ІНФОРМАЦІЙНА ТЕХНОЛОГІЯ ПРОГНОЗУВАННЯ ПОКАЗНИКІВ ЯКОСТІ РАДІОЗВ’ЯЗКУ ІЗ ВИКОРИСТАННЯМ ЗВІТІВ ЗМАГАНЬ З РАДІОСПОРТУ : ИНФОРМАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА РАДИОСВЯЗИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТЧЕТОВ СОРЕВНОВАНИЙ ПО РАДИОСПОРТУ

Короткий опис

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТИТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

На правах рукопису

Мошенський Андрій Олександрович

УДК. 004-047.72:621.39

ІНФОРМАЦІЙНА ТЕХНОЛОГІЯ ПРОГНОЗУВАННЯ ПОКАЗНИКІВ ЯКОСТІ РАДІОЗВ’ЯЗКУ ІЗ ВИКОРИСТАННЯМ ЗВІТІВ ЗМАГАНЬ З РАДІОСПОРТУ

Спеціальність: 05.13.06. – Інформаційні технології

Дисертація на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

                                                                  Науковий керівник

                                                                  Савченко Юлій Григорович

                                                                  доктор технічних наук, професор

Київ-2013

ВСТУП…………………………………………………………………………….6

1. ПРОБЛЕМА ПРОГНОЗУВАННЯ ЗАГАСАННЯ РАДІОХВИЛЬ ГЕКТО-  ТА ДЕКАМЕТРОВОГО ДІАПАЗОНУ НА ІОНОСФЕРНІЙ РАДІОТРАСІ ТА ШЛЯХИ ЇЇ ВИРІШЕННЯ………………………………………………... …….11

1.1 Аналіз даних іоносферної лабораторії ИЗМИРАН ……………………….13

1.2 Аналіз даних п’яти бувших радянських високоточних вимірювальних станцій іоносферного зв’язку…………………………………………………...18

1.3 Спостереження за сигналами широкомовних радіостацій в діапазоні КХ та IBP мережею маяків…………………………………………………………..20

1.4  Робота у WSPR.NET………………………………………………………...24

1.5  Постановка задачі…………………………………………………………...31

2. СТАТИСТИЧНА ОБРОБКА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДАНИХ……..…33

2.1. Формалізована постановка задачі прогнозування………………………..33

2.2 Збір даних підчас міжнародних змагань з радіозв’язку……………….….40

2.3 Формування первинної бази даних ………………………………………...43

2.4 Перевірка первинної бази даних …………………………………………...52

2.5 Моделювання антен ………………………………………………………...59

2.6 Прогнозування як результат комп’ютерної та статистичної обробки експериментальних даних………………………………………………………68

2.7 Кореляційний аналіз…………………………………………………………84

2.8. Регресійний аналіз…………………………………………………………..92

2.9. Образний аналіз……………………………………………………………100

3. ОЦІНКА ФАКТОРІВ ЩО ВПЛИВАЮТЬ НА ПОШИРЕННЯ РАДІОХВИЛЬ ГЕКТО-  ТА ДЕКАМЕТРОВОГО ДІАПАЗОНУ ...………...108

3.1 .Будова навколоземного простору та механізми поширення радіохвиль.

Дослідження іоносфери………………………………………………………..108

3.2. Зміни в іоносфері………………………………………………………….113

3.2.1. Сонячний цикл…………………………………………………………..115

3.2.2.  Сезонні зміни………………………………………………………….117

3.2.3. Зміни із широтою……………………………………………………... 118

3.2.4. Добовий цикл………………………………………………………….119

3.3. Спорадичний шар Еs……………………………………………………...119

3.4. Завмирання сигналів……………………………………………………..  122

3.5. Частотні обмеження просторових хвиль………………………………... 123

3.6. Довжина стрибка …………………………………………………………126

3.7. Шляхи проходження радіохвиль………………………………………….127

3.8. Екрануюча дія шару Е……………………………………………………..129

3.9. Поширення радіохвиль в тропосфері…………………………………...130

3.10. Раптові іоносферні збурення…………………………………………..….131

3.11. Поглинання в області полярних шапок……………………………….....132

3.12. Магнітні бурі…………………………………………………………....133

4.  МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ……………………………………………………………...…136

4.1.  Завади засобам телекомунікацій………………………………………..136

4.1.1 Шуми та завади …………………………………………………………137

4.1.2. Динамічний діапазон…………………………………………………. .140

4.2 Аналіз місцевих радіозавад……………………………………..…….......143

4.3. Вибір місця проведення експерименту……………………………….....145

4.4. Дослідження загасання в радіолінії…………………………………152

4.5. Аналіз та обробка результатів експерименту …………………………..162

4.5.1. Аналіз отриманих результатів………………………………………….162

4.5.2. Обробка результатів експерименту…………………………………….174

ВИСНОВКИ...………………………………………………………………. …179

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ..……………………………………………………….181

ДОДАТКИ...…………………………………………………………………….185

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ І СКОРОЧЕНЬ

AM - двосмугова модуляція з повною несівною (амплітудна модуляція)

АРП - автоматичне регулювання підсилення

АФП - антенно фідерні пристрої

БМ - балансний модулятор

ВЧ - висока частота

ГПД - генератор плавного діапазону

дБм - логарифмічна міра потужності відносно 1 мВт

ДП - двунаправленими підсилювачами

ДС - діаграми спрямованості

ДТЗ - дальній тропосферний зв'язок

ЕМФ - електромеханічний фільтр 

КФ - кварцовий фільтр

КХ - короткі хвилі

МЗЧ - максимально застосовні частоти 

НВЧ - надвисокі частоти

НЧ - низька частота

ОМ - односмугова модуляція з подавленою несівною (ОБП, SSB);

ПНЧ - підсилювач низької частоти

ППЧ - підсилювач проміжної частоти

ПРХ - поширення радіохвиль

ПЧ - проміжна частота

РРП - ручного регулювання посилення

РРЛ - радіорелейна лінія

ССЗ - супутникова система зв’язку

СФ - смуговий фільтр

ТЛГ - амплітудна маніпуляція (телеграф, , CW);

УКХ - ультракороткі хвилі

ФОС - фільтра основної селекції

ЧТ - частотне телеграфування  (радіотелетайп, , RTTY)

Band - діапазон

Call - позивний кореспондента

CW - телеграф

DB1 - динамічний діапазон по блокуванню

DB3 - динамічний діапазон по інтермодуляції

DXCC - країна (місце) розташування кореспондента

F - коефіцієнт шуму приймача

FЕХ - потужності зовнішніх шумів

FRX - коефіцієнт шуму приймача

GMT - час міжнародний

КР - точка компресії (compression point)

PSK – фазова маніпуляція

PTS, MULT – очки, множник

R - розбірливість (reability)

RF - рівень шуму

RFRX - потужності власних шумів приймача

RS - рапорт кореспондента

RST - рапорт кореспондента

RTTY - частотне телеграфування 

S - сила сигналу (straight)

SSB – одно смугова модуляція

T – тон сигналу

Р2 - потужність сигналу на антенних зажимах приймача кореспондента

Ps3 - Рівень потужності власних інтермодуляційних завад третього порядку

W - число Вольфа середнє за добу

WSPR – weak signal propagation reporter

ВСТУП

На сьогодні існує багато користувачів, які застосовують зв'язок на великі відстані без допомоги наземних та супутникових ретрансляторів. Цей зв’язок, зазвичай, проводиться в діапазоні гекто- та декаметрових хвиль. Користувачами є міжнародні миротворчі контингенти, геологічні полярні та інші експедиції, дальня авіація, океанічне судноплавство, радіомовлення, аматорська служба. Всі ці галузі потребують достовірних даних щодо загасання радіохвиль для вибору необхідного і достатнього устаткування, а саме, прийомопередавачів, антенно-фідерних пристроїв, модемів та ін.. Наслідками некоректного підбору устаткування є ненадійний, непостійний, або, взагалі, ускладнений до неможливого зв'язок, висока кількість помилок на лініях зв’язку, або нераціональне використання занадто складного дорогого і потужного устаткування. При мобільному експедиційному використанні також важливе раціональне використання джерела живлення (використання малопотужних передавачів та застосування простих і надійних антенно-фідерних пристроїв). Важливим є також раціональне планування сеансів зв’язку за часом доби, сезону.

Актуальність роботи. На сьогодні існує багато природних явищ та сфер діяльності людини, де передбачення можливих змін на майбутнє з достатньою достовірністю залишається проблематичним. Найбільш виразним прикладом таких проблем є, наприклад, прогноз погоди. Прогнозування може здійснюватись також не в часі, а у просторі. Наприклад, оцінка перспектив видобування корисних копалин в нових районах, вірогідності землетрусів, цунамі тощо. Існує безліч інших, не таких гучних проблем прогнозування, проте їх значення для практики досить велике.

Зокрема, проведене дослідження присвячене прогнозуванню можливості (або неможливості) організації радіозв’язку на певних частотах між заданими географічними пунктами. З точки зору реальних практичних потреб для дослідження обрано діапазон гекто- та декаметрових хвиль, оскільки на сьогодні існує багато користувачів, які застосовують зв'язок на великі відстані без допомоги наземних служб саме в цьому діапазоні.

Існуючі традиційні джерела інформації про поточний стан радіотрас, не дають повної картини , яка охоплює географію України, і тому не завжди задовольняють потреби достовірного прогнозування якості радіозв’язку з навколишнім світом. В той же час така інформація існує – це звіти змагань з радіоспорту (сховища даних). Враховуючи масовість таких змагань та географію учасників, можна стверджувати, що використання та комп’ютерне оброблення такої інформації може суттєво збільшити достовірність прогнозування. Саме ця ідея є центральною в даній роботі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась згідно плану (держбюджетної) науково-дослідної тематики кафедри інформаційних систем НУХТ «Розробка інформаційних систем (моделей) для галузей народного господарства»

Мета і завдання дослідження. Мета роботи - на основі комплексних експериментальних і теоретичних досліджень підвищити достовірність прогнозування умов радіозв’язку та удосконалити існуючі інформаційні технології прогнозування при використанні експериментальних даних.

Відповідно до поставленої мети дослідження сформульовані та вирішені такі основні завдання:

·                   розробити та перевірити на реальних даних основні процедури інформаційної технології прогнозування показників якості радіозв’язку, використовуючи додатково до традиційних джерел вихідної інформації сховище даних спортивних змагань з радіоспорту;

·                   розробити узагальнений алгоритм прогнозування показників якості радіозв’язку із використанням елементів статистичного та образного аналізу;

·                   отримати уточнені залежності загасання сигналу від відстані у вибраному діапазоні частот, придатні для практичного прогнозування;

·                   зменшити фінансові витрати на дослідження з прогнозування якості радіозв’язку.

Об’єктом дослідження є технології комп’ютерного оброблення експериментальних даних та організації їх збирання з метою забезпечення достовірності результатів прогнозування показників якості радіозв’язку.

Предметом дослідження є технології формування та використання інформації, отриманої в процесі проведення змагань з радіоспорту, для прогнозування змін рівнів загасання на іоносферних радіотрасах гекто- та декаметрового діапазону радіохвиль.

Методи дослідження – експериментальні із застосуванням  інформаційних технологій, автоматизації вимірювального устаткування, математичного моделювання, статистичної обробки результатів змагань з радіозв’язку аматорської радіослужби.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Розроблена та реалізована нова комп’ютерна система прогнозування загасання радіохвиль гекто- та декаметрового діапазону на базі аматорської радіослужби.

2. Вперше для підвищення достовірності прогнозу запропоновано залучити додатково експериментальні дані, отримані під час проведення аматорських змагань з радіоспорту.

3. Для усунення грубих помилок у вхідних даних використано новий підхід, що базується на методах образного аналізу.

4. Отримані нові уточнені залежності загасання від відстані для декаметрового діапазону радіохвиль.

Практичне значення одержаних результатів. За результатами проведених досліджень запропоновано нову методику визначення загасання, яка не потребує значних фінансових витрат. Методика дозволяє на основі даних, отриманих під час міжнародних змагань аматорської радіослужби, отримати достовірний прогноз показників якості радіозв’язку. Методика також дозволяє на підставі заздалегідь відомих та експериментальних даних мінімізувати собівартість, габарити та потужність устаткування.

Отримані результати можуть бути використані для побудови іоносферних систем зв’язку гектометрового та декаметрового діапазону довільного призначення у різних галузях господарства.

Особистий внесок у розробку результатів. Дисертація є підсумком досліджень автора. Автором обґрунтовано актуальність теми, проаналізовані літературні джерела з даної проблеми, сформульовані завдання дослідження, проведено фізичні експерименти, проведено моделювання ланок систем зв’язку методом моментів, підготовлено та опубліковано результати досліджень, апробовано результати роботи, також результати роботи були використані підчас побудови внутрішньо та міжконтинентальних радіоканалів передачі даних. В роботах, опублікованих в співавторстві, дисертантом виконана постановка задачі та основні обґрунтування та розрахунки.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи було оприлюднені на:

·                   Конференціях молодих вчених, аспірантів і студентів НУХТ №75 №76 №77 (Київ, НУХТ, 2009-2011);

·                   Міжнародних конференціях Ukrainian Contest Club №18 №19 №20 (передмістя Києва, передмістя Черкас, передмістя Києва, UCC, 2009-2011р.р.);

·                   Щомісячних наукових семінарах (та конференціях) з питань радіозв’язку Київського Міського Радіоклубу – Київського міського відділення Ліги Радіоаматорів України, кількість доповідей – 43 (Київ, НУХТ та ЦНТТМ «Сфера» 2008-2013).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано  9 друкованих праць, з яких 6 статей у фахових журналах  (перелік яких затверджено ВАК) України, 3 тез доповідей на наукових конференціях.

Структура та об’єм роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури, який включає 60 найменувань зарубіжних і вітчизняних джерел, і 5 додатків. Робота викладена на 180 сторінках основного тексту, містить 70 рисунків і 35 таблиць.

Основні положення, що виносяться на захист. Дослідження та побудова інформаційних технологій для розроблення і впровадження баз і сховищ даних комп’ютерної підтримки рішень для організації радіозв’язку в діапазоні коротких хвиль; розроблення інформаційної технології прогнозування показників якості радіозв’язку на основі результатів експериментальних досліджень по визначенню загасання радіохвиль гектометрового та декаметрового діапазону на іоносферній радіотрасі з використанням статистичних процедур; методика проведення досліджень із залученням аматорської радіослужби; методика проведення досліджень під час міжнародних змагань з радіозв’язку.

Список літератури

ВИСНОВКИ

Основні результати проведеного дослідження:

1. Розроблено та перевірено на реальних даних основні процедури інформаційної технології прогнозування показників якості радіозв’язку за умови використання додатково до традиційних джерел вхідної інформації сховища даних спортивних змагань з радіоспорту;

2. Розроблений узагальнений алгоритм прогнозування показників якості радіозв’язку із використанням елементів статистичного та образного аналізу;

3. Отримано уточнені залежності загасання сигналу від відстані у вибраному діапазоні частот, придатні для практичного прогнозування;

4. За умови використання запропонованої методики зменшені фінансові витрати на дослідження з прогнозування якості радіозв’язку.

Таким чином, проведене дослідження доводить можливість суттєвого покращення достовірності та оперативності прогнозу якості радіозв’язку за рахунок залучення даних аматорських змагань з радіоспорту та використання сучасних інформаційних технологій оброблення експериментальних даних.

Зокрема, важливою складовою інформаційної технології слід вважати застосування елементів образного аналізу для прийняття рішень в ситуаціях, які не можуть бути повністю формалізовані й тому вимагають участі людини (оператора). Такий підхід дозволяє мінімізувати ймовірність виникнення грубих помилок в оцінці параметрів якості зв’язку.

Іншою, не менш важливою складовою є розроблена технологія отримання вхідної інформації для обчислення прогнозних значень якості радіозв’язку. Слід зазначити, що ця складова технології прогнозування в цілому є не менш важливою, ніж складова комп’ютерних обчислень, оскільки вимагає значних організаційних зусиль та часу на підготовку й налаштування синхронізацію апаратури.

Список праць, опублікованих за темою дисертації

1. Мошенський А.О. Кабанець А.О. Пілінський В.В. «Методика отримання експериментальних даних поширення радіохвиль на іоносферних радіотрасах» Технічна електродинаміка тематичний випуск «Проблеми сучасної електротехніки, част. 7», К.: 2006. – 125 – 128 с.

2. Мошенський А.О. Савченко Ю.Г. «Визначення вимог до основних характеристик прийомопередавачів гекто- та декаметрового діапазону» Наукові записки УНДІЗ №5(7), 2008.  – 68 – 72 с.

3. Мошенський А.О. Савченко Ю.Г. «Вимоги до характеристик прийомного тракту, виходячи з місцевих умов електромагнітної обстановки», Арсенал №3-4 2009. – 34 – 35 с.

4. Мошенський А.О. «Прогнозування умов радіозв’язку на основі комп’ютерної обробки результатів спостережень», Наукові записки УНДІЗ №2(18), 2011. –69–75 с.

5. Мошенський А.О. «Прогнозування умов радіозв’язку на основі комп’ютерної обробки даних підчас змагань з радіозв’язку», Наукові записки УНДІЗ №1(21) 2012. – 227 – 236 с.

6. Мошенський А.О. «Роль оператора інформаційно-експертної системи прогнозування поширення радіохвиль», Наукові записки  УНДІЗ №2(22) 2012. – 75 – 78 с.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. ГОСТ 14663-83. Устройства приемные магистральной радиосвязи гектометрового и декаметрового диапазона волн.


2. ДСТУ 3254-95 Радіозв’язок. Терміни та визначення.


3. Э. Ред Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике М.: Мир, 1989.-256с., ил.


4. Поляков В.Т. Радиолюбителям о технике прямого преобразования -М.: Патриот, 1990.-264с., ил.


5. Дроздов В.В. Любительские КВ трансиверы.- М.:Радио и связь, 1988. -176 с.: ил.-(Массовая радиобиблиотека: вып. 1118 ).


6. Бунин С.Г. Яйленко Л.П. Справочник радиолюбителя-коротковолновика. -2-у изд., перераб. И доп.-К.:Техніка, 1984.-264с., ил.- библиогр. По главам.


7. Ротхаммель К. Антенны: Пер. с нем. – 3-е изд., доп. – М.: Энергия, 1979.- 320 с., ил.


8. Енергозабезпечення електронної апаратури. Практикум: Навч. Посібник/ В.В.Пілінський та ін.; за ред.. В.В. Пілінського. – К.: Вища шк.., 1994. – 258 с.: іл.


9. http://www.cqham.ru – Радіоаматорський портал ПФО.


10. http://www.qrx.narod.ru – Портал радіоаматорів Уралу.


11. http://www.uarl.com.ua – Інформаційний Український радіо портал.


12. http://www.ukrmap.kiev.ua – Ресурс мапи Києва.


13. http://www.qsl.net/dl2kq/mmana.htm – Ресурс Ігоря Гончаренко, присвячений моделюванню антен MMANA.


14. http://mathcad.com – офіційна сторінка маткад.


15. http://uarl.com.ua/callbook/index.htm – Список позивних сигналів України.


16. http://forecast.izmiran.rssi.ru/ – Сторінка ИЗМИРАН, м Можайськ.


17. http://cityradio.narod.ru/raschet.html – Радіопортал присвячений зв’язку  в CB діапазоні.


18. Ротхаммель К. Кришке А. Антенны Том 1: Пер. с нем. – 11-е изд., доп. – М.: ЛАЙТ Лтд, 2000.- 416 с., ил.


19. Антенны КВ и УКВ Часть 1 Компьютерное моделирование MMANA – М.: ИП РадиоСофт, Журнал «Радио». 2004 – 128 с.: ил.


20. Антенны КВ и УКВ Часть 2 Основы и практика – М.: ИП РадиоСофт, Журнал «Радио». 2005 – 288 с.: ил.


21. Антенны КВ и УКВ Часть 3 Простые КВ антенны – М.: ИП РадиоСофт, Журнал «Радио». 2006 – 288 с.: ил.


22. Антенны КВ и УКВ Часть 4 Компьютерное моделирование MMANA – М.: ИП РадиоСофт, Журнал «Радио». 2004 – 128 с.: ил.


23. Антенны КВ и УКВ Часть 5 Направленные КВ антенны: синфазные и продольного излучения – М.: ИП РадиоСофт, Журнал «Радио». 2004 – 128 с.: ил.


24. МАССОВАЯ РАДИОБИБЛИОТЕКА  Выпуск 721  В.И.Хомич. Ферритовые антенны. Издание 3-е, дополненное и переработанное  «ЭНЕРГИЯ» МОСКВА 1989 – 96 с. с ил.


25. http://physics.princeton.edu/pulsar/K1JT/ Ph D Joe Taylor, K1JT домашня інтернет сторінка


26. В.Г.Гришин  Образный анализ экспериментальных данных. М.: Наука, 1982. 236c


27. Величковский. Б. М. , Зинченко В.П., Лурия А.Р. Психология восприятия. М.: Изд-во МГУ, 1973. 245c


28. Carner W.R. An information analysis of absolute judgment of loudness/ J. Exp. Psychol ., 1953, 46


29. Pollack J. The information of elementaryauditory displays.- JASA 1953, 26


30. www.ixbt.com - IT огляди


31. www.moetronix.com - Ресурс присвячений SpectraVue


32. Chatillon G., 1977. Statistique en Sciences humaines, Trois-Rivieres, Ed. SMG.


33. Gilbert N.. 1978. Statistiques, Montreal, Ed. HRW.


34. Moroney M.J., 1970. Comprendre la statistique, Verviers, Gerard et Cie.


35. Siegel S., 1956. Non-parametric Statistic, New York, MacGraw-Hill Book Co.


36. www.radioscanner.ru – аматорський радіомоніторинг.


37. www.qrp.ru – Російський клуб любителів малої потужності.


38. www.dxinfocentre.com – Ресурс присвячений поширенню УКХ.


39. www.eqsl.cc – електронні картки квитанції підтвердження.


40. www.qrz.com – Міжнародна база даних аматорських радіостанцій.


41. www.qrz.ru – Російськомовна база даних аматорських радіостанцій.


42. www.urqrp.org – Український клуб любителів малої потужності.


43. www.dxsummit.fi – База частот в режимі реального часу.


44. www.afreetsoft.com –  Ресурс присвячений однойменному ПЗ.


45. www.amsat.org – Координація SAT


46. www.arrl.org – American Radio Relay League – official site.


47. www.srr.ru – Союз радиолюбителей России – официальный Сторінка.


48. ARRL 2010 HANDBOOK CD-ROM – довідник.


49. www.darc.de – DARC – official site.


50. www.uba.be – UBA – official site.


51. www.cqww.com – Сторінка однойменних змагань з радіо спорту.


52. www.cqwpx.com – Сторінка однойменних змагань з радіо спорту.


53. www.uarl.org.ua – Офіційний сторінка Ліги Радіоаматорів України.


54. www.ucrf.gov.ua –  Український державний центр радіочастот.


55. www.vhfdx.ru – Російський УКХ портал.


56. www.vhfdx.at.ua – Український УКХ портал


57. www.hfdx.at.ua – Український КХ портал.


58. www.433.com.ua – Київський сторінка радіоаматорів.


59. www.krc.ham.net.ua -  Неофіційний сторінка Київського міського радіоклуба.


60. www.iaru.org – official site of International amateur radio union