, площадь поверхности земли, перекрываемая каждым кадром аэрофотосъемки,

относительно мала, и пользователь как правило вынужден покупать и обрабатывать большое

количество фотографий, что значительно увеличивает проектные расходы.

Процесс лазерного сканирования позволяет создавать ЦМВ с высокой степенью автоматизации.

Система лазерного сканирования устанавливается на самолете и включает в себя дифференциальную

глобальную систему определения положения (GPS), а также инерциальную систему измерения

ускорения и изменения ориентации платформы датчика. Это оборудование позволяет определять

траекторию самолета с точностью около 2 см. Рабочая система лазерного сканирования

гарантированно обеспечивает очень высокую точность измерения расстояния (точность 1 см) между

платформой и конкретным объектом или поверхностью Земли, соответственно; используя таким

образом принцип измерения коэффициента отражения лазерного импульса. Поэтому интеграция трех

датчиков позволяет осуществлять измерения поверхности для конкретной местности с высокой

точностью.

В табл. 6-7 приводится краткий обзор различных источников данных и разрешающей способности

по горизонтали, которая может быть получена при использовании соответствующего источника

данных.

ТАБЛИЦА 6-7

Краткий обзор различных источников данных

Источник данных Тип данных Достижимое разрешение

Дорожная карта 2–100 м Карты на бумаге

Масштаб: 1:20 000–1:500 000

ЦММ, местные помехи 10–200 м

Изображение 1–50 м Изображения со спутников

ЦМВ, местные помехи 5–50 м

Фотография 0,5–5 м Аэрофотосъемка

ЦМВ, застройка,

местные помехи

1–5 м

Фотография 0,5–5 м Лазерное сканирование

ЦМВ, застройка,

местные помехи

1–5 м

- 510 -

Глава 6

6.2.3 Типы данных на цифровых картах

Для конкретных диапазонов частот и служб имеются различные модели распространения радиоволн,

которые существенно отличаются одна от другой по своей сложности; более подробную информацию по

распространению радиоволн можно найти в разделе 6.4. Большое влияние на распространение

электромагнитных волн оказывают поверхность Земли и атмосфера. В зависимости от выбранной

модели для моделирования свойств поверхности Земли в ходе вычислений используют различные типы

данных:

– географические карты, дорожные карты и справочные фотографии земной поверхности;

– цифровую модель местности (ЦММ);

– данные о застройке и цифровую модель возвышений (ЦМВ);

– данные о местных помехах;

– цифровая карта мира МСЭ (IDWM).

Такие данные должны служить справочным топографическим материалом, как и обычные цифровые

карты, с помощью подходящей картографической системы координат. Эти сведения включены в

географическую информационную систему (ГИС) в качестве конкретных уровней для визуализации

соответствующих характеристик поверхности Земли и для обеспечения доступа к данным для расчетов

распространения радиоволн.

Проведение семинара по вопросам картографических данных дает возможность самой администрации

организовать выпуск цифровых карт для системы контроля и управления использованием спектра и

интегрировать эти карты в систему. Семинары могут быть также использованы для производства или

обновления таких картографических данных.

Как правило, большая часть таких цифровых данных местности доступна в двух форматах данных:

– Векторные данные (линейные данные): Географическая информация хранится в виде

многоугольников, которые соответствуют топологии линейных элементов местности (дороги,

железные дороги, контурные линии и т. д.) или границ районов подобной топологии

(политические границы, контуры озер, городов, лесов). Эта географическая информация может

быть дополнена информацией о численности жителей, их доходах и возрастных категориях,

названиями улиц или городов. Информация, сохраненная в векторных данных вообще требует

меньшего объема памяти на жестком диске, чем растровые данные. С другой стороны,

требуется больше времени на то, чтобы получить информацию относительно какой-либо

определенной точки, например, точной высоты местности в пункте, который расположен между

несколькими контурными линиями. Высота этой местности сначала должна быть

интерполирована по смежным контурным линиям. Для получения требуемых данных возможно

добавление уровней информации.

– Растровые данные (данные с координатной привязкой): Зона разделяется на равные

прямоугольники некоторого размера. Размер этих прямоугольников называется

разрешающей способностью по горизонтали. Для каждого из этих прямоугольников

сохраняется один вид информации. Это может быть высота местности, класс местных помех,

численность жителей, проживающих на площади этого прямоугольника или просто графическая

информация с фотографии или отсканированной бумажной карты. Если требуется сохранить

больше одного элемента информации для всей зоны, то на каждый класс информации

необходимо выработать растровый уровень. Растровые данные вообще нуждаются в большем

объеме памяти на жестком диске, чем та же самая информация в векторном формате.

Преимуществом растровых данных является возможность очень быстрого доступа к каждой

точке растра. Такое изображение напоминает карту, но позволяет изменять масштаб

изображения информации (для чтения наименований, названий рек).

- 511 -

Глава 6

Общие форматы обмена данными для векторных и растровых файлов данных перечислены

в табл. 6-8.

ТАБЛИЦА 6-8

Общие форматы обмена данными для векторных и растровых файлов данных

Тип данных Общие форматы файлов

Векторные данные AutoCAD DXF / DWG, Esri ArcInfo E00, Esri ArcView Shape, MapInfo

TAB, MapInfo MIF / MID (Формат экспорта ASCII), Микростанция

DGN, SDTS, TIGER, VPF

Растровые данные – форматы

изображения

BMP, GIF, JPG, TIFF, GeoTIFF

Растровые данные – форматы данных

о местности

Сетка ASCII, координаты ХY ASCII, BIL, BIP, BSQ, DTED,

Обобщенный двоичный ESRI, Planet

6.2.3.1 Политические карты, дорожные карты и справочные фотографии местности

Политические карты и дорожные карты могут использоваться для отображения позиции объекта,

зон покрытия и направления диаграмм направленности излучений передатчиков или станций

контроля. Политические карты обычно отображают расположение передающих станций и станций

контроля для больших районов. Дорожные карты с различной разрешающей способностью могут

помочь определить местоположение известных и неизвестных передающих станций.

Аэрофотоснимки или изображения, полученные со спутников, дают современный вид

представляющего интерес района и помогают опознавать зоны отражений или препятствия.

(Следует отметить, что некоторые дорожные карты для наглядности допускают смещение

местоположения отображенных объектов от истинных географических координат).

6.2.3.2 Цифровая модель местности

Цифровая модель местности (ЦММ) отображает поверхность Земли в растровом или векторном

формате, представляя значение высоты каждой точки поверхности рассматриваемого района над

средним уровнем моря (AMSL). Высоты зданий, деревьев или других топографических элементов

над поверхностью Земли в ЦММ не включаются. Разрешение ЦММ задается разрешением в

направлении координат ХY и разрешением высоты точки. Требуемая разрешающая способность

определяется дальностью действия: зависит от рассматриваемой полосы частот, мощности,

представляющего интерес района, изучаемых служб и используемых моделей распространения.

Типичные разрешения карт лежат в диапазоне между 1 км в горизонтальном направлении, в

сочетании с разрешением 100 м по высоте, и 1 м в направлении координат ХY, а также разрешением

0,1 м по вертикали. Использование очень сложных моделей распространения электромагнитных

волн и РЧ планирование микроячеек требуют еще более высокой точности, которая сегодня пока

недоступна. Хорошую разрешающую способность для обычного технического анализа имеет карта

с минимальным элементом изображения (пиксел) в 100 м

и вертикальным разрешением 10 м. На

рис. 6-2 представлено цифровое отображение местности без строений, деревьев и т. д.

- 512 -

Глава 6

РИСУНОК 6-2

ЦММ: поверхность Земли без строений, деревьев и т. д.

6.2.3.3 Данные о строениях и цифровая модель возвышений

Данные о строениях обычно добавляют высоту застройки к поверхности Земли, однако, только в тех

местах, где строения должны находиться. Информация о строениях часто используется для проверок

линий прямой видимости при планировании микроволновых линий связи и линий связи пункта со

многими пунктами (Р-МР). Типовые разрешающие способности в этом случае находятся в диапазоне

от 1 м до 10 м, но не превышают размеров самих объектов.

Данные о строениях хранятся в растровом формате или в векторном формате. Векторный формат

предпочтительнее использовать для трехмерного моделирования городских зон. По сравнению с

растровыми данными, векторные данные могут включать больше деталей, таких как крыши зданий.

Эта информация нуждается в более частом обновлении, чем та, которая касается только ЦММ, так

как строения и их высоты меняются чаще, чем уровень земной поверхности относительно среднего

уровня моря.

Такая цифровая модель возвышений (ЦВМ), называемая также "цифровой городской моделью"

(ЦГМ) или "данными для микросотового моделирования", объединяет ЦММ с данными о

строениях. Она показывает поверхность земли плюс высоту строений. При этом, помимо

строений, отображается также высота земной поверхности. Модели ЦМВ используются для целей

планирования микроволновых, микросотовых линий связи и линий связи Р-МР, а инструментальные

средства осуществляют проверки линий прямой видимости и вычисления напряженности поля.

Типовые значения разрешающих способностей ЦМВ находятся в пределах между 1 м и 25 м.

На рис. 6-3 показаны данные о строениях: земная поверхность плюс высота строений.

ЦММ

- 513 -

Глава 6

РИСУНОК 6-3

ЦМВ: земная поверхность плюс высота строений

6.2.3.4 Данные о местных помехах

Данные о местных помехах (clutter data), называемые также землепользованием, морфологией,

покрытием участка земли или данными о занятости участков земной поверхности, содержат

информацию по классификации элементов местных помех (классификация МСЭ-R), таких как

открытая поверхность для добычи полезных ископаемых, поля или обрабатываемая земля, лес,

водные бассейны, плотно застроенные городские районы, городские районы с низкой плотностью

застройки или городские районы со смешанной плотностью застройки. Такую информацию можно

было бы представлять в векторном выражении (представляя в виде многоугольников поверхности

объектов одного и того же класса: например, контуры озер, лесов, и городов), а растровый формат

более удобен для использования в моделях распространения радиоволн. В последнем случае, карта

данных о местных помехах предоставляет любую качественную информацию относительно любого

объекта (например, город, пригород, лес, вода), который находится в каждом пикселе карты, или

даже выдает количественные значения типа плотности растительного покрова или плотности

застройки и/или высоты. Модели распространения радиоволн могут использовать эти карты с

данными о местных помехах. Некоторые модели прогнозирования напряженности поля, такие

как модель Окумура-Хаты, для повышения точности прогнозов нуждаются в данных о местных

помехах в дополнение к ЦММ. Типовая разрешающая способность для карт с данными о местных

помехах находится между 20 м и 500 м.

6.2.3.5 Цифровая карта мира МСЭ

Цифровая карта мира МСЭ (IDWM) была разработана для целей интеграции необходимых

географических, политических, метеорологических и технических данных, которые зависят от

географических координат пунктов и зон. Информация этой карты может быть очень полезна при

решении широкого диапазона задач, связанных с расчетами. Карта IDWM состоит из двух частей:

базы данных IDWM и библиотеки стандартных подпрограмм IDWM.

База данных IDWM содержит следующую информацию: географические данные (такие как

береговые линии, моря, острова и озера), политические данные (такие как границы стран и

регионов), метеорологические данные для климатических дождевых зон и технические данные, такие

как зоны проводимости почв и зоны шумов.

Строения ЦМВ

- 514 -

Глава 6

Кроме того, карта IDWM предоставляет библиотеку стандартных подпрограмм, предлагающую

большой набор функций, позволяющих полностью использовать возможности вышеуказанной базы

данных, такие как определение региона, страны, климатической дождевой зоны и т. д. для конкретного

пункта, вычисление расстояния от данной точки до побережья, границы страны и т. д. для заданного

азимута, вычисление расстояний и азимута от заданной точки до самой ближайшей точки побережья,

ближайшего пограничного пункта страны и т. д. и ряд других функций.

База данных IDWM включена в большинство пакетов программного обеспечения, предлагаемых МСЭ.

6.2.4 Разрешающие способности карт для вычислений по распространению радиоволн

Требуемая разрешающая способность уровней данных всех типов карт для вычислений по

распространению радиоволн зависит от следующих параметров:

– местности;

– частоты излучения и мощности, которые определяют дальность работы;

– типа службы.

Разрешающая способность отображения деталей на карте должна быть достаточной, чтобы учитывать

существенные изменения характера местности. Иначе существует риск потерять важные данные, которые

могут привести к совершенно неправильным результатам расчетов. Уровень детализации изменений

отображаемых деталей на карте, который требуется для конкретных вычислений, в значительной мере

зависит от длины волны излучения. На практике детали, размеры которых меньше длины излучаемой

волны, не оказывают существенного влияния на излучение. В табл. 6-9 предлагается беглый обзор

значений разрешающей способности карт, требуемых при вычислениях для различных диапазонов

частот. Профиль местности наиболее важно учитывать на частотах выше ВЧ.

На частотах от 5 до 10 ГГц при отсутствии прямой видимости (LOS) между излучателем и приемником

сигнал отсутствует; в этом случае при расчете принимаемого сигнала более важным фактором будет

точность ЦММ, чем используемые модели распространения.

ТАБЛИЦА 6-9

Разрешающие способности карт для различных диапазонов частот

Диапазон Полоса

частот

Длина волны Приблизительная

дальность излучения

Предлагаемое

разрешение

отображения

на карте

ОНЧ 3–30 кГц 100 000–10 000 м несколько тысяч км 1 км

НЧ 30–300 кГц 10 000–1000 м несколько тысяч км 1 км

СЧ 0,3–3 МГц 1000–100 м более 1000 км 1 км

ВЧ 3–30 МГц 100–10 м более 1000 км 1 км

ОВЧ 30–300 МГц 10–1 м до 1000 км ~l км

УВЧ 0,3–3 ГГц 1–0,1 м до 100 км ~100 м

СВЧ 3–30 ГГц 0,1–0,01 м до 30 км ~10 м

КВЧ 30–300 ГГц 0,01–0,001 м до 20 км

~l м

- 515 -

Глава 6

6.2.5 Системы координат

Для определения карт, представляющих интерес для управления использованием спектра и его

контроля, используются две системы координат.

Сферические координаты используются для определения карт, на которых делаются попытки

отобразить сферическую поверхность Земли на плоских листах бумаги. Линии широты и долготы

применяются в самых обычных системах координат и они "проецируют" сферическую поверхность на

плоскую поверхность карт, используя различные виды проекций для получения различных результатов.

Относительно сферических систем координат:

Основные вопросы, которые должны решать применения системы ГИС, касаются объектов и явлений на

поверхности Земли, в ее атмосфере и недрах. Для изучения взаимосвязи между этими объектами

необходимо знать их точное местоположение на карте, а так же привязку по отношению к поверхности

Земли. Следовательно, необходимо найти методику, позволяющую отобразить часть трехмерной

поверхности Земли на двухмерной карте.

Основным является следующий подход: Во-первых, сферу или эллипсоид аппроксимируют к истинной

форме Земли. Ее форма и ориентация в пространстве описываются так называемыми геодезическими

данными. Во-вторых, часть такого трехмерного объекта должна быть помещена на двухмерную

плоскость, обычно называемую картой. Это преобразование выполняется с помощью картографической

проекции. Картографическая проекция вместе с указанными геодезическими данными формирует

систему координат, которая полностью описывает законченную процедуру.

При использовании различных эллипсоидальных моделей Земли применяются разные картографические

системы координат для определения географических позиций объектов на картах. Как правило, эти

проекции бывают пригодны только для ограниченной площади поверхности Земли.

Во многих случаях, оператор станции контроля имеет возможность выбирать из нескольких типов

карт с различными системами координат (UTM, Ламберта, Меркатора и т. д.) в пределах его системы

контроля. Система ГИС должна заменить все различные системы координат. Обычно она выполняет

эту функцию, используя только одну внутреннюю систему отсчета координат, а все прочие

координатные системы преобразует в нее. Этот автоматический механизм позволяет оператору

использовать разные карты, не обращая внимания на применяемые в них различные системы координат.

Прямоугольная система координат часто используется для относительно малых зон из-за простоты

нанесения данных на карту и вычислений (например, расстояния между объектами). При этом

погрешности из-за допуска, что поверхность Земли плоская, допустимо малы.

Внимания требует перенос данных о местоположении объектов между картами, использующими

различные системы координат.

Имеется ряд справочных материалов, которые дают четкое описание этих и других важных

картографических проекций. Указанные ниже ссылки предоставляют подробные графические

описания и математические методы, необходимые для интерпретации и преобразования.

- 516 -

Глава 6

Ссылки

GLOBE [2001] Version 1.0 database is available from NOAA National Data Centres via the Web page:

http://www.ngdc.noaa.gov/seg/topo/globe.html

Литература

SNYDER, J. P. [1982] Map projections Used by the U.S. Geographical Survey. U.S. Geological Survey Bulletin

1532, United States Government Printing Office, Washington, United States of America.

SNYDER, J. P. [1987] Map Projections, A Working Manual. U.S. Geological Survey Professional Paper 1395, United

States Government Printing Office, Washington, United States of America.

Institut Géographique National, 135 bis rue de Grenelle, Paris, France, http://www.ign.fr

Рекомендации и Резолюции МСЭ-R

ПРИМЕЧАНИЕ. – В каждом случае следует использовать последнее издание Рекомендаций.

Рекомендация МСЭ-R P.1058 – Цифровые базы топографических данных, используемые при исследовании

распространения радиоволн.

Резолюция МСЭ-R 40 – Всемирные базы данных по высотам рельефа местности и особенностям поверхности

Земли.

- 517 -

Глава 6

6.3 Расчеты эквивалентной изотропно излучаемой мощности (э.и.и.м.)

Стр.

6.3 Расчеты эквивалентной изотропно излучаемой мощности (э.и.и.м.)........................ 518

6.3.1 Введение и определение э.и.и.м.................................................................................... 518

6.3.2 Оценка э.и.и.м. с использованием контрольных измерений...................................... 519

6.3.2.1 Расчет э.и.и.м. по принятой мощности......................................................................... 519

6.3.3 Сравнение измеренных и расчетных данных .............................................................. 521

6.3.4 Сравнение прогнозируемых и измеренных уровней напряженности поля в ЧМ

радиовещании ................................................................................................................. 521

6.3.4.1 Программное обеспечение и базы данных планирования.......................................... 521

6.3.4.2 Прогнозируемая напряженность поля от удаленных станций контроля .................. 522

6.3.4.3 Уровни сигналов, измеренные на удаленных станциях контроля............................. 522

6.3.4.4 Сравнение прогнозируемых и измеренных уровней .................................................. 522

6.3.4.5 Влияние распространения радиоволн........................................................................... 523

- 518 -

Глава 6

6.3 Расчеты эквивалентной изотропно излучаемой мощности (э.и.и.м.)

6.3.1 Введение и определение э.и.и.м.

Э.и.и.м. является важным параметром передатчика, значение которого требуется при определении

зоны покрытия и рабочего радиуса действия; зоны РЧ помех для других приемников; РЧ опасности

для персонала, радиоуправляемых самолетов, складов вооружения и горючего. Таким образом,

важно, чтобы станция контроля была в состоянии оценивать э.и.и.м. передатчика. Необходимо

также рассчитывать уровень мощности передатчика, для того чтобы сравнивать реально

излучаемую энергию с указанными в лицензии данными: максимальной разрешенной мощностью и

коэффициентом усиления антенны. Вычисление э.и.и.м. требуется при контроле излучений

космического аппарата (см. § 5.1.2.4). Согласно п. 1.161 Регламента радиосвязи:

“эквивалентная изотропно излучаемая мощность (э.и.и.м.): Произведение мощности, подводимой к

антенне, на коэффициент усиления этой антенны в заданном направлении относительно изотропной

антенны (абсолютный или изотропный коэффициент усиления).”

Э.и.и.м. может быть рассчитана по следующей формуле:

э.и.и.м. = P

+ G

– L, дБм (6-1)

где:

: выходная мощность передатчика (дБм)

: коэффициент усиления передающей антенны в направлении приемника, (дБ)

относительно изотропной антенны (дБи)

L: потери в линии и согласующих элементах.

В случае всенаправленной передающей антенны э.и.и.м. однородна во всех направлениях. Но для

направленной антенны ее величина зависит, как правило, и от азимута, и от угла места. В том

случае, когда э.и.и.м. считается не зависящей от направления, берется максимальная величина.

ПРИМЕЧАНИЕ. – В этой же области применения часто используется аналогичный термин, называемый э.и.м.

(эффективная излучаемая мощность). Согласно п. 1.162 Регламента радиосвязи:

“эффективно излучаемая мощность (э.и.м.) (в данном направлении): Произведение мощности, подводимой к

антенне, на ее коэффициент усиления относительно полуволнового диполя в заданном направлении.”

Данный термин часто применяется при измерениях ЭМС, когда испытываемое оборудование (EUT),

излучение которого было измерено с помощью измерительной антенны и приемника, заменяется

полуволновым симметричным вибратором и генератором сигналов, выходная мощность которого

регулируется таким образом, чтобы на дисплее измерительного приемника было то же показание, что и

в случае EUT. Мощность на входе полуволнового симметричного вибратора – это э.и.м., подлежащая

измерению.

Обычно э.и.м. и э.и.и.м. связаны соотношением:

э.и.и.м. = э.и.м. + 2,1 дБ (6-2)