高仰角對流層散射傳播損耗的改進預測方法

張利軍 張蕊 趙振維 林樂科

(1.中國電波傳播研究所, 青島 266107;2.中國電波傳播研究所 電波環境特性及模化技術重點實驗室,青島 266107)

高仰角對流層散射傳播損耗的改進預測方法

張利軍1張蕊2趙振維2林樂科2

(1.中國電波傳播研究所, 青島 266107;2.中國電波傳播研究所 電波環境特性及模化技術重點實驗室,青島 266107)

鑒于ITU-R P.617建議只可用來計算低仰角而不適合于高仰角情形下的對流層散射傳播損耗,提出了一種適用于高仰角對流層散射傳播損耗的改進預測方法．分析了不適用于高仰角情形的原因,發現散射體離收發連線的高度H可能小于離地高度h,而通常的物理含義下H>h．因此根據散射幾何模型,替換了原有的散射體高度表達式,在近似條件下令兩個散射體高度相等,將新的散射體高度表達式代入計算．鏈路預測結果表明:改進的簡單預測方法極大地改善了原有預測結果,更加接近實驗結果,且與適合于高仰角的復雜美國國家標準局(National Bureau of Standards,NBS)方法預測結果基本一致．

高仰角;對流層散射;傳播損耗;預測方法

引 言

對流層散射傳播具有諸如單跳跨距大、保密性好、不怕核爆炸以及不受電離層騷擾等不可替代的優點[1],在軍用和民用通信中具有廣泛的應用．20世紀50年代起,國外對對流層散射傳播這種超視距傳播機制以及鏈路傳播損耗計算相關研究開展了大量的試驗和理論研究,基于對流層散射傳播理論以及試驗數據形成了國外的對流層散射傳播預測方法[2-3]．隨后,人們在北大西洋以及北歐相繼建立多條軍用對流層散射電路．國內于20世紀五六十年代,緊跟國際前沿,在對流層散射傳播方面做了大量的理論和試驗研究．在我國華北、華東和華中等地區十幾條電路上開展了一系列傳播試驗,提出了適用于中國的散射傳播預測公式[4]．20世紀90年代,以我國學者的研究成果為代表,形成了適用于全球的對流層散射傳播損耗計算方法[5],即ITU-R P.617建議．需要指出的是,該方法是基于大量的全球實測數據以及綜合諸多散射傳播機理得到,在超視距傳播鏈路預測中具有廣泛的適用范圍．對流層散射傳播發展至今,已廣泛應用于石油、水利、電力、采礦等各種工業部門指揮、調度等[6-8]．隨著通信新技術的發展,文獻[9]將正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技術引入對流層散射通信系統,實現了散射通信容量的增加,同時考慮天線分集技術抑制子載波間的干擾．近年來,對流層散射用于超視距無源偵察也得到了人們較大的關注,文獻[10-15]利用對流層散射實現了雷達信號的超視距傳輸進而開展對流層散射超視距的無源定位與探測等．文獻[16]計算了對流層散射傳播中收發天線對不準情形下的偏移損耗,并利用實測試驗數據進行驗證,為高精度無源偵察定位提供了理論參考．

同時,隨著國際上對對流層散射通信應用范圍認識地不斷提高,發現散射通信在5～100 km的越障通信具有良好的應用前景．然而相關文獻[17-18]指出:在越障通信中,收發天線仰角較大,ITU-R P.617建議不適于該種情形下的傳播損耗計算．隨著天線仰角的增大,利用該方法計算的傳播損耗急劇增加,與實測結果存在較大差別．文獻[19]分別定義了高仰角、低仰角(其中高仰角對應文中指出的越障應用模式,即電波波束抬高,散射角較大;低仰角對應文中指出的常規應用模式,即電波波束沿著地球切線方向,散射角較小),給出了高低仰角情形下的ITU-R P.617建議預測結果以及美國NBS方法預測結果,并與實測數據進行了比較．比較結果表明:在低仰角情形兩種預測結果基本一致,而在高仰角情形下NBS方法預測結果與試驗結果較為一致．

鑒于ITU-R P.617建議在應用于高仰角時出現預測結果與實測不一致的問題,文中首先將該計算方法中與散射角相關的損耗項提出,并對不同距離下的散射體高度進行仿真分析,找出了導致傳輸損耗迅速增加的原因:散射體高度隨著仰角的增大急劇增加,進而導致在高仰角情形下出現散射體離收發連線高度H小于離地高度h,不滿足其物理含義．因此,在高仰角情形下給出了新的散射體高度解析表達式,替換原來的表達式,得到了一種適合于高仰角的散射傳播損耗改進預測方法．該方法與文獻[19]中建議的NBS方法預測結果較為一致,同時與試驗結果相比,極大地改善了原有方法的預測結果．

1 ITU-R P.617建議預測方法

ITU-R P.617建議中給出的對流層散射傳輸損耗中值為如下形式[5]:

Lm=F+30lgf+30lgΘ0+

10lgd+20lg(5+γH)+

4.343γh+Lc-Gt-Gr.

(1)

式中:Lm為傳輸損耗中值,dB;F為氣象因子,dB;f為頻率,MHz;Θ0為散射角,mrad;d為散射電路距離,km;γ為對流層不均勻性強度隨高度的指數衰減系數,km-1;H為最低散射點到收發連線的距離,km;h為最低散射點到地面的距離,km;Lc為耦合損耗,dB;Gt、Gr分別為發射天線、接收天線增益,dB．

最低散射點到收發連線的高度H和最低散射點離地高度h分別為:

H=10-3Θ0d/4,

(2)

h=10-6Θ02ae/8．

(3)

將與散射角有關系的所有損耗項疊加在一起,有

LΘ=30lgΘ0+20lg(5+γH)+4.343γh.

(4)

假定鏈路距離分別為20 km、300 km,等效地球半徑取ae=8 500 km,則對于大陸性溫帶氣候區取γ=0.27,散射角Θ0從1°到10°變化對應的LΘ項變化如圖1所示．

圖1 LΘ隨Θ0的變化

由圖1可見:隨著散射角的增大,進而會帶來與散射角有關的損耗項LΘ顯著增加．然而,這在近距離越障通信中與相關實驗結果不符,正如文獻[19]中計算結果表明:實測損耗為251 dB,而利用ITU-R P.617建議計算結果為306 dB,二者相差達55 dB．對與散射角存在關系的損耗項分析可以發現:其中散射體離收發連線高度H以及散射體離地高度h均隨著散射角的增大而顯著增加,進而帶來傳輸損耗的迅速增大．

(a) 近距離的情形(d=20 km)

(b) 遠距離的情形(d=300 km)圖2 散射體高度隨Θ0的變化

2 改進的高仰角簡易預測方法

ITU-R P.617建議作為通用的遠距離預測方法,散射角的變量中包含了收發天線高度和仰角的信息．圖3給出了散射角示意圖．為清楚起見,此處重新列出這些參量．其中假定發射、接收天線的海拔高度分別為hts、hrs,散射通信距離為d,發射、接收端仰角分別為θ1、θ2．θ1和θ2由收發端前方的障礙物決定,其表達式為:

(5)

(6)

圖3 散射仰角示意圖

式中:hLt為發射端附近最高障礙物的高度;dLt為發射端到附近最高障礙物的距離;hLr為接收端最高障礙物的高度;dLr為接收端到附近最高障礙物的距離．

在不規則地形的情況下,圖示的發射天線和接收天線視線與收發連線的夾角α、β可用下式計算:

(7)

(8)

(9)

式中,d為距離．近距離情形下,地球可視為平坦地球,則近似有h=H．

將公式(9)以及近距離情形下的近似表達式h=H替換ITU-R P.617中的式(2)、(3),其余依照原有的方法,即得到了適用于高仰角的對流層散射傳播改進預測方法．

將改進的散射體高度表達式代入式(4)中,計算得到的與散射角有關的損耗項如圖4所示．由圖4可見,隨著仰角的增大,傳輸損耗增加的趨勢趨于平緩．

圖4 LΘ隨Θ0的變化

3 實測數據與改進算法比較

為了研究高仰角條件下的信號傳輸特性,2003—2008年分別在華北地區、東南地區、北京地區開展了多次試驗,對不同距離、仰角的散射鏈路進行測量,獲得了大量測試數據[18]．在試驗中采用的測試設備有收發信機、400 W功放、2.4 m天線,以及多功能終端．多功能終端可產生不同的信號形式,測量接收電平時產生單頻信號,可自動記錄和保存數據．一般每條鏈路測試2～6 h,對于接收電平,每隔5 min測試一組數據,每組測試時間為20 s,記錄20 s時間內的中值電平和衰落速率,最終統計出整個測試時間的中值電平,然后折算為中值傳輸損耗．此處直接使用文獻[18]的傳播損耗中值數據,并利用改進算法計算實際鏈路的高仰角傳輸損耗,結果如表1所示．由表中數據可見:直接利用ITU-R P.617建議計算的結果要顯著大于試驗結果(收發端仰角為22°/9°時,差別可達304 dB);利用改進預測方法計算的結果與實驗結果更為接近．與實測數據相比,改進預測方法平均誤差8.4 dB,均方根7.7 dB．

利用NBS方法計算的結果亦列在表中,由表中數據可知:改進的預測方法與NBS預測方法有相當的精度,最大誤差為3 dB,最小誤差為0.9 dB．NBS方法的準確性已得到眾多電波傳播專家的確認,唯一的缺點是需要涉及到大量的圖表和運算,使用不便．因此,與NBS方法的一致性說明了改進預測方法的有效性．

對于大部分鏈路來講,計算值大于實測值．這可能是由于測試樣本僅僅在8月份或者10月份開展有關,且取2～6個小時的數據,沒有考慮冬季較低的接收電平,因此出現了計算的損耗中值大于實測值的現象．

表1 實測數據以及計算結果

需要指出的是:表1最后一列給出了文獻[18]的預測結果．該方法在基于光滑球面散射傳輸損耗公式的基礎上,另外考慮三種影響散射傳輸損耗的因素:1)散射角增加使得散射截面減小;2)散射體高度增加引起大氣折射指數降低;3)有效散射體體積減小．文中給出的高仰角散射傳播預測方法為

L=LG+Lθ．

(10)

式中:LG為光滑球面條件下的散射傳輸損耗,可按ITU-R P.617建議的方法計算;Lθ為高仰角帶來的附加損耗,其表達式為

Lθ=Ls+Lv+LN

40lgΘ0+0.2ΔN.

(11)

式中:s為電路對稱因子;ΔN為仰角抬高導致的散射體高度處的折射指數差．該方法需要首先利用ITU-R P.617建議計算光滑球面條件下的散射損耗,然后再計算高仰角帶來的三項附加損耗,最終得到高仰角散射傳播損耗．需要指出的是:該方法由于考慮了實際折射指數的變化,因此在短時測量中相對接近實測結果．然而,針對長期測量的年傳輸損耗中值來說,該方法預測結果有待進一步驗證．

4 結 論

將ITU-R P.617建議的散射體高度加以修改,得到了適合于高仰角的對流層散射傳播損耗的改進預測方法．該方法所有參數均有相應的解析表達式,計算方便,適合工程應用,且與NBS預測方法具有相當的精度．與NBS方法相比,改進的預測方法無需NBS繁雜圖表數據,更加簡單易用．與文獻[18]提供的方法相比,無需計算額外的附加損耗,只需替換散射體高度表達式,然后按照ITU-R P.617建議方法計算即可．其準確度的進一步驗證需要大量的長期的高仰角散射鏈路測量數據來進行,這將是下一步的工作重點．

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張利軍(1982—),男,河南人,高級工程師,研究方向為對流層散射傳播理論、移動信道測量與傳播特性．

張蕊(1979—),女,河北人,高級工程師,主要研究方向為波導傳播、對流層散射傳播、移動信道傳播特性等．

Animprovedpredictionmethodofthetroposcatterpropagationlosswithhighelevation

ZHANGLijun1ZHANGRui2ZHAOZhenwei2LINLeke2

(1.ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China;2.NationalKeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

Usually we use ITU-R P.617 recommendation to compute the troposcatter propagation loss of low scatter angle case, however, it is not fit for the high scatter angle case. We propose an improved method for high scatter angle case in this paper, and analyze the reason why it is not fit for the high scatter angle case. We find that the height of the common volume above the line of transmitter and receiver called H maybe smaller than the height above the ground called h, but from the physical meaning, H must be larger than h. So according to the geometry model, we replace the original expression of H, and in an approximate condition we suppose the two heights are equal. If we substitute the new expression into the link prediction, we find that it is improved well compared to the original results and closer to the experimental results. The proposed method is also agreed well with complex U.S.National Bureau of standards(NBS) method which is used for both low and high elevation.

high elevation; troposcatter; propagation loss; prediction method

張利軍, 張蕊, 趙振維, 等. 高仰角對流層散射傳播損耗的改進預測方法[J]. 電波科學學報,2017,32(4):449-454.

10.13443/j.cjors.2017041902

ZHANG L J, ZHANG R, ZHAO Z W, et al. An improved prediction method of the troposcatter propagation loss with high elevation [J]. Chinese journal of radio science,2017,32(4):449-454. (In Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2017041902

TN011

A

1005-0388(2017)04-0449-06

DOI10.13443/j.cjors.2017041902

2017-04-19

聯系人： 張利軍 E-mail: crirpzhlj@sohu.com