超短波海面?zhèn)鞑ヌ匦阅Ｐ脱芯颗c軟件設(shè)計(jì)

摘 要：超短波海面?zhèn)鞑ヌ匦允请姶艂鞑パ芯款I(lǐng)域的一個(gè)重要課題，目前常用的經(jīng)典模型計(jì)算繁雜，且適用范圍各不不同，文章對各種模型進(jìn)行了詳細(xì)分析比對，得出了適宜應(yīng)用于海面?zhèn)鞑キh(huán)境的應(yīng)用模型，并進(jìn)行了軟件開發(fā)、仿真計(jì)算和數(shù)值比對，為快速工程計(jì)算打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：傳播特性；自由空間模型；Okumura-Hata模型；Egli模型

1 概述

超短波通信傳輸一般比較穩(wěn)定，但不同地域和環(huán)境下的傳輸衰減情況不同，這使得信號傳輸質(zhì)量和傳輸距離也各不相同。在其傳播預(yù)測方面，業(yè)界廣泛應(yīng)用的有幾個(gè)經(jīng)典模型，但這些經(jīng)典模型復(fù)雜且計(jì)算繁瑣。文章結(jié)合經(jīng)典模型對超短波信號海上傳播特性進(jìn)行了研究，對超短波海面?zhèn)鞑ヒ?guī)律作了一定程度的分析。并運(yùn)用Visual C++6.0編制了基于這幾種常用模型的應(yīng)用軟件，使傳播損耗工程計(jì)算得以快速實(shí)現(xiàn)。

2 超短波傳播特性模型研究

2.1 視距傳播理論

超短波波段通信頻率較高，電波沿地面?zhèn)鞑r(shí)衰減很大，遇到障礙時(shí)繞射能力又很弱，難以利用地波傳播方式。而高空電離層又難以將其反射回地面，因而不能利用天波傳播方式，超短波通常是利用視距傳播方式。所謂視距傳播， 是指發(fā)射天線和接收天線處于相互能看見的視線距離內(nèi)的傳播方式。

設(shè)發(fā)射天線高度為h1、接收天線高度為h2，視距公式為：

式中，h1和h2的單位為米，考慮大氣的不均勻性對電波傳播軌跡的影響時(shí)， 視距公式應(yīng)修正為：

實(shí)際上電波是在各種空間場所（如沿地表、海面、低空大氣層、或在電離層內(nèi)）傳播的。在傳播過程中，媒質(zhì)吸收使信號衰減，媒質(zhì)的不均勻性、地貌地物的影響、多徑傳輸?shù)榷紩剐盘柣儭⑺ヂ浠螂姴▊鞑シ较蚋淖兊?。因此超短波尤其臨界頻段在海上實(shí)際環(huán)境下應(yīng)用視距公式不太準(zhǔn)確。

2.2 超短波傳播預(yù)測的主要模型

超短波傳播模型一般分為三類，分別為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、半?jīng)驗(yàn)半確定模型，以及確定模型。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪怯纱罅繙y量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析導(dǎo)出的公式，該方法簡單且不需要精確的地理信息，但該方法估算路徑損耗的精度較低。確定性模型是基于電磁理論直接用于特定環(huán)境的求解，環(huán)境描述的精度決定確定性模型的精度。半經(jīng)驗(yàn)半確定模型先從確定性模型導(dǎo)出的公式入手，為了改善預(yù)測路徑損耗精度，使理論預(yù)測與實(shí)驗(yàn)測量一致，需要通過實(shí)驗(yàn)對模型校正。下面介紹的應(yīng)用最廣泛也最具實(shí)用性的傳播模型都是統(tǒng)計(jì)模型，即經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。這里選擇了三個(gè)最具代表性的自由空間模型、 Okumura 模型、Okumura-Hata 模型、Egli 模型來研究超短波傳播預(yù)測。

（1）自由空間傳播模型

L=32.45+20lgf（MHz）+20lgr（km）-Gi（dB）-GR（dB） （3）

L為傳播損耗，f為信號頻率，r為傳播距離，Gi、GR分別為發(fā)射天線和接收天線增益，可見若不考慮天線的因素， 則自由空間中的傳輸損耗，是球面波在傳播的過程中隨著距離的增大，能量自然擴(kuò)散而引起的，它反映了球面波的擴(kuò)散損耗。

（2）Okumura-Hata 模型

Okumura-Hata 模型是根據(jù)測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到的經(jīng)驗(yàn)公式，其適用頻率范圍是150-1500MHz，適用于小區(qū)半徑大于1km的宏蜂窩系統(tǒng)，基站有效天線高度在30-200m之間，移動(dòng)臺有效天線高度在1-10m之間。Okumura-Hata模型以市區(qū)傳播損耗為標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上對其它地形做了修正。在市區(qū)，Okumra-Hata 經(jīng)驗(yàn)公式如下：

Lm=69.55+26.161gf-13.821g（ht）-a（hr）+[44.9-6.55lg（ht）]lgd（4）

式中，f 是載波頻率；ht是發(fā)射天線有效高度；hr是接收天線有效高度；d是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離；a（hr）是移動(dòng)天線修正因子，其數(shù)值取決于環(huán)境因素。

（3）Egli 模型

Egli模型是一種簡化的不規(guī)則地形上的無線傳播模型，它是基于實(shí)測數(shù)據(jù)而提出的，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明在室外移動(dòng)傳播環(huán)境中，接收信號的功率隨 40log10d 的增大而減小，且二者呈線性關(guān)系。Egli指出該模型只適用于接近平面的區(qū)域，所以其適用于海上環(huán)境。在90-1000MHz 頻率之間對不規(guī)則地形進(jìn)行大量測量后，Egli 觀察到一個(gè)小區(qū)域的中值信號強(qiáng)度隨距離按四次冪規(guī)律變化的趨勢。其從平坦地面的雙徑模型擴(kuò)展出一種新模型，且根據(jù)頻率和地形特征產(chǎn)生附加損耗。Egli 模型的路徑損耗公式為：

L=-88-40lgd-20lgf+10lgGt+10lgGr+20lght+20lghr（5）

式中Gt、Gr分別表示發(fā)射天線增益和接收天線增益，d的單位為km，f的單位為MHz，ht和hr的單位為m。Egli模型包括了地形因子。由于文章主要的研究對象為海面環(huán)境，因此該模型可以應(yīng)用于海面超短波信號傳播損耗的工程計(jì)算。

3 傳播預(yù)測模型軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)

3.1 軟件的界面設(shè)計(jì)及說明

本軟件選用了三種傳播預(yù)測模型，分別為自由空間模型、Okumura-Hata模型、Egli模型。其中Okumura-Hata模型又分為城市、農(nóng)村、郊區(qū)、開闊地四種自然環(huán)境。計(jì)算模型的主要參數(shù)為：信號頻率、發(fā)射天線高度、接收天線高度和傳輸距離。軟件可以執(zhí)行單次計(jì)算或連續(xù)計(jì)算，單次計(jì)算即計(jì)算模型在固定距離下的傳輸損耗值，連續(xù)計(jì)算可計(jì)算不等距離或不同頻率在固定點(diǎn)的傳輸損耗值。如計(jì)算模型在不等距離的傳輸損耗時(shí)，配置好模型參數(shù)后，先選擇須計(jì)算點(diǎn)數(shù)，再選擇距離步進(jìn)，然后點(diǎn)擊連續(xù)計(jì)算，軟件自動(dòng)對每一個(gè)距離計(jì)算點(diǎn)進(jìn)行傳輸損耗計(jì)算，生成的數(shù)據(jù)存入attenua.dat文件；計(jì)算不同頻率在固定傳輸距離的傳輸損耗時(shí)，配置好模型參數(shù)后，先選擇計(jì)算點(diǎn)數(shù)，再選擇頻率步進(jìn)，然后點(diǎn)擊連續(xù)計(jì)算，軟件自動(dòng)對各個(gè)頻率在某點(diǎn)的傳輸損耗依次進(jìn)行計(jì)算，生成的數(shù)據(jù)存入attenua.dat文件。

3.2 傳播預(yù)測模型主要算法

相關(guān)代碼如下：

if（m_model==0）//自由空間模型

{m_ground=32.44+20*log10（m_distance）+20*log10（m_frequency）；}

else if（m_model==1）//Okumura-Hata改進(jìn)模型

{ double a，b，c；

if（m_environment==0）//中小城市

┉ ┉

else if（m_model==2） //Egli模型

{m_ground=32.44+20*log10（m_distance）+20*log10（m_frequency）；}

3.3 軟件仿真生成數(shù)據(jù)實(shí)例

如發(fā)射信號頻率200MHz，發(fā)射天線高度20米的條件下，基于各種預(yù)測模型對1到80Km的傳輸距離連續(xù)計(jì)算傳輸衰減。計(jì)算的模型采用自由空間模型、Okumura-Hata模型（包含中小城市、農(nóng)村、郊區(qū)、開闊地）和Egli模型。部分計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示：

運(yùn)用excel軟件對表1數(shù)據(jù)各組數(shù)據(jù)繪制衰減曲線如圖1所示。

從圖1可以看出，各種模型的衰減曲線走向是較為一致的，總體規(guī)律是隨著傳播距離的增加傳播損耗不斷增加。在0～10Km范圍內(nèi)衰減增長較快，在10～80Km范圍內(nèi)衰減速度有所放慢?？v向來看，同樣傳輸距離，自由空間模型的衰減值最小，開闊地次之，農(nóng)村和Egli模型接近，郊區(qū)較大，中小城市傳輸衰減最大。各種模型的起始距離衰減值均高于80dB，這是由于電磁波傳播的球面擴(kuò)散引起的。根據(jù)大量的實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)印證，Egli模型與海面實(shí)測數(shù)據(jù)吻合程度較高，該模型的應(yīng)用價(jià)值較大。工程技術(shù)人員可運(yùn)用本軟件對超短波的海面?zhèn)鞑p耗進(jìn)行快速工程計(jì)算。

4 結(jié)束語

文章研究了超短波傳播的幾種經(jīng)典模型，對各種模型的適用條件進(jìn)行了分析，運(yùn)用vc軟件開發(fā)了傳播損耗計(jì)算軟件，用幾種模型對1-80KM距離的損耗進(jìn)行了仿真計(jì)算，并進(jìn)行了比對分析，研究表明Egli模型較為適合海面環(huán)境下的超短波通信傳播損耗工程計(jì)算。

參考文獻(xiàn)

[1]陳波.海上超短波通信距離分析[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2010（6）.

[2]耿京朝.超短波電波傳播的分析與計(jì)算[J].無線電通信技術(shù)，2002（6）.