廣播電視覆蓋地理信息系統中波場強計算及分析

王長悅 韓向兵 黃泳文(河南南陽中波轉播臺,河南南陽 473000)

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廣播電視覆蓋地理信息系統中波場強計算及分析

王長悅 韓向兵 黃泳文
(河南南陽中波轉播臺,河南南陽 473000)

【摘 要】地理信息系統廣泛應用于各個領域,方便人們對于空間的信息數據進行處理和分析。影響中波廣播的播出效果的諸多因素中,最主要的因素是有效場強的覆蓋大小。通過將地理信息系統的空間數據和屬性數據引入廣播電視覆蓋的計算中,可以直觀的觀察到廣播覆蓋效果的好壞,從而在發射臺址的選擇、覆蓋效果的優化、經濟效益的提升等方面提供良好的技術參考。本文闡述了地理信息系統在廣播電視覆蓋方面的應用。通過對中波傳播的方式和影響因素分析,探索在地理信息系統中中波場強計算模型建立和公式的運用,分析場強計算中各因素的影響結果,提出簡化的運算模型,在簡化的運算模型下進行平差,從而達到簡化計算的目的。最后總結在場強計算過程中誤差產生的原因,提出消除誤差的方法。

【關鍵詞】地理信息系統 中波 覆蓋 場強 地波 天波 計算

1 概述

GIS是地理信息系統 Geographic Information System的英文縮寫，是集計算機科學、地理學、信息學、管理學于一體的新型科學技術，廣泛應用于各個領域。它對空間的數據信息進行分析和處理，并將分析處理后的結果以電子地圖的形式展現出來，以便人們進行管理和決策。

廣播電視覆蓋地理信息系統包含許多基礎數據信息，主要有地理信息數據、臺站信息數據、綜合統計數據。地理信息系統中包含空間坐標、自然環境、地質構造、大地電導率等信息，臺站信息系統包括發射機功率、頻率、天線高度、相鄰臺站等信息，綜合統計數據包含行政區劃、電磁環境、覆蓋統計、人口密度和結構等信息。

2 GIS在廣播電視覆蓋中的應用

廣播電視覆蓋管理的目的是以電磁波傳播的理論為基礎，保證播出質量，減少功率損耗，提高覆蓋效率。地理信息系統通過將空間數據和屬性數據引入廣播電視覆蓋的計算中，通過調用空間要素對數據進行計算、分析、統計、制作，建立直觀的圖形模型和分析圖表，供管理者進行管理和決策。其中對于場強的計算和覆蓋區域的繪制是整個廣播電視覆蓋地理系信息的基礎。精確的場強和覆蓋區域的計算，可以進行受眾人口的統計、臨近臺站的互擾、發射臺址的擬選、發射效果的評估和發射功率的優選等各項功能的開發。

3 中波傳播方式和影響因素

中波以地波和天波兩種方式傳播。沿地面傳播的地波會受到衰減，通常叫做地損耗。這種損耗主要來自兩個方面:一是傳播過程中由于電波的擴散引起的自然衰減；二是由于地面存在電導率而導致的損耗，其大小與電波的頻率、傳播距離和地面性質相關。電導率和介電系數是影響中波傳播的特定因素，我國也繪制了大地電導率數字地圖用于地理系信息的開發應用。另外，中波電波在起伏較大的地面上傳播時又會產生散射，使能量轉移，而且波長越短散射現象越嚴重，這是波的特性決定的。靠大氣電離層反射傳播的天波，白天受到電離層的D層強烈吸收基本上不能反射，夜間D層消失后經E層反射到地面。天波場強是不穩定的，同時傳播的距離遠遠超過地波傳播。

4 中波地波傳播的計算方法

地波傳播根據嚴格的繞射理論公式計算，依據特定的地導系數，在距離r(公里)處的場強可以這樣計算:

E(r)=E0(r)+P+G (分貝)

式中:E(r)—在距離r處的場強值(分貝)

P—發射機功率 (千瓦)

G—天線增益

E0(r)為相應的不同土壤地導系數下的傳播曲線上查得的數據。天線增益對于不同高度的垂直天線，增益G可以通過圖形查出。

中波地波傳播的場強大小主要由地導系數、發射機功率、天線增益、天線距離決定。通過比較不同的傳播曲線發現，海洋的電導率最大，傳播曲線在有效接收范圍內比較平直，傳播距離遠，場強隨距離的衰減小，曲線的斜率小；電導率較大的陸地(濕地，平原等)，傳播曲線在有效接收范圍內也比較直，但傳播距離比海洋近；場強隨距離的衰減稍小，曲線的斜率較小；電導率較小的陸地(沙漠，荒山等)，傳播曲線在有效接收范圍內較直，傳播距離近，場強隨距離的衰減大，曲線的斜率大。整體來看，在各種單一地質條件下，場強大小隨距離的增加呈接近線性的減小。

根據傳播曲線的特點，在計算中，傳播曲線在可用場強范圍之內曲線比較平穩，場強和距離的關系接近線性關系。如果沒有出現繞射損耗過大引起的場強大的衰減，場強和距離的關系曲線可以簡化成直線進行計算，能夠大大簡化運算，在海量的坐標點的運算中節省時間。

通過地理數據、臺站數據和傳播運算模型，可以在電子地圖上對場強進行逐像素的運算，運算結果記錄入場強數據庫，在電子地圖上模擬出覆蓋結果圖，能夠直觀的觀察場強的分布情況。

5 地波傳播復合傳播路徑的計算方法

如果發射塔與某一待測點之間的地理情況比較復雜，是由幾段不同電導率的路徑組成，假定整個路徑由S1、S2、S3……等各段組成，每段長度分別為d1、d2、d3……，其電導率和介電常數分別為σ1ε1、σ2ε2、σ3ε3……。

通過此公式可以看到，需要在傳播曲線上找到多組數據，傳播曲線是不規則的曲線，運用信息系統進行計算需要輸入大量的數據。因此需要對傳播曲線進行優化計算，假定場強和距離的關系是線性關系，運算就簡單多了，對每一條傳播曲線線性化，線性化后的曲線與X坐標軸的斜率就是運算模型的唯一參數，通過電子地圖自身的坐標計算路徑長度，放進運算模型中即可算出最終的場強值。

6 天波傳播的運算

中波傳播撤了地波傳播外，還存在天波傳播。在白天由于大氣層D層的強烈吸收，中波難以依靠電離層進行反射傳播。日落以后，C層消失，E層電離度下降，高度上升，中波的吸收急劇減少，電離層能夠對中波進行反射傳播，傳播到很遠的地方。天波傳播的計算同地波傳播的方法相同。

天波傳播史反射傳播，與大地的導電率無關，通過天波傳播曲線可以計算出某地天波傳播的場強。天波傳播曲線在有效接收范圍內場強和距離也可看做線性關系，天線增益數值在距離600KM以外可以視作常量，在50-500KM區間也可看做隨距離呈線性變換，運用簡化的運算模型可計算出天波傳播的場強。

7 誤差及修正

在計算各坐標點場強時，需要調用各點的大地電導率數據，在大地電導率電子地圖上，判斷該點在哪個電導率區域內，該區域的電導率即為該坐標點的電導率值。數字地圖提供地理信息數據，大地電導率電子地圖提供電導率和介電常數，通過引入發射機及天線數據，通過設定的運算模型，可以對電子地圖各個像素點的場強進行計算，生成的場強數據繪制成場強覆蓋效果圖。

通過簡化的運算模型具有運算簡便，靈活，不易出錯的優點，其運算的結果和實測的場強數值會存在一定的誤差。

首先，引入的大地電導率數據所對應的場強曲線存在一定的誤差，信息系統在運算時，將不同大地電導率和介電常數下的場強曲線進行了線性化處理，簡化運算過程，模擬出不同頻率下的場強衰減因數，此衰減因數會產生誤差。兩者相疊加，通過信息系統計算出的場強數值和實測數值的差值需要進行平差處理。

其次，地理信息系統中對于特殊的地形地貌區域，大型設施，水庫，湖泊對場強和覆蓋區域的影響因素需要考慮。相對高度接近和大于中波波長的高山對中波傳播的散射影響很大，在起伏不定的地形區域內，中波地波傳播場強會有很大的衰減；變電站附近的存在復雜強大電磁輻射場，對中波的傳播形成干擾，直接影響周圍中波覆蓋的效果；在土壤濕度相對較大的水庫、湖泊、濕地環境下，中波傳播的損耗小，效果好于其他區域，傳播覆蓋區域更大。

通過對普遍存在的運算誤差和特殊地理環境產生的誤差的糾正，處理后的數據應當與真實數據基本吻合。

8 結語

地理信息系統的應用對于廣播電視覆蓋工程建設起到了極大的推動作用，場強的計算和覆蓋區域的繪制是基礎，大量的信息采集和數據統計都服務于此，同時很多信息也是建立也是在此基礎之上。做好場強計算和覆蓋區域繪制需要建立一個科學的、合理的統計和運算模式，尋找一個好的計算方法和模型往往能起到事半功倍的效果，希望本文能起到拋磚引玉的效果。

參考文獻:

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