Longley-Rice無線電波傳輸模型

1、目錄i第一章緒論11.1研究背景11.2模型分類及參數(shù)11.3 Longley-Rice模型傳輸損耗21.4 Longley-Rice模型的適用范圍3第二章傳播模型分析及建模52.1傳播模型的分析與選擇52.2 Longley-Rice模型建模82.2.1衍射傳播損耗92.2.2視距(LOS)傳播損耗102.2.3向散射傳播損耗102.3仿真分析102.3.2 SRTM高程數(shù)據(jù)的抽取過程112.3.3接收機高度描述122.3.4 結(jié)果13第三章Longley-rice等效模型的建立153.1 longley-rice的現(xiàn)狀和不足153.2 Longley-Rice模型的改進15第四章利用lon

2、gley-rice模型設計的可視化電磁環(huán)境174.1電磁環(huán)境可視化174.2三維電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)生成184.2.1不規(guī)則地形剖面提取184.2.3電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)計算194.3在三維數(shù)字地球上體繪制電磁環(huán)境204.3.1硬件加速的直接體繪制204.3.2電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)包圍盒204.3.3體數(shù)據(jù)紋理坐標轉(zhuǎn)換21第五章用Longley-Rice大氣折射修正方法的改進255.1 對Okumura-Hata和Longley-Rice的比較255.2 Longley-Rice模型中對大氣折射誤差的修正255.3大氣折射修正方法的改進26第六章展望30參考文獻31第一章緒論1.1研究背景Longley-Ric

3、e無線電波傳輸模型1是由Longley和Riee提出的無線電波傳輸模型，該模型為統(tǒng)計模型，它是以無線電波傳播理論為依據(jù)，并結(jié)合了許多實際環(huán)境下的測量數(shù)據(jù)，所以該模型被稱為半經(jīng)驗預測模型。正是因為該模型是以無線電波傳播理論為依據(jù),有加上了大量的實際測量數(shù)據(jù)，因此該模型得到了廣泛的應用。該模型被稱為不規(guī)則地面模型，可以用該模型預測自由空間中由地形非規(guī)則性所造成的中值傳輸衰落。1.2模型分類及參數(shù)Longley-rice模型有:2種模式。當?shù)匦温窂揭讚?jù)很詳細時，特定路徑參數(shù)就很容易被確定。這不預測方式為“點到點預測”。如果地形數(shù)據(jù)不夠訓確，可以利用Longley-Rice模型估計特定參數(shù)的值這種預測

4、方式為“區(qū)域預測”。Longley-rice模型有4種變化模式，分別為單信號模式、單天線模式、移動模式和廣播模式。在longley-rice模型的早期程序中，所有點對點預測的計算都是基于單天線模式，這里天線的位置是不變的。后來，由于對計算精度需求的提高，人們才引入其他模式。在各種變化模式中，變化的主要是時間、位置和情景3個參量，或者說是一個三維變量。目前，Longley-Rice無線電波模型已有相關的計算機仿真程序，可以用來對無線電波傳輸?shù)膿p耗進行計算。當無線電波傳輸路徑已知時，計算機的仿真程序可以通過無線電波傳播路徑的長度、極化方向、無線電波頻率、地面有效半徑、收發(fā)天線高度、地面導電常數(shù)以及

5、表面繞射率等參數(shù)確定無線電波傳輸損耗的大小。Longley-Rice預測模型主要有以下參數(shù)： 天線極化方式:可以采用水平極化或者垂直極化。Longley-Rice模型中假設發(fā)射天線和接受天線具有相同的極化方式； 折射率:空氣的折射率決定了無線電波的“彎曲”程度。在一般的模型中，空氣折射率用地面有效曲率來代替，通常取1.333。 介電常數(shù):地面的相對介電常數(shù)和電導率1.3Longley-Rice模型傳輸損耗根據(jù)無線電波的傳播范圍的不同，Longley-Rice模型的傳輸損耗可大致分為三種情況，它們分別為：(1) 視距傳播損耗(2) 繞射傳播損耗(3) 散射傳播損耗。當無線電波傳播于視距范圍內(nèi)時，

6、無線電波傳播方式主要以反射傳播為主。通過對地貌地形的路徑及對流層的繞射特點進行分析，預測出無線電波傳輸中值傳輸衰落，將雙線地面反射模型用來模擬地平線以內(nèi)的傳輸場強。視距傳播模型的適用范圍為:d<d<d。minLS(2) 繞射傳播損耗當無線電波傳播于超視距范圍內(nèi)時，無線電波傳播方式主要以繞射傳播為主。但是,當無線電波的傳播環(huán)境為不規(guī)則的地形時，會有兩種理論用于計算繞射損耗。其中一種適用于預測非球形但光滑的地面上無線電波的傳播,而另外一種則適用于非常不規(guī)則的地面上無線電波的傳播。采用Fresnel-Kirchoff刃形模型來預測無線電波傳播的繞射損耗，其計算結(jié)果是上述兩種理論結(jié)果的加權

7、和。適用范圍:d<d<d為繞射傳播距離，單位為km。Lsx(3) 散射傳播損耗當無線電波的傳輸距離為大大超出地平線的遠距離無線電波的傳輸時，無線電波傳播方式主要以散射傳播為主，預測理論以繞射理論為主。適用范圍:d<d為散射傳播距離，單位為km。x綜上所述，Longley-Rice模型傳輸損耗L為：bL二L+L(3-15)breffree其中：L二32.45+20lgd+20lgf(3-16)freemax(0,L+kd+klgd),d<d<dbe12minLsLL+m,d<d<d(3-17)refbeddLsxL+md,d<dbessx式中:d為

8、傳播距離，單位為km;f為無線電波頻率,單位為MHz;d為光滑地面距離;dLsx表示此處的繞射損耗和散射損耗相等;L、L、L分別表示自由空間下視距、繞bebedbes射和散射時的傳播損耗值;k和k為傳播損耗系數(shù);m和m分別為繞射和散射損耗系12ds數(shù)。d<d<d為視距傳播距離，d<d<d為繞射傳播距離，d<d為散射傳播距minLSLsxX離。1.4Longley-Rice模型的適用范圍Longley-Rice模型中的實測數(shù)據(jù)大多數(shù)取自10-1000MHz的頻率范圍，其中20-100MHz的數(shù)據(jù)涉及5-50km的距離和1-9m的收、發(fā)信天線高度;較高頻段的數(shù)據(jù)涉及5

9、-1000km的距離，10-1500m的發(fā)射天線高度和3-9m的接收天線高度。數(shù)據(jù)來源于世界各地，但主要是美國，多數(shù)為移動記錄結(jié)果。©Longley-Rice模型給出了參考衰減值的計算公式及不同環(huán)境下相關修正因子的詳細說明，公式中所使用的參數(shù)包括：不規(guī)則地形參數(shù)、頻率、收發(fā)信機天線高度和表面折射率等3。同時還引入了反映介質(zhì)特性的2個參數(shù):介電常數(shù)和導電率。以傳播理論為依據(jù)，加上極其豐富的實測數(shù)據(jù)，使得Longley-Rice模型使用范圍得到了拓展，其適用范圍如下：1) 頻率f:20-40000MHz;2) 收、發(fā)信機天線高度:0.5-3000m;3) 覆蓋半徑:1-2000km;4）

10、表面折射率:250-400Ns。表1.1地面的相對介電常數(shù)和導電率相對介電常數(shù)導電率/（S/m）一般的地面150.005導電性差的地面40.001導電性好的地面250.020純水810.010海水815.000表1.2氣候類型和相應地表折射率氣候類型地表折射率（N-units）1近赤道氣候（如：剛果）3602亞熱帶大陸性氣候（如：蘇丹）3203亞熱帶海洋性氣候（如：非洲西海岸）3704沙漠氣候（如：撒哈拉沙漠）2805溫帶大陸性氣候3016溫帶海洋性氣候（陸地上）（如：英國）320在Longley-Rice模型中，溫帶大陸性氣候為溫地區(qū)大片陸地上的典型氣候，其典型特征為顯著f氣溫變化和四季交替

11、。在中緯度沿海地區(qū)，強大曠海風為大陸帶來了濕潤的空氣，因此這里主要是溫帶海洋性氣候。英國、美國西海岸和歐洲部分地區(qū)就是這種氣候的典型代表。對于小于100km的播路徑而言，溫帶大陸性氣候和溫帶海洋性氣候造成的差別微乎其微。但是對于更長的路徑而言，帶海洋性氣候帶來了更多的折射，使得在約10%時間內(nèi)其場強大于溫帶大陸性氣候。第二章傳播模型分析及建模2.1傳播模型的分析與選擇飛行器從起飛到飛臨目標上空，一般情況下可能會途經(jīng)平原、丘陵、高山、河流甚至是海洋等不規(guī)則地形，對通信信道損耗的預測需要考慮不同的天然地形環(huán)境的影響。同時還要考慮樹木、建筑物和其他遮擋物等人為因素的影響。電波傳播預測模型大體可分為兩

12、類:一類是基于電磁波傳播理論7，根據(jù)具體的適用環(huán)境，確定電磁環(huán)境的邊界條件，求解麥克斯韋電磁波方程式，進而確定出電磁波的傳播路徑和傳播場強值，該類模型通常適用于計算近區(qū)場電磁傳播，而對遠區(qū)場而言邊界條件難以確定，需要考慮的因素增多，計算相當復雜;另一類是利用數(shù)理統(tǒng)計方法，通過將大量數(shù)據(jù)篩選后進行統(tǒng)計分析，并結(jié)合部分電磁理論來確定對電磁波傳播損耗影響較大的因素，再利用數(shù)據(jù)擬合等方法得到電磁波的傳播預測模型，屬半經(jīng)驗模型，對遠區(qū)場的電磁波預測大都使用該類模型。通過長期的測試、研究，人們總結(jié)歸納了多種適用于遠距離的電波傳播預測模型，如OkumurHata模型、Egli模型和Longley-Rice模

13、型等。Okumura模型以準平坦地形大城市區(qū)的中值場強或路徑損耗作為參考，在工程實際中多用于市區(qū)、郊區(qū)和開闊地等地形起伏不大的地區(qū)。對于起伏較大的不規(guī)則地形，如丘陵地形、水陸混合地形和孤立山峰，其傳播損耗應在準平坦地形的中值傳播損耗的基礎上，加上適當?shù)男拚蜃舆M行校正。Okumura模型以曲線圖的形式給出，不便于快速的仿真，而Okumura-Hata模型是Hata在Okumura曲線圖的基礎上，通過曲線擬合所作的經(jīng)驗公式：L二69.55+26.16lgf-13.82lgh-A(h)+(44.9-6.55lgh)(lgd)y+Loss'(21)trt式中:f為電波頻率，單位MHz;d為通

14、信距離，單位km;h、h為收發(fā)天線高度，單位trm;Loss'為地形修正因子，A(h)是移動天線有效高度修正因子，單位dB;Y為距離修正r因子9。Egli模型是通過在VHF頻段和UHF頻段對不規(guī)則地形上得到的大量實測數(shù)據(jù)綜合分析的基礎上提出的一種經(jīng)驗模型，以地形起伏和障礙物高度不超過15m為準，對于地形起伏和障礙物超過15m的，運用修正因子加以修正。該模型僅適用于視距范圍內(nèi)。Longley-Rice模型被稱為不規(guī)則地形模型，以電波傳播理論為依據(jù)，結(jié)合豐富的實測數(shù)據(jù)，用以預測在自由空間中由地形的非規(guī)則性造成的中值傳播損耗。該模型具有兩種預測模式。當能夠獲取詳細的地形剖而數(shù)據(jù)時10，可以采

15、用點對點模式，如果沒有地形數(shù)據(jù)，預測模型需要估算與路徑相關的參數(shù)，需采用區(qū)域模式。表2.1不同傳播預測模型的適用范圍模型名稱適用頻率/MHz距離范韋ktn收發(fā)天線高度加適用地形Egli40-1000視距30/3起伏較低的不規(guī)則地形()kumura-Hata15019201-10030-200,1-10郊區(qū)、開闊地、丘陵等Loiighy-Ricr20-40000170000.5-3000不規(guī)則地形表2.1描述了以上三種模型的具體適用范圍。從表中可以看出:Egli模型的適用頻率范圍較窄，距離范圍僅為視距，Egli模型不適用于地形高度起伏太大的山區(qū)，而Okumura-Hata模型和Longley-R

16、ice模型均可用于飛行器通信仿真系統(tǒng)。對這兩種預測模型在開闊地和起伏較大的丘陵地區(qū)進行仿真，如圖1和圖2所示。Okumura-HadLongIey-RicM4K式FreeSpace100/B°i)IQ3Q<3040SO6070W90100通信Ki.Sl/km圖2.1開闊地傳輸損耗對比圖2.1中，Longley-Rice模型的預測值比Okumura-Hata模型的預測值明顯偏低。Okumura-Hata模型在兩種地形下的預測值變化較小，丘陵地區(qū)僅比開闊地偏高20dB左右，而Longley-Rice模型的變化較大，丘陵地區(qū)比開闊地高30dB左右。從仿真可以看:Longley-Ric

17、e模型比Okumura-Hata模型對地形的變化更加敏感，特別是圖2.2中Longley-Rice模型的點對點模式能夠?qū)崟r地反映地形對電磁波傳播的影響，比區(qū)域模式更加適用于傳播地形復雜的飛行器通信信道預測。文獻和巨中均使用了Longley-Rice模型作為海而電波傳播模型，但由于應用環(huán)境是海洋，地形不規(guī)則度較小，因此，使用的是區(qū)域模式;11文獻中提出使用Longley-Rice模型作為地而和導彈通信信道模型，在區(qū)域模式下仿真了頻率、地形、氣候類型和天線位置對電波傳播衰減的影響，但未給出點對點模式下地形影響的仿真結(jié)果。本文通過抽取傳播路徑地形高程值，從以飛行器高度作為接收天線高度的角度，使用點對

18、點模式對電波傳播衰減進行了仿真。6021020旳40506G70fiO901Q0通信距離/km圖2.2丘陵地區(qū)傳播損耗對比2.2 Longley-Rice模型建模Longley-Rice模型引入了電磁波頻率f.、收發(fā)天線有效高度h、h:及位置、極化方tr向、地形不規(guī)則度Ah、地球表而折射率N、地而電導率b和相對介電常數(shù)e等因素,sr在考慮電波本身特性的基礎上，同時兼顧了傳播環(huán)境的電氣特性。不同路徑長度的傳播損耗參考中值L的計算如下:refmax(0,L+kd+klgd),d<d<d(22)be12minLsLL+m,d<d<drefbeddLsxL+md,d<db

19、essx式中:d為傳播距離，單位為km;f為無線電波頻率,單位為MHz;d為光滑地面距離;dLsx表示此處的繞射損耗和散射損耗相等;L、L、L分別表示自由空間下視距、繞bebedbes射和散射時的傳播損耗值；k和k為傳播損耗系數(shù);m和m分別為繞射和散射損耗系12ds數(shù)。d<d<d為視距傳播距離，d<d<d為繞射傳播距離，d<d為散射傳播距minLSLsxX離。通過式(22)可以分別計算視距傳播損耗、衍射傳播損耗和散射傳播損耗。同時，再考慮到自由空間傳播損耗，整個傳播路徑上的總體損耗為L二L+L(23)breffree其中：L二32.45+20lgd+20lgf(2

20、4)free式中:d為傳播距離，單位為km;f為無線電波頻率，單位為MHz。2.2.1衍射傳播損耗d<d<d為衍射傳播距離，單位:km.Lsx不規(guī)則地形中的衍射傳播損耗通過結(jié)合基于菲涅耳-基爾霍夫理論的雙刃峰模型和適用于光滑地而的Vogler修正模型來計算。k=f/f丫=丫(10.04665eNs/nJ0,ea(25)d=、；2h/y,j=1,2Lseje(26)d=d+d,d=d+dLsLs1Ls2LL1L2(27)h.為收發(fā)天線有效咼度，單位:m。eJX=(ky2)-1/3為地球有效曲率acem=L(max(d,d+1.38X)+2.76X)一LddiffLsLaeaediff

21、(max(d,d+1.38X)1(2-8)LsLae2.76XaeL二L(max(d,d+1.38X)m(max(d,d+1.38X)(2一9)eddiffLsLaedLsLaeL(d)二(1w)L+wL+L(210)diffkrfoL=min(15,glg(1+akhha(d)(2一11)fog1g2hLs式(210)根據(jù)參數(shù)二確定雙刃峰衰落L和圓形地球衰落L在衰落計算中的比kr重。式(211)為雜波干擾衰落。2.2.2視距(LOS)傳播損耗d<d<d為視距12傳播距離，單位km.在LOS內(nèi)，以反射傳播機制為主,minLS采用雙線地而反射模型計算。定乂d=dL=L+md2Ls2e

22、dd2如果L>0，那么d=min(1/2d,4x10-5hhf)，否則ed0Lele2d=max(1/2d,min(-L/m,d2)(2一11)0LeddL31d=d+d(212)14o4lL=L(d)，L=L(d)(213)0Los01Los1式中，L=(1w)L+wL根據(jù)參數(shù)w確定衍射之外的損耗和雙線理論損耗的比重。Losdt2.2.3向散射傳播損耗d<d為散射傳播距離，單位km。計算過程為xd=d+D5Ls(214)d=d+2D(215)6Lsm=(L(d)L(d)/D(216)sscat5scat6sd=maxd,d+Xlg(f),(LLmd)/(mm)xLsLae5eds

23、5ds(217)式中L(s)=10lg(kHO4)+F(Os,N)+H(218)scats02.3仿真分析2.3.1地形剖而數(shù)據(jù)的獲取應用Longley-Rice模型的點對點模式進行計算時，需要獲取收發(fā)信機之間詳細的地形剖而數(shù)據(jù)。在仿真過程中采用質(zhì)量較高的航天飛機雷達地形測繪使命高程數(shù)據(jù)SRTM，分辨率為90m,SRTM數(shù)據(jù)有多種存儲格式，此處使用ASCII格式存儲的數(shù)據(jù),通過讀取ASCII文件頭獲取存儲高程文件的基本信息13,如行列數(shù)目N和N、起始經(jīng)re緯度X和Y以及數(shù)據(jù)元大小S等，然后計算目標位置點相對起始點的偏移量厶n就能00cell得到該點的高程數(shù)據(jù)。如果該點不能與文件中的位置相對應，

24、則使用內(nèi)插值方法，根據(jù)若干相鄰點的高程值求出此點的高程值。2.3.2 SRTM高程數(shù)據(jù)的抽取過程將ASCII文件中除去基本信息的實際高程數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，網(wǎng)格數(shù)目為N*N網(wǎng)格的re起始點坐標O(0,0)，終點坐標E(N,N).根據(jù)收發(fā)點的經(jīng)緯度確定收發(fā)點在網(wǎng)格中的坐re標xT7yTSLcellS-cellxy44SSLcell-Lcell),),向下取整。(Xt，勺=(Xr，Yr)二(根據(jù)收發(fā)點的坐標計算采樣點數(shù)N=max(|X-X|,Y-Y|)和采樣點間距TRTRd=90九，單位為m，其中X=廣r.X-XTR(2)米樣點滿足直線方程：y=Xx+Y-XX，由此得到米樣點的坐標為RR(X,Y)=(x,

25、y)=(xXx),ie(0,1,2,3.,N)進而求得所有采樣點的高程值，也就得到了iiiii,i收發(fā)點之間的地形剖而數(shù)據(jù)。在實驗過程中，選取發(fā)射點坐標T(115.9,42.7),接收點坐標R(117,43.5),采樣點數(shù)N=1321,d=111.3m,收發(fā)點間距d=146.9km.抽取后的地形剖而如圖2.3所示。中抽取地形剖面數(shù)據(jù)-<左鎖筆<全猴圖2.3從SRTM抽取的地形剖面圖2.3.3接收機高度描述在Longley-Rice模型的點對點模式】4中，需要明確信號發(fā)射機的結(jié)構高度以及接收機的結(jié)構高度，此處也就是飛行器距離地而的垂直距離。仿真時，可以假設飛行器在飛行過程中，飛行的海

26、拔高度在一段時間內(nèi)變化不大。但飛行器接收機的結(jié)構高度卻時刻在變化著。如圖2.4所示，飛行器在位置1和位置2時的飛行高度相同，均為h，當在位置1m時，飛行器處于山體的最頂端上空，此時的接收機結(jié)構高度為h二h-h，且接收機g2m1處于發(fā)射機的視距范圍內(nèi)。當在位置2時，飛行器飛臨山體的低海拔處，此時接收機的結(jié)構高度變?yōu)閔'，由于山體的阻擋，電波的傳輸以衍射為主。g2接收機位戲2圖2.4飛行器在不同位置時的接收機高度描述2.3.4結(jié)果在仿真計算中各工作參數(shù)設定為:電波工作頻率f=1500MHz，全向天線，垂直極化。發(fā)射機天線高度h=100m，飛行器飛行海拔高度h=1665m，地而電導率q=0.

27、g1m005,相對介電常數(shù)。e=15,地球表而折射率N=320N.發(fā)射機坐標為(E115.9,N42.7)，rs飛行器接收機的坐標隨飛行器以固定的飛行海拔高度向著坐標為(E117.0,N43.5)的點沿直線飛行而不斷變化，該地區(qū)的氣候類型為亞熱帶大陸性氣候。仿真結(jié)果如圖2.5所示。左坐標軸表示地形高程值，單位m，其中最左端標“.處為發(fā)射機所在地;右坐標軸表示電波傳播衰減，單位a;圖上端帶箭頭的虛線表示飛行器的飛行軌跡。從圖2.5中可以看到，在視距最遠端點之前的傳播衰減值緩慢增長，且曲線較為光滑，這是因為飛行器飛臨視距最遠端點之前一直處于發(fā)射機的視距范圍內(nèi)，可以認為是自由空間傳播。在視距最遠端點

28、處，飛行器和發(fā)射機之間恰好有山峰阻擋，故而此處的傳播衰減值發(fā)生陡變，從158dB劇增為188dB.此點后的電波傳播就以繞射衍射為主。值得注意的是當飛行器飛臨地形中最高的山峰時，即在多重衍射區(qū)處，電波傳播衰減不但沒有增加，反而有所減少。這種現(xiàn)象就是波在衍射區(qū)域遇到阻擋物被反射回來時會進一步加強原有波的強度。隨著飛行器越飛越遠進入散射區(qū)域后，傳播衰減值呈緩慢增長的趨勢，地形的變化己經(jīng)不是影響電波傳播的主要因素，因此，不會引起傳播衰減太大的波動。70050LOO圖2.5點對點模式下的傳播衰減仿真從圖2.5的仿真結(jié)果可以看出:在散射區(qū)域之前，電波的傳播損耗隨地形的高低起伏發(fā)生明顯的變化，說明應用Lon

29、gley-Rice模型的點對點模式可以較精確地預測電波傳播衰減。第三章Longley-rice等效模型的建立3.1longley-rice的現(xiàn)狀和不足Longley-Rice模型是由Longley和Rice提出的著名模型，它是一種統(tǒng)計模型，以傳播理論為依據(jù)，同時結(jié)合了數(shù)千組實測數(shù)據(jù)，因此稱其為半經(jīng)驗預測模型。由于該模型以傳播理論為依據(jù)，加上及其豐富的實測數(shù)據(jù)15，使其得到了廣泛的應用。但是Longley-Rice模型沒有考慮接收機附近的因素以及多徑的影響，所以預測精度存在一定的誤差。這里旨在建立一種模型，讓接收機附近的因素包含在Longley-Rice模型中，使模型更加完善，精度得到響應的提高

30、。3.2 Longley-Rice模型的改進由于Longley-Rice模型不能反映接收機附近的路徑損耗情況，為了使模型更加完善，提高預測的精度，作者對Longley-Rice模型做了改進，用等效散射模型描述了接收機附近的路徑損耗情況。由于接收機天線的高度通常很低，電波在傳播過程中會遇到各種障礙物、樹木以及起伏的地形，引起了電波的反射、折射和繞射，于是到達接收機的電波是上述電磁波的疊加，如圖3-1所示。發(fā)射機圖3-1電波的傳播模型采用等效的散射體來描述接收機附近的電波傳播情況，在該模型中，有n個等效散射體分布在接收機附近以r為半徑的圓上，其中有一個散射體在發(fā)射機與接收機的視線傳播路徑上，如圖3

31、.2所示。圖3.2等效散射模型第n條路徑的電波到達角度為：r2兀&.=sin(i),i=0,l,2,3.n-1。1dn式中，d為發(fā)射機和接收機之間的距離;由9，d和r可以確定第n條路徑的長度為:id=f(9,r,d),i二0,1,2.n1.ni于是將各個路徑的損耗疊加可以求得徑的總損耗為：L=£L,i=0,1,2n1.pii=1式中，L為第i條路徑的損耗。i對Longley-Rice模型做了改進，考慮接收機附近的因素以及多徑的影響，建立了接收機附近的散射模型，使得Longley-Rice模型更加完善，減小了電波傳播損耗計算的誤差，提高了電波傳播預測的精度。第四章利用longl

32、ey-rice模型設計的可視化電磁環(huán)境4.1電磁環(huán)境可視化電磁環(huán)境是指存在于給定場所的所有電磁現(xiàn)象的總和，包括自然環(huán)境因素和人為環(huán)境因素，本文主要研究人為電磁設備輻射構成的三維電磁環(huán)境.由于各種電磁設備數(shù)量眾多、使用頻段交錯、輻射功率大，構成的整個電磁環(huán)境異常復雜，相互間的干擾時有發(fā)生，尤其在目前高技術條件下，敵我雙方的電磁對抗更加重了電磁環(huán)境的復雜性.由于電磁環(huán)境不可見，指揮員不能直觀地了解戰(zhàn)場中的電磁態(tài)勢，所以要快速準確地做出決策存在巨大的困難.計算機圖形技術能形象直觀地展示數(shù)字信息，通過數(shù)據(jù)可視化，使用戶能直觀了解數(shù)據(jù)隱含的信息，帶給用戶161強烈的視覺感受.因此，電磁環(huán)境可視化在一定程

33、度上能減少指揮人員對復雜電磁環(huán)境掌握的盲目性，使指揮員對所處環(huán)境有一個直觀的認識，為快速準確地決策提供支持.目前在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中，電磁環(huán)境的可視化多采用二維的表現(xiàn)方式，不能體現(xiàn)三維電磁環(huán)境情況.本文結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術，在三維數(shù)字地球上展示三維虛擬電磁環(huán)境，為指揮員提供詳細的三維電磁態(tài)勢，指揮員還能動態(tài)調(diào)整電磁設備參數(shù)，并直觀查看電磁態(tài)勢相應的變化，通過交互更加直接了解各種條件下的復雜電磁環(huán)境，為其快速準確地決策提供直觀的輔助支持然而，把復雜的三維電磁環(huán)境高效且準確地展示到數(shù)字地球上是非常困難的為了可視化電磁環(huán)境，需采用合適的電波傳播模型計算電磁設備傳播數(shù)據(jù)雖然時域有限差分(FDTD)方法能精確描

34、述電波傳播，但由于其需耗費大量的計算時間，難以滿足實時動態(tài)可視化三維電磁環(huán)境的要求.Longley-rice電波傳播模型是一種基于統(tǒng)計分析和電磁理論的電波傳播計算模型17，它考慮了地形和大氣的影響.通過數(shù)字地形模型，可采用Longley-rice。點到點的預測模式計算電波傳播，它能精細考慮不規(guī)則地形對電波傳播的影響，且該模式相比FDTD能較快計算電波傳播數(shù)據(jù)，適合在數(shù)字地球上動態(tài)展示三維電磁環(huán)境.直接體繪制方法是一種可視化分析體數(shù)據(jù)的有效工具，由于圖形硬件能力的提高和功能的增強，采用圖形硬件圖形處理器(GPU)加速的直接體繪制方法可在主流圖形硬件條件下實時繪制，并能得到高質(zhì)量的繪制結(jié)果目前對電

35、磁環(huán)境中雷達探測范圍的可視化己有一些研究，主要采用了單層等值面的方法展示雷達三維探測范圍，能直觀展示雷達最大探測范圍的包絡;文獻采用等值面提取的方法對高壓電線周圍的電場進行可視化，181可清晰展示特定電位大小的電場覆蓋范圍，但由于等值面方法對表現(xiàn)體數(shù)據(jù)細節(jié)的不足，尚不能展示電磁環(huán)境內(nèi)部的細節(jié)信息多層半透明等值面繪制方法通過展示體數(shù)據(jù)的多層信息，能在一定條件下彌補單層等值面的不足，但沒有對體數(shù)據(jù)進行信息分析的切片、切割能力直接體繪制技術能詳細展示體數(shù)據(jù)信息，還能從多個角度切割分析數(shù)據(jù)，如文獻采用直接體繪制方法繪制了電磁態(tài)勢，但沒有采用GPU加速的方法，不能實時展示電磁態(tài)勢體數(shù)據(jù)因此本文擴展了文獻

36、中的硬件加速直接體繪制方法，通過坐標轉(zhuǎn)換把三維電磁環(huán)境直接實時繪制到數(shù)字地球上。4.2三維電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)生成為了對虛擬電磁環(huán)境進行展示，首先計算虛擬環(huán)境中設置的各個電磁設備向三維空間中輻射電磁波的情況.本文采用Longleyice電波傳播模型，即不規(guī)則地形模型來預測不同頻段的電波傳播，它能較準確地估計點波傳播損失通過Longleyice電波傳播模型得到各個19電磁設備在三維空間中的輻射損失值，進而計算得到電磁波三維空間功率密度數(shù)據(jù)，以此作為三維電磁環(huán)境表現(xiàn)的基礎.4.2.1不規(guī)則地形剖面提取不規(guī)則地形模型需要地形剖面數(shù)據(jù)來精確計算地形對電波傳播損失的影響，數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)用來生成地形剖面數(shù)據(jù)如

37、圖4.1(a)所示，電磁設備向四周發(fā)射的線條表示電波傳播路徑，背景線條是數(shù)字高程模型地形網(wǎng)格為得到電波傳播路徑上地形高程數(shù)據(jù)，采用雙線性插值方法，按照數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)的分辨率大小等間隔在數(shù)字地形上采樣生成路徑剖面高程數(shù)據(jù)20,圖4.1(b)示出了采樣得到的地形剖面示意圖。輛足樣也形山地形；吋茲擬圖4.1地形剖面選取4.2.3電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)計算由式P二P-L-L可計算得到三維電磁環(huán)境功率密度值，為減少存儲空間和提高繪ts制效率，把電磁數(shù)據(jù)離散為一定間隔的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，如圖4.2(a)所示首先，按照高度方向把電磁空間分成n層，再把每層按照經(jīng)緯度方向離散為m*k個網(wǎng)格點，用式P二P-L-L計算每個離散網(wǎng)

38、格點上的功率密度值.采用上述離散方法計算生成的電磁ts環(huán)境數(shù)據(jù)大小為m*k*n，圖4.2(b)示出了離散電磁數(shù)據(jù)在三維環(huán)境中的強度情況，分別用不同灰度表示強度大小.35W)電就數(shù)擁離散£忖電磁數(shù)據(jù)存”:維環(huán)境中的強度圖4.2電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)4.3在三維數(shù)字地球上體繪制電磁環(huán)境4.3.1硬件加速的直接體繪制基于GPU的光線投射體繪制把三維體數(shù)據(jù)沿光線方向投射到二維圖像上，采用體數(shù)據(jù)包圍盒作為繪制代理網(wǎng)格，并把包圍盒的每個頂點顏色設置為三維紋理坐標，采用多遍繪制技術繪制體數(shù)據(jù)信息.傳統(tǒng)基于硬件加速的直接體繪制方法采用規(guī)則包圍盒繪制體數(shù)據(jù)，且體數(shù)據(jù)是規(guī)則網(wǎng)格但是生成的電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)并不是規(guī)則

39、體數(shù)據(jù)，如圖4.2(b)所示，電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)采用球坐標系進行組織，因此傳統(tǒng)基于GPU的光線投射直接體繪制方法不能直接應用到電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)的繪制.下面將詳細介紹擴展傳統(tǒng)基于GPU的光線投射直接體繪制方法，巧妙通過坐標轉(zhuǎn)換實現(xiàn)在三維數(shù)字地球上展示電磁環(huán)境體數(shù)據(jù).4.3.2電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)包圍盒圖4.3(a)示出了在數(shù)字地球上表示的電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)不規(guī)則包圍盒的線框圖，包圍盒底部的4個頂點與其上部對應的4個頂點經(jīng)緯度值相同21，而海拔不同，但包圍盒的經(jīng)緯度與三維電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)計算區(qū)域的經(jīng)緯度相同假設三維電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)計算區(qū)域是從位置V(a,p,y)至位置V(a,p,y)位置點均采用球坐標，其中00001

40、111a,p,y,(n二0,1)分別為緯度、經(jīng)度和海拔.圖4.3(b)用填充色標示了三維電磁環(huán)境體數(shù)nnn據(jù)的剖面，不規(guī)則包圍盒垂直截面ABCD用粗實線表示根據(jù)幾何關系可明顯得到包圍盒的底部B點和C點海拔為y，頂部A點和D點的海拔為0(4-1)H二耳-Rcos0其中，R為地球半徑；陽max(a-a,p-p)/2.從圖3(b)可見，電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)1010包圍盒大于體數(shù)據(jù)的計算區(qū)域范圍，這樣可得到體數(shù)據(jù)包圍盒海拔高度:底部為y，頂0部為H.ChyjifLI金誡祈圖4.3電磁體數(shù)據(jù)包圍盒4.3.3體數(shù)據(jù)紋理坐標轉(zhuǎn)換在傳統(tǒng)基于GPU光線投射體繪制方法中，包圍盒頂點顏色值設置為三維體數(shù)據(jù)紋理的紋理坐標，

41、通過繪制包圍盒背面到紋理作為投射光線終止點.計算得到的三維電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)是不規(guī)則的，難于計算其包圍盒上的體數(shù)據(jù)紋理坐標，且由于包圍盒中其紋理坐標系統(tǒng)不是均勻變化的，不能直接把三維體數(shù)據(jù)紋理坐標設置成頂點坐標，通過線性插值得到其他紋理坐標.本文提出一種方法，不用三維體數(shù)據(jù)紋理坐標作為頂點顏色值，而是采用頂點的球坐標位置，通過坐標轉(zhuǎn)換把球坐標轉(zhuǎn)換為紋理坐標.首先，把球坐標轉(zhuǎn)換為笛卡兒坐標x=rcosacosPy=rcosasinP>(4-2)z=rsina其中，r,a，P為球坐標;x,y,z為笛卡兒坐標.用式(4-2)把包圍盒的8個頂點坐標轉(zhuǎn)換為笛卡兒坐標，然后設置其顏色值.通過GPU浮點紋

42、理的支持，包圍盒浮點顏色值被繪制到了浮點紋理上，片段著色程序查詢浮點紋理就能得到包圍盒的頂點位置值，即得到投射光線的終止點.繪制包圍盒正面作為投射光線的起始點22,因此投射光線方向就是終止點與起始點的矢量差，沿著光線方向就能采樣得到該光線穿過的體數(shù)據(jù)值.但該光線上的位置是在笛卡兒坐標系下的坐標，不能直接從三維體數(shù)據(jù)紋理中得到體數(shù)據(jù)，需把笛卡兒坐標轉(zhuǎn)化為紋理坐標.由于體數(shù)據(jù)計算范圍為V(a,p,y)至V(a,p,y)，首先笛卡兒坐標00001111(x,y,z)轉(zhuǎn)換為球坐標(r,a,P)，r=Qx2+y2+z2(4-3)za=arcsmrP=arctanx通過球坐標插值可得到紋理坐標為a-a0-

43、a-a10(4-4)P-P0P-P0r-y0-y-y0其中體數(shù)據(jù)紋理坐標u,v,s的有效范圍為0,1，即在體數(shù)據(jù)計算范圍內(nèi)因此如果計算得到的紋理坐標不在該范圍內(nèi)，可采用空白區(qū)域剔除方法，不繪制該區(qū)域處的體數(shù)據(jù),可加速體數(shù)據(jù)繪制.采用OpenGL圖形接口和Cg語言實現(xiàn)了硬件加速的電磁環(huán)境直接體繪制方法.實驗中在三維數(shù)字地球上設置了20部電磁設備，假設為全向天線，地形數(shù)據(jù)采用90m分辨率.電磁設備參數(shù)見表1.Longley-ric。電波傳播參數(shù)設置如下:折射率為320，介電常數(shù)和地面電導率分別為15F/m和0.005S/m.地形剖面采樣間隔為100m,實驗用個人計算機(PC)配置為IntelCor

44、e2Duo2.8GHz，顯卡為GeForee8600GT.圖4.4示出了電磁環(huán)境在三維數(shù)字地球上的情況，電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)分辨率為100x100x30,經(jīng)度和緯度等分間隔都為0.O5度，高度等分間隔為200m覆蓋范圍約為500kmx500km，每個采樣點數(shù)據(jù)采采用16位浮點數(shù)存儲如果體數(shù)據(jù)范圍較大，可把體數(shù)據(jù)劃分為多個分塊區(qū)域，每塊采用同樣的方法繪制，然后按照分塊從后往前的順序融合到三維環(huán)境中，因此本文方法適合較大數(shù)據(jù)量的電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)繪制.釆用Longley-rice電波傳播模型計算實驗用電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)耗時8.836s，窗口大小為1024x768時繪制平均幀率為12幀/s.相比文獻，本文方法可實

45、時直接體繪制電磁環(huán)境，且各個電磁設備參數(shù)可交互改變，系統(tǒng)將重新計算生成新的電磁環(huán)境體數(shù)據(jù).電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)通過顏色映射工具(見圖4.4(c)為不同的功率密度設置不同的顏色和透明度，三維電磁環(huán)境體繪制效果如圖4.4(a)所示.電磁環(huán)境在三維環(huán)境中的情況可直觀地動表4.1電磁設備參數(shù)編號頻率/MHz功率編匕頻率/MHz功H)HH)220025001235050035003000350600斗.15()15001斗30025005.32()2(HH)1548050062001500162(M)10(H)7500120017350450S40012001S35025009500

46、2)194(M)1500101025002()5(M)1200態(tài)展示，而且可交互改變電磁設備參數(shù)，能極大輔助電磁設備設計和規(guī)劃.圖4.4(b)示出了關閉圖4.4(a)中一部電磁設備后的情況，可清楚看到該電磁設備影響情況.同電磁環(huán)境休繪制佝動態(tài)關閉電磁設備(C)顏色映射L鳧圖4.4在三維地球上繪制的結(jié)果圖4.5通過體數(shù)據(jù)切割技術示出了電磁環(huán)境在不同方向上的輻射情況，相比文獻的等值面方法，本文方法能展示電磁體數(shù)據(jù)內(nèi)部細節(jié).其中圖4.5(a)是500m海拔上電磁環(huán)境切片，圖4.5(b)是5km海拔上的電磁環(huán)境切片，圖4.5(c)是沿經(jīng)度、緯度方向切割電磁環(huán)境的情況.(a)500ni髙度旳,5kni高

47、度（討切塊操作圖4.5體數(shù)據(jù)切割這是一種傳統(tǒng)體繪制方法的擴展方法，巧妙通過坐標轉(zhuǎn)換把電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)及時展示到了三維數(shù)字地球上.采用Longley-rice電波傳播模型23計算電磁環(huán)境數(shù)據(jù)，該模型考慮了不規(guī)則地形和大氣的影響，能較準確地預測電波傳播.最后在數(shù)字地球上實現(xiàn)了三維電磁環(huán)境繪制.結(jié)果表明，本文方法能及時展示虛擬電磁環(huán)境，而且可動態(tài)調(diào)整電磁設備參數(shù)（如頻率、功率等），及時展示不同電磁參數(shù)下電磁環(huán)境，可用于描述大范圍三維電磁態(tài)勢.雖然采用了Longley-rice傳播模型來生成電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)，但本文方法也適合其他方法生成的體數(shù)據(jù)的及時可視化，因此下一步計劃采用更為準確的電波傳播模型，并采用

48、并行計算的方式提高電磁數(shù)據(jù)計算效率，增強電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)準確性.第五章用Longley-Rice大氣折射修正方法的改進5.1 對Okumura-Hata和Longley-Rice的比較信道模型分為大尺度模型和小尺度模型兩種，大尺度型刻畫信號傳輸過程中經(jīng)歷的路徑損耗中值，小尺度模型刻畫小范圍內(nèi)（幾個波長）信號的幅度和相位上的快速衰落。在大尺度傳播衰落模型研究方面先后建立了以下著名的信道模型：Longley-Rice模型、在幾公里到幾百公里圍內(nèi)Okumura-Hata被廣泛用來預測接收信號的場強，但海上移動信道路徑損耗預測利用Longley-Rice模型更合適，Longley-Rice模型考慮了更多

49、的與地形有關的因素，包括面折射率、地面導電率、介電常數(shù)以及地面粗糙度等，還考慮了不同的氣候類型和天線的位置標準等。文獻通過對Okumura-Hata和Longley-Rice模仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的比較,指出預測海上傳播損耗時后更確切。Longley-Rice模型適合于傳輸距離為1-2000公里，頻率范圍為2-2000MHZ，天線高度0-10000米，支持多種氣候類型、多種地形、多種反射面?zhèn)鞑ヌ匦?、三種天線位置標準、天線激化方式等參數(shù)。該模型以傳播理論為依據(jù)，同時結(jié)合了數(shù)千組實測數(shù)據(jù)，因此稱其為半經(jīng)驗預測模型。Longley-Rice模型從1967年提出以來在當時航海等大區(qū)制通信場強預測模型中得

50、到了廣泛的應用，并不斷被深人研究和改進，Hufford等人根據(jù)模型提供的理論和原始數(shù)據(jù)給出了模型的實用算法。由于大氣折射的影響，電波在大氣中傳播的實際路徑是一條曲線，與收發(fā)信機之間的實際距離存在著誤差，預測信道傳播路徑損耗時需要對實際距離加以修正。5.2 Longley-Rice模型中對大氣折射誤差的修正Longley-Rice模型中對大氣折射誤差的修正采用等效地球半徑法，等效地球半徑法計算簡單，但是精度不高，該方法只利用了大氣地面折射率的水平差異，未利用垂直剖面信息，而實際大氣折射率垂直差異，尤其在近地面lkm內(nèi)的垂直差異比較大，本文對Longley-Rice模型大氣折射誤差修正方法加以改進

51、。改進方法充分利用大氣折射率垂直剖面信息，利用電波實際傳播路徑和收發(fā)天線地面水平距離之間的映射關系，將模型輸人的收發(fā)天線之間的實際距離映射為電波實際傳播距離，能更精確反映傳播距離對電波傳播損耗的影響。改進算法預測結(jié)果比原有方法更接近實測結(jié)果，具有較大的實用價值。5.3大氣折射修正方法的改進Longley-Rice模型參考衰減為距離的分段函數(shù)max(0,L+kd+klgd),d<d<dbe12minLsL=<L+m,d<d<d(5-1)refbeddLsxL+md,d<dbessx定義的三段分別稱為視距區(qū)域，繞射區(qū)域和散射區(qū)域。模型控制置信度的參數(shù)由統(tǒng)計量給出

52、，L(qT,qL,qS)作為時間，位置，形勢分量的函數(shù)，衰減不會超出這個值。也就是說，在必的情況下，至少有私的地點衰減不會超過L(qT,qL,qS),并且這個時間至少為qT。對于光滑地球地平線d的距離，是基于平坦地面的二徑反射理論和一個繞射損耗Lsb的外插值計算的;對恰好超過從d到d，的地平線距離(為繞射損耗和散射損耗相等的地Lsx點)，參考衰減值是刃峰繞射和光滑地球繞射計算的加權平均。加權因子為頻率、地形不規(guī)則因子和天線高度的函數(shù)。對于很不規(guī)則地形，從終端看地平線障礙物可看做是銳利山脊，繞射損耗是基于Epstein-Peterson近似按雙刃峰路徑計算的。對范圍大于的超視距路徑，參考衰減按按

53、繞射損耗計算和正向散射損耗計算中取較小者。由于大氣層密度分布的不均勻性，導致電波傳播產(chǎn)生折射現(xiàn)象，使得電波傳播距離與實際距離不符。在Longley-Rice模型中，傳輸距離參數(shù)給出的是發(fā)射機和接收機之間的地面水平距離，但影響傳輸損耗的距離是電波實際傳播的距離(視在距離)，并且該模型預測損耗值是傳播距離的分段函數(shù)，傳播距離直接影響傳輸衰落曲線的轉(zhuǎn)折點，因此必須對給出的傳播距離參數(shù)加以修正。Longley-Rice模型采用等效地球半徑法修正大氣折射誤差，等效地球半徑定義為散射梯度N或地球表面折射值N的函數(shù)。定義N=(n-1)x10A6其中，。為地球表面大氣折射指數(shù)。該方法對折射率剖面的計算沒有利用

54、折射率負梯度的值在不同氣候類型之間有較大差異的特性，實際中這種差異比較明顯，而折射率剖面直接影響到電波傳播的實際路徑，從而影響預測精度。下面提出一種改進的折射修正方法，以改進Longley-Rice電波傳播衰落預測精度。電波折射示意圖如圖1所示，T為發(fā)射天線相對平均海平面的高度，T'為T在海平面上的投影，R為接收天線相對海平面的高度，R'為R在海平面上的投影，0為地心原點，OTOR為地球半徑，P為射線上的某點，0為射線在P點處的仰角，dl為射線在P點處的一小段弧線，dr為地球徑向延長線在P點處的線段小量，d申為射線上P點對應的地心張角小量，R'T'為收發(fā)天線之間

55、的地面水平距離，ds為R'T'在P點與地心連線和地球表面的交點處水平距離小量，TT'為發(fā)射天線高度，單位m。RR'為接收天線高度，單位m,益為電波傳輸視在距離，單位km,n為P點處的電波折射率，h=OP,9°射線在T點處的初始仰角。圖1電波傳播折射幾何圖利用Longley-rice模型計算電波傳輸路徑損耗時，收發(fā)天線間的距離參數(shù)給出的是地面水平距離，即R'T'，而實際電波傳播距離為TR,下面根據(jù)Snell定理，利用射線描跡法推導R'T'和TR之間的關系式。首先推導地面水平距離RT計算公式:由圖2知:drds=OT'dq,dq=cot0-h從而,drds=OT'cot0h進而得,(5-2)T'R=S=TOT'cot01drhTT'由SNELL定理可導出，cot0=nr0-0cos0nr0阻cos0nrcos00zQ:n2r2n2r2cos201000(5-3)nr從而，mRR'OTrcos0TR=J&=o0drn2r2n2r2cos20TT'000下面推導實際電波傳播距離TR的計算公式:(5-4)設光速為c,電波從發(fā)射天線T傳到R的時間為t,則1ORn,ct,t=drc一sin0TR