海域地震無線數傳系統測試分析

李文惠 ,黎璐玫,周藍捷,方偉華,張藝峰

(1.廈門地震勘測研究中心，福建廈門，361021；2.國家無線電監測中心福建監測站，福建廈門，361021)

0 引言

海域地震探測一直是世界各國地震學家奮力追求的前瞻性課題，在一些發達國家諸如美國、日本等已經開展了一些海域地震探測項目。但由于海洋地震探測的特殊性決定了該項工作未能得到普遍的展開。而作為海洋測震系統中重要的一環，如何將探測數據實時準確的回傳到數據處理中心，以供研究人員更好地對地震數據進行分析研究，一直是研究人員最關心的問題之一。隨著通信技術、計算機技術及微電子技術的發展，可用于地震探測系統的傳輸方式多種多樣，新的傳輸方式也在不斷地出現。每一種通信方式都有其長處和不足，因而需要根據不同的使用場景，選擇合適的通信方式。針對海域地震探測的特殊使用場景，本文主要采用海上超短波無線數傳系統，并對該系統進行理論分析和實地測試比對。

1 超短波無線數傳系統

超短波數傳系統是利用30MHz-300MHz的超短波頻段的電磁波進行的無線電通信，也叫甚高頻通信。由于地面吸收較大和電離層不能反射，只能靠直線方式傳輸，也稱視距通信，傳輸距離大約為50km。超短波通信的工作頻帶較寬，具有相當強的繞射能力，通過增強發射功率和架高發射接收天線的高度，也可進行“超視距”通信。由于海上遮擋較少，也有利于超短波的“超視距”通信。海上超短波無線數傳系統一般由發射基站、接收基站、天線和終端設備等組成。

2 傳輸距離分析

由于地球表面曲率半徑約R=6370km,令發射和接收站的天線高度分別為h1和h2，則收發兩點之間的幾何視距D為：

考慮到大氣折射效應，電磁波在地球表面自由空間傳播時會產生一定的彎曲效應（4），所以超短波傳播的有效視距可簡化為：

若天線發射功率為5W，整體功耗控制在30W內，滿足海上設備低功耗需求。海上浮標裝載的天線在海面上架高約12m，并設定正常解調的信號強度為-109dBm，多徑雨霧環境時衰落冗余10dB，在岸天線采用定向11dBi，海上浮標天線采用全向6dBi，則發射天線高度與通信距離的關系如下圖。

圖1 發射天線高度與通信距離之間的關系

根據以上分析，筆者在福建連江和平潭之間選取70-80公里跨海無遮擋的兩個點作為系統測試點，進行無線數傳系統測試。經過實地測試，獲得在跨海73.6公里的點對點通信距離，需要接收天線架高約340m，發射天線架高12米，發射功率可以控制在5W，整機功耗可以降低至30W內，此時系統傳輸正常，測得傳輸速率為 9.6kbps（1kB/s）。

圖2 測試地點示意圖

3 傳輸損耗分析

電磁波的傳輸損耗不僅與頻率、 距離、 收發天線的高度、地形和地物有關， 而且還與時間、季節及經緯度位置等諸多實時變化因素相關（5）。因此，要對其進行精確計算非常困難。研究人員一般通過結合經驗模式和實踐經驗來得到具體的路徑損耗值。在實際工作中最常用到的場強預測模式有自由空間模式 、奧村模式( Okumura)、Hata 模式、COST231-Hata 模式、Egli模式等(6)，結合具體的使用場景選擇合適的模式。 Egli 給出了適合于海上超短波通信的電波傳輸損耗經驗公式 :

Lg為傳輸損耗，f為通信頻率，d為通信距離，h1 h2分別為接收發射天線的海拔高度，Ks為地形校正因子，因為海平面近似規則平面，因此Ks取值為零，則上式可以化簡為：

經實際測試獲得數據表明，系統雙向通信正常。通過RSSI計算得到的路徑衰減如下：測試結果（紅色點）與理論值（藍色點線）的對比情況如圖所示。

由上可以看出，在跨海73.6公里的點對點通信距離，接收天線架高約340m，發射天線架高12米，天線發射功率為5W，整機功耗為30W，系統測得的路徑損耗為136dB，測試結果與理論值基本吻合，說明所選取的路徑損耗模型的準確性。

4 結束語

在海域地震臺網的設計建設中，如何因地制宜的設計選擇出一種實用性強、穩定性好的傳輸方式是極其重要的。本文通過對超短波無線數傳系統的理論分析和實地測試，了解了超短波無線數傳系統在海域地震探測中應用的可行性。為海域地震臺網建設提供了一種通信保障，既能最大限度的保證海域地震臺網的日常運行，又能在遭遇突發事件，比如：強地震、臺風 、海嘯及通信阻塞等干擾時不至于通信全部癱瘓。這樣，才能保證每一個關鍵地理位置上地震探測點數據回傳的實時性和完整性。

圖3 測試結果與理論曲線對比

[1]馮蘊瑩.海面超短波傳輸信道研究[J].艦船科學技術,2016,(22):106-108.

[2]禤展藝.基于船艦超短波通信系統的研究[J].電子測試,2016,(11):42-43.

[3]王直干.海上超短波通信距離的影響因素分析[J].科技前言,2015,(12):1-7.

[4]劉歡,李楠.海上超短波環境的無線自組織網路由協議研究[J].艦船電子工程,2012,(03):17-19.

[5]陳亮.海上VHF無線通信傳輸損耗[J].中國航海,2015,38（3）：01-04.

[6]張煥國.海上超短波通信傳輸預測模型研究[J].艦船科學技術,2016,38(04):112-114.