LongleyRice無線電波傳輸模型

目錄..............................................錯誤!未定義書簽。第一章緒論........................................錯誤!未定義書簽。研究背景..........................................錯誤!未定義書簽。模型分類及參數(shù)....................................錯誤!未定義書簽。Longley-Rice模型傳輸損耗........................錯誤!未定義書簽。Longley-Rice模型的適用范圍.....................錯誤!未定義書簽。第二章傳播模型分析及建模...........................錯誤!未定義書簽。傳播模型的分析與選擇..............................錯誤!未定義書簽。Longley-Rice模型建模...........................錯誤!未定義書簽。衍射傳播損耗..................................錯誤!未定義書簽。視距(LOS)傳播損耗.............................錯誤!未定義書簽。向散射傳播損耗................................錯誤!未定義書簽。仿真分析..........................................錯誤!未定義書簽。SRTM據(jù)的抽取過程......................錯誤!未定義書簽。接收機高度描述...............................錯誤!未定義書簽。結(jié)果..........................................錯誤!未定義書簽。第三章Longley-rice等效模型的建立....................錯誤!未定義書簽。longley-rice的現(xiàn)狀和不足........................錯誤!未定義書簽。Longley-Rice模型的改進.........................錯誤!未定義書簽。ice電磁環(huán)境可視化..................................錯誤!未定義書簽。三維電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)生成...........................錯誤!未定義書簽。不規(guī)則地形剖面提取............................錯誤!未定義書簽。電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)計算............................錯誤!未定義書簽。在三維數(shù)字地球上體繪制電磁環(huán)境...................錯誤!未定義書簽。硬件加速的直接體繪制..........................錯誤!未定義書簽。電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)包圍盒..........................錯誤!未定義書簽。體數(shù)據(jù)紋理坐標轉(zhuǎn)換............................錯誤!未定義書簽。大氣折射修正方法的改進...........................錯誤!未定義書簽。第六章展望.........................................錯誤!未定義書簽。參考文獻............................................錯誤!未定義書簽。吵洋滴吵洋滴Normal.dotm第一章緒論吵洋滴吵洋滴第一章緒論研究背景輸模型，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)合了許多實非規(guī)則性所造成的中值傳輸衰落。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(yù)測方式為“點到點預(yù)測”。如果地形數(shù)據(jù)不夠訓(xùn)確，可以利用Longley-Rice模型估計特定參數(shù)的值這種預(yù)測方式為“區(qū)域預(yù)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(yù)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、位置和情景目前，Longley-Rice無線電波模型已有相關(guān)的計算機仿真程序，可以用來Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用程收發(fā)天線高度、地面導(dǎo)電常數(shù)以及表面繞射率等參數(shù)確定無線電波傳輸損耗的大Longley-Rice預(yù)測模型主要有以下參數(shù):式:可以采用水平極化或者垂直極化。Longley-Rice模型中假設(shè)發(fā)射天線和接受天線具有相同的極化方式;②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。③介電常數(shù):地面的相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率Longley-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當無線電波傳播于視距范圍內(nèi)時，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(yù)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:ddd。minLS吵洋滴吵洋滴Normal.dotm第一章緒論吵洋滴吵洋滴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(yù)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(quán)適用范圍:ddd為繞射傳播距離，單位為km。Lsx電波傳播方式主要以散射傳播為主，預(yù)測理論以繞射理論為主。適用范圍:dd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=L+Lbreffree其中:free|be12minLs|be12minLsbessx(3-16)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;d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xbebedbes間下視距、繞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12dsLongley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用minLSLsxdd為散射傳播距離。xLongley-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。[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(dǎo)以傳播理論為依據(jù)，加上極其豐富的實測數(shù)據(jù)，ngleyRice范圍如下:2)收、發(fā)信機天線高度:;3)覆蓋半徑:1--2000km;[4]4)表面折射率:250--400Ns。表地面的相對介電常數(shù)和導(dǎo)電率吵洋滴吵洋滴Normal.dotm第一章緒論吵洋滴吵洋滴表氣候類型和相應(yīng)地表折射率其典型特征為顯著}f氣溫變化和四季交替。在中緯度沿海地區(qū)，強大曠海風(fēng)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[5]。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[6]，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Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用第二章傳播模型分析及建模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(yù)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(yù)測模型大體可分為兩類: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(fù)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(yù)測模型，屬半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，對遠區(qū)場的電磁波預(yù)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(yù)測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)[8]。對于起伏較大的孤立山峰，其傳播損耗應(yīng)在準平坦地形的中值傳播損耗的基礎(chǔ)上，加上適當?shù)男蕹逞蟮纬逞蟮蜰ormal.dotm第二章傳播模型分析及建模吵洋滴吵洋滴正因子進行校正。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(chǔ)上，通過曲線擬合所作的經(jīng)驗公式:1)1)trttrr距離修正因子[9]。EgliVHF頻段和UHF頻段對不規(guī)則地形上得到的大量實測數(shù)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(yù)測在自由空間中由地形的非規(guī)則性造成的中值傳播損表不同傳播預(yù)測模型的適用范圍Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用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圖開闊地傳輸損耗對比Okumura-Hata模型在兩種地形下的預(yù)測值變化較小，丘陵地區(qū)僅比開闊地偏高吵洋滴吵洋滴Normal.dotm第二章傳播模型分析及建模吵洋滴吵洋滴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-Rice模型比Okumura-Hata模型對地形的變化更加敏感，特別是圖中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(fù)雜的飛行器通信信道預(yù)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(yīng)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]文獻中提出使天線高度的角度，使用點對點模式對電波傳播衰減進行了仿真。圖丘陵地區(qū)傳播損耗對比Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用ongleyRicetr極化方向、地形不規(guī)則度△h、地球表而折射率N、地而電導(dǎo)率和相對介電常s數(shù)c等因素，在考慮電波本身特性的基礎(chǔ)上，同時兼顧了傳播環(huán)境的電氣特性。r不同路徑長度的傳播損耗參考中值L的計算如下：(max(0,L+kd+klgd),ddd(2—2)(2—2)bessx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;d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xbebedbes間下視距、繞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12ds繞射和散射損耗系數(shù)。ddd為視距傳播距離，ddd為繞射傳播距離，minLSLsxdd為散射傳播距離。x通過式(2—2)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=L+Lbreffree其中:free (2—4)式中:d為傳播距離，單位為km;f為無線電波頻率，單位為MHz。衍射傳播損耗ddd為衍射傳播距離，單位:km.Lsx吵洋滴吵洋滴Normal.dotm第二章傳播模型分析及建模吵洋滴吵洋滴不規(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kffy=y(1_0.04665eNs/N1)(2—5)0,eadhyj1,2Lseje(2—6)dddddd(2—7)LsLs1Ls2LL1L2h為收發(fā)天線有效高度，單位:m。Xkyace(2—9)ddiffLsLae(2—9)eddiffLsLaedLsLaediffkrfofog1g2hLs式(2—10)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kr視距(LOS)傳播損耗d共d共d為視距[12]傳播距離，單位km.在LOS內(nèi)，以反射傳播機制minLS為主，采用雙線地而反射模型計算。2Ls2edd2ed0Le1e20LeddL(2—11)Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用311404LL=L(d)，L=L(d)LosLos1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Losdt向散射傳播損耗dd為散射傳播距離，單位km。計算過程為xd=d+D5Lsd=d+2D6Lsm=(L(d)L(d))/Dsscat5scat6sd=max[d,d+Xlg(f),(LLmd)/(mm)]xLsLae5eds5dsscats04))(2—16)(2—17)(2—18)仿真分析地形剖而數(shù)據(jù)的獲取應(yīng)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格數(shù)目N和N、起始經(jīng)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re00cell相對起始點的偏移量△n就能得到該點的高程數(shù)據(jù)。如果該點不能與文件中的位置相對應(yīng)，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。吵洋滴吵洋滴Normal.dotm第二章傳播模型分析及建模吵洋滴吵洋滴SRTM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;re網(wǎng)格的起始點坐標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)re點在網(wǎng)格中的坐標TTLS」LS」cellcellRRLS」LS」cellcell(1)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TRTRX-XTRRRiiiii,i到了收發(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,，接收點坐標R(117,，采樣點數(shù)N=1321,d=m，收發(fā)點間距d=km.抽取后的地形剖而如圖所示。Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用接收機高度描述在Longley-Rice模型的點對點模式[14]中，需要明確信號發(fā)射機的結(jié)構(gòu)高度以及接收機的結(jié)構(gòu)高度，此處也就是飛行器距離地而的垂直距離。仿真時，可以收機的結(jié)構(gòu)高度卻時刻在變化著。m1時，飛行器處于山體的最頂端上空，此時的接收機結(jié)構(gòu)高度為h=hh，且gm1接收機處于發(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(gòu)高度變?yōu)閔'，由于山體的阻擋，電波的傳輸以衍射為主。圖飛行器在不同位置時的接收機高度描述在仿真計算中各工作參數(shù)設(shè)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g1m而電導(dǎo)率=0.005，相對介電常數(shù)。e=15，地球表而折射率N=320N.發(fā)射機rs吵洋滴吵洋滴Normal.dotm第二章傳播模型分析及建模吵洋滴吵洋滴坐標為(E115.9,N42.7)，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,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緩射機的視距范圍內(nèi)，可以認為是自由空間傳播。在視距最遠端點處，飛行器和發(fā)射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。圖點對點模式下的傳播衰減仿真Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用從圖的仿真結(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(yīng)用Longley-Rice模型的點對點模式可以較精確地預(yù)測電波傳播衰減。Longleyrice等效模型的建立longley-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(yù)測模含在Longley-Rice模型中，使模型更加完善，精度得到響應(yīng)的提高。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(yù)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。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rr2Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用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，如圖所示。圖等效散射模型idni為:ni于是將各個路徑的損耗疊加可以求得徑的總損耗為:pi.i=1pi.i=1i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(yù)測的精度。Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用第四章利用longley-rice模型設(shè)計的可視化電磁環(huán)境電磁環(huán)境可視化人為環(huán)境因素，本文主要研究人為電磁設(shè)備輻射構(gòu)成的三維電磁環(huán)境.由于各種了電磁環(huán)境的復(fù)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(shù)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[16]強烈的視覺感受.因此，電磁環(huán)境可視化在一定程度上能減少指揮人員對復(fù)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.現(xiàn)三維電磁環(huán)境情況.本文結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在三維數(shù)字地球上展示三維虛擬電磁環(huán)境，為其快速準確地決策提供直觀的輔助支持.然而，把復(fù)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Normaldotm第四章利用longley-rice模型設(shè)計的可視化電磁環(huán)境吵洋滴吵洋滴用合適的電波傳播模型計算電磁設(shè)備傳播數(shù)據(jù).雖然時域有限差分(FDTD)方法化三維電磁環(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(yù)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(luò);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，[18]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(shù)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Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用三維電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)生成備向三維空間中輻射電磁波的情況.本文采用Longley}ice電波傳播模型，即不規(guī)則地形模型來預(yù)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Longley}ice電波傳播模型得到各個[19]電磁設(shè)備在三維空間中的輻射損失基礎(chǔ).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).如圖(a)所示，電磁設(shè)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(b)示出了采樣得到的地形剖面示意圖。圖地形剖面選取Normaldotm第四章利用longley-rice模型設(shè)計的可視化電磁環(huán)境吵洋滴吵洋滴電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)計算由式P=PLL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ts提高繪制效率，把電磁數(shù)據(jù)離散為一定間隔的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，如圖(a)所示.首先，點，用式P=PLL計算每個離散網(wǎng)格點上的功率密度值.采用上述離散方法計ts算生成的電磁環(huán)境數(shù)據(jù)大小為m*k*n，圖(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.圖電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)在三維數(shù)字地球上體繪制電磁環(huán)境硬件加速的直接體繪制用體數(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(shè)置為三維紋理坐標，采用多遍繪制技術(shù)繪制體數(shù)據(jù)信息.Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用體繪制方法采用規(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)則體數(shù)據(jù)，如圖(b)所示，電方法不能直接應(yīng)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).電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)包圍盒圖(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(shè)三維電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)計算區(qū)域是從位置V(a,,y)至位置V(a,,y)位置點均采用00001111nnn維電磁環(huán)境體數(shù)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0境體數(shù)據(jù)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:0Normaldotm第四章利用longley-rice模型設(shè)計的可視化電磁環(huán)境吵洋滴吵洋滴圖電磁體數(shù)據(jù)包圍盒體數(shù)據(jù)紋理坐標轉(zhuǎn)換據(jù)紋理的紋理坐標，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(shè)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=rcosacosy=rcosasin|(4-2)z=rsinaJ|坐標轉(zhuǎn)換為笛卡兒坐標，然后設(shè)置其顏色值.通過GPU浮點紋理的支持，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Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用起始點的矢量差，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,b,Y)至0000V(a,b,Y)，首先笛卡兒坐標(x,y,z)轉(zhuǎn)換為球坐標(r,α,β)，1111)通過球坐標插值可得到紋理坐標為)||Ja)||Jua-a010r-Y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).該區(qū)域處的體數(shù)據(jù)，可加速體數(shù)據(jù)繪制.實驗中在三維數(shù)字地球上設(shè)置了20部電磁設(shè)備，假設(shè)為全向天線，地形數(shù)據(jù)采用90m分辨率.電磁設(shè)備參數(shù)見表。電波傳播參數(shù)設(shè)置如下:折射率為320，介率分別為15F/m和S/m.地形剖面采樣間隔為100m，實驗用個人計算機(PC)配置為IntelCore2DuoGHz，顯卡為GeForee8600GT.圖示出了電磁環(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100Normaldotm第四章利用longley-rice模型設(shè)計的可視化電磁環(huán)境吵洋滴吵洋滴m500km×500km，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s，窗口大小為1024×768時繪制平均幀率為12幀/s.相比文獻，本文方法可實時直接磁環(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(c))為不同的功率密度設(shè)置不同的顏色和透明度，三維電磁環(huán)境體繪制效果如圖(a)所示.電磁環(huán)境在三維環(huán)境中的情況可直觀地動表電磁設(shè)備參數(shù)態(tài)展示，而且可交互改變電磁設(shè)備參數(shù)，能極大輔助電磁設(shè)備設(shè)Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用計和規(guī)劃.圖(b)示出了關(guān)閉圖(a)中一部電磁設(shè)備后的情況，可清楚看到該電磁設(shè)備影響情況.圖在三維地球上繪制的結(jié)果圖通過體數(shù)據(jù)切割技術(shù)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(a)是500m海拔上電磁環(huán)境切片，圖(b)是5km海拔上的電磁環(huán)境切片，圖(c)是沿經(jīng)度、緯度方向切割電磁環(huán)境的情況.Normaldotm第四章利用longley-rice模型設(shè)計的可視化電磁環(huán)境吵洋滴吵洋滴圖體數(shù)據(jù)切割法，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(yù)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(shè)備參數(shù)(如頻率、功率等)，及時展示不同電磁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.Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用第五章用Longley-Rice大氣折射修正方法的改進度模型兩種，大尺度型刻畫信號傳輸過程中的快速衰落。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(yù)測接收信號的場強，但海上移動信道路徑損耗預(yù)測利用Longley-Rice模型更合適，Longley-Rice模型考慮了更多的與地形有關(guān)的因素，包括面折射率、地面導(dǎo)電指出預(yù)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)鞑ヌ匦浴⑷N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)信洋滴吵洋滴機之間的實際距離存在著誤差，預(yù)測信道傳播路徑損耗時需要對實際距離加以修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。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(guān)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比原有方法更接近實測結(jié)果，具有較大的實用價值。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),ddd(5-1)(5-1)bessx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，L(qT,qL,qS)作為時間，位置，形勢分量的函數(shù)，衰減不會超qTLongley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用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Lsx射損耗相等的地點)，參考衰減值是刃峰繞射和光滑地球繞射計算的加權(quán)平均。加權(quán)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近似正向散射損耗計算中取較小者。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(yù)測損耗值是傳播距離的分段函數(shù)，傳播距離直接影響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，而折射率剖面射修正方法，以改進Longley-Rice電波傳播衰落預(yù)測精度。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在海平面上的投洋滴吵洋滴發(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，0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(dǎo)R'T'和TR之間的關(guān)系式。首先推導(dǎo)地面水平距離R'T'計算公式:drdrhLongley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用drdrhhcot9=nr0nrcos=0=nrnrn2r2nrnr000n2r2n2r2cos29TT'000下面推導(dǎo)實際電波傳播距離TR的計算公式: sin9nrnrnrnrcos29nr n2rdrn2rdrn2r2n2r2cos2900000洋滴吵洋滴 n2rdrn2rdr000(5-9)OT'nrcos90OT'nrcos9000dr000利用上式可以將模型的輸人參數(shù)地面水平距離T'R'映射為電波實際傳播距000 (5-11)0分布的情況下根據(jù)式(5-9)可得到TR和T'R'之間的關(guān)系。(5-12)(5-12)m00