基于MapX的甚低頻通信信號場強預測系統研究*

李光明 ，宋裕農 ，初松濤

(1.海軍潛艇學院，山東 青島 266071；2.91049部隊，山東 青島 266000)

甚低頻(VLF)通信是海軍遠程、水下對潛指揮的最有效通信手段。甚低頻電波在地面與低電離層之間以一種“波導”方式傳播。大量的實驗證明，由于受發射、接收位置、傳播路徑、太陽輻射、晝夜、季節、氣候以及水文條件等諸多因素的影響，甚低頻通信傳播參數分布存在明顯差異，導致潛艇在不同海域、不同時間和不同頻率的收信效果明顯不同[1]。加上對潛通信采用單向通信方式，在戰時極易造成軍令不通、指揮不暢，致使戰機延誤，其后果是嚴重的。由于甚低頻電波傳播具有良好的可預測性，因此應用MapX技術和波導模式理論開發甚低頻通信信號場強預測系統，對甚低頻通信信號場強進行預測，實現通信效果的精確預報，從而對通信過程中的傳播影響進行預測修正，使通信系統工作性能與信道特性達到良好匹配，對于提高潛通信效能具有重要意義。

地理信息系統(GIS)是在計算機硬件、軟件系統支持下，對整個或部分地球表層空間中的有關地理分布數據進行采集、存儲、管理、運算、分析和可視化表達的信息處理與管理系統。MapX是GIS系統領域比較著名的組件式二次開發平臺，是對象鏈接和嵌入(OLE)技術的ActiveX控件，其內部提供了40多個父類為MFC的OLE對象，采用該控件可方便地將地圖控制集成到使用標準可視化編程工具VC++等開發的應用中。因此，甚低頻通信信號場強預測系統選用VC++為開發平臺，以MapX控件為圖形平臺進行開發。

1 系統功能

甚低頻通信信號場強預測系統主要由基礎數據維護子系統、地理信息管理子系統、信號場強分析子系統和系統輸出子系統組成。

1.1 基礎數據維護子系統

基礎數據維護子系統主要包括地面電導率數據、海水電導率數據、電離層數據、地磁場數據和發射臺數據等基礎數據的更新、綜合查詢、增加、刪除和修改等功能。

1.2 地理信息管理子系統

地理信息管理子系統提供以下功能：(1)地理信息數據分層顯示功能：根據地圖視野的范圍，自動確定圖層的可見性判斷，同時可手動控制圖層的可見性顯示。(2)地理數據編輯功能：根據發射臺的地理位置數據，在地圖上編輯、修改移動發射臺的位置。(3)地圖操作功能：地圖的漫游、放大、縮小和移動。(4)地圖信息查詢功能：提供屬性數據的可視化。

1.3 信號場強分析子系統

信號場強分析子系統主要功能：(1)現有固定和移動發射臺的信號場強分布、通信覆蓋范圍和多重覆蓋查詢功能。(2)新建發射臺信號場強分布和通信覆蓋范圍輔助分析功能，具有模擬仿真的能力，可預先評估通信效果。(3)保障某潛艇通信的最佳發射臺、最佳發射頻率、最佳通信時段和最佳通信海區的輔助決策功能。

1.4 系統輸出子系統

系統輸出子系統主要功能：(1)提供圖形輸出功能，系統能按指定地圖顯示比例范圍，輸出地圖和信號場強分布圖及通信覆蓋分析結果，并可增加圖例、比例尺、標題等輔助內容。(2)提供多種圖形格式轉換功能。(3)提供數據輸出功能。

2 功能實現

2.1 信號場強計算方法

信號場強預測采用目前發展較為成熟的波導模式理論。模式方程如下[2]：

式中：Ez，n為 n 階模垂直電場 (v/m)；η0為自由空間波阻抗，η0=120π(Ω)；l為發射天線電流(A)；he為發射天線有效高度(m)；f為發射頻率(Hz)；Δn為相對激勵系數；Gn(z)為天線高度增益系數；φ為發射天線相對于地表面的波角；v0為自由空間電磁波速度(m/s)；h為電離層假定的發射邊界的高度(km)；R0為地球半徑，R0=6 370(km)；r為波傳播的距離(m)；αn為衰減率(Np/km)；β為波在波導內的傳播常數，β=ω/v。

模式方程僅能對均勻波導中的信號場強進行計算，而由于傳播環境媒質特性在時空域中是逐點和瞬時隨機變化的，因此信號場強預測模型總是對應于一定時空區間的統計平均特性。在實際的推算中采用路徑分割法，將傳播路徑根據地面與電離層參數的不同分割成若干條水平窄段，在每一段內認為其媒質特性參數(衰減率、高度增益系數、激勵系數)是恒定的。分別對各小段傳播進行推算，再通過一個模轉換模型將各段連接起來，就得到場強隨路徑分布的預測數據[3-5]。在實際計算甚低頻信號場強時，首先輸入發射臺地理參數及接收時間、天線效率，發射功率、頻率，接收點地理位置參數，然后算出接收點相對于發射臺的距離和傳播方向。再根據傳播路徑的長短及所經過路徑的介質不均勻性將路徑分段。對于每一小段路徑由地面導電率數據庫、電離層數據庫和地磁場數據庫得出相應的數據資料，計算傳播參數，然后利用場強計算數學模型算出接收點場強。其計算流程如圖1所示。

圖1 場強預測計算流程

2.2 MapX應用

MapX主要用來完成信號場強分布和通信覆蓋范圍顯示與控制模塊的制作。該模塊為本系統的重要組成部分，主要完成以下功能：

(1)地圖變換，完成電子地圖的放大、縮小、漫游等功能。

(2)地圖量算，計算任意路徑的長度及兩點間方位角。

(3)態勢顯示，提供發射臺及其信號場強分布和通信覆蓋范圍的標繪。

(4)信息查詢，提供地面、海水電導率、電離層數據、地磁場數據和發射臺相關信息的查詢功能。

2.3 實現方法

(1)添加文件

首先把MapX控件提供的文件MapX.cpp和MapX.h包含到工程中去，可通過Insert菜單中的File Into Project菜單，選中相應的文件來實現，生成CMapX類。但不能像使用其他ActiveX控件那樣，用component菜單來實現。因為這樣生成的是CCMapX類，用起來極其不便，且會使某些功能受限。將文件加入工程后，就可以在工程中采用如下語句為類創建相應的對象：

CMapX m_ctrlMapX；

(2)地圖加載

MapX支持的是MapInfo Professional格式的電子地圖，可通過以下方式加載：

利用MapX提供的GeosetManage工具，將所需顯示的圖形文件添加進來，并將當前所有圖形集合存為1個XXX.GST文件，然后在程序中調用，代碼如下：

TRACE0(“Old Geoset: ”+m_ctrlMapX.GetGeoSet())；

m_ctrlMapX.SetGeoSet(“世界地圖.gst”)；

TRACE0(“New Geoset: ”+m_ctrlMapX.GetGeoSet())；

(3)定制工具

地圖的放大、縮小、漫游等功能可通過MapX提供的標準工具來實現。方法簡單，只需設定MapX對象的Current Tool屬性即可。例如，當需縮小工具時：

m_ctrlMapX.SetCurrentTool(miZoomOutTool)；

對一些特殊的需要，例如標注發射臺站、地圖量算等操作，需用戶自定義相應的特殊工具。具體方法是使用MapX對象的CreateCutomTool方法，例如：

m_ctrlMapX.CreateCutomTool(MYTOOL_STATION，mi-ToolTypePoint，miCrossCursor)

上面語句中3個參數為用戶預先定義的常量：(1)MYTOOL_STATION表示所創建的工具常量，指明是標注發射臺，它可直接引用(如：m_ctrlMapX.SetCurrentTool(MYTOOL_STATION))。(2)miToolTypePoint是決定工具行為的常量，表明該工具在鼠標指定位置顯示點。(3)miCross-Cursor是直到光標的常量，表示十字光標。該工具的具體行為則要編寫代碼來實現。

(4)繪圖

圖2所示為繪制某一發射臺信號場強分布圖簡要程序流程。以發射臺為中心，依據場強預測計算流程，逐度逐點進行信號場強計算，根據每點信號場強的大小渲染為不同顏色，最終形成場強空間分布圖。精度要求不高的情況下，亦可采用3°為間隔進行插值計算，以提高程序運行的速度。下面為部分代碼：

3 系統仿真結果

圖3所示為某發射臺夏季白天發射頻率20.5 kHz時信號場強空間分布圖。從圖中可看出，該發射臺信號基本能覆蓋整個西北太平洋，但信號場強分布存在空間不均勻性，在較近距離也存在信號場強較弱的區域。因此，通過仿真計算并結合MapX進行可視化顯示，可清晰標繪發射臺可靠通信覆蓋范圍，為潛艇活動區域和收信深度的確定提供依據，使潛艇主動避開不利通信區域，提高對潛指揮通信的不間斷性和可靠性。此外系統還可輔助進行發射臺、功率、通信時間和發射頻率的合理選擇[6]，實現通信資源和系統參數的優化配置，提高對潛通信的效能。

圖2 繪制發射臺信號場強分布圖程序流程

圖3 某發射臺信號場強分布圖

長期以來，世界各國海軍力求解決的一大難題就是在保持潛艇戰斗行動隱蔽性的同時，如何保證對潛通信指揮的可靠性和不間斷性。建立甚低頻通信信號場強預測系統的最基本目的是預知發射臺有效通信覆蓋范圍，并根據出航潛艇所擔負的使命任務，在制定潛艇作戰行動預案時選擇最佳的收信海區和時段，為部署潛艇提供科學合理的依據。更重要的是，還可以利用預測結果合理地優化和配置通信狀態參數，主動適應傳播信道，以最大限度發揮甚低頻通信系統的效能，對提高潛艇的作戰效能具有重大的現實意義和軍事價值。

[1]熊皓.無線電波傳播(第 1版)[M].北京：電子工業出版社，2002.

[2]沃特.甚低頻無線電工程(第1版)[M].北京：國防工業出版社，1973.

[3]FERGUSON J A，SNYDER F P.The segmented waveguide program for long wavelength propagation calculations[R].San Diego， California:Naval Ocean Systems Center， 1997.

[4]FERGUSON J A，SNYDER F P.Approximate VLF/LF waveguide mode conversion model[R].San Diego，California:Naval Ocean Systems Center，1980.

[5]PAPPERT R A，SHOCKEY L R.Simplified VLF/LF mode conversion program with allowance for elevated arbitrarily oriented electric dipole antennas[R].San Diego，California:Naval Ocean Systems Center Naval Ocean Systems Center，1976.

[6]JERRY A.Long wave propagation model[R].San Diego，California:Naval Ocean Systems Center Naval Ocean Systems Center，1989.