Тропосферная связь

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. Согласно терминологии FS-1037C понятие включает:

• Распространение радиоволн, произведённое эффектами атмосферы.
• Метод загоризонтной связи частотами 350..8400 МГц.

Принцип действия

Объяснение механизма отражения/преломления отсутствует. Учёные выработали набор концепций, призванных выявить принцип действия. Одной из теорий проповедуется явление переизлучения волны. Тропосферой именуют слой воздуха, занимающий область в пределах 10 км от Земли. Индекс преломления определяют погодные факторы:

1. Влажность.
2. Температура.
3. Плотность масс.

Индекс преломления снижается линейно с ростом высоты. Замечательные условия передаче создают медленно поднимающиеся влажные массы – картина, характерная для водных поверхностей. Механизм возникновения доныне изучается, методики предсказания отсутствуют. Атмосфера содержит набор газов, паров воды. Совместный вклад предопределяет условия гашения мощности сигнала. Пики поглощения:

1. 22 ГГц – водный резонанс.
2. 60 ГГц – воздушный резонанс.
3. Осадки блокируют передачу частот выше 10 ГГц.

Действие тропосферной связи

Побочным продуктом затухания является снижение взаимной интерференции вышек сотовых операторов. Преимуществами технологии называют простоту развёртывания станций, большую информационную плотность каналов. Недостаток очевиден – неэффективное использование подводимой мощности. Преодолеть замирания призван разнесённый приём, задействующий следующие физические величины:

1. Частота.
2. Время.
3. Угол прихода.
4. Пространство.

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.

Рекорды дальности

Особенности распространения сделали возможными своеобразные рекорды:

• 18 октября 1975 года Рийн Мунтьеверф (Нидерланды) уловил шведский канал ДМВ Е34 (Паяла), осуществив самый дальний приём (1851 км).
• 13 июня 1989 года житель Кеаау (Гавайи) отыскал сигнал FM, переданный радиолинией Тихуаны (Мексика). Дальность составила 4081 км.
• 90-е напролёт Фернандо Гарсиа, житель области близ Монтерея (Мексика), неустанно ловил передачи станций, отделённых расстоянием свыше 1600 км. Эксперты объясняют удачливость экспериментатора особо удачной конфигурацией атмосферы, сформированной Мексиканским заливом.
• 11 мая 2003 года Джефф Кружка, уроженец южной Луизианы, наслаждался приёмом ДМВ-сигнала телевидения. Средства вещания находились за 1000 км. Рекордная дальность – приём Голдсборо (Северная Каролина).
• 9 декабря 2004 года поляк Масей Луговский смотрел 37-й канал ДМВ Файв лондонской станции и 46-й ВВС2, передаваемый Блубелл Хилл (Гура-Кальвария, близ Варшавы).
• В ночь 19-20 июня 2007 года радиолюбители восточного Массачусетса, Джем Леманн, Кейт МкГиннс, Рой Бартстоу, приняли FM-сигнал южной Флориды (удалённость 1931 км).
• 3 декабря 2007 года болгарский исследователь (FMDXBG) поймал Радио Милитайск на восточном склоне Рилы.
• 17 декабря 2007 года поляк Масей Луговский (Гура-Кальвария) зафиксировал сигнал радио ВВС Шотландии (Оркнейские острова) на частоте 93,7 МГц. Волна, преодолевшая два моря (Балтийское, Северное), простояла 2 дня. Декабрь 2007, как особо благоприятный, отметили многие энтузиасты.
• 27-28 сентября 2017 года любители северо-восточной Европы наблюдали необычно дальний приём ДМВ. Рекорд (1798 км) зафиксирован в Томачов Мажовики (Польша).

Полный список достижений любителей Северной Америки ведёт ассоциация ARRL (arrl.org/distance-records).

История

Паразитные отклики импульсов радиолокационных станций были замечены персоналом войск союзников во времена Второй мировой войны. Феномен подвергли исследованию. Наблюдения бойцов стали базисом создания тропосферной радиосвязи.

Явление начали использовать военные (50-е годы). Технология частично вытеснена спутниковой радиосвязью (70-е). Учёные установили превосходное взаимодействие меж излучением и атмосферными парами влаги. Передача волн 2 ГГц обеспечивает наилучшее соотношение сигнал/шум. Методика обеспечивает превосходную защищённость связи ввиду узкой направленности луча. Особенно хороши островные связные вышки, окружённые гладью океана.

Сосновая и среднеканадская линии обороны

Военные успехи СССР заставили тандем США-Канада искать спасения. Планы строили уже в 1946 году. Проведённые калькуляции показывали неумолимый факт: технологии, созданные Второй мировой войной, непомерно дорогие. Тогда союзники начали решать первостепенные задачи:

1. Канада оборудовала систему ПВО Онтарио, Квебека.
2. США укрепило линию восточного побережья, заставив средний запад страны играть роль дублёра.

Успешный взрыв атомной бомбы СССР кардинально изменил планы. В 1949 году Конгресс пожаловал 161 млн долларов, оснастив радарами южные области Канады, создав непрерывную линию радаров. Тестовый запуск произвели в январе 1951 года. 33 главные станции оказались удачнее, нежели предполагали. Большая часть заняла 53-ю параллель на западе и 50-ю – на востоке Канады. 1 января 1955 года началась эксплуатация радаров военными.

Вновь созданная сосновая линия немедленно продемонстрировала ряд проблем. Импульсные радары неспособны обнаружить низко летящие мишени, а реактивные бомбардировщики СССР оказались чересчур быстрыми. Внедрение цифровых вычислителей SAGE вдвое разгрузило станции обзора. Исследования 1951 года снабдили Департамент обороны техникой, учитывающей эффект Допплера. Новинки стали базисом воздвижения линии Средней Канады.

В феврале 1953 года военная группа США – Канада подняла вопрос об усилении ПВО. Предполагалось использовать радиолокационные станции кругового обзора с разнесёнными приёмниками. Ветка заняла 55-ю параллель, соединив заливы Джеймса и Хадсона. Тропосферную технологию, призванную связать удалённые центры управления с радарными пунктами, разработала CARDE – ведущая военная исследовательская организация Канады. Попутно начали возводить линию Дью.

Линия Дью

Отдельные источники эволюционно первой – совершенно неправильно – называют исторически третью систему радаров арктической области Канады (1954), призванной остановить советские бомбардировщики. В широком смысле обязанную упредить также морскую, наземную агрессию. Линия Дью протянулась вдоль северного побережья, захватив Алеутские острова, Аляску, Фарерские острова, Гренландию, Исландию.

Достижения советской промышленности выявили неадекватность ранее построенных сооружений. 15 февраля 1954 года двустороннее соглашение Канады, США предусматривало организацию совместного возведения очередной линии. Оборона времён Холодной войны образована тремя ярусами (помимо линии самой мощной Дью):

1. Сосновая линия (см. ниже) Ньюфаундленд – Остров Ванкувер.
2. Линия средней Канады (см. ниже) 55-й параллели (Северная широта) содержала самые современные станции наблюдения воздушной обстановки.

В декабре начались подготовительные работы. Линия 63 получила статус рабочей в 1957 году. 55-ю параллель закрыли в 60-е, большую часть сосновой линии отдали гражданской промышленности. Практические результаты расстроили военных: отражённые стаями полярных птиц сигналы перегружали экраны пунктов управления. Второй проблемой называли нехватку времени, недостаточность периода подготовки контратаки. Линия Дью в полной мере наследовала указанные недостатки, будучи сформирована типичными станциями обзора, бессильными охарактеризовать воздушные объекты.

Однако значительное удаление по направлению к Северному полюсу окупало выявленные дефекты линии обороны. Тактические учения показали возможность перехвата агрессии. Ракетами занималась Система раннего баллистического предупреждения (1958).

Отрабатывая условия Шамротского саммита, тандем США-Канада преобразовал часть линии Дью, реализуя новый проект Северной системы предупреждения. На 1988 год значительная доля станций закрыта, некоторые – модернизированы. Официально конгломерат переименован 15 июля 1993 года.

Причины, толкнувшие американцев осваивать Арктику, просты: кратчайший путь воздушных атак СССР проходит близ Северного полюса. Созданное после Второй мировой войны ядерное оружие заставляло опасаться атомного удара. Линия Дью довершила образование кромки области, контролируемой компьютеризированной военной оборонной системой SAGE, сформированной центрами управления Колорадо, Шайенского горного комплекса, NORAD. Использование радиолокационной техники близко структурой приёмопередающих антенн к локации.

Это интересно! Американские спутники-шпионы времён Холодной войны искали место трансляции луча, совершая перехват переговоров советской стороны.

Изначально использовали 2 типа антенн:

1. Синфазная многовибраторная с плоским отражателем.
2. Параболическая (тарелка).

Передающие системы снабжали настоящим роем. Антенны дублировали информацию, используя диверсификацию. Итоговое время прохождения сообщения могло составить 3 минуты. Поляризационная диверсификация предполагала использование двух тарелок, разнесённых территориально, дополненных сообразно подобранными облучателями. Сигналы всех направлений собирались приёмной стороной, комбинировались, учитывая фазовый сдвиг, обусловленный различной длиной прохождения волны. Избыточность числа аналоговых каналов (4) помогала исправить ошибки.

Размеры рефлекторов поистине огромны – 9..36 метров. Мощность усилителей – 1..50 кВт. Комплект НТВ+ потребляет намного меньше энергии. Первые аналоговые системы передавали несколько голосовых каналов. Сегодня роль тропосферной связи ограничивается сравнительно короткими дистанциями (50..250 км). Параметры линии:

• Типичный размер рефлектора – 1,2..12 м.
• Мощность усилителя – 10..2000 Вт.
• Битрейт – 20 Мбит/с.
• Узкий диапазон частот. Исторически первые системы содержали 32 аналоговых канала шириной 4 кГц каждый. Современные цифровые образцы значительно солиднее, обеспечивают скорость передачи информации 4..16 Мбит/с. Гражданские формации, предшествующие эре спутников, задействовали частоты КВ 3..30 МГц. Североморский Бритиш Телеком (156 аналоговых каналов), обеспечивающий связью нефтяную отрасль, покрывал ряд островов, прибрежную полосу.

Перечень сконструированных систем

1. ACE High (Европейское командование союзников). Сервис НАТО дециметрового диапазона (832,56..959,28 МГц) ёмкостью 200 каналов, построенный в 1956 году. Образован 82 наземными станциями мощностью до 10 кВт, расположенными на территории 9 стран. Сегодня общеизвестны координаты вышек. Обеспечивал телефонную, телеграфную связь. Упразднён с окончанием Холодной войны. Канал вмещал разговоры 12 абонентов.
2. Бритиш Телеком – транснациональная телекоммуникационная компания с лондонской штаб-квартирой. Покрывает 180 стран. Крупнейший провайдер проводной, мобильной связи, телевидения, интернета Великобритании. Истоки предприятия восходят к Электрической телеграфной компании (1846).
3. Немецкие порождения Холодной войны: Торфхаус-Берлин, Кленце-Берлин.
4. Португал Телеком – крупнейший провайдер услуг связи Португалии. 2 июня 2015 года передан во владение Артикл Груп.
5. СNT (Канадская телекоммуникационная компания) обслуживает несколько линий, объединяющих удалённые регионы:
   • Цигетчик – Галена.
   • Хей-Ривер – Порт-Радиум – Леди Франклин Пойнт.
6. Наследие Холодной Войны – ветка Куба (Гуанабо) – Флорида (Флорида).
7. Корпорация AT&T – американская телекоммуникационная корпорация. Обслуживает линию Чэтхэм Кантри (Северная Каролина) – Букингем (Вирджиния) – Шарлотсвиль (Вирджиния) – Лисбург (Вирджиния) – Хейгерстаун (Мэриленд).
8. Техасские башни – линия радаров времён Холодной войны, избравшая местом базирования нефтяные платформы. 12 сентября 1960 года ураган Донна причинил серьёзные повреждения башне 4, сорвав соединительный мост. Эвакуацию отложили, опасаясь захвата секретной документации, оборудования СССР. Январский шторм утопил сооружение. Пришедшие спасательные корабли беспомощно наблюдали гибель станции, унёсшей жизни 28 гражданских, военных. Посланные водолазы вернулись ни с чем. Деятельность остальных вышек существенно модернизировали.
9. MCL (Линия средней Канады) – набор 5 станций провинций Онтарио, Квебек, окружающих бухту Хадсона. Часть оборонной отрасли стран материка. Центральное ядро объединено ветками тропосферной связи. Построена параллельно европейской ACE, работа прекращена в 1965 году.
10. Сосновая линия США – Канада. 14 станций, оккупировавших восточное побережье: Фробишер Бэй – остров Баффина – Сент-Джонс. Часть оборонной сети.
11. Линия Дью – внешняя линия противовоздушной защиты.
12. Центра обучения Дью. Тренировочная линия Пекатоника – Стритор (Иллинойс).

White Alice

Белая Элис (1955 — начало работ, 1958 — начало эксплуатации) – грандиозная система времён Холодной войны, образованная сетью 80 станций, диапазона 900 МГц. Система дублирования сообщений двойная:

1. Частотная.
2. Пространственная.

Передача обеспечивалась парами тарелок диаметром 18 (10 кВт) и 37 (50 кВт) метров, нацеленными в небо. Малая дальность покрывалась 9-метровыми параболоидами (1 кВт). Синфазные групповые антенны направляли ощутимо ниже, почти касаясь горизонта. Волны отражались слоями тропопаузы, достигая удалённых точек приёма. Дублирование предусматривало компенсацию атмосферных изменений, обеспечивая непрерывность связи. Частотное деление предусматривало передачу параллельно двух длин волн каждой тарелкой. В итоге системы, содержащие пару антенн, называли четырёхкратным дублированием сообщения (диверсификация).

14 тонн оборудования перевозили собачьими упряжками, вертолётами. Задачей вышек было объединение разрозненных удалённых участков обороны: линия Дью, Система раннего баллистического предупреждения, Контроль и упреждение воздушных объектов. Вышка обслуживалась бригадой (20 человек) технического персонала, потребляя 120-180 кВт мощности. Типичный передатчик составлен четырьмя параболоидами, сгруппированными парами, направленными противоположно. Линия вмещала 132 аналоговых канала.

После внедрения система служила 20 лет, к концу 70-х часть ресурсов передали гражданским. Последняя точка закрыта в январе 1985 года. Акты вандализма, хищения заставили Департамент обороны вывезти оборудование. Демонтаж окончился в нулевых годах XXI века. Министерство охраны окружающей среды было обеспокоено утечками топлива, применением ядовитых полихлорированных дифенилов. Деактивация загрязнений местами превысила стоимость начального возведения башен связи.

Вышки обслуживались дизельными генераторами. Горные точки делили пополам. Рабочая смена занимала вахту наверху, группа поддержки обсиживала лагерь у подножия. Эксперты называют затраты стран союзников «непомерными»:

1. Первый этап – 110 млн $ (до инфляции). Хотя предварительный подсчёт дал оценку предстоящих расходов эквивалентную 30 млн. Побочной причиной недооценки считают ошибочную калькуляцию компанией Вестерн Электрик требуемых производственных ресурсов.
2. Развёртывание потребовало вложений 300 млн $.

Сегодня ряд мощностей использован сотовыми операторами. В течение 20 лет поэтапно заменялась спутниковыми линиями. До введения Белой Элис был возможен один телефонный разговор Ном – Фэйрбэнкс одновременно. Акроним Элис остался нерасшифрованным, энтузиасты предлагали собственные варианты.

СССР

Имена разработчиков концепции неизвестны поныне. Тайны Холодной войны возведены в ранг закона СССР. Отечественные источники отдают пальму первенства следующим работникам (НИИ-100 ФГУП НИИ Радио) отрасли:

• Немировский А. С.
• Гусятинский М. А.
• Соколов А. В.
• Троицкий В. Н.
• Шур А. А.

Отечественные историки признают приоритет американо-канадских систем, перечисленных выше. Советская связная аппаратура припоздала (1956). Первоначальный интервал (прыжок) составил 250 км. Разработаны тропосферные станции Лодка (Р-122), Фрегат (Р-121). Правительство подключило красноярское и светловодское КБ. Трудился ряд «гражданских» предприятий. Первой пташкой считают Р-408 Баклан (1961) дециметрового диапазона. Конструкция передавала 12 каналов, занимая 4 автомашины ЗИЛ-157.

Модернизированный вариант Р-408М (1964) снабжался тарелками диаметром 10 м (1 кВт), передавал 24 канала, обеспечивая дальность 150..180 км. Хронология разработок:

1. Р-410 Альбатрос (1967).
2. 1Р-410-7,5 (1968).
3. Р-133 Корвет (1969).
4. Р-412 Торф (1969).
5. Р-410-5,5 (1971).
6. Р-420 Атлет Д (1975).
7. Р-417 Багет-1 (1980).
8. Р-423-1 Бриг-1 (1981).
9. Р-444 Эшелон (1981).
10. Р-444-7,5 Эшелон Д (1984).
11. Р-423-1КФ (1993).

Атлет выпуска 1969 года понравились военным. Техника поддерживала 10 интервалов (прыжков), передавая 12 каналов. Диаметры внешних антенн – 5.5; 7.5; 10 м. Уменьшенные копии (Альбатрос) перемещались автомашинами Урал-375, Зил-131. Мобильные точки составляли цепь передачи информации, будучи расположенными на местах. Некоторые объекты были стационарными. Начиная 1966, велись исследования возможности использования дискретных сигналов.

Конструкция Торф первой применила счетверённый приём (см. выше американские аналоги). Популярность разработки сопоставляют танку Т-34. Порадовал военных Василек (Р-404). Багет-1 являются представителем цифровых устройств.

Сеть опорных станций Барс сдана военным в 1987 году. Очевидной утечкой информации считают покупку Бахрейном одной-единственной станции Р-417. Эксперты считают приобретение замаскированной операцией третьей страны, скрывшей собственные намерения изучить советские достижения.

Современность

Нынешние станции обеспечивают скорость передачи 8..22 Мбит/с, модулируя несущую методом квадратурной фазовой манипуляции. Современные технологии умеют исправить ошибки, используют ортогональное частотное мультиплексирование каналов, устраняя эффект многолучевости. Рабочие частоты:

• 1,7..2,3 ГГц.
• 4,4..5 ГГц.

Достижения техники продолжают использоваться военной промышленностью (сеть Британский Корморант). Эффективность применения тропосферной радиосвязи определяют согласно закону Мура.