А.В. Колесников1, Д.В. Федосов2, А.В. Николаев3

1,2 КВ-СВЯЗЬ (г. Омск, Россия)

3 Московский технический университет связи и информатики (Москва, Россия)
3 Институт машиноведения им. А.А. Благонравова (Москва, Россия)

Постановка проблемы. В настоящее время актуален поиск возможностей организации надежной двусторонней беспроводной связи сквозь горную породу. Данный способ организации связи востребован в горнодобывающей промышленности. Существующие методы и средства связи сквозь горную породу основаны на мощных радиостанциях с большими габаритными размерами антенных устройств диапазона сверхдлинных волн (СДВ). Этот диапазон выбран из-за меньшего удельного поглощения электромагнитных волн в породе. Перспективным способом организации двухсторонней связи сквозь породу является применение портативных радиостанции диапазона средних волн (СВ) с эффективными электрически малыми антеннами. Поскольку на электрические характеристики породы влияют климатические и геофизические факторы, ее важным параметром являются влажность, влияющая на электропроводность, и пористость, влияющая на водонасыщенность.

Цель. Смоделировать характеристики каналов подземной связи в диапазоне от 1 кГц до 10 МГц при различных значениях влажности и пористости породы.

Результаты. Определены потери в подземном канале связи сквозь сухую и влажную породу, а также водонасыщенную породу с различной пористостью. Приведены оценки дальности связи для низкоскоростных каналов PSK31 для пород, насыщенных пресными и солеными водами.

Практическая значимость. Результаты моделирования могут быть использованы при определении эффективных зон размещения стационарных и мобильных пунктов связи диапазона СВ, в том числе для обеспечения аварийной связью горнорабочих и горноспасателей.

1. Yan L., Zhou Ch., Reyes M., Whisner B., Damiano N. Mathematical modeling and measurement of electric fields of electrode-based through-the-earth (TTE) communication // Radio Science. 2017. V. 52. № 6. P. 731−742. DOI: https://doi.org/10.1002/2016RS006242.
2. Damiano N., Yan L., Whisner B., Zhou Ch. Simulation and measurement of Through-the-Earth, extremely low-frequency signals using copper-clad steel ground rods // IEEE Transactions on Industry Applications. 2017. V. 53. № 5. P. 5088−5095. DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2017.2703625.
3. Hao J., Mou Y., Yan B. Impact of rods configuration on electrodes impedance of Through-the-Earth communication system // International Journal of Hybrid Information Technology. 2017. V. 10. № 8. P. 101−110. DOI: http://dx.doi.org/10.14257/ijhit.2017.10.8.08.
4. Zhou Ch., Damiano N. Wireless Channel and Electromagnetic Environments for Through-the-earth (TTE) Communications in an Underground Coal Mine // 2021 IEEE Radio and Wireless Symposium (RWS), 17−22 Jan. 2021. DOI: https://doi.org/10.1109/RWS50353.2021.9360383.
5. Barkand Th.D., Damiano N.W., Shumaker W.A. Through-the-Earth, two-way, mine emergency, voice communication systems // Conference Record of the 2006 IEEE Industry Applications Conference Forty-First IAS Annual Meeting. 8−12 Oct. 2006. DOI: https://doi.org/10.1109/IAS.2006.256640.
6. Jong E.C., Schafrik S.J., Gilliland E.S. A preliminary evaluation of a Through-the-Earth (TTE) communications system at an underground coal mine in Eastern Kentucky Mining // Mining Engineering. 2016. V. 68. № 4. P. 52−57. DOI: https://doi.org/10.19150/me.6548.
7. Yan L., Waynert J.A., Sunderman C. Measurements and Modeling of Through-the-Earth Communications for Coal Mines // IEEE Transactions on industry applications. 2013. V. 49. № 5. P. 1979−1983. DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2013.2260116.
8. Liu Y., An Zh., Wang Q., Pan R., Liu X., Liu J. Research on Intrinsic-safe Through-the-Earth radio communication system technology with large depth // 2020 12th International Conference on Communication Software and Networks. 12−15 June 2020. DOI: https://doi.org/10.1109/ICCSN49894.2020.9139108.
9. Carreno J.P., Silva L.S., Almeida Nevis S.O., Aguayo L., Braga A.J., Barreto A.N., Uzeda Garcia L.G. Through-the-Earth (TTE) communications for underground mines // Journal of Communication and Information Systems. 2016. V. 31. № 1. P. 164−176. DOI: https://doi.org/10.14209/jcis.2016.15.
10. Carreno J.P., Barreto A.N., Braga J. Propagation loss and apparent conductivity models for Through-the-Earth communication in sedimentary soil // IET Microwaves, Antennas & Propagation. 2019. V. 13 № 9. P. 1382−1388. DOI: https://doi.org/10.1049/iet-map.2018.5793.
11. Carreno J.P., Braga J. Stochastic Generation of Subsurface Profiles for Realistic Simulation of Through-the-Earth Communication Systems // International Journal of Antennas and Propagation. V. 2019. DOI: https://doi.org/10.1155/2019/6361218.
12. Kudinov D.S., Kokhonkova E.A., Romanov V.V., Neverov A.S. Evaluation of the possibility of wireless data transmission through rocks using an electromagnetic channel // JPCS. 2019. V. 1399. № 13. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1399/3/033096.
13. Shaydurov G.Y., Kudinov D.S., Kokhonkova E.A., Shchitnikov A.A. Through-the-Earth communication in underground mines by electromagnetic waves // 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). 12−14 May 2016. DOI: https://doi.org/10.1109/SIBCON.2016.7491771.
14. Николаев А.В. Влияние укрывающей среды на глубину зондирования в нелинейно-параметрической локации // Спецтехника и связь. 2011. № 1. С. 26−32.
15. Николаев А.В. Использование электромагнитного спектра при нелинейно-параметрической локации рукотворных объектов в полупроводящих средах // Спецтехника и связь. 2011. № 1. С. 37−43.
16. Forooshani A.E., Bashir S., Michelson D.G., Noghanian S. A survey of wireless communications and propagation modeling in underground mines // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2013. V. 15. № 4. P. 1524−1545. DOI: https://doi.org/10.1109/ SURV.2013.031413.00130.
17. Patri A., Nayak A., Jayanthu Dr.S. Wireless communication systems for underground mines – A critical appraisal // International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT). 2013. V. 4. № 7. P. 3149−3153. URL = http://www.ijettjournal.org/archive/ijett-v4i7p174 (дата обращения: 06.08.2021).
18. Федосов Д.В., Николаев А.В., Колесников А.В. Бюджет подземного канала беспроводной связи сквозь горную породу // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. № 9. DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.9.11.
19. Семенов А.С. Электроразведка методом естественного электрического поля. Л.: Недра. 1980. 446 с.
20. Якубовский Ю.В. Электроразведка. М.: Недра. 1980. 384 с.
21. Дортман Н.Б. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизика). Справочник геофизика. М.: Недра. 1984. 455 с.
22. Брылкин Ю.Л., Дубман Л.И. О диэлектрической проницаемости горных пород осадочного происхождения // Геология и геофизика. 1972. № 1. С. 117−121.
23. Garrough A.A. A Systematic Study Revealing Resistivity Dispersion in Porous Media // The Log Analyst. 1999. V. 40. № 4. P. 271−279.
24. Талалов А.Д., Даев Д.С. Взаимосвязь коэффициента проницаемости с комплексной электропроводностью горных пород в частотном диапазоне 104 − 5·108 Гц // Известия ВУЗов. Геология и разведка. 2004. № 5. С. 27−32.
25. Талалов А.Д., Даев Д.С. Взаимосвязь частотной дисперсии электрических параметров горных пород с их петрофизическими характеристиками // Известия ВУЗов. Геология и разведка. 2003. № 5. С. 52−56.
26. Шамсутдинов М.М., Таштанбаева В.О. Выбор и обоснование рабочих частот в шахтном стволе // Известия КГТУ им. И. Раззакова. 2018. № 2(46). С. 311−317.
27. Рекомендация МСЭ-R P.372-11. Радиошум [online]. URL = https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.372-11-201309-S!!PDF-R.pdf (дата обращения: 22.11.2021).
28. Hansen R.C. Electrically small, superdirective, and superconducting antennas. Wiley-Interscience. 2006. 168 p.
29. Fedosov D.V., Kolesnikov A.V., Nikolaev A.V. Advanced MF antennas for underground communications // JPCS. 2021. V. 1862. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1862/1/012002.
30. Rembovsky A. Modulation and signal types in modern radioelectronic means // Radio monitoring. Lecture notes in electrical engineering. V. 43. Springer, Boston, MA. 2009. DOI: https://doi.org/10.1007/978-0-387-98100-0_6.
31. Helman D.S. Earth electricity: a review of mechanisms which cause telluric currents in the lithosphere // Annals of Geophysics. 2014. V. 56. № 5. 17 p. DOI: https://doi.org/10.4401/ag-6184.
32. Constable C. Earth’s electromagnetic environment // Surveys in Geophysics. 2016. V. 37. P. 27−45. DOI: https://doi.org/10.1007/s10712-015-9351-1.
33. Пат. РФ № 2680674, МПК H01Q9/04 Резонансная спиральная антенна / Федосов Д.В., Колесников А.В., Николаев А.В.; заявл. 14.03.2018; опубл. 25.02.2019. Бюл. № 6.
34. Fedosov D.V., Kolesnikov A.V., Nikolaev A.V., Starchenkov A.V. Titovets P.A. Calorimetric method for measurement of electrically small antennas efficiency // 2021 Systems of signals generating and processing in the field of on board communications, conference proceedings. 2021. DOI: https://doi.org/10.1109/IEEECONF51389.2021.9416092.