浮標通信的仿真與設計

張建忠，秦建存

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

浮標通信是一種低仰角的海面移動無線通信，海上監測用的無人值守浮標將高清晰圖像傳到岸端。通常通信距離5～40 km，筏到岸間通信傳輸速率不低于8 Mb/s。浮標通信由于浮標體的原因，要求浮標端天線重量小掛高低，通信在抗浮標搖時傳輸可靠性高。浮標大容量遠距離通信由于浮標體晃動和海面多徑的影響，可靠傳輸的工程化設計是需要解決的難題，以前在浮標通信文獻中沒有分析過工作頻率在浮標通信中的作用，本文首次從頻率選擇、天線工作方式方面對系統接收電平的影響進行了仿真分析與設計。

1 工作頻率選擇的分析

海面通信中由于海水的鏡面反射作用，反射系數比較大，通常產生比較大的多徑衰落，不同的極化方式海水反射系數不同。文獻［1］中提出了反射系數的計算公式和海水的相應參數。反射系數為:

表1 典型介電常數和電導率關系

由于海面的相對平坦性和開闊性，海面電波傳播必然產生多徑影響，海面傳播多徑特性通常采用兩徑傳播模型，如圖1所示。

圖1 海面電波傳輸兩徑模型

微波傳輸屬于視距傳輸，在不考慮障礙物高度的情況下傳輸的距離(D)由接收和發射天線的高度決定。在大氣折射指數最惡劣情況下:

式中，h1為發端天線掛高，單位為m;h2為收端天線掛高，單位為m。為保證浮標通信距離，在浮標端天線較低的情況下，岸端天線掛高要足夠高，以滿足視距傳輸。根據式(2)和浮標通信的工作環境，選取滿足浮標通信的通信距離下相應的浮標端和岸端天線的高度進行仿真。

根據式(1)和圖1，B點的總場強可表示為:

可以看出，不同的頻率信號具有不同的合成場強，300 MHz信號的合成場強波動比較平穩但數值比較低，2 400 MHz信號的合成場強波動較大，但在15～40 km的范圍內合成場強數值最大，而600 MHz和1 200 MHz信號合成場強則介于上述最高值和最低值之間。

為了擴展高頻段理論分析，對比地給出1 200 MHz、2 400 MHz、4 800 MHz 和 8 600 MHz 信號的歸一化合成場強仿真圖，如圖3所示。4 800 MHz和8 600 MHz頻率信號的場強波動與2 400 MHz信號相比更大，而且其合成場強值在相應的大部分通信距離情況下也低于2 400 MHz和1 200 MHz頻率信號的場強值。

圖3 第2組頻率在相應通信距離的歸一化合成場強

為了清楚在岸端天線掛高不變的情況下，相同工作頻率浮標端天線掛高變化時在相應通信距離上接收端歸一化合成場強有何不同，對1 200 MHz和2 400 MHz 2個頻率進行相應仿真，如圖4所示。可見這個頻段范圍內浮標端天線掛高越高，基本上相應通信距離上接收端歸一化合成場強值越大。也可以得出結論在浮標端天線掛高較低時，浮標端天線掛高對接收電平的大小有比較大的影響。

圖4 在相應通信距離不同掛高下的歸一化合成場強

2 天線工作方式的選擇

浮標通信中海面移動通信系統天線是由浮標端天線和岸端天線組成。天線可以選擇全向和定向2種工作方式，全向天線增益低但波束角寬便于跟蹤，定向天線與之相反，選擇全向天線時，天線的增益和波束角與頻率無關。為了驗證浮標通信海面傳播頻率特性的仿真結果，需要對天線工作方式進行分析與設計，在更符合實際情況下進行驗證試驗。

2.1 浮標端天線

根據文獻［2］，海平面的傳輸電波主要是直射波、反射波和表面波之和，天線掛高要滿足最小掛高要求，在遠距離通信中掛高越高越好。根據式(2)和浮標通信的特征要求以及圖4的仿真結果，選擇浮標端天線滿足相應頻率下海平面的最小掛高要求，并盡量掛高。

由于浮標體自身要求天線重量小的原因，首先選擇天線為下面計算的低增益全向天線，而不考慮具有陀螺穩定平臺的全向天線。海面通信條件下通常浮標體水平搖擺最大3 600，最大俯仰搖擺角度接近 ±20°。

全向天線的增益:

式中，k可以在27 000～42 000之間取值，通常取32 000，H為水平面角度，V為垂直面角度。

通常H取3600，V取400，通過式(4)得到:G=3.5 dBi，為了滿足浮標體最大搖擺角度時不出現信號電平的劇烈衰落，并使系統保持最大的電平儲備，取全向天線增益接近3.5 dBi這個值。

文獻［1］指出在移動通信中經常使用垂直極化天線，文獻［3］中指出當天線高度大于1個波長，以及入射角與反射波夾角很小時，垂直極化和水平極化對傳播特性的影響可以忽略不計，故此浮標端天線采用垂直極化方式，岸端天線極化與浮標端天線極化方式保持一致。

2.2 岸端天線

岸端天線采用拋物面柵格天線，柵格天線保證海邊工作的抗風性能。文獻［4］中給出了拋物面天線的增益和天線波束角計算公式。

對于拋物面天線，天線增益公式為:

式中，d為天線直徑(m)，f為工作頻率(MHz)，k為天線工作效率(通常為0.5 ～0.7)。

天線波束角為:

式中，λ為工作波長(m)，D為天線直徑(m)。當選擇1 200～2 000 MHz頻段時，要適當選擇岸端天線的直徑，達到既保證系統的電平儲備又保證波束角不至于過窄，從而不影響跟蹤效果和抗風能力。由于浮標體移動速度不快，天線跟蹤采用GPS位置跟蹤方式和接收電平最大值結合方式，浮標端發射的氣象數據信息中包含浮標端GPS測得的位置信息。岸端由于位置固定，根據文獻［5］岸端天線控制設備可計算出天線的對準方位，控制岸端天線按照方位自動跟蹤筏體的移動，并根據接收電平天線進行微調，從而可保證天線的對準精度，實現對浮標良好的跟蹤。

3 工作頻率對接收電平影響的實際測試

浮標端天線采用全向天線其波束角和增益已經確定，而岸端天線的增益和空間損耗與頻率的關系均是20log關系，所以在天線尺寸、發射功率完全相同并且穩定跟蹤的情況下不同頻率的接收電平的趨勢應該是與圖2相一致的。

在實際海面測試中測試了UHF 4組頻率的實際接收電平，在發射功率、筏上全向天線增益、極化方式和岸上定向拋物面天線直徑完全相同時，在5～40 km之間相同距離情況下，4組頻率設備的接收電平很好地符合理論仿真的結果。

4 結束語

根據上面的仿真方法和研究結果，選擇1 000～2 000 MHz這一頻段。利用上述天線工作方式在所選擇的頻率完成了40 km以內的8 Mb/s傳輸速率的海面移動通信測試，3次全程移動測試誤碼小于5×10-7，能很好地完成了圖像傳輸試驗。

該頻段比300 MHz頻段在10～40 km之間接收電平高10 dBm左右，誤碼特性高一個量級。

本次仿真的結論和方法對浮標通信的設計有借鑒指導作用，也適用于更多海面移動通信的應用場合。

［1］張玉艷，于翠波.移動通信［M］.北京:人民郵電出版社，2010:38－40.

［2］李海濤.天線在浮標通信中的應用分析［J］.計算機與網絡，2005，31(19):58 －59.

［3］盧爾瑞，孫孺石，丁懷元.移動通信工程［M］.北京:人民郵電出版社，1998:222－223.

［4］姚言，梅順良，高葆新.數字微波中繼通信系統［M］.北京:人民郵電出版社，1998:394－399.

［5］李海濤.微波定向天線對準實現方法［J］.無線電工程，2011，41(3):44 －46.