LongleyRice无线电波传输模型docx.docx

1、LongleyRice无线电波传输模型docx目 录 .第一章 绪 论 .研究背景 .模型分类及参数 .Longley-Rice 模型传输损耗 .Longley-Rice模型的适用范围.第二章 传播模型分析及建模. .传播模型的分析与选择.Longley-Rice模型建模.衍射传播损耗.视距 (LOS)传播损耗.错误 ! 未指定书签。向散射传播损耗.仿真分析.SRTM 高程数据的抽取过程.接收机高度描述.结果.第三章Longley-rice等效模型的建立. .longley-rice的现状和不足.Longley-Rice模型的改进.第四章利用longley-rice模型设计的可视化电磁环境.电

2、磁环境可视化.错误 ! 未定义书签。三维电磁环境体数据生成.不规则地形剖面提取 .电磁环境体数据计算 .在三维数字地球上体绘制电磁环境 .硬件加速的直接体绘制 .电磁环境体数据包围盒 .体数据纹理坐标转换 .第五章用 Longley-Rice 大气折射修正方法的改进 .对 Okumura-Hata 和 Longley-Rice 的比较 . .Longley-Rice 模型中对大气折射误差的修正 .大气折射修正方法的改进 . .第六章 展望 .参考文献 .第一章 绪论研究背景Longley-Rice 无线电波传输模型 1 是由 Longley 和 Riee 提出的无线电波传输模型，该模型为统计模

3、型， 它是以无线电波传播理论为依据， 并结合了许多实际环境下的测量数据，所以该模型被称为半经验预测模型。 正是因为该模型是以无线电波传播理论为依据，有加上了大量的实际测量数据， 因此该模型得到了广泛的应用。 该模型被称为不规则地面模型，可以用该模型预测自由空间中由地形非规则性所造成的中值传输衰落。模型分类及参数Longley-rice 模型有 :2 种模式。当地形路径易据很详细时，特定路径参数就很容易被确定。这不预测方式为 “点到点预测 ”。如果地形数据不够训确， 可以利用 Longley-Rice模型估计特定参数的值这种预测方式为 “区域预测 ”。Longley-rice 模型有 4 种变化

4、模式，分别为单信号模式、单天线模式、移动模式和广播模式。在 longley-rice 模型的早期程序中， 所有点对点预测的计算都是基于单天线模式，这里天线的位置是不变的。后来，由于对计算精度需求的提高，人们才引入其他模式。在各种变化模式中， 变化的主要是时间、 位置和情景 3 个参量，或者说是一个三维变量。目前， Longley-Rice 无线电波模型已有相关的计算机仿真程序，可以用来对无线电波传输的损耗进行计算。 当无线电波传输路径已知时， 计算机的仿真程序可以通过无线电波传播路径的长度、极化方向、无线电波频率、地面有效半径、收发天线高度、地面导电常数以及表面绕射率等参数确定无线电波传输损耗

5、的大小。Longley-Rice 预测模型主要有以下参数 :天线极化方式 :可以采用水平极化或者垂直极化。 Longley-Rice 模型中假设发射天线和接受天线具有相同的极化方式 ;折射率 :空气的折射率决定了无线电波的 “弯曲 ”程度。在一般的模型中，空气折射率用地面有效曲率来代替，通常取。介电常数 :地面的相对介电常数和电导率Longley-Rice 模型传输损耗根据无线电波的传播范围的不同， Longley-Rice 模型的传输损耗可大致分为三种情况，它们分别为 :(1)视距传播损耗(2)绕射传播损耗(3)散射传播损耗。当无线电波传播于视距范围内时， 无线电波传播方式主要以反射传播为主

6、。 通过对地貌地形的路径及对流层的绕射特点进行分析， 预测出无线电波传输中值传输衰落， 将双线地面反射模型用来模拟地平线以内的传输场强。视距传播模型的适用范围为 : dmin d d LS 。(2)绕射传播损耗当无线电波传播于超视距范围内时， 无线电波传播方式主要以绕射传播为主。 但是，当无线电波的传播环境为不规则的地形时， 会有两种理论用于计算绕射损耗。 其中一种适用于预测非球形但光滑的地面上无线电波的传播， 而另外一种则适用于非常不规则的地面上无线电波的传播。采用 Fresnel-Kirchoff 刃形模型来预测无线电波传播的绕射损耗，其计算结果是上述两种理论结果的加权和。适用范围 : d

7、 Ls d d x 为绕射传播距离，单位为 km。(3)散射传播损耗当无线电波的传输距离为大大超出地平线的远距离无线电波的传输时， 无线电波传播方式主要以散射传播为主，预测理论以绕射理论为主。适用范围 : d x d 为散射传播距离，单位为 km。综上所述， Longley-Rice 模型传输损耗 Lb 为:LbLref L free(3-15)其中 :L free32.4520 lg d20 lg f（ 3-16)max( 0, Lbe k1dk2 lg d ), dmind dLsLrefLbedmd ,d Lsd dx(3-17)Lbesmsd, d xd式中 :d 为传播距离，单位为

8、km;f 为无线电波频率，单位为 MHz; d Ls 为光滑地面距离 ; d x 表示此处的绕射损耗和散射损耗相等 ; Lbe 、 Lbed 、 Lbes 分别表示自由空间下视距、绕射和散射时的传播损耗值 ; k1 和 k2 为传播损耗系数 ; md 和 ms 分别为绕射和散射损耗系数。 dmin d d LS 为视距传播距离， d Ls d d x 为绕射传播距离， dx d 为散射传播距离。Longley-Rice 模型的适用范围Longley-Rice 模型中的实测数据大多数取自 10-1 000 MHz 的频率范围，其中 20-100 MHz 的数据涉及 5-50km 的距离和 1-9

9、 m 的收、发信天线高度 ;较高频段的数据涉及 5-1000 km 的距离， 10-1500 m 的发射天线高度和3-9m 的接收天线高度。数据来源于世界各地，但主要是美国，多数为移动记录结果。2 Longley-Rice 模型给出了参考衰减值的计算公式及不同环境下相关修正因子的详细说明，公式中所使用的参数包括 :不规则地形参数、频率、收发信机天线高度和表面折射率等 3 。同时还引入了反映介质特性的2 个参数 :介电常数和导电率。以传播理论为依据，加上极其丰富的实测数据，使得 Longley-Rice 模型使用范围得到了拓展，其适用范围如下 :1)频率 f : 20-40000MHz;2)收、

10、发信机天线高度 :; 3)覆盖半径 :1-2000km;44)表面折射率 :250-400Ns。表地面的相对介电常数和导电率表气候类型和相应地表折射率在 Longley-Rice 模型中，温带大陆性气候为温地区大片陆地上的典型气候， 其典型特征为显着 f 气温变化和四季交替。在中纬度沿海地区，强大旷海风为大陆带来了湿润的空气，因此这里主要是温带海洋性气候 5 。英国、美国西海岸和欧洲部分地区就是这种气候的典型代表。对于小于 100 km 的播路径而言，温带大陆性气候和温带海洋性气候造成的差别微乎其微。但是对于更长的路径而言 6 ，带海洋性气候带来了更多的折射，使得在约 10%时间内其场强大于温

11、带大陆性气候。第二章 传播模型分析及建模传播模型的分析与选择飞行器从起飞到飞临目标上空，一般情况下可能会途经平原、丘陵、高山、河流甚至是海洋等不规则地形，对通信信道损耗的预测需要考虑不同的天然地形环境的影响。同时还要考虑树木、 建筑物和其他遮挡物等人为因素的影响。 电波传播预测模型大体可分为两类 :一类是基于电磁波传播理论 7 ，根据具体的适用环境， 确定电磁环境的边界条件，求解麦克斯韦电磁波方程式， 进而确定出电磁波的传播路径和传播场强值， 该类模型通常适用于计算近区场电磁传播， 而对远区场而言边界条件难以确定， 需要考虑的因素增多，计算相当复杂 ;另一类是利用数理统计方法，通过将大量数据筛

12、选后进行统计分析，并结合部分电磁理论来确定对电磁波传播损耗影响较大的因素， 再利用数据拟合等方法得到电磁波的传播预测模型， 属半经验模型， 对远区场的电磁波预测大都使用该类模型。通过长期的测试、研究，人们总结归纳了多种适用于远距离的电波传播预测模型，如 Okumur Hata 模型、 Egli 模型和 Longley-Rice 模型等。Okumura 模型以准平坦地形大城市区的中值场强或路径损耗作为参考， 在工程实际中多用于市区、郊区和开阔地等地形起伏不大的地区 8 。对于起伏较大的不规则地形，如丘陵地形、水陆混合地形和孤立山峰，其传播损耗应在准平坦地形的中值传播损耗的基础上， 加上适当的修正

13、因子进行校正。Okumura模型以曲线图的形式给出，不便于快速的仿真，而Okumura-Hata模型是Hata 在Okumura 曲线图的基础上，通过曲线拟合所作的经验公式:L 69.5526.16 lg f13.82 lg htA(hr )(44.96.55lg ht )(lg d )Loss（21）式中 : f 为电波频率，单位 MHz; d 为通信距离，单位 km; ht 、 hr 为收发天线高度，单位m; Loss 为地形修正因子， A( hr ) 是移动天线有效高度修正因子，单位 dB; 为距离修正因子 9 。Egli 模型是通过在 VHF 频段和 UHF 频段对不规则地形上得到的大

14、量实测数据综合分析的基础上提出的一种经验模型，以地形起伏和障碍物高度不超过 15 m 为准，对于地形起伏和障碍物超过 15 m 的，运用修正因子加以修正。 该模型仅适用于视距范围内。Longley-Rice 模型被称为不规则地形模型，以电波传播理论为依据，结合丰富的实测数据，用以预测在自由空间中由地形的非规则性造成的中值传播损耗。 该模型具有两种预测模式。当能够获取详细的地形剖而数据时 10 ，可以采用点对点模式，如果没有地形数据，预测模型需要估算与路径相关的参数，需采用区域模式。表 不同传播预测模型的适用范围表描述了以上三种模型的具体适用范围。从表中可以看出 :Egli 模型的适用频率范围较

15、窄，距离范围仅为视距， Egli 模型不适用于地形高度起伏太大的山区，而Okumura-Hata 模型和 Longley-Rice 模型均可用于飞行器通信仿真系统。对这两种预测模型在开阔地和起伏较大的丘陵地区进行仿真，如图 1和图 2所示。图 开阔地传输损耗对比图中， Longley-Rice 模型的预测值比 Okumura-Hata 模型的预测值明显偏低。Okumura-Hata 模型在两种地形下的预测值变化较小，丘陵地区仅比开阔地偏高 20 dB 左右，而 Longley-Rice 模型的变化较大，丘陵地区比开阔地高 30 dB 左右。从仿真可以看 :Longley-Rice 模型比 Ok

16、umura-Hata 模型对地形的变化更加敏感，特别是图中Longley-Rice 模型的点对点模式能够实时地反映地形对电磁波传播的影响， 比区域模式更加适用于传播地形复杂的飞行器通信信道预测。文献和巨中均使用了 Longley-Rice 模型作为海而电波传播模型， 但由于应用环境是海洋，地形不规则度较小，因此，使用的是区域模式 ;11 文献中提出使用 Longley-Rice模型作为地而和导弹通信信道模型， 在区域模式下仿真了频率、 地形、气候类型和天线位置对电波传播衰减的影响， 但未给出点对点模式下地形影响的仿真结果。 本文通过抽取传播路径地形高程值， 从以飞行器高度作为接收天线高度的角度

17、， 使用点对点模式对电波传播衰减进行了仿真。图 丘陵地区传播损耗对比Longley-Rice 模型建模Longley-Rice 模型引入了电磁波频率 f.、收发天线有效高度 ht 、hr :及位置、极化方向、地形不规则度 h、地球表而折射率 Ns 、地而电导率 和相对介电常数 r 等因素，在考虑电波本身特性的基础上， 同时兼顾了传播环境的电气特性。 不同路径长度的传播损耗参考中值 Lref 的计算如下：max(0, Lbe k1dk2 lg d ), dmind d LsLrefLbedmd , dLsd dx（22）Lbesmsd , dxd式中 :d 为传播距离，单位为 km;f 为无线电

18、波频率，单位为 MHz;dLs 为光滑地面距离 ; dx表示此处的绕射损耗和散射损耗相等 ; Lbe 、 Lbed 、 Lbes 分别表示自由空间下视距、绕射和散射时的传播损耗值 ; k1 和 k2 为传播损耗系数 ; md 和 ms 分别为绕射和散射损耗系数。 dmin d dLS 为视距传播距离， dLs d dx 为绕射传播距离， dx d 为散射传播距离。通过式 (2 2)可以分别计算视距传播损耗、衍射传播损耗和散射传播损耗。同时，再考虑到自由空间传播损耗，整个传播路径上的总体损耗为Lb Lref L free(23)其中 :L free 32.45 20 lg d 20 lg f（2

19、4）式中 :d 为传播距离，单位为 km;f 为无线电波频率，单位为 MHz 。衍射传播损耗dLs d d x 为衍射传播距离，单位 :km.不规则地形中的衍射传播损耗通过结合基于菲涅耳 -基尔霍夫理论的双刃峰模型和适用于光滑地而的 Vogler 修正模型来计算。kf / f0 , ea (10.04665eNs / N1 )（25）dLs2hej /e , j1,2（26)dLsdLs1dLs 2 , dLdL1dL 2(2 7）hej 为收发天线有效高度，单位 :m。X ac(ke2 ) 1 / 3 为地球有效曲率mdLdiff (max( dLs , dL1.38 X ae )2.76X

20、 ae )Ldiff (max d Ls ,d L1（2-8）1.38X ae )2.76 X aeLedLdiff (max( dLs , dL1.38X ae )md (max dLs ,d L 1.38 X ae )（29）L diff( d) (1w)LkwLr L fo(2 10)L fomin( 15, g lg(1khg1 hg 2h (dLs )(2 11)式 (2 10)根据参数二确定双刃峰衰落 Lk 和圆形地球衰落 Lr 在衰落计算中的比重。式(2 11)为杂波干扰衰落。视距 (LOS)传播损耗dmin d d LS 为视距 12传播距离，单位 km.在 LOS 内，以反射

21、传播机制为主，采用双线地而反射模型计算。定义 d2dLsL2Ledmd d2如果Led0 ，那么d0min(1/ 2dL ,4 105 he1he2f ) ，否则d0max( 1/ 2dL , min( Led / md ,d L 2)（ 211)d13 d01 dL(212)44L0LLos (d0 ) ， L1LLos ( d1)（213）式中，L Los (1w)LdwLt 根据参数 w 确定衍射之外的损耗和双线理论损耗的比重。向散射传播损耗d xd 为散射传播距离，单位 km。计算过程为d5dLD s（214）d6d L2D s（215）ms(Lscat (d5 )Lscat (d6

22、) / D s（ 2 16）d xmax dLs , dLX ae lg( f ), ( L5Ledmsd5 ) /( md ms )（217）式中 Lscat (s) 10 lg( kH 4 ) F (s, N s )H 0（218）仿真分析地形剖而数据的获取应用 Longley-Rice 模型的点对点模式进行计算时， 需要获取收发信机之间详细的地形剖而数据。在仿真过程中采用质量较高的航天飞机雷达地形测绘使命高程数据SRTM ，分辨率为 90m,SRTM 数据有多种存储格式， 此处使用 ASCII 格式存储的数据，通过读取ASCII文件头获取存储高程文件的基本信息13，如行列数目N r和 N

23、 e 、起始经纬度X 0 和 Y0 以及数据元大小Scell 等，然后计算目标位置点相对起始点的偏移量n 就能得到该点的高程数据。 如果该点不能与文件中的位置相对应， 则使用内插值方法， 根据若干相邻点的高程值求出此点的高程值。SRTM 高程数据的抽取过程将 ASCII 文件中除去基本信息的实际高程数据网格化，网格数目为 N r * N e ;网格的起始点坐标 O (0,0)，终点坐标 E( N r , N e ).根据收发点的经纬度确定收发点在网格中的坐标( XT , YT ) ( xT,yT) ,ScellScell( XR,YR)( xR,yR) , 向下取整。ScellScell(1)根据收发点的坐标计算采样点数 Nmax( X T X R , Y