船載通信偵察系統(tǒng)距離估算研究

陳 旗，謝金輝

(海軍工程大學(xué)，武漢 430033)

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船載通信偵察系統(tǒng)距離估算研究

陳 旗，謝金輝

(海軍工程大學(xué)，武漢 430033)

介紹了海上通信信號傳播模型，選擇以Longley-Rice傳播模型為基礎(chǔ)，采用實驗數(shù)據(jù)擬合的方法得到模型參數(shù)，通過與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，證明了該方法能夠較好地反映海上通信信號傳輸?shù)膶嶋H損耗。再根據(jù)該模型計算接收點(diǎn)場強(qiáng)，對船載通信偵察系統(tǒng)在不同距離上的偵察概率進(jìn)行定量分析，進(jìn)而估算系統(tǒng)的有效偵察距離。此方法結(jié)合了理論模型與實驗數(shù)據(jù)，為估算系統(tǒng)有效偵察距離、對比不同系統(tǒng)性能優(yōu)劣提供了新思路。

通信偵察；Longley-Rice模型；傳播損耗；距離估算

0 引 言

船載通信對抗偵察系統(tǒng)的使用環(huán)境主要是海上或瀕海地區(qū)，所接收信號的傳播路徑主要是通過空氣傳播的直達(dá)波和經(jīng)過海面反射的反射波，海浪的起伏、發(fā)射/接收平臺的擺動、路徑上島嶼等障礙，都會對偵察效果產(chǎn)生影響。船載通信偵察系統(tǒng)的偵察效能可以從時間域、空間域和頻率域3個方面進(jìn)行衡量，其中，空間域主要指偵察距離、偵察范圍等，而偵察距離直接決定著范圍的大小，是衡量系統(tǒng)偵察效能的重要指標(biāo)。本文以Longley-Rice傳播損耗模型為基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)的經(jīng)驗理論計算得到模型參數(shù)的做法不同，采用通過實驗數(shù)據(jù)擬合求得參數(shù)的方法，得到傳播預(yù)測模型。根據(jù)該模型計算接收點(diǎn)場強(qiáng)，再代入偵察效能評估概率模型，對船載通信偵察系統(tǒng)的有效偵察距離進(jìn)行估算。

1 海上通信信號傳播預(yù)測模型的選擇

1.1 幾種預(yù)測模型的比較與選擇

通信信號傳播損耗預(yù)測模型主要有自由空間模型、Okumura-Hata模型、Egli模型和Longley-Rice模型等[1]。其中，自由空間傳播模型最為簡單，但與實際的偏差也最為明顯；Okumura-Hata和Egli模型屬經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，即建立在大量?shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，但它們沒有將反映介質(zhì)特征的介電常數(shù)和導(dǎo)電率納入考慮，也沒有涉及地形變化的影響，使模型適用性有限；從仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的對比來看，對于海上無線通信尤其是遠(yuǎn)距離通信，使用Longley-Rice模型預(yù)測比Okumura-Hata和Egli模型更為準(zhǔn)確[2-3]。

表1 幾種傳播模型的適用性比較

1.2 Longley-Rice模型及其適用性

Longley-Rice模型是一種半經(jīng)驗半確定性預(yù)測模型，它以傳播理論為基礎(chǔ)，同時結(jié)合了數(shù)千組實測數(shù)據(jù)，損耗的計算基于不同傳輸距離和傳播模式：在視距內(nèi)以反射傳播機(jī)制為主；在超視距情況下以衍射傳播為主；對于更遠(yuǎn)的距離以散射傳播為主；對于不規(guī)則地形，有分別適用于非球形但光滑地面和非常不規(guī)則地面的2種理論，以2種理論結(jié)果的加權(quán)描述地形變化[2]。

Longley-Rice模型給出了參考衰減值的計算公式及不同環(huán)境下相關(guān)修正因子的詳細(xì)說明，公式中所包含的參數(shù)有不規(guī)則地形、頻率、收發(fā)天線高度和表面折射率等以及介質(zhì)的介電常數(shù)和導(dǎo)電率。該模型適用于0.02～ 40 GHz的頻率范圍，1～2 000 km的覆蓋半徑和0.5～3 000 m的收發(fā)天線高度。

船載通信偵察一般涵蓋短波、超短波和微波的低頻段范圍，Longley-Rice模型可覆蓋除部分短波頻段外的全部范圍。船上偵察天線高度一般為10 m左右，大型艦船為獲得更好的偵察效果往往將偵察天線安裝在高度大于20 m的桅桿頂端。另一方面，水面艦船通信偵察的對象主要是岸基、水面和中低空的固定、低速運(yùn)動目標(biāo)，故收發(fā)天線的高度也符合本模型的適用范圍。尤其是模型中可通過介電常數(shù)和導(dǎo)電率反映海水介質(zhì)特性、不規(guī)則地形參數(shù)反映海浪起伏及島嶼遮擋情況，使該傳輸損耗模型相比其他模型更適合海上信號傳播的預(yù)測。

2 基于Longley-Rice模型和實測數(shù)據(jù)的傳輸損耗估算

2.1 實測實驗及視距計算

在東海海面進(jìn)行的一次信號測量實驗中[4]，測試條件如下：信號頻率900 MHz，岸基固定發(fā)射天線高200 m，增益18 dBi，水平波束寬65°，單極化，輸出功率80 W。實驗分2次進(jìn)行，接收條件稍有區(qū)別：6～42 km時，接收天線高3 m；40～90 km時，接收天線高10 m。

在數(shù)據(jù)處理時，首先以1 km為間隔進(jìn)行采樣點(diǎn)平均，以消除因海浪顛簸帶來的數(shù)據(jù)波動，實測各點(diǎn)接收電平Pd，見圖1。根據(jù)天線理論，可計算出輻射源有效輻射功率Pe=66.29 dBm，沿線各點(diǎn)實際路徑損耗Ld=Pe-Pd，如圖2所示。

圖1 測試距離與接收電平關(guān)系

圖2 測試距離與傳輸損耗關(guān)系

視距的計算公式為:

(1)

假定偵察天線高度H1，對于實驗中的輻射源目標(biāo)，H2取200 m，則視距距離與接收天線架高的關(guān)系如圖3所示?？梢娊邮仗炀€在3 m高時，視距范圍約60 km；在10 m高時，視距范圍約70 km。

圖3 視距距離與偵察天線架高關(guān)系

2.2 傳輸損耗的估算

用Longley-Rice模型對傳輸損耗進(jìn)行估算，有公式：

(2)

式中：PR為接收點(diǎn)功率；Pe為有效輻射功率；Acr為參考衰減值；Lfs為自由空間傳輸損耗；a為修正因子，一般取5 dB。

假設(shè)輻射源功率為PT，信號頻率為f，發(fā)射天線增益為GT，接收天線增益為GR，信號輻射源與接收天線間距離為d，可通過下面3個公式計算傳輸損耗、接收功率：

Lfs=32.45+20lgf+20lgd

(3)

(4)

(5)

式中：d的單位為km;f的單位為MHz;Lcr為傳輸損耗。

Longley-Rice模型是基于不同傳播范圍對傳輸損耗進(jìn)行建模的，在視距范圍內(nèi)時，以海面反射傳播為主，采用雙徑模型估算，如下式：

(6)

超過視距范圍，以衍射傳播為主，對于不同類型的傳輸環(huán)境有不同的損耗估算方法，將結(jié)果加權(quán)即作為超視距衍射損耗：

(7)

對于更遠(yuǎn)的距離，以前向散射傳播機(jī)制為主，參考損耗計算公式為：

(8)

式中：dls為光滑地面距離，在海上無遮擋情況下可視為視距；dx為衍射損耗和散射損耗相等時的距離；Ae、Aed、Aes分別為自由空間視距、衍射和散射時的傳播損耗值；k1和k2為損耗系數(shù)；md和ms分別為衍射和散射損耗系數(shù)，對于各系數(shù)的計算有一套理論推導(dǎo)方法[5]。

本文為避免純理論計算脫離實際，將采用已知損耗模型，利用實測數(shù)據(jù)反向擬合求解參數(shù)。

2.3 實測數(shù)據(jù)反向擬合法求參考衰減損耗

由公式(2)得參考衰減值：

(9)

由圖3得偵收天線高3 m時視距范圍約60 km，而第1組測量數(shù)據(jù)在50 km以內(nèi)，故認(rèn)為可以使用預(yù)測公式(6)。

首先在圖1所示實測數(shù)據(jù)中，取視距范圍內(nèi)變化相對穩(wěn)定區(qū)間的3點(diǎn)，如(10,56)、(25,69)、(40,79)，代入式(6)，經(jīng)計算得參數(shù)Ae=5.718 6， k1=0.456 1，k2=-4.524 5，再利用軟件進(jìn)行非線性回歸擬合，得到視距范圍Acr的變化曲線,如圖4所示。

圖4 視距范圍參考損耗值擬合曲線

同理，根據(jù)實測數(shù)據(jù)，得到在50 km以上至超視距條件下Acr的估算公式中，Aed=-69.808，md=1.150 1，經(jīng)過反向擬合，得到Acr的變化曲線如圖5所示。

圖5 超視距范圍參考損耗值擬合曲線

由于所參考資料中測試實驗只進(jìn)行到90 km，故衍射損耗和散射損耗相等的超遠(yuǎn)距離情況暫不討論。

2.4 預(yù)測曲線與實測數(shù)據(jù)的比較

將經(jīng)過擬合求得的ACR代回公式(2)中，得到接收點(diǎn)功率預(yù)測模型曲線PR=-35.963 5-0.456 1d-15.475 5lgd，與原始實測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,如圖6所示。

同理，得到50 km以上至超視距情況下的預(yù)測公式PR=39.563 1-1.150 1d-20lgd，與原始實測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到圖7。

從圖6和圖7可以看出，預(yù)測值曲線與實測數(shù)據(jù)曲線的衰減趨勢基本一致。表2的對比中有2個點(diǎn)誤差超過5 dB。

圖6 視距范圍預(yù)測曲線與實測數(shù)據(jù)比較

圖7 超視距范圍預(yù)測曲線與實測數(shù)據(jù)比較

距離(km)789101112131415161718實測(dBm)-61-57-56-56-56-56.5-57-60-62-62-57.5-64預(yù)測(dBm)-52.2-53.6-54.8-56.0-57.1-58.1-59.1-60.1-61.0-61.9-62.8-63.6距離(km)192021222324252627282930實測(dBm)-62.5-63-63-65-64-69-69-72-70-70.5-72-72.5預(yù)測(dBm)-64.4-65.2-66.0-66.8-67.5-68.3-69.0-69.7-70.4-71.1-71.8-72.5距離(km)313233343536373839404142實測(dBm)-70-69-70.5-71-72.5-74.5-75-78-79.5-79-81-78預(yù)測(dBm)-73.2-73.9-74.5-75.2-75.8-76.5-77.1-77.7-78.4-79.0-79.6-80.2

表3的對比中有9個點(diǎn)誤差超過5 dB，2次實驗中誤差在5 dB以內(nèi)的分別占94.5%和71.9%，考慮到海上測試環(huán)境復(fù)雜，可認(rèn)為誤差在允許范圍以內(nèi)。由此可得出該方法所得模型適合海上通信信號傳輸預(yù)測的結(jié)論，且距離較近時較為準(zhǔn)確。

3 有效偵察概率的計算

通信過程中，由于傳輸環(huán)境的變化和各種干擾的存在，電磁波到達(dá)接收點(diǎn)后其場強(qiáng)是隨機(jī)變化的，信號幅度的變化有多種形式，工程計算中一般采用瑞利分布。對通信的偵察效能評估指標(biāo)為一種概率模型，即在某時刻，符合瑞利分布的電磁信號到達(dá)接收點(diǎn)的預(yù)期場強(qiáng)大于或等于接收機(jī)偵察所需最小場強(qiáng)的概率，其時間百分率為：

T=100e-0.693 15(ERmin/ER)2

(10)

式中:ERmin為偵察系統(tǒng)正常接收所需的最小場強(qiáng)；ER為信號經(jīng)過到達(dá)接收點(diǎn)時的場強(qiáng)；T為ER≥ERmin的時間百分率。

表3 超視距范圍預(yù)測電平與實測電平比較

偵察接收機(jī)所需最小信號場強(qiáng)主要由2個方面決定，分別是接收設(shè)備的內(nèi)、外部噪聲和由業(yè)務(wù)等級、工作體制、裝備性能等決定的信噪比。其中，船載通信偵察天線的噪聲場強(qiáng)有效值為：

En=Fa+10lgB-174

(11)

式中：B為偵察系統(tǒng)有效噪聲帶寬，單位Hz；Fa為有效噪聲系數(shù)，單位dB，可通過查表進(jìn)行估算[6]。

已知檢測出目標(biāo)信號所要求的信噪比和接收點(diǎn)的噪聲場強(qiáng)有效值，接收機(jī)偵察所需的最小接收場強(qiáng)ERmin為：

(12)

另一方面，可由接收點(diǎn)的接收功率求得接收場強(qiáng)：

ER=PR+20lg(f)+77.2

(13)

將ER與ERmin代入偵察效能評估概率公式(10)，可算出某位置接收點(diǎn)預(yù)期場強(qiáng)大于等于系統(tǒng)接收所需最小場強(qiáng)的概率，即目標(biāo)信號被船載通信偵察接收機(jī)截獲的概率。

(14)

超視距條件下：

(15)

船載通信偵察系統(tǒng)在不同距離上對假定目標(biāo)的偵察效能概率如圖8所示。

圖8 偵察效能概率

雖然因所依據(jù)實測數(shù)據(jù)限制曲線分為2段，但其整體趨勢是相同的，即隨著距離的增大,偵察概率在不斷降低，且降低的速度越來越快。假定當(dāng)偵察概率低于50%時，不能滿足偵察效率的需求，則可得出結(jié)論：對于該假定目標(biāo),被評估系統(tǒng)的有效偵察 距離為133.3 km。對于不同船載通信偵察系統(tǒng)，可以各項參數(shù)確定已知的目標(biāo)信號輻射源為參照，通過上述方法衡量偵察距離的遠(yuǎn)近。

4 結(jié)束語

本文以Longley-Rice傳播模型為基礎(chǔ)，采用通過實驗數(shù)據(jù)擬合求出所需參數(shù)的方法，得到傳播預(yù)測模型，并與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，證明了模型的有效性。根據(jù)所得模型計算接收點(diǎn)場強(qiáng)，代入偵察效能概率模型，進(jìn)而估算出船載通信偵察系統(tǒng)的有效偵察距離。此種方法結(jié)合了理論模型與實驗數(shù)據(jù)，能較好地預(yù)測出通信信號的傳輸情況；對偵察系統(tǒng)的有效偵察距離進(jìn)行估算、對不同距離上的偵察效能進(jìn)行定量分析，有利于更好地了解并使用相關(guān)裝備。

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Research into Distance Estimation Method of Shipboard Communication Reconnaissance System

CHEN Qi,XIE Jin-hui

(Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

This paper introduces the propagation models of communication signals on the sea,chooses the Longley-Rice propagation model as the base,and uses the method of experimental data fitting to obtain the model parameters,proves that the method can reflect the actual propagation loss of communication signals on the sea by comparing the model parameter with the measured data,then calculates the electric field intensity of receiving point according to the model,and analyzes the reconnaissance probability of shipboard communication reconnaissance system in different distances quantitatively,moreover estimates the effective reconnaissance distance.The method combines the theoretical model with experimental data,which provides new way to estimate the effective reconnaissance distance of the system and compare the performance of different systems.

communication reconnaissance;Longley-Rice model;propagation loss;distance estimation

2015-12-31

TN911.23

A

CN32-1413(2016)04-0029-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.04.007