基于國產環境的散射通信站址選擇軟件設計

肖永劍，劉雪峰，孫長明

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍空軍華北地區總軍代表室，北京 010000)

0 引言

散射通信是一種無線通信手段，它利用大氣對流層對電磁波的散射作用，在兩地間實現超視距通信[1]。與其他類型的無線通信方式相比，散射通信具有傳播距離遠、傳播較為穩定和通頻帶寬的優點，因此在軍事通信領域和民用通信領域有著不可替代的作用[2]。

但是，因為散射通信鏈路的傳播質量和鏈路地形地貌有著密不可分的關系[3]，而散射通信的技術人員卻往往難以獲得相關信息，所以，工程人員在進行站址選擇的時候會遇到巨大的困難。在傳統的散射鏈路開通過程中，使用者首先要在高分辨率的紙質地圖上進行大量的圖上作業，獲取鏈路的高程剖面，然后再根據鏈路高程剖面計算鏈路的幾何參數，判斷鏈路的傳播可靠度[4]。這種方法存在著工作量大、精度低和計算準確性差等許多問題。在這種情況下，散射通信站址選擇的工作效率非常低下，從而嚴重限制了散射通信的發展。

近年來，隨著計算機技術、測繪技術的發展，尤其是地理信息系統(Geography Information System，GIS)的發展[5]，技術人員開始將GIS和散射通信傳播模型集成為一體，實現散射通信鏈路傳播質量的快速預測以及散射通信陣地的快速選擇功能。

文獻[6]介紹了怎樣利用MapX引擎根據等高線地圖分析散射鏈路傳播可靠度；而文獻[7-8]則進一步進入數字高程地圖和三維GIS引擎，進一步提高了數據的精度。

本文對前述的研究成果進行了總結，借助國產GIS平臺，對散射鏈路傳播可靠度的計算和程序架構進行了優化，有效地提升了散射通信站址選擇軟件的工作效率。

1 散射傳播計算方法

要開發計算機軟件，輔助完成散射鏈路的快速預計和散射陣地快速選擇，其理論基礎是散射傳播計算模型。根據散射鏈路的理論傳播模式和工程實踐，這里把散射傳播計算的過程劃分為3個步驟：鏈路幾何參數計算、傳播損耗計算和傳播可靠度計算。

1.1 鏈路幾何參數計算

散射鏈路的傳播要求天線的仰角不能太大，否則電磁波將會穿透大氣層進入宇宙中。因此，在工程上要求仰角要盡可能得小，所以，需要考慮地面地形變化對電磁波傳播的影響。

在計算地形對電波傳播影響的過程中，需要首先采集鏈路的高程剖面曲線，然后將該曲線等效變換成地球的球面曲線[9]。在這一過程中，為了折算大氣對電波的折射效應，往往不代入地球的真實半徑，而是考慮大氣折射因素的等效地球半徑。完成球面變換后，則利用平面幾何關系，可以計算出雙端天線仰角、散射角、通信球面距離和通信方位角等關鍵參數[10]。鏈路幾何計算的平面幾何關系示意圖如圖1所示。

圖1 鏈路幾何計算的平面幾何關系示意

在傳統方法中，由于需要手動采集鏈路高程剖面曲線，因此完成這一步驟所需要的工作量是最大的[11]。引入GIS技術最大的好處則是提高了這一步驟的效率。

1.2 傳輸損耗計算

根據ITU-RP.617建議的散射損耗預測方法，將散射基本傳輸損耗中值通常可綜合為[12]：

Lb=M+30lgf+30lgΘ+10lgd+20lg5+λH+

4.343λh，

(1)

式中，f為頻率(MHz)；d為通信距離(km)；Θ為散射角(mrad)；H為最低散射點高度(km)；M，γ分別表示氣象和大氣結構參數，不同氣候區類型的值如表1所示[13]。

表 1 不同氣候區的氣象參數和大氣結構參數

氣候區M/dBγ/km-1139.600.33229.730.27319.300.32438.500.27629.730.277a33.200.277b26.000.27

表1中所列氣候區為：1-赤道；2-大陸性亞熱帶；3-海洋性亞熱帶；4-沙漠；6-大陸性溫帶；7a-海洋性溫帶陸地；7b-海洋性溫帶海面。

對照全球對流層散射數據庫和國內部分電路數據，China Zhang方法的預測精度優于美國NBS方法，替代美國方法作為首要方法納入CCIR238-6報告，隨后形成CCIR617-1建議[14]。

1.3 傳播可靠度計算

完成相關參數計算后可以計算鏈路的傳播可靠度，該參數表示對鏈路可通能力的直接評估結果。

CCIR推薦用CHINA(Zhang)方法估算傳播可靠度[15]，其表達式為：

(2)

式中，Ф(x)為概率積分(或誤差函數)；Δ為衰落余額；σs為標準偏差。

該計算結果為一個百分數，代表的是在當前環境下，該條鏈路在一年的時間內處于可通狀態的時間占總時間的百分比。一般來說，這個百分比越大，該鏈路可開通的可能性也就越大。

2 國產化GIS平臺

為了實現描述的功能，一個合理的GIS平臺便成為軟件開發的核心問題之一。目前，國外已經有了很多非常成熟的商用和專用GIS平臺。而國內開發的通用GIS平臺，無論從功能上還是二次開發的難易程度上，均無法和國外成熟產品相媲美[16]。但是考慮到后續的應用場合，本文還是需要選擇一款國產化的GIS平臺。

SuperMap 7C系列軟件是北京超圖軟件股份公司推出的運行于純國產化軟件環境下的產品，主要用于國產環境下的地理信息應用開發[17]。該平臺同時支持國產中標麒麟和Windows操作系統，同時包含Qt C++和JAVA的二次開發接口。相比于其他的國產GIS系統而言，其易用性較高。

3 技術難點

3.1 地圖精度與空間的矛盾

為了生成散射鏈路的高程剖面曲線，需要為軟件提供高精度的數字高程地圖。而數字高程地圖的數據精度越高，其占用的空間就越大，而且在使用高精度地理圖像的時候，這些高精度數據會大量占據計算機的顯存，從而嚴重影響顯示的效率[18]。

為了提高顯示速度、減少顯存的占用，GIS平臺會在保證精度的前提下，對同一地區的圖像存儲多個有著聯系的更高分辨率的文件片。這種文件片被稱為瓦片，每一層圖像都被分為多個瓦片，而且分辨率越高的圖層所包含的瓦片越多。SuperMap平臺利用統一的算法，將這些瓦片文件以合理的方式存放到硬盤的指定位置，便形成了數字高程金字塔和影像金字塔。當需要對某一瓦片進行操作時，計算機只需到硬盤中讀取幾個不大的瓦片文件即可，從而提高了運行效率。

盡管金字塔式數據結構占用了更大的數據存儲空間，但是能有效地減少完成地形繪制的總時間，同時，分塊的瓦片金字塔模型還能進一步減少文件讀取數量，提高系統運行效率。

3.2 計算效率優化

在進行鏈路站址選擇計算時，軟件需要完成大量的鏈路計算，以至于計算耗時巨大。在實驗中，完成一塊半徑為20 km內的站址預選，需要耗時將近5 h。這種情況將會嚴重制約軟件的使用。經過分析，主要的時間消耗是在從地圖文件讀取鏈路高程的過程中。為此，本文對這一過程進行了優化。

優化思路是借助SuperMap底層提供的同心圓高速采集算法，將目標區域用若干同心圓劃分成足夠細致的點陣，然后利用極坐標完成坐標的快速轉換，從而實現對高程數據的快速讀取。

完成優化后，軟件對同一區域進行站址選擇分析的耗時可以壓縮至10 min以內。

4 軟件架構設計

根據軟件工程的思想，軟件的設計應該在滿足實用性、可靠性和規范性的原則下，實現標準化、通用化和模塊化的設計。同時在設計的過程中，還需要考慮到未來可能出現的升級需求，并在應用平臺上留出必要的接口。因此，利用面向對象的類組織關系，本文設計了軟件的主要類關系，其結構類圖如圖2所示。

圖2 軟件的結構類圖

針對功能封裝的差異性，首先定義了剖面曲線類(Profile)、陣地類(Position)、鏈路類(QLink)和設備類(QEquip)作為基類，利用虛函數定義各個功能模塊的基本功能和接口，然后分別由其繼承并實例化相應的散射功能類，形成全功能的散射通信類包。然后在主體平臺上，利用軟件工廠的概念實現實體功能類包的調用。

這樣進行軟件架構設計的好處是，未來如果擴展其他類型的通信手段預測，如微波通信和超短波通信等，可以大為簡化開發過程。

5 工程實例

本文選取2個具有代表性的工程實例：北京—洛陽(遠距離，單跳選址)、拉薩—貢嘎(青藏高原，多跳選址)，以證明軟件的有效性。

第1個實例是北京—洛陽的散射鏈路。該鏈路全長將近750 km，為一跳直達。其中鏈路的北京端站地址相對固定，而洛陽端站地址不定。需要軟件在洛陽地區某地附近選擇合適的站址，以便開通鏈路。

該鏈路跨越燕山山脈、太行山脈和王屋山脈3條山脈，鏈路剖面地形復雜。如按照傳統的紙上作業方法，僅分析一對潛在站點的開通可能性，就需要在大比例尺地圖上采樣25 000個點，然后再對這些點進行計算分析，消耗時間巨大。而利用本軟件，30 min之內則預選出了足夠的推薦站點位置。在部署設備之后，一次性地就完成了鏈路的開通。該鏈路的分析評估結果的界面示意圖如圖3所示。

圖3 北京—洛陽散射鏈路評估結果

第2個實例是拉薩—貢嘎的鏈路。該鏈路處于高原地區，鏈路傳播路線在S型大峽谷中，兩側均為落差不小于1 500 m的高山，因此需要在峽谷中尋找合適的中繼站點。利用本軟件，用戶在1 h之內便完成站址初選。經實際驗證，鏈路工作狀態良好。該鏈路的多跳選址結果如圖4所示。

圖4 拉薩—貢嘎多跳鏈路站址選擇結果

6 結束語

本文提出的基于國產GIS系統的散射鏈路規劃方法解決了傳統散射鏈路預測對地形因素考慮的不足，提高了鏈路預測的精確度和速度。同時在GIS平臺上實現了散射鏈路規劃的可視化和自動化，提高了散射鏈路規劃的效率，并在多個海內外實際工程中取得了應用。但是，本軟件在UI設計和用戶體驗方面還有很大的優化空間。除散射通信外，其他的地面無線通信模式，例如微波通信和超短波通信等，在應用的過程中也存在鏈路預計困難和站址選擇困難等問題。本軟件在后續的研發過程中，還需要針對這些不足和潛在的功能點開展更多的工作。