基于GIS的短波臺站電磁輻射環境影響預測*

左麗芬 任席闖 崔 潔

(91469部隊 北京 100841)

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基于GIS的短波臺站電磁輻射環境影響預測*

左麗芬 任席闖 崔 潔

(91469部隊 北京 100841)

論文提出一種基于實際地形環境的短波電磁輻射環境影響預測的方法,以某假定發信基站發信天線為對象,給出基于該方法的電磁輻射仿真實現過程,并結合GJB5313實現該幅天線電磁輻射場強超暴露極限值區域的可視化,最后分析基于GIS實際地形環境的短波基站電磁輻射環境影響仿真預測方法的應用前景。

預測; 電磁輻射; 地理信息系統三維空間; 電磁防護

Class Number TN219

1 引言

以往短波發信基站的建設對電磁環境缺乏有效的量化預測手段,導致建設效能受限和電磁輻射暴露無法實現有效控制[1～3],本文以某個假定的短波發信基站的雙錐寬帶天線為對象,介紹基于地理信息系統(Geographic Information System,GIS)實際地形環境的電磁環境預測實現方案,利用基于GIS技術來完成地形環境的三維空間建模,并在三維空間模型的基礎上通過基站仿真、電波傳播計算、電磁波可視化等技術,實現該假定發信基站電磁環境預測分析。

2 基于GIS電磁環境仿真預測分析

2.1 基于GIS實際地形環境的三維空間建模

以美國國家航空航天局(NASA)世界數字地圖GTOPO30為基礎,采用圖層覆蓋技術,對NASA世界數字地圖進行修改完善,以此來構建該假定的仿真基站三維空間地理模型,使之與基站實際地形地貌相符,確保后續電磁環境仿真的準確性。建模過程如下:

1) 將美國航空航天局(NASA)精度為30″的2006年版世界數字地圖GTOPO30導入電波傳播計算仿真平臺,初步構建仿真平臺下的地理信息數據庫。

2) 在該仿真平臺[4]下,調用GTOPO30數字地圖,并根據假定基站的地理坐標,標出基站所在區域。

3) 在精度為30″的GTOPO30數字地圖基礎上導入NASA航拍中國數字地圖,并標出基站所在區域,改善地圖分辨率。

4) 將假定的基站平面分布圖進行經緯度配準后,采用圖層覆蓋技術[8～10],將其導入地理信息數據庫,得到基站二維數字地圖和三維數字地圖,如圖1、圖2所示。

圖1 二維數字地圖

圖2 三維空間數字地圖

2.2 基站仿真建模

基站內一般要布置多副發信天線,這些天線功能各異、內部組成不同,但工作時都會向基站區域產生電磁輻射,影響基站的電磁環境。本文采用仿真的方法對該假定基站進行了仿真建模。依據發信天線和發射機的基本參數,建立了基站站仿真模型,具體參數如表1所示。

表1 仿真模型建模參數

對基站內雙錐寬帶天線進行仿真建模,并將設備基本參數錄入電磁環境仿真平臺的設備數據庫,雙錐寬帶天線參數如表2所示,方向性圖如圖3所示。

表2 雙錐寬帶天線主要技術參數

雙錐寬帶天線方向性圖如圖3所示。

圖3 雙錐寬帶天線方向性圖

2.3 構建基站電波傳播仿真模型

從理論上[5～7]講,對由各類無線電發射設備輻射的電磁波,可根據天線理論計算出輻射場分布,再根據傳輸路徑上的損耗等因素加以修正,最終得出待分析區域的場強。但在無線電系統實際通信距離或覆蓋范圍內,由于傳播路徑上存在著各種各樣的影響,如高空電離層影響,高山、湖泊、海洋、地面建筑、植被以及地球曲面的影響等,因而電磁波具有反射、繞射、散射和波導傳播等比自由空間復雜得多的傳播方式。在研究電磁波傳播特性時,通常以數學表達式等來描述這些傳播損耗特性,即采用所謂的數學模型來預測基站覆蓋和傳播場強。電磁波傳播模型存在很多種,應用條件存在差異,為保證仿真計算結果的正確性,必須選擇合適的傳播模型,考慮的基本因素如下:

1) 頻率:傳播模型的頻率范圍限制。

第三代圖書館服務平臺的總體架構如圖2所示。該系統由基礎支撐平臺、圖書館自動化管理系統、電子書內容管理平臺、知識服務平臺、數據服務平臺、用戶管理、開放平臺七大部分構成。

2) 地形地貌特征

· 是否可以得到地貌特征;

· 計算是一般應用還是特定基站的運算。

3) 天線高度

· 部分傳播模型忽略地面因素的影響;

· 如果天線距離地面很近,選擇考慮地面影響的傳播模型。

表3 選擇模型的主要考慮因素

基于GIS實際地形環境仿真應選用DETVAG90/FOA模型作為本文仿真計算模型。

2.4 電磁輻射環境影響仿真結果

將假定基站的仿真模型與實際地理坐標匹配,嵌入到基站GIS三維空間模型,建立基站電磁波發射/接收基站數據庫;調用基站發射/接收基站數據庫信息,依據DETVAG90/FOA等電磁波傳播模型,對基站電磁波場強覆蓋情況進行仿真;并參照國軍標GJB5313《電磁輻射暴露極限值和測量方法》給出的人員的電磁環境規定極限值,在基站GIS三維空間模型上標出電磁輻射超標區域。

采用DETVAG90/FOA電波傳播模型,仿真高度為地面高度2m,仿真頻率3MHz、4MHz、5MHz、6MHz、10MHz、12MHz、15MHz、20MHz、25MHz、30MHz,仿真計算了該天線場強覆蓋情況,仿真結果如圖4所示。

圖4 場強覆蓋最大值仿真結果

圖5 場強覆蓋二維分布圖(20MHz)

參照國軍標極限值,該天線各頻率場強覆蓋均低于連續波暴露對應極限值,該天線場強覆蓋二維分布圖(20MHz)如圖5所示。

根據仿真結果,對照國軍標極限值,該天線場強輻射沒有超過作業區連續波暴露極限(140dBμV/m)的區域,符合作業區工作場強暴露極限范圍。

3 結語

本文介紹的基于GIS實際地形環境的電磁環境仿真預測方法突破了傳統的二維圖形或圖表的預測形式,充分考慮了實際環境中地形、地貌對電波傳播影響因素,結合國軍標極限值,直觀、量化地反映了三維地形環境中電磁波覆蓋的分布態勢,可為短波發信基站建設提供電磁環境技術保障,為基站電磁輻射保護措施提供定量依據,為電磁環境預測仿真手段提供了重要思路。

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Prediction of the Influence of the Environment on the Shortwave Electromagnetic Radiation Characteristics Based on GIS

ZUO Lifen REN Xichuang CUI Jie

(No. 91469 Troops of PLA, Beijing 100841)

A method is proposed to predict the environment on the shortwave electromagnetic radiation characteristics baesd on GIS. Based on this method, certain shortwave communication station is taken as example, and the emulation procession of certain shortwave antenna is presented. Afterwards, the GJB5313 is combined to realize the visualization of the above the limitation area. Finally, the possible apply of this method is analyzed.

prediction, electromagnetic radiation, GIS three-dimensional space, electromagnetic defence

2015年3月4日,

2015年4月20日

左麗芬,女,碩士,工程師,研究方向:通信與信息系統。任席闖,男,博士,工程師,研究方向:無線通信系統。崔潔,女,工程師,研究方向:通信與信息系統。

TN219

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.043