浮標(biāo)通信的仿真與設(shè)計(jì)

張建忠，秦建存

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

浮標(biāo)通信是一種低仰角的海面移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信，海上監(jiān)測(cè)用的無(wú)人值守浮標(biāo)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(biāo)通信由于浮標(biāo)體的原因，要求浮標(biāo)端天線(xiàn)重量小掛高低，通信在抗浮標(biāo)搖時(shí)傳輸可靠性高。浮標(biāo)大容量遠(yuǎn)距離通信由于浮標(biāo)體晃動(dòng)和海面多徑的影響，可靠傳輸?shù)墓こ袒O(shè)計(jì)是需要解決的難題，以前在浮標(biāo)通信文獻(xiàn)中沒(méi)有分析過(guò)工作頻率在浮標(biāo)通信中的作用，本文首次從頻率選擇、天線(xiàn)工作方式方面對(duì)系統(tǒng)接收電平的影響進(jìn)行了仿真分析與設(shè)計(jì)。

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(shù)比較大，通常產(chǎn)生比較大的多徑衰落，不同的極化方式海水反射系數(shù)不同。文獻(xiàn)［1］中提出了反射系數(shù)的計(jì)算公式和海水的相應(yīng)參數(shù)。反射系數(shù)為:

表1 典型介電常數(shù)和電導(dǎo)率關(guān)系

由于海面的相對(duì)平坦性和開(kāi)闊性，海面電波傳播必然產(chǎn)生多徑影響，海面?zhèn)鞑ザ鄰教匦酝ǔ２捎脙蓮絺鞑ツＰ?，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?shù)木嚯x(D)由接收和發(fā)射天線(xiàn)的高度決定。在大氣折射指數(shù)最?lèi)毫忧闆r下:

式中，h1為發(fā)端天線(xiàn)掛高，單位為m;h2為收端天線(xiàn)掛高，單位為m。為保證浮標(biāo)通信距離，在浮標(biāo)端天線(xiàn)較低的情況下，岸端天線(xiàn)掛高要足夠高，以滿(mǎn)足視距傳輸。根據(jù)式(2)和浮標(biāo)通信的工作環(huán)境，選取滿(mǎn)足浮標(biāo)通信的通信距離下相應(yīng)的浮標(biāo)端和岸端天線(xiàn)的高度進(jìn)行仿真。

根據(jù)式(1)和圖1，B點(diǎn)的總場(chǎng)強(qiáng)可表示為:

可以看出，不同的頻率信號(hào)具有不同的合成場(chǎng)強(qiáng)，300 MHz信號(hào)的合成場(chǎng)強(qiáng)波動(dòng)比較平穩(wěn)但數(shù)值比較低，2 400 MHz信號(hào)的合成場(chǎng)強(qiáng)波動(dòng)較大，但在15～40 km的范圍內(nèi)合成場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值最大，而600 MHz和1 200 MHz信號(hào)合成場(chǎng)強(qiáng)則介于上述最高值和最低值之間。

為了擴(kuò)展高頻段理論分析，對(duì)比地給出1 200 MHz、2 400 MHz、4 800 MHz 和 8 600 MHz 信號(hào)的歸一化合成場(chǎng)強(qiáng)仿真圖，如圖3所示。4 800 MHz和8 600 MHz頻率信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)波動(dòng)與2 400 MHz信號(hào)相比更大，而且其合成場(chǎng)強(qiáng)值在相應(yīng)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(hào)的場(chǎng)強(qiáng)值。

圖3 第2組頻率在相應(yīng)通信距離的歸一化合成場(chǎng)強(qiáng)

為了清楚在岸端天線(xiàn)掛高不變的情況下，相同工作頻率浮標(biāo)端天線(xiàn)掛高變化時(shí)在相應(yīng)通信距離上接收端歸一化合成場(chǎng)強(qiáng)有何不同，對(duì)1 200 MHz和2 400 MHz 2個(gè)頻率進(jìn)行相應(yīng)仿真，如圖4所示。可見(jiàn)這個(gè)頻段范圍內(nèi)浮標(biāo)端天線(xiàn)掛高越高，基本上相應(yīng)通信距離上接收端歸一化合成場(chǎng)強(qiáng)值越大。也可以得出結(jié)論在浮標(biāo)端天線(xiàn)掛高較低時(shí)，浮標(biāo)端天線(xiàn)掛高對(duì)接收電平的大小有比較大的影響。

圖4 在相應(yīng)通信距離不同掛高下的歸一化合成場(chǎng)強(qiáng)

2 天線(xiàn)工作方式的選擇

浮標(biāo)通信中海面移動(dòng)通信系統(tǒng)天線(xiàn)是由浮標(biāo)端天線(xiàn)和岸端天線(xiàn)組成。天線(xiàn)可以選擇全向和定向2種工作方式，全向天線(xiàn)增益低但波束角寬便于跟蹤，定向天線(xiàn)與之相反，選擇全向天線(xiàn)時(shí)，天線(xiàn)的增益和波束角與頻率無(wú)關(guān)。為了驗(yàn)證浮標(biāo)通信海面?zhèn)鞑ヮl率特性的仿真結(jié)果，需要對(duì)天線(xiàn)工作方式進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，在更符合實(shí)際情況下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.1 浮標(biāo)端天線(xiàn)

根據(jù)文獻(xiàn)［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(xiàn)掛高要滿(mǎn)足最小掛高要求，在遠(yuǎn)距離通信中掛高越高越好。根據(jù)式(2)和浮標(biāo)通信的特征要求以及圖4的仿真結(jié)果，選擇浮標(biāo)端天線(xiàn)滿(mǎn)足相應(yīng)頻率下海平面的最小掛高要求，并盡量掛高。

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

全向天線(xiàn)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(guò)式(4)得到:G=3.5 dBi，為了滿(mǎn)足浮標(biāo)體最大搖擺角度時(shí)不出現(xiàn)信號(hào)電平的劇烈衰落，并使系統(tǒng)保持最大的電平儲(chǔ)備，取全向天線(xiàn)增益接近3.5 dBi這個(gè)值。

文獻(xiàn)［1］指出在移動(dòng)通信中經(jīng)常使用垂直極化天線(xiàn)，文獻(xiàn)［3］中指出當(dāng)天線(xiàn)高度大于1個(gè)波長(zhǎng)，以及入射角與反射波夾角很小時(shí)，垂直極化和水平極化對(duì)傳播特性的影響可以忽略不計(jì)，故此浮標(biāo)端天線(xiàn)采用垂直極化方式，岸端天線(xiàn)極化與浮標(biāo)端天線(xiàn)極化方式保持一致。

2.2 岸端天線(xiàn)

岸端天線(xiàn)采用拋物面柵格天線(xiàn)，柵格天線(xiàn)保證海邊工作的抗風(fēng)性能。文獻(xiàn)［4］中給出了拋物面天線(xiàn)的增益和天線(xiàn)波束角計(jì)算公式。

對(duì)于拋物面天線(xiàn)，天線(xiàn)增益公式為:

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

天線(xiàn)波束角為:

式中，λ為工作波長(zhǎng)(m)，D為天線(xiàn)直徑(m)。當(dāng)選擇1 200～2 000 MHz頻段時(shí)，要適當(dāng)選擇岸端天線(xiàn)的直徑，達(dá)到既保證系統(tǒng)的電平儲(chǔ)備又保證波束角不至于過(guò)窄，從而不影響跟蹤效果和抗風(fēng)能力。由于浮標(biāo)體移動(dòng)速度不快，天線(xiàn)跟蹤采用GPS位置跟蹤方式和接收電平最大值結(jié)合方式，浮標(biāo)端發(fā)射的氣象數(shù)據(jù)信息中包含浮標(biāo)端GPS測(cè)得的位置信息。岸端由于位置固定，根據(jù)文獻(xiàn)［5］岸端天線(xiàn)控制設(shè)備可計(jì)算出天線(xiàn)的對(duì)準(zhǔn)方位，控制岸端天線(xiàn)按照方位自動(dòng)跟蹤筏體的移動(dòng)，并根據(jù)接收電平天線(xiàn)進(jìn)行微調(diào)，從而可保證天線(xiàn)的對(duì)準(zhǔn)精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)浮標(biāo)良好的跟蹤。

3 工作頻率對(duì)接收電平影響的實(shí)際測(cè)試

浮標(biāo)端天線(xiàn)采用全向天線(xiàn)其波束角和增益已經(jīng)確定，而岸端天線(xiàn)的增益和空間損耗與頻率的關(guān)系均是20log關(guān)系，所以在天線(xiàn)尺寸、發(fā)射功率完全相同并且穩(wěn)定跟蹤的情況下不同頻率的接收電平的趨勢(shì)應(yīng)該是與圖2相一致的。

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

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)上面的仿真方法和研究結(jié)果，選擇1 000～2 000 MHz這一頻段。利用上述天線(xiàn)工作方式在所選擇的頻率完成了40 km以?xún)?nèi)的8 Mb/s傳輸速率的海面移動(dòng)通信測(cè)試，3次全程移動(dòng)測(cè)試誤碼小于5×10-7，能很好地完成了圖像傳輸試驗(yàn)。

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(gè)量級(jí)。

本次仿真的結(jié)論和方法對(duì)浮標(biāo)通信的設(shè)計(jì)有借鑒指導(dǎo)作用，也適用于更多海面移動(dòng)通信的應(yīng)用場(chǎng)合。

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［5］李海濤.微波定向天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)方法［J］.無(wú)線(xiàn)電工程，2011，41(3):44 －46.