超短波海面傳播特性模型研究與軟件設計

摘 要：超短波海面傳播特性是電磁傳播研究領域的一個重要課題，目前常用的經典模型計算繁雜，且適用范圍各不不同，文章對各種模型進行了詳細分析比對，得出了適宜應用于海面傳播環境的應用模型，并進行了軟件開發、仿真計算和數值比對，為快速工程計算打下了基礎。

關鍵詞：傳播特性；自由空間模型；Okumura-Hata模型；Egli模型

1 概述

超短波通信傳輸一般比較穩定，但不同地域和環境下的傳輸衰減情況不同，這使得信號傳輸質量和傳輸距離也各不相同。在其傳播預測方面，業界廣泛應用的有幾個經典模型，但這些經典模型復雜且計算繁瑣。文章結合經典模型對超短波信號海上傳播特性進行了研究，對超短波海面傳播規律作了一定程度的分析。并運用Visual C++6.0編制了基于這幾種常用模型的應用軟件，使傳播損耗工程計算得以快速實現。

2 超短波傳播特性模型研究

2.1 視距傳播理論

超短波波段通信頻率較高，電波沿地面傳播時衰減很大，遇到障礙時繞射能力又很弱，難以利用地波傳播方式。而高空電離層又難以將其反射回地面，因而不能利用天波傳播方式，超短波通常是利用視距傳播方式。所謂視距傳播， 是指發射天線和接收天線處于相互能看見的視線距離內的傳播方式。

設發射天線高度為h1、接收天線高度為h2，視距公式為：

式中，h1和h2的單位為米，考慮大氣的不均勻性對電波傳播軌跡的影響時， 視距公式應修正為：

實際上電波是在各種空間場所（如沿地表、海面、低空大氣層、或在電離層內）傳播的。在傳播過程中，媒質吸收使信號衰減，媒質的不均勻性、地貌地物的影響、多徑傳輸等都會使信號畸變、衰落或電波傳播方向改變等。因此超短波尤其臨界頻段在海上實際環境下應用視距公式不太準確。

2.2 超短波傳播預測的主要模型

超短波傳播模型一般分為三類，分別為經驗模型、半經驗半確定模型，以及確定模型。經驗模型是由大量測量數據的統計分析導出的公式，該方法簡單且不需要精確的地理信息，但該方法估算路徑損耗的精度較低。確定性模型是基于電磁理論直接用于特定環境的求解，環境描述的精度決定確定性模型的精度。半經驗半確定模型先從確定性模型導出的公式入手，為了改善預測路徑損耗精度，使理論預測與實驗測量一致，需要通過實驗對模型校正。下面介紹的應用最廣泛也最具實用性的傳播模型都是統計模型，即經驗模型。這里選擇了三個最具代表性的自由空間模型、 Okumura 模型、Okumura-Hata 模型、Egli 模型來研究超短波傳播預測。

（1）自由空間傳播模型

L=32.45+20lgf（MHz）+20lgr（km）-Gi（dB）-GR（dB） （3）

L為傳播損耗，f為信號頻率，r為傳播距離，Gi、GR分別為發射天線和接收天線增益，可見若不考慮天線的因素， 則自由空間中的傳輸損耗，是球面波在傳播的過程中隨著距離的增大，能量自然擴散而引起的，它反映了球面波的擴散損耗。

（2）Okumura-Hata 模型

Okumura-Hata 模型是根據測試數據統計分析得到的經驗公式，其適用頻率范圍是150-1500MHz，適用于小區半徑大于1km的宏蜂窩系統，基站有效天線高度在30-200m之間，移動臺有效天線高度在1-10m之間。Okumura-Hata模型以市區傳播損耗為標準，在此基礎上對其它地形做了修正。在市區，Okumra-Hata 經驗公式如下：

Lm=69.55+26.161gf-13.821g（ht）-a（hr）+[44.9-6.55lg（ht）]lgd（4）

式中，f 是載波頻率；ht是發射天線有效高度；hr是接收天線有效高度；d是發射機與接收機之間的距離；a（hr）是移動天線修正因子，其數值取決于環境因素。

（3）Egli 模型

Egli模型是一種簡化的不規則地形上的無線傳播模型，它是基于實測數據而提出的，經實驗證明在室外移動傳播環境中，接收信號的功率隨 40log10d 的增大而減小，且二者呈線性關系。Egli指出該模型只適用于接近平面的區域，所以其適用于海上環境。在90-1000MHz 頻率之間對不規則地形進行大量測量后，Egli 觀察到一個小區域的中值信號強度隨距離按四次冪規律變化的趨勢。其從平坦地面的雙徑模型擴展出一種新模型，且根據頻率和地形特征產生附加損耗。Egli 模型的路徑損耗公式為：

L=-88-40lgd-20lgf+10lgGt+10lgGr+20lght+20lghr（5）

式中Gt、Gr分別表示發射天線增益和接收天線增益，d的單位為km，f的單位為MHz，ht和hr的單位為m。Egli模型包括了地形因子。由于文章主要的研究對象為海面環境，因此該模型可以應用于海面超短波信號傳播損耗的工程計算。

3 傳播預測模型軟件的設計開發

3.1 軟件的界面設計及說明

本軟件選用了三種傳播預測模型，分別為自由空間模型、Okumura-Hata模型、Egli模型。其中Okumura-Hata模型又分為城市、農村、郊區、開闊地四種自然環境。計算模型的主要參數為：信號頻率、發射天線高度、接收天線高度和傳輸距離。軟件可以執行單次計算或連續計算，單次計算即計算模型在固定距離下的傳輸損耗值，連續計算可計算不等距離或不同頻率在固定點的傳輸損耗值。如計算模型在不等距離的傳輸損耗時，配置好模型參數后，先選擇須計算點數，再選擇距離步進，然后點擊連續計算，軟件自動對每一個距離計算點進行傳輸損耗計算，生成的數據存入attenua.dat文件；計算不同頻率在固定傳輸距離的傳輸損耗時，配置好模型參數后，先選擇計算點數，再選擇頻率步進，然后點擊連續計算，軟件自動對各個頻率在某點的傳輸損耗依次進行計算，生成的數據存入attenua.dat文件。

3.2 傳播預測模型主要算法

相關代碼如下：

if（m_model==0）//自由空間模型

{m_ground=32.44+20*log10（m_distance）+20*log10（m_frequency）；}

else if（m_model==1）//Okumura-Hata改進模型

{ double a，b，c；

if（m_environment==0）//中小城市

┉ ┉

else if（m_model==2） //Egli模型

{m_ground=32.44+20*log10（m_distance）+20*log10（m_frequency）；}

3.3 軟件仿真生成數據實例

如發射信號頻率200MHz，發射天線高度20米的條件下，基于各種預測模型對1到80Km的傳輸距離連續計算傳輸衰減。計算的模型采用自由空間模型、Okumura-Hata模型（包含中小城市、農村、郊區、開闊地）和Egli模型。部分計算數據如表1所示：

運用excel軟件對表1數據各組數據繪制衰減曲線如圖1所示。

從圖1可以看出，各種模型的衰減曲線走向是較為一致的，總體規律是隨著傳播距離的增加傳播損耗不斷增加。在0～10Km范圍內衰減增長較快，在10～80Km范圍內衰減速度有所放慢。縱向來看，同樣傳輸距離，自由空間模型的衰減值最小，開闊地次之，農村和Egli模型接近，郊區較大，中小城市傳輸衰減最大。各種模型的起始距離衰減值均高于80dB，這是由于電磁波傳播的球面擴散引起的。根據大量的實際實驗數據印證，Egli模型與海面實測數據吻合程度較高，該模型的應用價值較大。工程技術人員可運用本軟件對超短波的海面傳播損耗進行快速工程計算。

4 結束語

文章研究了超短波傳播的幾種經典模型，對各種模型的適用條件進行了分析，運用vc軟件開發了傳播損耗計算軟件，用幾種模型對1-80KM距離的損耗進行了仿真計算，并進行了比對分析，研究表明Egli模型較為適合海面環境下的超短波通信傳播損耗工程計算。

參考文獻

[1]陳波.海上超短波通信距離分析[J].艦船科學技術，2010（6）.

[2]耿京朝.超短波電波傳播的分析與計算[J].無線電通信技術，2002（6）.