超短波传播损耗预测研究与应用-王好同

ResearchandApplicationofPropagationLossPredictioninVHFHaotongWANG2,WeimingLI1,WeiFANG2,YuMA11GraduateStudents’Brigade,NavalAeronauticalandAstronauticalUniversity,Yantai,Shandong,China2DepartmentofElectronicandInformationEngineering,NavalAeronauticalandAstronauticalUniversity,Yantai,Shandong,ChinaEmail:[e-mail]:ModelsforVHFradiowavepropagation,usedindifferentconditions,havesolimitedandover-lappedapplicabilitythattheyarenotconvenienttouseinpractice.ThepaperprovidesaconvenientmethodtodetermineVHFwavepropagationloss,employingGeographyInformationSystem(GIS)technologytode-cidewhichmodelfitsthepropagationenvironmentbetter.Terraininformationandearthcoveragestylesareconsideredintheprediction.Finallythepaperanalyzesthefactorsthatcontributetothepropagationlossandgivesthesimulationresults.ThemethodisextremelysignificantinthestationplanningofradioortelevisionandthesimulationofVHFcommunicationsystems.Keywords:propagationmodels;lossprediction;Fresnel’sRadius;GIS超短波传播损耗预测研究与应用王好同2，李伟明1，方伟2，马钰11海军航空工程学院，研究生管理大队，烟台，中国，2640012海军航空工程学院，电子信息工程系，烟台，中国，264001Email:[e-mail]摘要：针对分别适用于不同传播方式和传播条件电波传播损耗模型应用的局限性，本文总结出一种超短波电波传播损耗预测的一般方法，结合从GeographyInformationSystem(GIS)提取的地形高度和地表覆盖等信息，程序式地对模型进行恰当地选择、组合和应用。并根据仿真结果得出了超短波传播损耗与环境条件的关系。该方法可用于电台选址和对超短波通信系统的仿真。关键词：传播模型；损耗预测；费涅尔半径；GIS系统1引言超短波以其可靠的数据传输特点，得到了广泛应用。电波传播损耗计算的模型主要有两类：一类是基于大量场强测试的统计模型，使用比较多的例如Okumura模型、Hata公式、Egli市区模型、Murphy市郊模型和Longley-Rice模型等[1]，这类模型对于确定区域的损耗预测比较准确且计算简单，但针对性强，不具有普遍的适用性，应用范围相当有限；另一类是基于理论推导和数值计算的电波传播模型，这类模型从物理学的角度解释通信信道，但理想条件多，且计算繁琐，在实时性要求高的场合下并不适用。由于通信环境的复杂性，单一的模型不可能准确描述信号的传播特性。不同的模型是在不同的传播环境中得出的，都有一定的适用范围[1]。各种模型的适用范围有相互重叠的，也有覆盖不到的，有些传播条件下可用模型很多，导致研究人员使用过程中对于模型的选择很迷惑，并且要在一定的参数计算后才能确定使用哪种模型，有些情况下却没有适用的模型，因此需要对一些现有的相似条件下的模型进行一定的修正，使之能够用于当前电波传播环境。2超短波电波传播损耗通常情况下电离层和同温层对超短波波段信号的影响可以忽略，直接视为在真空中的传播，影响超短波传播的主要因素存在于对流层和地表。对流层主要是其层中的气体成分（特别是水汽）、水凝体、沙尘等因素造成的大气折射、大气吸收、恶劣天气衰减和自由空间作者简介：李伟明(1985-)，男，河南平顶山，硕士研究生，主要从事软件无线电和机载通信导航设备仿真技术研究231SystemSimulationTechnology&Application(Volume13)978-1-935068-81-5©2011SciRes.传播损耗等影响。地球表面及其地面覆盖物，是影响无线电传播的重要因素，可以引起电波产生反射、散射、遮蔽和阻挡（绕射衰减）现象，这些现象对电波传播影响的程度与下贴面的类型，地面的电磁特性和地形的粗糙程度有关。这些影响因素可以引起无线电波幅度的衰减、相位的延迟与失真以及极化、频率、传播方向、传播速度和频谱结构的改变，这些改变可能是确定性的也可能是随机性的[2]。鉴于电波传播中受到大气吸收主要发生在3GHz以上波段，对超短波的影响几乎可以忽略；而受恶劣天气影响具有很强的随机性，对于传播损耗的一般性研究不考虑该因素的影响。2.1自由空间传播损耗自由空间通常指充满均匀、无耗媒介的无限空间，及该空间具有各向通性、电导率0、相对介电系数1的特点。无线电波在自由空间传播的衰减是由空间扩散引起的，任何传播路径都存在自由空间传播损耗。自由空间基本传播损耗bfL是用在自由空间中的两个增益为1的理想点源天线之间的功率比定义的，以分贝表示[3]：)(lg20)(lg2045.32)(kmdMHzfdBLbf(1)2.2大气折射与等效地球半径系数由于大气是不均匀介质，因此大气折射是研究电波传播不能忽略的影响因素。大气折射效应是随着时间和空间随机变化的，使用等效球面地球的方法可以将电波视为直线传播，而不再弯曲。一般选择标准折射，射线的曲率半径a4，这时等效地球半径系数3/4k，适用于我国内陆[4]。2.3地面反射损耗反射传播发生在视距范围内。由于在视距传播中21,hhd（d为路径距离，1h和2h为发射天线与接收天线的海拔高度），电波投射到地面的投射角很小，因此可以假设直射波和反射波的场强是同向的。这个假设对于水平极化波是必然的，而对于垂直极化波，当很小时是恰当的。那么对于光滑平坦地面，且入射波和反射波都不受地形阻挡时，综合考虑自由空间传播损耗和地反射损耗，电波传播损耗为[5]：''lg20lg20lg40120RTRfbhhdLLL(2)其中kadhhhTT2231'，kadhhhRR2232'分别为发射站和接收站相对于反射面的等效高度，3h为障碍物的海拔高度，Td为障碍物距发射站的距离，Rd为障碍物距接收站的距离，k为等效地球半径因子，a为地球真实半径。式中高度参量的单位统一为m，距离参量的单位都为km。2.4绕射损耗计算通信双方之间的路径余隙，如果得到的路径余隙小于第一费涅尔半径，则说明超短波通信受到了阻挡，这时电波的主要传播方式为绕射。由于在自然界中障碍物很少有规则的如刃形、球形、圆柱形、矩形、梯形等规则物理形状，因此采用经验绕射损耗预测模型[5]。平原和丘陵经验绕射预测模型：0.111.20)(1FHdBLcd(3)山区电波经验绕射预测模型：4.61.12)(1FHdBLcd(4)城市建筑的经验绕射预测模型：2.75.12)(1FHdBLcd(5)式中cH为路径余隙，1F为第一费涅尔半径，计算式在后面给出。2.5地球球冠绕射损耗当通信距离超出视距以后，电波沿着光滑地球面传播，球冠部分就是一种障碍，理论和试验表明电波沿光滑球面绕射的损耗比路径中存在山峰时的绕射损耗还要大。基于球形障碍的绕射损耗模型为[5]：PrYGPtYGPXFEELd,,lg200(6)其中：F和G分别为距离项和天线高度增益项，P为极化参数。球形障碍的绕射损耗也可以在诺模图上用作图的方式得到[6]。2.6对流层散射传播损耗对于无线电波在对流层湍流大气中的散射传播，00q时间不被超过的平均年基本传播损耗可以用以下经验公式表示[5]：qyLLdfMqLNclg30lg10lg30)((7)对于我国的陆地通信而言，大部分属于大陆温带和海上温带，气象参数M分别取29.73dB和33.20dB，232SystemSimulationTechnology&Application(Volume13)978-1-935068-81-5©2011SciRes.大气结构参数都取0.27（1/km），散射角、公共散射体积高度相关的损耗NL、天线口径与介质耦合损耗cL与时间变换因子)(qy可用公式计算出。3超短波电波传播模型选择和损耗计算超短波电波传播涉及多种传播方式，要对传播损耗进行计算，首先要确定电波的主要传播方式，可以根据发射站和接收站天线高度、传播距离、地形遮蔽等因素确定其主要传播方式，然后使用相应的模型对传播损耗进行计算。超短波电波传播损耗计算流程如图1所示。Figure1.Flowchartofpropagationlossprediction图1.传播损耗计算流程由于地球面的弯曲，无线电传播的视距D是有限的，与发射站和接收站的天线高度有关，可用公式近似计算得到：)(57.3)(2)(2121hhhhRkmD(8)其中1h和2h分别是发射天线和接收天线的海拔高度，单位为m，用等效地球半径系数k修正大气折射效应后为：)(12.4)(21hhkmD(9)根据Longley和Rice的传播区域分区方法[7]，当Dd2.1时，接收点处在阴影区，主要传播方式为对流层散射传播，如果接收点位于这个区域，则主要的传播损耗是散射损耗和自由空间传播损耗；当DdD2.17.0时，电波传播的主要障碍是发射站和接收站之间的球冠部分，这时主要传播方式是光滑球面障碍绕射；当Dd7.0时，为视距传播，视距内又由于传播路径上的地形起伏对传输路径的遮蔽的情况分为反射区和绕射区。如果传播路径有遮蔽，即路径余隙小于第一费涅尔半径，则为电波绕射传播方式，这时可从地形图上得到障碍区的地表类型，选择相应的绕射损耗模型进行计算[8]。D2.1D7.0Figure2.Sketchmapofrelationshipbetweendominantpropagationstyleanddistance图2.主要传播方式与距离关系示意图传播余隙是指直接射线离地面或地面覆盖物的距离，因此在射线的不同位置，传播余隙是不同的。导致最小相对余隙的障碍，称为主障碍，该处的传播余隙称为路径余隙[5]。路径余隙的大小决定了电波传播过程中是否发生绕射，当路径余隙大于第一费涅尔半径时才不会对电波传播造成阻碍。图3为对主要传播方式进行判断的流程图。？Dd2.1？Dd7.0？1FHcFigure3.Flowchartofselectionofpropagationstyle图3.电波传播方式选择流程图计算路径余隙可用逐点采样的方法：从GIS系统中沿路径方向对高程进行等距采样。GIS系统是利用内插的方法得到高程数据的，GIS系统的原始高程数据可以是矢量数据或栅格数据[9]。将采样点的经纬度换算成与发射站的距离，用以下公式逐点计算传播余隙，最小的传播余隙即为路径余隙。kadddhhddhhHTTTc23112(10)式中所有参量的单位要统一，都为m或都为km。根据惠更斯—费涅尔原理可知，费涅尔椭球是满233SystemSimulationTechnology&Application(Volume13)978-1-935068-81-5©2011SciRe