船載通信偵察系統距離估算研究

陳 旗，謝金輝

(海軍工程大學，武漢 430033)

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船載通信偵察系統距離估算研究

陳 旗，謝金輝

(海軍工程大學，武漢 430033)

介紹了海上通信信號傳播模型，選擇以Longley-Rice傳播模型為基礎，采用實驗數據擬合的方法得到模型參數，通過與實測數據進行比較，證明了該方法能夠較好地反映海上通信信號傳輸的實際損耗。再根據該模型計算接收點場強，對船載通信偵察系統在不同距離上的偵察概率進行定量分析，進而估算系統的有效偵察距離。此方法結合了理論模型與實驗數據，為估算系統有效偵察距離、對比不同系統性能優劣提供了新思路。

通信偵察；Longley-Rice模型；傳播損耗；距離估算

0 引 言

船載通信對抗偵察系統的使用環境主要是海上或瀕海地區，所接收信號的傳播路徑主要是通過空氣傳播的直達波和經過海面反射的反射波，海浪的起伏、發射/接收平臺的擺動、路徑上島嶼等障礙，都會對偵察效果產生影響。船載通信偵察系統的偵察效能可以從時間域、空間域和頻率域3個方面進行衡量，其中，空間域主要指偵察距離、偵察范圍等，而偵察距離直接決定著范圍的大小，是衡量系統偵察效能的重要指標。本文以Longley-Rice傳播損耗模型為基礎，與傳統的經驗理論計算得到模型參數的做法不同，采用通過實驗數據擬合求得參數的方法，得到傳播預測模型。根據該模型計算接收點場強，再代入偵察效能評估概率模型，對船載通信偵察系統的有效偵察距離進行估算。

1 海上通信信號傳播預測模型的選擇

1.1 幾種預測模型的比較與選擇

通信信號傳播損耗預測模型主要有自由空間模型、Okumura-Hata模型、Egli模型和Longley-Rice模型等[1]。其中，自由空間傳播模型最為簡單，但與實際的偏差也最為明顯；Okumura-Hata和Egli模型屬經驗模型，即建立在大量數據分析的基礎上，但它們沒有將反映介質特征的介電常數和導電率納入考慮，也沒有涉及地形變化的影響，使模型適用性有限；從仿真數據與實測數據的對比來看，對于海上無線通信尤其是遠距離通信，使用Longley-Rice模型預測比Okumura-Hata和Egli模型更為準確[2-3]。

表1 幾種傳播模型的適用性比較

1.2 Longley-Rice模型及其適用性

Longley-Rice模型是一種半經驗半確定性預測模型，它以傳播理論為基礎，同時結合了數千組實測數據，損耗的計算基于不同傳輸距離和傳播模式：在視距內以反射傳播機制為主；在超視距情況下以衍射傳播為主；對于更遠的距離以散射傳播為主；對于不規則地形，有分別適用于非球形但光滑地面和非常不規則地面的2種理論，以2種理論結果的加權描述地形變化[2]。

Longley-Rice模型給出了參考衰減值的計算公式及不同環境下相關修正因子的詳細說明，公式中所包含的參數有不規則地形、頻率、收發天線高度和表面折射率等以及介質的介電常數和導電率。該模型適用于0.02～ 40 GHz的頻率范圍，1～2 000 km的覆蓋半徑和0.5～3 000 m的收發天線高度。

船載通信偵察一般涵蓋短波、超短波和微波的低頻段范圍，Longley-Rice模型可覆蓋除部分短波頻段外的全部范圍。船上偵察天線高度一般為10 m左右，大型艦船為獲得更好的偵察效果往往將偵察天線安裝在高度大于20 m的桅桿頂端。另一方面，水面艦船通信偵察的對象主要是岸基、水面和中低空的固定、低速運動目標，故收發天線的高度也符合本模型的適用范圍。尤其是模型中可通過介電常數和導電率反映海水介質特性、不規則地形參數反映海浪起伏及島嶼遮擋情況，使該傳輸損耗模型相比其他模型更適合海上信號傳播的預測。

2 基于Longley-Rice模型和實測數據的傳輸損耗估算

2.1 實測實驗及視距計算

在東海海面進行的一次信號測量實驗中[4]，測試條件如下：信號頻率900 MHz，岸基固定發射天線高200 m，增益18 dBi，水平波束寬65°，單極化，輸出功率80 W。實驗分2次進行，接收條件稍有區別：6～42 km時，接收天線高3 m；40～90 km時，接收天線高10 m。

在數據處理時，首先以1 km為間隔進行采樣點平均，以消除因海浪顛簸帶來的數據波動，實測各點接收電平Pd，見圖1。根據天線理論，可計算出輻射源有效輻射功率Pe=66.29 dBm，沿線各點實際路徑損耗Ld=Pe-Pd，如圖2所示。

圖1 測試距離與接收電平關系

圖2 測試距離與傳輸損耗關系

視距的計算公式為:

(1)

假定偵察天線高度H1，對于實驗中的輻射源目標，H2取200 m，則視距距離與接收天線架高的關系如圖3所示?？梢娊邮仗炀€在3 m高時，視距范圍約60 km；在10 m高時，視距范圍約70 km。

圖3 視距距離與偵察天線架高關系

2.2 傳輸損耗的估算

用Longley-Rice模型對傳輸損耗進行估算，有公式：

(2)

式中：PR為接收點功率；Pe為有效輻射功率；Acr為參考衰減值；Lfs為自由空間傳輸損耗；a為修正因子，一般取5 dB。

假設輻射源功率為PT，信號頻率為f，發射天線增益為GT，接收天線增益為GR，信號輻射源與接收天線間距離為d，可通過下面3個公式計算傳輸損耗、接收功率：

Lfs=32.45+20lgf+20lgd

(3)

(4)

(5)

式中：d的單位為km;f的單位為MHz;Lcr為傳輸損耗。

Longley-Rice模型是基于不同傳播范圍對傳輸損耗進行建模的，在視距范圍內時，以海面反射傳播為主，采用雙徑模型估算，如下式：

(6)

超過視距范圍，以衍射傳播為主，對于不同類型的傳輸環境有不同的損耗估算方法，將結果加權即作為超視距衍射損耗：

(7)

對于更遠的距離，以前向散射傳播機制為主，參考損耗計算公式為：

(8)

式中：dls為光滑地面距離，在海上無遮擋情況下可視為視距；dx為衍射損耗和散射損耗相等時的距離；Ae、Aed、Aes分別為自由空間視距、衍射和散射時的傳播損耗值；k1和k2為損耗系數；md和ms分別為衍射和散射損耗系數，對于各系數的計算有一套理論推導方法[5]。

本文為避免純理論計算脫離實際，將采用已知損耗模型，利用實測數據反向擬合求解參數。

2.3 實測數據反向擬合法求參考衰減損耗

由公式(2)得參考衰減值：

(9)

由圖3得偵收天線高3 m時視距范圍約60 km，而第1組測量數據在50 km以內，故認為可以使用預測公式(6)。

首先在圖1所示實測數據中，取視距范圍內變化相對穩定區間的3點，如(10,56)、(25,69)、(40,79)，代入式(6)，經計算得參數Ae=5.718 6， k1=0.456 1，k2=-4.524 5，再利用軟件進行非線性回歸擬合，得到視距范圍Acr的變化曲線,如圖4所示。

圖4 視距范圍參考損耗值擬合曲線

同理，根據實測數據，得到在50 km以上至超視距條件下Acr的估算公式中，Aed=-69.808，md=1.150 1，經過反向擬合，得到Acr的變化曲線如圖5所示。

圖5 超視距范圍參考損耗值擬合曲線

由于所參考資料中測試實驗只進行到90 km，故衍射損耗和散射損耗相等的超遠距離情況暫不討論。

2.4 預測曲線與實測數據的比較

將經過擬合求得的ACR代回公式(2)中，得到接收點功率預測模型曲線PR=-35.963 5-0.456 1d-15.475 5lgd，與原始實測數據進行比較,如圖6所示。

同理，得到50 km以上至超視距情況下的預測公式PR=39.563 1-1.150 1d-20lgd，與原始實測數據進行比較，得到圖7。

從圖6和圖7可以看出，預測值曲線與實測數據曲線的衰減趨勢基本一致。表2的對比中有2個點誤差超過5 dB。

圖6 視距范圍預測曲線與實測數據比較

圖7 超視距范圍預測曲線與實測數據比較

距離(km)789101112131415161718實測(dBm)-61-57-56-56-56-56.5-57-60-62-62-57.5-64預測(dBm)-52.2-53.6-54.8-56.0-57.1-58.1-59.1-60.1-61.0-61.9-62.8-63.6距離(km)192021222324252627282930實測(dBm)-62.5-63-63-65-64-69-69-72-70-70.5-72-72.5預測(dBm)-64.4-65.2-66.0-66.8-67.5-68.3-69.0-69.7-70.4-71.1-71.8-72.5距離(km)313233343536373839404142實測(dBm)-70-69-70.5-71-72.5-74.5-75-78-79.5-79-81-78預測(dBm)-73.2-73.9-74.5-75.2-75.8-76.5-77.1-77.7-78.4-79.0-79.6-80.2

表3的對比中有9個點誤差超過5 dB，2次實驗中誤差在5 dB以內的分別占94.5%和71.9%，考慮到海上測試環境復雜，可認為誤差在允許范圍以內。由此可得出該方法所得模型適合海上通信信號傳輸預測的結論，且距離較近時較為準確。

3 有效偵察概率的計算

通信過程中，由于傳輸環境的變化和各種干擾的存在，電磁波到達接收點后其場強是隨機變化的，信號幅度的變化有多種形式，工程計算中一般采用瑞利分布。對通信的偵察效能評估指標為一種概率模型，即在某時刻，符合瑞利分布的電磁信號到達接收點的預期場強大于或等于接收機偵察所需最小場強的概率，其時間百分率為：

T=100e-0.693 15(ERmin/ER)2

(10)

式中:ERmin為偵察系統正常接收所需的最小場強；ER為信號經過到達接收點時的場強；T為ER≥ERmin的時間百分率。

表3 超視距范圍預測電平與實測電平比較

偵察接收機所需最小信號場強主要由2個方面決定，分別是接收設備的內、外部噪聲和由業務等級、工作體制、裝備性能等決定的信噪比。其中，船載通信偵察天線的噪聲場強有效值為：

En=Fa+10lgB-174

(11)

式中：B為偵察系統有效噪聲帶寬，單位Hz；Fa為有效噪聲系數，單位dB，可通過查表進行估算[6]。

已知檢測出目標信號所要求的信噪比和接收點的噪聲場強有效值，接收機偵察所需的最小接收場強ERmin為：

(12)

另一方面，可由接收點的接收功率求得接收場強：

ER=PR+20lg(f)+77.2

(13)

將ER與ERmin代入偵察效能評估概率公式(10)，可算出某位置接收點預期場強大于等于系統接收所需最小場強的概率，即目標信號被船載通信偵察接收機截獲的概率。

(14)

超視距條件下：

(15)

船載通信偵察系統在不同距離上對假定目標的偵察效能概率如圖8所示。

圖8 偵察效能概率

雖然因所依據實測數據限制曲線分為2段，但其整體趨勢是相同的，即隨著距離的增大,偵察概率在不斷降低，且降低的速度越來越快。假定當偵察概率低于50%時，不能滿足偵察效率的需求，則可得出結論：對于該假定目標,被評估系統的有效偵察 距離為133.3 km。對于不同船載通信偵察系統，可以各項參數確定已知的目標信號輻射源為參照，通過上述方法衡量偵察距離的遠近。

4 結束語

本文以Longley-Rice傳播模型為基礎，采用通過實驗數據擬合求出所需參數的方法，得到傳播預測模型，并與實測數據進行比較，證明了模型的有效性。根據所得模型計算接收點場強，代入偵察效能概率模型，進而估算出船載通信偵察系統的有效偵察距離。此種方法結合了理論模型與實驗數據，能較好地預測出通信信號的傳輸情況；對偵察系統的有效偵察距離進行估算、對不同距離上的偵察效能進行定量分析，有利于更好地了解并使用相關裝備。

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Research into Distance Estimation Method of Shipboard Communication Reconnaissance System

CHEN Qi,XIE Jin-hui

(Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

This paper introduces the propagation models of communication signals on the sea,chooses the Longley-Rice propagation model as the base,and uses the method of experimental data fitting to obtain the model parameters,proves that the method can reflect the actual propagation loss of communication signals on the sea by comparing the model parameter with the measured data,then calculates the electric field intensity of receiving point according to the model,and analyzes the reconnaissance probability of shipboard communication reconnaissance system in different distances quantitatively,moreover estimates the effective reconnaissance distance.The method combines the theoretical model with experimental data,which provides new way to estimate the effective reconnaissance distance of the system and compare the performance of different systems.

communication reconnaissance;Longley-Rice model;propagation loss;distance estimation

2015-12-31

TN911.23

A

CN32-1413(2016)04-0029-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.04.007