基于公跨鐵工程的鐵路無線信號(hào)遮蔽分析

賀欣欣

【摘要】? ? 鐵路無線信號(hào)傳播過程中受直射波和發(fā)射波之間的干涉影響，發(fā)射天線和接收天線之間的障礙物對(duì)無線信號(hào)傳播作用明顯。實(shí)際公路跨越鐵路工程中，新建公路橋存在遮擋無線信號(hào)的情況。本文針對(duì)收發(fā)天線之間的菲涅爾區(qū)作理論分析，基于MATLAB仿真分析不同因素對(duì)菲涅爾區(qū)的影響，進(jìn)而為實(shí)際公跨鐵工程的實(shí)施提供有力的理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】? ? 無線信號(hào)? ? 菲涅爾區(qū)? ? 公跨鐵工程

引言

鐵路無線通信能夠?yàn)榱熊囌{(diào)度、列車運(yùn)行控制、機(jī)車同步操控以及區(qū)間、站場(chǎng)、公務(wù)等提供及時(shí)可靠的通信，以提高服務(wù)質(zhì)量和鐵路的運(yùn)輸效率，保證列車的安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)營(yíng)。隨著我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，新建公路鐵路隨之增多，公路上跨鐵路的情況也逐漸增多，而新建設(shè)的公路橋容易對(duì)鐵路無線信號(hào)傳播造成遮蔽和干擾。因此在實(shí)際公跨鐵工程實(shí)施前，需要對(duì)鐵路無線信號(hào)傳播進(jìn)行遮蔽分析。

鐵路機(jī)車天線接收除了無線鐵塔的發(fā)射信號(hào)之外，還包括多種干擾信號(hào)，例如多徑信號(hào)和復(fù)雜回波信號(hào)。以上多種干擾信號(hào)使得電磁波經(jīng)不同路徑傳播后，各個(gè)路徑的分信號(hào)到達(dá)接收端的時(shí)間不同，各路信號(hào)按各自相位相互疊加，導(dǎo)致天線最終接收的信號(hào)在幅度和相位上出現(xiàn)較大偏差。在電波的傳輸過程中，波陣面上的每一點(diǎn)都是一個(gè)進(jìn)行二次輻射的球面波的波源，這種波源稱為二次波源，而空間任一點(diǎn)的輻射場(chǎng)都是由包圍波面的任意封閉曲面上各點(diǎn)的二次波源發(fā)出的波在該點(diǎn)相互干涉、疊加的結(jié)果[1]。電磁波在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸中，以收發(fā)天線之間連線為軸線，以R為半徑類似管道區(qū)域的橢球體被稱為菲涅爾區(qū)，收發(fā)天線位于橢球的兩個(gè)焦點(diǎn)上，R為第一菲涅爾半徑。在電磁波傳輸過程中，電磁信號(hào)傳輸?shù)哪芰恐饕性诘谝环颇鶢枀^(qū)[5]。

目前關(guān)于菲涅爾區(qū)的研究在很多領(lǐng)域都有涉及。文獻(xiàn)[1]定義了空間菲涅爾區(qū)和地面菲涅爾區(qū)，并分別建立了空間菲涅爾區(qū)和地面菲涅爾區(qū)的數(shù)學(xué)模型;文獻(xiàn)[2]研究了航向臺(tái)信號(hào)遮蔽情況，為機(jī)場(chǎng)安全運(yùn)行提供了理論依據(jù);文獻(xiàn)[3]研究了海面目標(biāo)通過第一菲涅爾區(qū)對(duì)GPS信號(hào)偽隨機(jī)碼相關(guān)能量的影響規(guī)律，通過檢測(cè)相關(guān)能量的變化實(shí)現(xiàn)探測(cè)海面目標(biāo);文獻(xiàn)[4]建立了關(guān)于地面菲涅爾區(qū)的數(shù)學(xué)模型。在鐵路無線通信領(lǐng)域，關(guān)于菲涅爾區(qū)的研究比較少。本文針對(duì)鐵路領(lǐng)域里鐵塔和機(jī)車之間的空間菲涅爾區(qū)，建立數(shù)學(xué)模型，分析菲涅爾半徑隨不同因素的變化，并基于Matlab平臺(tái)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，進(jìn)一步為鐵路工程實(shí)施提供強(qiáng)有力的理論依據(jù)。

一、第一菲涅爾區(qū)

當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信時(shí)，要求收發(fā)天線之間實(shí)現(xiàn)無障礙傳輸。鐵路無線通信采用的天線具有強(qiáng)方向性，通常架設(shè)在鐵塔上，具有足夠的架設(shè)高度。收發(fā)天線之間的無線信號(hào)傳輸通道，要求在視距范圍內(nèi)無遮擋，因?yàn)樵诟叩念l率下，山體、植物、建筑物等對(duì)電磁波的散射和繞射作用會(huì)更明顯，此外還有雨雪和大氣對(duì)電磁波造成的衰減干擾。無線電波傳輸?shù)闹饕ǖ辣环Q為第一菲涅爾區(qū)，如下圖所示。第一菲涅爾區(qū)指以基站發(fā)射天線，與用戶接收天線之間連線為軸，以R為半徑的橢球體，收發(fā)天線位于橢球體的焦點(diǎn)上。其中R為菲涅爾半徑。

根據(jù)惠更斯-菲涅爾原理，任意時(shí)刻波面上的每一點(diǎn)，都可以看作次波波源，各自發(fā)出球面次波，在以后的任何時(shí)刻，這些次波的包絡(luò)面形成整個(gè)波在該時(shí)刻新的波面;在以后的任何時(shí)刻空間任意一點(diǎn)處的輻射場(chǎng)，是包圍波源的任意封閉面上產(chǎn)生的所有次波，在該點(diǎn)所產(chǎn)生的場(chǎng)疊加的結(jié)果，并且相鄰兩個(gè)菲涅爾半波帶對(duì)應(yīng)位置上的次波到達(dá)場(chǎng)點(diǎn)時(shí)，為反相疊加。該點(diǎn)處的場(chǎng)主要決定于第一菲涅爾半波帶。

O點(diǎn)是發(fā)出球面波的波源，S是某一時(shí)刻形成的新波面，當(dāng)球面波半徑很大時(shí)，波面可近似看作平面，假定接收天線位于P點(diǎn)，連接O點(diǎn)和P點(diǎn)，與等相位面相交于。

將該時(shí)刻的新波面（近似為平面）分成很多環(huán)形帶，其中，為第一菲涅爾半波帶的邊緣點(diǎn)，為第二菲涅爾半波帶的邊緣點(diǎn)，為第三菲涅爾半波帶的邊緣點(diǎn)。

E1表示第一菲涅爾半波帶在P點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)振幅，E2表示第二菲涅爾半波帶在P點(diǎn)的電場(chǎng)振幅，E3表示第三菲涅爾半波帶在P點(diǎn)的電場(chǎng)振幅。第一菲涅爾半波帶的電場(chǎng)強(qiáng)度最大，電場(chǎng)強(qiáng)度隨k的增加而逐漸減小。

其中λ為電磁波長(zhǎng)，菲涅爾區(qū)半徑隨信號(hào)頻率和收發(fā)天線之間距離的不同而不同。

如果存在物體遮擋菲涅爾區(qū)內(nèi)的信號(hào)傳輸通道，銳邊衍射就會(huì)使部分信號(hào)偏轉(zhuǎn)，致使偏轉(zhuǎn)的信號(hào)實(shí)際到達(dá)接收天線的時(shí)間晚于直線信號(hào)。由于這些偏轉(zhuǎn)的信號(hào)與直線信號(hào)有存在相位差，所以天線的接收功率會(huì)大大降低，甚至被抵消。此外，例如像樹木等“軟”物體遮擋菲涅爾區(qū)時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度將會(huì)被削弱。在自由空間，從波源輻射到接收點(diǎn)的電磁能量主要通過第一菲涅爾區(qū)傳播，只要第一菲涅爾區(qū)不被阻擋，就可以獲得近似自由空間的傳播條件。工程上為保證無線系統(tǒng)正常通信，一般要求收發(fā)天線之間的障礙物不超過其菲涅爾區(qū)的20%，若障礙物遮擋過多菲涅爾區(qū)，則會(huì)導(dǎo)致電磁傳播產(chǎn)生不良影響，例如多徑效應(yīng)，進(jìn)而影響通信服務(wù)、通信質(zhì)量嚴(yán)重下降。

二、鐵路無線信號(hào)遮蔽分析

由（4）式表示的第一菲涅爾區(qū)半徑公式顯示，菲涅爾區(qū)半徑大小主要取決于收發(fā)天線之間的距離及電磁波頻率，下面將對(duì)二者對(duì)第一菲涅區(qū)半徑的影響進(jìn)行仿真分析。

鐵路工程領(lǐng)域里無線鐵塔與機(jī)車之間的距離最遠(yuǎn)可達(dá)上千米，為分析公跨鐵工程里上跨橋?qū)o線信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，本次研究考慮無線鐵塔和機(jī)車之間的距離在1km范圍內(nèi)。

由仿真結(jié)果可以看出，保持電磁波頻率不變時(shí)，菲涅爾半徑與收發(fā)天線之間距離的關(guān)系。隨著收發(fā)天線之間的距離增大，菲涅爾半徑也變大，最后增長(zhǎng)趨于平緩。

保持收發(fā)天線之間的距離不變時(shí)，菲涅爾半徑與電磁波頻率的關(guān)系如下，隨著電磁波頻率變大，菲涅爾半徑逐漸減小。仿真結(jié)果意味著低頻段阻礙通信的障礙物在高頻段可能對(duì)通信不產(chǎn)生干擾。

基于上述理論和仿真分析，假定場(chǎng)景，分析當(dāng)機(jī)車下穿寬度為34m的高架橋時(shí)，是否可以正常接收基站發(fā)射信號(hào)。其中機(jī)車接收天線h1為4m，橋高h(yuǎn)2為15m，塔高h(yuǎn)3為30m，簡(jiǎn)化模型如圖3所示，d2測(cè)量值為3100m。由上述分析可得菲涅爾半徑為10.4544m。

當(dāng)上跨橋遮住收發(fā)天線的幾何射線時(shí)，由于電波傳播的主要通道未被全部遮擋，因此機(jī)車接收信號(hào)不受影響。

三、結(jié)論

針對(duì)公跨鐵工程，如果上跨橋遮擋了無線電波傳輸?shù)闹饕ǖ溃瑒t會(huì)影響鐵路的運(yùn)行安全。本文以菲涅爾理論為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出第一菲涅爾區(qū)半徑公式，并以該公式為模型，對(duì)鐵路無線信號(hào)進(jìn)行遮蔽分析。菲涅爾半徑主要取決于電磁波頻率和收發(fā)天線之間的距離，隨著電磁波頻率變小和收發(fā)天線之間的距離增大，菲涅爾區(qū)半徑變大，意味著高頻段通信可能不再受影響低頻段通信的障礙物干擾。收發(fā)天線的架設(shè)高度盡可能保證障礙物不超過其間菲涅爾區(qū)的20%。遠(yuǎn)距離通信時(shí)障礙物更容易干擾收發(fā)天線之間的傳輸通道。

公跨鐵項(xiàng)目實(shí)施前應(yīng)對(duì)鐵路無線信號(hào)進(jìn)行遮蔽分析，保證收發(fā)天線之間的第一菲涅爾區(qū)至少80%區(qū)域不受遮擋、無線信號(hào)收發(fā)不受干擾。該結(jié)論能夠?yàn)楣玷F工程提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)為鐵路安全運(yùn)營(yíng)提供堅(jiān)實(shí)的保障。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]鄒高翔，童創(chuàng)明，王童，等. 空間與地面菲涅爾區(qū)特性研究[J]。彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2017.37（1），129-134.

[2]趙慶田，董立堯，陳守客，蘇旭. 基于Deygout算法的航向臺(tái)信號(hào)遮蔽分析[J].民航學(xué)報(bào)，2020.4（5），45-49.

[3]馬建國(guó)，曹可勁，張磊，李豹. 基于GPS信號(hào)的海面目標(biāo)被動(dòng)探測(cè)[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2011.33（5），987-991.

[4]黃樹軍，孫合敏，閆世強(qiáng). 一種求解陸基雷達(dá)地面發(fā)射區(qū)域面積的模型[J].空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002.16（1）：31-33.

[5]徐振海，肖順平，熊子源. 陣列雷達(dá)低角跟蹤技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2014：31-33.