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目 錄 目 錄 i 第一章 緒 論 1 1.1研究背景 1 1.2模型分類及參數(shù) 1 1.3 Longley-Rice模型傳輸損耗 2 1.4 Longley-Rice模型的適用范圍 3 第二章 傳播模型分析及建模 5 2.1傳播模型的分析與選擇 5 2.2 Longley-Rice模型建模 8 2.2.1衍射傳播損耗 9 2.2.2視距(LOS)傳播損耗 10 2.2.3向散射傳播損耗 10 2.3仿真分析 10 2.3.2 SRTM高程數(shù)據(jù)的抽取過(guò)程 11 2.3.3 接收機(jī)高度描述 12 2.3.4結(jié)果 13 第三章Longley-rice等效模型的建立 15 3.1 longley-rice 的現(xiàn)狀和不足 15 3.2 Longley-Rice模型的改進(jìn) 15 第四章 利用longley-rice 模型設(shè)計(jì)的可視化電磁環(huán)境 17 4.1 電磁環(huán)境可視化 17 4.2三維電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)生成 18 4.2.1不規(guī)則地形剖面提取 18 4.2.3電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)計(jì)算 19 4.3在三維數(shù)字地球上體繪制電磁環(huán)境 20 4.3.1硬件加速的直接體繪制 20 4.3.2電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)包圍盒 20 4.3.3體數(shù)據(jù)紋理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 21 第五章用Longley-Rice大氣折射修正方法的改進(jìn) 25 5.1對(duì)Okumura-Hata和Longley-Rice的比較 25 5.2 Longley-Rice模型中對(duì)大氣折射誤差的修正 25 5.3大氣折射修正方法的改進(jìn) 26 第六章 展望 30 參考文獻(xiàn) 31 第一章 緒 論 1.1研究背景 Longley-Rice無(wú)線電波傳輸模型[[1] 李娜.地域電波傳播預(yù)測(cè)研究[D].西安電子科技大學(xué) 2009 ]是由Longley和Riee提出的無(wú)線電波傳輸模型，該模型為統(tǒng)計(jì)模型，它是以無(wú)線電波傳播理論為依據(jù)，并結(jié)合了許多實(shí)際環(huán)境下的測(cè)量數(shù)據(jù)，所以該模型被稱為半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型。正是因?yàn)樵撃Ｐ褪且詿o(wú)線電波傳播理論為依據(jù)，有加上了大量的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，因此該模型得到了廣泛的應(yīng)用。該模型被稱為不規(guī)則地面模型，可以用該模型預(yù)測(cè)自由空間中由地形非規(guī)則性所造成的中值傳輸衰落。 1.2模型分類及參數(shù) Longley-rice模型有:2種模式。當(dāng)?shù)匦温窂揭讚?jù)很詳細(xì)時(shí)，特定路徑參數(shù)就很容易被確定。這不預(yù)測(cè)方式為“點(diǎn)到點(diǎn)預(yù)測(cè)”。如果地形數(shù)據(jù)不夠訓(xùn)確，可以利用Longley-Rice模型估計(jì)特定參數(shù)的值這種預(yù)測(cè)方式為“區(qū)域預(yù)測(cè)”。 Longley-rice模型有4種變化模式，分別為單信號(hào)模式、單天線模式、移動(dòng)模式和廣播模式。在longley-rice模型的早期程序中，所有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)預(yù)測(cè)的計(jì)算都是基于單天線模式，這里天線的位置是不變的。后來(lái)，由于對(duì)計(jì)算精度需求的提高，人們才引入其他模式。在各種變化模式中，變化的主要是時(shí)間、位置和情景3個(gè)參量，或者說(shuō)是一個(gè)三維變量。 目前，Longley-Rice無(wú)線電波模型已有相關(guān)的計(jì)算機(jī)仿真程序，可以用來(lái)對(duì)無(wú)線電波傳輸?shù)膿p耗進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)無(wú)線電波傳輸路徑已知時(shí)，計(jì)算機(jī)的仿真程序可以通過(guò)無(wú)線電波傳播路徑的長(zhǎng)度、極化方向、無(wú)線電波頻率、地面有效半徑、收發(fā)天線高度、地面導(dǎo)電常數(shù)以及表面繞射率等參數(shù)確定無(wú)線電波傳輸損耗的大小。 Longley-Rice預(yù)測(cè)模型主要有以下參數(shù): ①天線極化方式:可以采用水平極化或者垂直極化。Longley-Rice模型中假設(shè)發(fā)射天線和接受天線具有相同的極化方式; ②折射率:空氣的折射率決定了無(wú)線電波的“彎曲”程度。在一般的模型中，空氣折射率用地面有效曲率來(lái)代替，通常取1.333。 ③介電常數(shù):地面的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率 1.3 Longley-Rice模型傳輸損耗 根據(jù)無(wú)線電波的傳播范圍的不同，Longley-Rice模型的傳輸損耗可大致分為三種情況，它們分別為: (1) 視距傳播損耗 (2) 繞射傳播損耗 (3)散射傳播損耗。 當(dāng)無(wú)線電波傳播于視距范圍內(nèi)時(shí)，無(wú)線電波傳播方式主要以反射傳播為主。通過(guò)對(duì)地貌地形的路徑及對(duì)流層的繞射特點(diǎn)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)出無(wú)線電波傳輸中值傳輸衰落，將雙線地面反射模型用來(lái)模擬地平線以內(nèi)的傳輸場(chǎng)強(qiáng)。 視距傳播模型的適用范圍為:。 (2)繞射傳播損耗 當(dāng)無(wú)線電波傳播于超視距范圍內(nèi)時(shí)，無(wú)線電波傳播方式主要以繞射傳播為主。但是，當(dāng)無(wú)線電波的傳播環(huán)境為不規(guī)則的地形時(shí)，會(huì)有兩種理論用于計(jì)算繞射損耗。其中一種適用于預(yù)測(cè)非球形但光滑的地面上無(wú)線電波的傳播，而另外一種則適用于非常不規(guī)則的地面上無(wú)線電波的傳播。采用Fresnel-Kirchoff刃形模型來(lái)預(yù)測(cè)無(wú)線電波傳播的繞射損耗，其計(jì)算結(jié)果是上述兩種理論結(jié)果的加權(quán)和。 適用范圍:為繞射傳播距離，單位為km。 (3)散射傳播損耗 當(dāng)無(wú)線電波的傳輸距離為大大超出地平線的遠(yuǎn)距離無(wú)線電波的傳輸時(shí)，無(wú)線電波傳播方式主要以散射傳播為主，預(yù)測(cè)理論以繞射理論為主。 適用范圍:為散射傳播距離，單位為km。 綜上所述，Longley-Rice模型傳輸損耗為: (3-15) 其中: （3-16) (3-17) 式中:d為傳播距離，單位為km;f為無(wú)線電波頻率，單位為MHz; 為光滑地面距離;表示此處的繞射損耗和散射損耗相等; 、 、分別表示自由空間下視距、繞射和散射時(shí)的傳播損耗值;和為傳播損耗系數(shù);和分別為繞射和散射損耗系數(shù)。為視距傳播距離，為繞射傳播距離，為散射傳播距離。 1.4 Longley-Rice模型的適用范圍 Longley-Rice模型中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大多數(shù)取自10--1 000 MHz的頻率范圍，其中20--100 MHz的數(shù)據(jù)涉及5--50km的距離和1--9 m的收、發(fā)信天線高度;較高頻段的數(shù)據(jù)涉及5--1 000 km的距離，10--1500 m的發(fā)射天線高度和3--9m的接收天線高度。數(shù)據(jù)來(lái)源于世界各地，但主要是美國(guó)，多數(shù)為移動(dòng)記錄結(jié)果。[[] 曹雪.地域電波傳播模型修正的研究[D]。西安電子科技大學(xué)2009 ]Longley-Rice模型給出了參考衰減值的計(jì)算公式及不同環(huán)境下相關(guān)修正因子的詳細(xì)說(shuō)明，公式中所使用的參數(shù)包括:不規(guī)則地形參數(shù)、頻率、收發(fā)信機(jī)天線高度和表面折射率等[[] Propagation by diffraction. ITU-R Recommendation P.526-9 ]。同時(shí)還引入了反映介質(zhì)特性的2個(gè)參數(shù):介電常數(shù)和導(dǎo)電率。 以傳播理論為依據(jù)，加上極其豐富的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)， 使得Longley-Rice模型使用范圍得到了拓展，其適用 范圍如下: 1) 頻率f : 20--40000MHz; 2) 收、發(fā)信機(jī)天線高度:0.5--3000m; 3) 覆蓋半徑:1--2000km;[[] Method for point-to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30MHz to 3000 MHz.ITU-R Recommendation P.1546-2: ] 4) 表面折射率:250--400Ns。 表1.1地面的相對(duì)介電常數(shù)和導(dǎo)電率 表1.2氣候類型和相應(yīng)地表折射率 在Longley-Rice模型中，溫帶大陸性氣候?yàn)闇氐貐^(qū)大片陸地上的典型氣候，其典型特征為顯著}f氣溫變化和四季交替。在中緯度沿海地區(qū)，強(qiáng)大曠海風(fēng)為大陸帶來(lái)了濕潤(rùn)的空氣，因此這里主要是溫帶海洋性氣候[[] 楊琨琨.GSM無(wú)線網(wǎng)傳播模型校正及基站覆蓋問(wèn)題的研究[D].南京:南京郵電大學(xué)，2006. ]。英國(guó)、美國(guó)西海岸和歐洲部分地區(qū)就是這種氣候的典型代表。對(duì)于小于100 km的播路徑而言，溫帶大陸性氣候和溫帶海洋性氣候造成的差別微乎其微。但是對(duì)于更長(zhǎng)的路徑而言[[] 聶君，劉曉晶，楊樺.復(fù)雜地形環(huán)境下的無(wú)線電監(jiān)測(cè)傳播模型研究[J].數(shù)字通信，2011 ]，帶海洋性氣候帶來(lái)了更多的折射，使得在約10%時(shí)間內(nèi)其場(chǎng)強(qiáng)大于溫帶大陸性氣候。  第二章 傳播模型分析及建模 2.1傳播模型的分析與選擇 飛行器從起飛到飛臨目標(biāo)上空，一般情況下可能會(huì)途經(jīng)平原、丘陵、高山、河流甚至是海洋等不規(guī)則地形，對(duì)通信信道損耗的預(yù)測(cè)需要考慮不同的天然地形環(huán)境的影響。同時(shí)還要考慮樹(shù)木、建筑物和其他遮擋物等人為因素的影響。電波傳播預(yù)測(cè)模型大體可分為兩類:一類是基于電磁波傳播理論[[] Z. Nadir, M. I. N. E. Pathloss Determination Using Okumura-Hata Model And Spline Interpolation For Missing Data For Oman. In Proceedings of the World Congress an Engineering.Vol I. 2008. London. ]，根據(jù)具體的適用環(huán)境，確定電磁環(huán)境的邊界條件，求解麥克斯韋電磁波方程式，進(jìn)而確定出電磁波的傳播路徑和傳播場(chǎng)強(qiáng)值，該類模型通常適用于計(jì)算近區(qū)場(chǎng)電磁傳播，而對(duì)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)而言邊界條件難以確定，需要考慮的因素增多，計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜;另一類是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，通過(guò)將大量數(shù)據(jù)篩選后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合部分電磁理論來(lái)確定對(duì)電磁波傳播損耗影響較大的因素，再利用數(shù)據(jù)擬合等方法得到電磁波的傳播預(yù)測(cè)模型，屬半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的電磁波預(yù)測(cè)大都使用該類模型。 通過(guò)長(zhǎng)期的測(cè)試、研究，人們總結(jié)歸納了多種適用于遠(yuǎn)距離的電波傳播預(yù)測(cè)模型，如Okumur Hata模型、Egli模型和Longley-Rice模型等。 Okumura模型以準(zhǔn)平坦地形大城市區(qū)的中值場(chǎng)強(qiáng)或路徑損耗作為參考，在工程實(shí)際中多用于市區(qū)、郊區(qū)和開(kāi)闊地等地形起伏不大的地區(qū)[[] 曾艷軍.移動(dòng)通信中電波傳播特性研究及傳播模型校正與應(yīng)用[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué)，2003 ]。對(duì)于起伏較大的不規(guī)則地形，如丘陵地形、水陸混合地形和 孤立山峰，其傳播損耗應(yīng)在準(zhǔn)平坦地形的中值傳播損耗的基礎(chǔ)上，加上適當(dāng)?shù)男拚蜃舆M(jìn)行校正。Okumura模型以曲線圖的形式給出，不便于快速的仿真，而Okumura-Hata模型是Hata在Okumura曲線圖的基礎(chǔ)上，通過(guò)曲線擬合所作的經(jīng)驗(yàn)公式: （2—1） 式中:為電波頻率，單位MHz; d為通信距離，單位km;、為收發(fā)天線高度，單位m;為地形修正因子，是移動(dòng)天線有效高度修正因子，單位dB;為距離修正因子[[] 王祖良，彭茜，鄭林華.信道損耗模型研究及仿真分析[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009,24(1): ]。 Egli模型是通過(guò)在VHF頻段和UHF頻段對(duì)不規(guī)則地形上得到的大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析的基礎(chǔ)上提出的一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以地形起伏和障礙物高度不超過(guò)15 m為準(zhǔn)，對(duì)于地形起伏和障礙物超過(guò)15 m的，運(yùn)用修正因子加以修正。該模型僅適用于視距范圍內(nèi)。 Longley-Rice模型被稱為不規(guī)則地形模型，以電波傳播理論為依據(jù)，結(jié)合豐富的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，用以預(yù)測(cè)在自由空間中由地形的非規(guī)則性造成的中值傳播損耗。該模型具有兩種預(yù)測(cè)模式。當(dāng)能夠獲取詳細(xì)的地形剖而數(shù)據(jù)時(shí)[[] 徐文杰，周新力，吳龍剛.Longley-Rice等效散射模型的建立[J].無(wú)線電工程2011, 41(4):42-44 ]，可以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，如果沒(méi)有地形數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)模型需要估算與路徑相關(guān)的參數(shù)，需采用區(qū)域模式。 表2.1 不同傳播預(yù)測(cè)模型的適用范圍 表2.1描述了以上三種模型的具體適用范圍。從表中可以看出:Egli模型的適用頻率范圍較窄，距離范圍僅為視距，Egli模型不適用于地形高度起伏太大的山區(qū)，而Okumura-Hata模型和Longley-Rice模型均可用于飛行器通信仿真系統(tǒng)。對(duì)這兩種預(yù)測(cè)模型在開(kāi)闊地和起伏較大的丘陵地區(qū)進(jìn)行仿真，如圖1和圖2所示。 圖2.1 開(kāi)闊地傳輸損耗對(duì)比 圖2.1中，Longley-Rice模型的預(yù)測(cè)值比Okumura-Hata模型的預(yù)測(cè)值明顯偏低。Okumura-Hata模型在兩種地形下的預(yù)測(cè)值變化較小，丘陵地區(qū)僅比開(kāi)闊地偏高20 dB左右，而Longley-Rice模型的變化較大，丘陵地區(qū)比開(kāi)闊地高30 dB左右。從仿真可以看:Longley-Rice模型比Okumura-Hata模型對(duì)地形的變化更加敏感，特別是圖2.2中Longley-Rice模型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式能夠?qū)崟r(shí)地反映地形對(duì)電磁波傳播的影響，比區(qū)域模式更加適用于傳播地形復(fù)雜的飛行器通信信道預(yù)測(cè)。 文獻(xiàn)和巨中均使用了Longley-Rice模型作為海而電波傳播模型，但由于應(yīng)用環(huán)境是海洋，地形不規(guī)則度較小，因此，使用的是區(qū)域模式;[[] 胡繪斌，姜永金，傅文斌.不規(guī)則地形上電波傳播衰減特性預(yù)測(cè)研究[J].空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008, 22 (4):271-274 ]文獻(xiàn)中提出使用Longley-Rice模型作為地而和導(dǎo)彈通信信道模型，在區(qū)域模式下仿真了頻率、地形、氣候類型和天線位置對(duì)電波傳播衰減的影響，但未給出點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式下地形影響的仿真結(jié)果。本文通過(guò)抽取傳播路徑地形高程值，從以飛行器高度作為接收天線高度的角度，使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式對(duì)電波傳播衰減進(jìn)行了仿真。 圖2.2 丘陵地區(qū)傳播損耗對(duì)比 2.2 Longley-Rice模型建模 Longley-Rice模型引入了電磁波頻率f.、收發(fā)天線有效高度、:及位置、極化方向、地形不規(guī)則度△h、地球表而折射率、地而電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)等因素，在考慮電波本身特性的基礎(chǔ)上，同時(shí)兼顧了傳播環(huán)境的電氣特性。不同路徑長(zhǎng)度的傳播損耗參考中值的計(jì)算如下： （2—2） 式中:d為傳播距離，單位為km;f為無(wú)線電波頻率，單位為MHz; 為光滑地面距離;表示此處的繞射損耗和散射損耗相等; 、 、分別表示自由空間下視距、繞射和散射時(shí)的傳播損耗值;和為傳播損耗系數(shù);和分別為繞射和散射損耗系數(shù)。為視距傳播距離，為繞射傳播距離，為散射傳播距離。 通過(guò)式(2—2)可以分別計(jì)算視距傳播損耗、衍射傳播損耗和散射傳播損耗。同時(shí)，再考慮到自由空間傳播損耗，整個(gè)傳播路徑上的總體損耗為 (2—3) 其中: （2—4） 式中:d為傳播距離，單位為km;f為無(wú)線電波頻率，單位為MHz。 2.2.1衍射傳播損耗 為衍射傳播距離，單位:km. 不規(guī)則地形中的衍射傳播損耗通過(guò)結(jié)合基于菲涅耳-基爾霍夫理論的雙刃峰模型和適用于光滑地而的Vogler修正模型來(lái)計(jì)算。 （2—5） （2—6) (2—7） 為收發(fā)天線有效高度，單位:m。 為地球有效曲率 （2-8） （2—9） (2—10) (2—11) 式(2—10)根據(jù)參數(shù)二確定雙刃峰衰落和圓形地球衰落在衰落計(jì)算中的比重。 式(2—11)為雜波干擾衰落。 2.2.2視距(LOS)傳播損耗 為視距[[] 孫威.基于電子地圖的地域無(wú)線電波傳播預(yù)測(cè)研究[ D].西安:西安電子科技大學(xué)，2010. ]傳播距離，單位km.在LOS內(nèi)，以反射傳播機(jī)制為主，采用雙線地而反射模型計(jì)算。 定義 如果 ，那么，否則 （2—11) (2—12) ， （2—13） 式中，根據(jù)參數(shù)確定衍射之外的損耗和雙線理論損耗的比重。 2.2.3向散射傳播損耗 為散射傳播距離，單位km。計(jì)算過(guò)程為 （2—14） （2—15） （2—16） （2—17） 式中 （2—18） 2.3仿真分析 2.3.1地形剖而數(shù)據(jù)的獲取 應(yīng)用Longley-Rice模型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要獲取收發(fā)信機(jī)之間詳細(xì)的地形剖而數(shù)據(jù)。在仿真過(guò)程中采用質(zhì)量較高的航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪使命高程數(shù)據(jù)SRTM ，分辨率為90m,SRTM數(shù)據(jù)有多種存儲(chǔ)格式，此處使用ASCII格式存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，通過(guò)讀取ASCII文件頭獲取存儲(chǔ)高程文件的基本信息[[] 孫紅云.基于GIS的廣播電視電波繞射模型研究[D].北京:中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，2007 ]，如行列數(shù)目和、起始經(jīng)緯度和以及數(shù)據(jù)元大小等，然后計(jì)算目標(biāo)位置點(diǎn)相對(duì)起始點(diǎn)的偏移量△n就能得到該點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)。如果該點(diǎn)不能與文件中的位置相對(duì)應(yīng)，則使用內(nèi)插值方法，根據(jù)若干相鄰點(diǎn)的高程值求出此點(diǎn)的高程值。 2.3.2 SRTM高程數(shù)據(jù)的抽取過(guò)程 將ASCII文件中除去基本信息的實(shí)際高程數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，網(wǎng)格數(shù)目為*;網(wǎng)格的起始點(diǎn)坐標(biāo)(0,0)，終點(diǎn)坐標(biāo)E(,).根據(jù)收發(fā)點(diǎn)的經(jīng)緯度確定收發(fā)點(diǎn)在網(wǎng)格中的坐標(biāo) , ,[ ]向下取整。 (1)根據(jù)收發(fā)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算采樣點(diǎn)數(shù)和采樣點(diǎn)間距△d=90，單位為m，其中. (2)采樣點(diǎn)滿足直線方程:，由此得到采樣點(diǎn)的坐標(biāo)為進(jìn)而求得所有采樣點(diǎn)的高程值，也就得到了收發(fā)點(diǎn)之間的地形剖而數(shù)據(jù)。 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，選取發(fā)射點(diǎn)坐標(biāo)T (115.9,42.7)，接收點(diǎn)坐標(biāo)R(117,43.5)，采樣點(diǎn)數(shù)N =1321,d=111.3 m，收發(fā)點(diǎn)間距d=146.9 km.抽取后的地形剖而如圖2.3所示。 圖2.3 從SRTM抽取的地形剖面圖 2.3.3 接收機(jī)高度描述 在Longley-Rice模型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式[[] 孫剛.無(wú)線傳播信道模型庫(kù)的研究與建立[D].西安:西安電子科技大學(xué)，2009 ]中，需要明確信號(hào)發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)高度以及接收機(jī)的結(jié)構(gòu)高度，此處也就是飛行器距離地而的垂直距離。仿真時(shí)，可以假設(shè)飛行器在飛行過(guò)程中，飛行的海拔高度在一段時(shí)間內(nèi)變化不大。但飛行器接收機(jī)的結(jié)構(gòu)高度卻時(shí)刻在變化著。 如圖2.4所示，飛行器在位置1和位置2時(shí)的飛行高度相同，均為,.當(dāng)在位置1時(shí)，飛行器處于山體的最頂端上空，此時(shí)的接收機(jī)結(jié)構(gòu)高度為，且接收機(jī)處于發(fā)射機(jī)的視距范圍內(nèi)。當(dāng)在位置2時(shí)，飛行器飛臨山體的低海拔處，此時(shí)接收機(jī)的結(jié)構(gòu)高度變?yōu)?，由于山體的阻擋，電波的傳輸以衍射為主。 圖2.4 飛行器在不同位置時(shí)的接收機(jī)高度描述 2.3.4結(jié)果 在仿真計(jì)算中各工作參數(shù)設(shè)定為:電波工作頻率f =1 500 MHz，全向天線，垂直極化。發(fā)射機(jī)天線高度 = 100 m，飛行器飛行海拔高度 =1 665 m，地而電導(dǎo)率=0. 005，相對(duì)介電常數(shù)。=15，地球表而折射率= 320N.發(fā)射機(jī)坐標(biāo)為(E115. 9,N42. 7)，飛行器接收機(jī)的坐標(biāo)隨飛行器以固定的飛行海拔高度向著坐標(biāo)為(E117. 0,N43.5)的點(diǎn)沿直線飛行而不斷變化，該地區(qū)的氣候類型為亞熱帶大陸性氣候。 仿真結(jié)果如圖2.5所示。左坐標(biāo)軸表示地形高程值，單位m，其中最左端標(biāo)“.”處為發(fā)射機(jī)所在地;右坐標(biāo)軸表示電波傳播衰減，單位a};圖上端帶箭頭的虛線表示飛行器的飛行軌跡。從圖2.5中可以看到，在視距最遠(yuǎn)端點(diǎn)之前的傳播衰減值緩慢增長(zhǎng)，且曲線較為光滑，這是因?yàn)轱w行器飛臨視距最遠(yuǎn)端點(diǎn)之前一直處于發(fā)射機(jī)的視距范圍內(nèi)，可以認(rèn)為是自由空間傳播。在視距最遠(yuǎn)端點(diǎn)處，飛行器和發(fā)射機(jī)之間恰好有山峰阻擋，故而此處的傳播衰減值發(fā)生陡變，從158dB劇增為188dB.此點(diǎn)后的電波傳播就以繞射衍射為主。值得注意的是當(dāng)飛行器飛臨地形中最高的山峰時(shí)，即在多重衍射區(qū)處，電波傳播衰減不但沒(méi)有增加，反而有所減少。這種現(xiàn)象就是波在衍射區(qū)域遇到阻擋物被反射回來(lái)時(shí)會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)原有波的強(qiáng)度。隨著飛行器越飛越遠(yuǎn)進(jìn)入散射區(qū)域后，傳播衰減值呈緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，地形的變化己經(jīng)不是影響電波傳播的主要因素，因此，不會(huì)引起傳播衰減太大的波動(dòng)。 圖2.5 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式下的傳播衰減仿真 從圖2.5的仿真結(jié)果可以看出:在散射區(qū)域之前，電波的傳播損耗隨地形的高低起伏發(fā)生明顯的變化，說(shuō)明應(yīng)用Longley-Rice模型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式可以較精確地預(yù)測(cè)電波傳播衰減。  第三章Longley-rice等效模型的建立 3.1 longley-rice 的現(xiàn)狀和不足 Longley-Rice模型是由Longley和Rice提出的著名模型，它是一種統(tǒng)計(jì)模型，以傳播理論為依據(jù)，同時(shí)結(jié)合了數(shù)千組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因此稱其為半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型。由于該模型以傳播理論為依據(jù)，加上及其豐富的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[[] 朱敏.基于電子地圖的無(wú)線信道傳播預(yù)測(cè)[D].西安:西安電子科技大學(xué)，2009 ]，使其得到了廣泛的應(yīng)用。但是Longley-Rice模型沒(méi)有考慮接收機(jī)附近的因素以及多徑的影響，所以預(yù)測(cè)精度存在一定的誤差。這里旨在建立一種模型，讓接收機(jī)附近的因素包含在Longley-Rice模型中，使模型更加完善，精度得到響應(yīng)的提高。 3.2 Longley-Rice模型的改進(jìn) 由于Longley-Rice模型不能反映接收機(jī)附近的路徑損耗情況，為了使模型更加完善，提高預(yù)測(cè)的精度，作者對(duì)Longley-Rice模型做了改進(jìn)，用等效散射 模型描述了接收機(jī)附近的路徑損耗情況。 由于接收機(jī)天線的高度通常很低，電波在傳播過(guò)程中會(huì)遇到各種障礙物、樹(shù)木以及起伏的地形，引起了電波的反射、折射和繞射，于是到達(dá)接收機(jī)的電 波是上述電磁波的疊加，如圖3-1所示。 圖3-1電波的傳播模型 采用等效的散射體來(lái)描述接收機(jī)附近的電波傳播情況，在該模型中，有n個(gè)等效散射體分布在接收機(jī)附近以r為半徑的圓上，其中有一個(gè)散射體在 發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的視線傳播路徑上，如圖3.2所示。 圖3.2等效散射模型 第n條路徑的電波到達(dá)角度為: 。 式中，d為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離;由，d和r可以確定第n條路徑的長(zhǎng)度為: . 于是將各個(gè)路徑的損耗疊加可以求得徑的總損耗為: . 式中，為第i條路徑的損耗。 對(duì)Longley-Rice模型做了改進(jìn)，考慮接收機(jī)附近的因素以及多徑的影響，建立了接收機(jī)附近的散射模型，使得Longley-Rice模型更加完善，減小了電波傳播損耗計(jì)算的誤差，提高了電波傳播預(yù)測(cè)的精度。  第四章 利用longley-rice 模型設(shè)計(jì)的可視化電磁環(huán)境 4.1 電磁環(huán)境可視化 電磁環(huán)境是指存在于給定場(chǎng)所的所有電磁現(xiàn)象的總和，包括自然環(huán)境因素和人為環(huán)境因素，本文主要研究人為電磁設(shè)備輻射構(gòu)成的三維電磁環(huán)境.由于各種電磁設(shè)備數(shù)量眾多、使用頻段交錯(cuò)、輻射功率大，構(gòu)成的整個(gè)電磁環(huán)境異常復(fù)雜，相互間的干擾時(shí)有發(fā)生，尤其在目前高技術(shù)條件下，敵我雙方的電磁對(duì)抗更加重了電磁環(huán)境的復(fù)雜性.由于電磁環(huán)境不可見(jiàn)，指揮員不能直觀地了解戰(zhàn)場(chǎng)中的電磁態(tài)勢(shì)，所以要快速準(zhǔn)確地做出決策存在巨大的困難.計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)能形象直觀地展示數(shù)字信息，通過(guò)數(shù)據(jù)可視化，使用戶能直觀了解數(shù)據(jù)隱含的信息，帶給用戶[[] 張延華，段占云，沈蘭蓀.Okumura-Hata傳播預(yù)測(cè)模型的可視化仿真研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2001, 16(1):89-92 ]強(qiáng)烈的視覺(jué)感受.因此，電磁環(huán)境可視化在一定程度上能減少指揮人員對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境掌握的盲目性，使指揮員對(duì)所處環(huán)境有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，為快速準(zhǔn)確地決策提供支持. 目前在虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，電磁環(huán)境的可視化多采用二維的表現(xiàn)方式，不能體現(xiàn)三維電磁環(huán)境情況.本文結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在三維數(shù)字地球上展示三維虛擬電磁環(huán)境，為指揮員提供詳細(xì)的三維電磁態(tài)勢(shì)，指揮員還能動(dòng)態(tài)調(diào)整電磁設(shè)備參數(shù)，并直觀查看電磁態(tài)勢(shì)相應(yīng)的變化，通過(guò)交互更加直接了解各種條件下的復(fù)雜電磁環(huán)境，為其快速準(zhǔn)確地決策提供直觀的輔助支持.然而，把復(fù)雜的三維電磁環(huán)境高效且準(zhǔn)確地展示到數(shù)字地球上是非常困難的.為了可視化電磁環(huán)境，需采用合適的電波傳播模型計(jì)算電磁設(shè)備傳播數(shù)據(jù).雖然時(shí)域有限差分(FDTD )方法能精確描述電波傳播，但由于其需耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，難以滿足實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可視化三維電磁環(huán)境的要求.Longley-rice 電波傳播模型是一種基于統(tǒng)計(jì)分析和電磁理論的電波傳播計(jì)算模型[[] 張洪欣，呂英華，包永芳基于FDTD/MoM方法的同軸電纜孔縫輻射效應(yīng)研究[J]北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2004,27(2):61-65 ]，它考慮了地形和大氣的影響.通過(guò)數(shù)字地形模型，可采用Longley-rice。點(diǎn)到點(diǎn)的預(yù)測(cè)模式計(jì)算電波傳播，它能精細(xì)考慮不規(guī)則地形對(duì)電波傳播的影響，且該模式相比FDTD能較快計(jì)算電波傳播數(shù)據(jù)，適合在數(shù)字地球上動(dòng)態(tài)展示三維電磁環(huán)境.直接體繪制方法是一種可視化分析體數(shù)據(jù)的有效工具，由于圖形硬件能力的提高和功能的增強(qiáng)，采用圖形硬件圖形處理器(GPU)加速的直接體繪制方法可在主流圖形硬件條件下實(shí)時(shí)繪制，并能得到高質(zhì)量的繪制結(jié)果.目前對(duì)電磁環(huán)境中雷達(dá)探測(cè)范圍的可視化己有一些研究，主要采用了單層等值面的方法展示雷達(dá)三維探測(cè)范圍，能直觀展示雷達(dá)最大探測(cè)范圍的包絡(luò);文獻(xiàn)采用等值面提取的方法對(duì)高壓電線周圍的電場(chǎng)進(jìn)行可視化，[[] Longley A G} Ric;e P L. Prediction of tropospheric; radio transmission over irregular terrain-a computer method [R] . ESSA Tec;hnic;al Report ERL79TS67，1968 ]可清晰展示特定電位大小的電場(chǎng)覆蓋范圍，但由于等值面方法對(duì)表現(xiàn)體數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)的不足，尚不能展示電磁環(huán)境內(nèi)部的細(xì)節(jié)信息.多層半透明等值面繪制方法通過(guò)展示體數(shù)據(jù)的多層信息，能在一定條件下彌補(bǔ)單層等值面的不足，但沒(méi)有對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行信息分析的切片、切割能力.直接體繪制技術(shù)能詳細(xì)展示體數(shù)據(jù)信息，還能從多個(gè)角度切割分析數(shù)據(jù)，如文獻(xiàn)采用直接體繪制方法繪制了電磁態(tài)勢(shì)，但沒(méi)有采用GPU加速的方法，不能實(shí)時(shí)展示電磁態(tài)勢(shì)體數(shù)據(jù).因此本文擴(kuò)展了文獻(xiàn)中的硬件加速直接體繪制方法，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換把三維電磁環(huán)境直接實(shí)時(shí)繪制到數(shù)字地球上。 4.2三維電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)生成 為了對(duì)虛擬電磁環(huán)境進(jìn)行展示，首先計(jì)算虛擬環(huán)境中設(shè)置的各個(gè)電磁設(shè)備向三維空間中輻射電磁波的情況.本文采用Longley}ice電波傳播模型，即 不規(guī)則地形模型來(lái)預(yù)測(cè)不同頻段的電波傳播，它能較準(zhǔn)確地估計(jì)點(diǎn)波傳播損失.通過(guò)Longley}ice電波傳播模型得到各個(gè)[[] [R] . ESSA Tec;hnic;al Report ERL79}TS67，1968 Stegmaler S } Strengert M，Klein T} et al. A simple and flexible volume rendering framework for graphics-hard-ware}ased rayc;asting [C]/VG05. Stony Brook:[s.n]，2005:187-195 ]電磁設(shè)備在三維空間中的輻射損失值，進(jìn)而計(jì)算得到電磁波三維空間功率密度數(shù)據(jù)，以此作為三維電磁環(huán)境表現(xiàn)的基礎(chǔ). 4.2.1不規(guī)則地形剖面提取 不規(guī)則地形模型需要地形剖面數(shù)據(jù)來(lái)精確計(jì)算地形對(duì)電波傳播損失的影響，數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)用來(lái)生成地形剖面數(shù)據(jù).如圖4.1 (a)所示，電磁設(shè)備向 四周發(fā)射的線條表示電波傳播路徑，背景線條是數(shù)字高程模型地形網(wǎng)格.為得到電波傳播路徑上地形高程數(shù)據(jù)，采用雙線性插值方法，按照數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)的分辨率大小等間隔在數(shù)字地形上采樣生成路徑剖面高程數(shù)據(jù)[[] Engel K, Hadwiger M, Kniss J, et al. Realtime volume graphics[M]. Wellesley: AK-Peters Ltd 2006 ]，圖4.1 (b)示出了采樣得到的地形剖面示意圖。 圖4.1 地形剖面選取 4.2.3電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)計(jì)算 由式可計(jì)算得到三維電磁環(huán)境功率密度值，為減少存儲(chǔ)空間和提高繪制效率，把電磁數(shù)據(jù)離散為一定間隔的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，如圖4.2 (a)所示.首先，按照高度方向把電磁空間分成n層，再把每層按照經(jīng)緯度方向離散為m*k個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，用式計(jì)算每個(gè)離散網(wǎng)格點(diǎn)上的功率密度值.采用上述離散方法計(jì)算生成的電磁環(huán)境數(shù)據(jù)大小為m*k*n，圖4.2 (b)示出了離散電磁數(shù)據(jù)在三維環(huán)境中的強(qiáng)度情況，分別用不同灰度表示強(qiáng)度大小. 圖4.2 電磁環(huán)境體數(shù)據(jù) 4.3在三維數(shù)字地球上體繪制電磁環(huán)境 4.3.1硬件加速的直接體繪制 基于GPU的光線投射體繪制把三維體數(shù)據(jù)沿光線方向投射到二維圖像上，采用體數(shù)據(jù)包圍盒作為繪制代理網(wǎng)格，并把包圍盒的每個(gè)頂點(diǎn)顏色設(shè)置為三維紋理坐標(biāo)，采用多遍繪制技術(shù)繪制體數(shù)據(jù)信息. 傳統(tǒng)基于硬件加速的直接體繪制方法采用規(guī)則包圍盒繪制體數(shù)據(jù)，且體數(shù)據(jù)是規(guī)則網(wǎng)格.但是生成的電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)并不是規(guī)則體數(shù)據(jù)，如圖4.2 (b)所示，電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)采用球坐標(biāo)系進(jìn)行組織，因此傳統(tǒng)基于GPU的光線投射直接體繪制方法不能直接應(yīng)用到電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)的繪制.下面將詳細(xì)介紹擴(kuò)展傳統(tǒng)基于GPU的光線投射直接體繪制方法，巧妙通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)在三維數(shù)字地球上展示電磁環(huán)境體數(shù)據(jù). 4.3.2電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)包圍盒 圖4.3 (a)示出了在數(shù)字地球上表示的電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)不規(guī)則包圍盒的線框圖，包圍盒底部的4個(gè)頂點(diǎn)與其上部對(duì)應(yīng)的4個(gè)頂點(diǎn)經(jīng)緯度值相同[[] 陳鵬，楊超，吳玲達(dá)硬件加速的三維雷達(dá)作用范圍表現(xiàn)[J]國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007 , 29 ( 6 ) : 49- 53 ]，而海拔不同，但包圍盒的經(jīng)緯度與三維電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)計(jì)算區(qū)域的經(jīng)緯度相同.假設(shè)三維電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)計(jì)算區(qū)域是從位置 至位置位置點(diǎn)均采用球坐標(biāo)，其中分別為緯度、經(jīng)度和海拔.圖4.3(b)用填充色標(biāo)示了三維電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)的剖面，不規(guī)則包圍盒垂直截面ABCD用粗實(shí)線表示.根據(jù)幾何關(guān)系可明顯得到包圍盒的底部B點(diǎn)和C點(diǎn)海拔為，頂部A點(diǎn)和D點(diǎn)的海拔為 （4-1） 其中，R為地球半徑;θ為.從圖3 (b)可見(jiàn)，電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)包圍盒大于體數(shù)據(jù)的計(jì)算區(qū)域范圍，這樣可得到體數(shù)據(jù)包圍盒海拔高度:底部為，頂部為H. 圖4.3 電磁體數(shù)據(jù)包圍盒 4.3.3體數(shù)據(jù)紋理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 在傳統(tǒng)基于GPU光線投射體繪制方法中，包圍盒頂點(diǎn)顏色值設(shè)置為三維體數(shù)據(jù)紋理的紋理坐標(biāo)，通過(guò)繪制包圍盒背面到紋理作為投射光線終止點(diǎn).計(jì)算得到的三維電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)是不規(guī)則的，難于計(jì)算其包圍盒上的體數(shù)據(jù)紋理坐標(biāo)，且由于包圍盒中其紋理坐標(biāo)系統(tǒng)不是均勻變化的，不能直接把三維體數(shù)據(jù)紋理坐標(biāo)設(shè)置成頂點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)線性插值得到其他紋理坐標(biāo).本文提出一種方法，不用三維體數(shù)據(jù)紋理坐標(biāo)作為頂點(diǎn)顏色值，而是采用頂點(diǎn)的球坐標(biāo)位置，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換把球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為紋理坐標(biāo).首先，把球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為笛卡兒坐標(biāo) （4-2） 其中，r, α，β為球坐標(biāo);x,y,z為笛卡兒坐標(biāo).用式(4-2)把包圍盒的8個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為笛卡兒坐標(biāo)，然后設(shè)置其顏色值.通過(guò)GPU浮點(diǎn)紋理的支持，包圍盒浮點(diǎn)顏色值被繪制到了浮點(diǎn)紋理上，片段著色程序查詢浮點(diǎn)紋理就能得到包圍盒的頂點(diǎn)位置值，即得到投射光線的終止點(diǎn). 繪制包圍盒正面作為投射光線的起始點(diǎn)[[] 李衷怡，辛建華，李利軍空間電磁場(chǎng)三維可視化技術(shù)[J]研究田計(jì)算機(jī)與數(shù)宇工程，2005 , 33 (10):53 55 ]，因此投射光線方向就是終止點(diǎn)與起始點(diǎn)的矢量差，沿著光線方向就能采樣得到該光線穿過(guò)的體數(shù)據(jù)值.但該光線上的位置是在笛卡兒坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，不能直接從三維體數(shù)據(jù)紋理中得到體數(shù)據(jù)，需把笛卡兒坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為紋理坐標(biāo).由于體數(shù)據(jù)計(jì)算范圍為至，首先笛卡兒坐標(biāo)(x,y,z)轉(zhuǎn)換為球坐標(biāo)(r,α,β)， (4-3) 通過(guò)球坐標(biāo)插值可得到紋理坐標(biāo)為 (4-4) 其中體數(shù)據(jù)紋理坐標(biāo)u,v,s的有效范圍為[0,1]，即在體數(shù)據(jù)計(jì)算范圍內(nèi).因此如果計(jì)算得到的紋理坐標(biāo)不在該范圍內(nèi)，可采用空白區(qū)域剔除方法，不繪制該區(qū)域處的體數(shù)據(jù)，可加速體數(shù)據(jù)繪制. 采用OpenGL圖形接口和Cg語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了硬件加速的電磁環(huán)境直接體繪制方法.實(shí)驗(yàn)中在三維數(shù)字地球上設(shè)置了20部電磁設(shè)備，假設(shè)為全向天線，地形數(shù)據(jù)采用90 m分辨率.電磁設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1.Longley-ric。電波傳播參數(shù)設(shè)置如下:折射率為320，介電常數(shù)和地面電導(dǎo)率分別為15 F/m和0.005 S / m.地形剖面采樣間隔為100 m，實(shí)驗(yàn)用個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)配置為Intel Core 2 Duo 2.8 GHz，顯卡為GeForee 8600 GT. 圖4.4示出了電磁環(huán)境在三維數(shù)字地球上的情況，電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)分辨率為100 100 30，經(jīng)度和緯度等分間隔都為0.O5度，高度等分間隔為200 m覆蓋范圍約為500 km 500 km，每個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)采 采用16位浮點(diǎn)數(shù)存儲(chǔ).如果體數(shù)據(jù)范圍較大，可把體數(shù)據(jù)劃分為多個(gè)分塊區(qū)域，每塊采用同樣的方法繪制，然后按照分塊從后往前的順序融合到三維環(huán)境中，因此本文方法適合較大數(shù)據(jù)量的電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)繪制. 釆用Longley-rice電波傳播模型計(jì)算實(shí)驗(yàn)用電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)耗時(shí)8.836 s，窗口大小為1024 768時(shí)繪制平均幀率為12幀/s.相比文獻(xiàn)，本文方法可實(shí)時(shí)直接體繪制電磁環(huán)境，且各個(gè)電磁設(shè)備參數(shù)可交互改變，系統(tǒng)將重新計(jì)算生成新的電磁環(huán)境體數(shù)據(jù).電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)通過(guò)顏色映射工具(見(jiàn)圖4.4(c))為不同的功率密度設(shè)置不同的顏色和透明度，三維電磁環(huán)境體繪制效果如圖4.4(a)所示.電磁環(huán)境在三維環(huán)境中的情況可直觀地動(dòng) 表 4.1電磁設(shè)備參數(shù) 態(tài)展示，而且可交互改變電磁設(shè)備參數(shù)，能極大輔助電磁設(shè)備設(shè) 計(jì)和規(guī)劃.圖4.4(b)示出了關(guān)閉圖4.4(a)中一部電磁設(shè)備后的情況，可清楚看到該電磁設(shè)備影響情況. 圖4.4 在三維地球上繪制的結(jié)果 圖4.5通過(guò)體數(shù)據(jù)切割技術(shù)示出了電磁環(huán)境在不同方向上的輻射情況，相比文獻(xiàn)的等值面方法，本文方法能展示電磁體數(shù)據(jù)內(nèi)部細(xì)節(jié).其中圖4.5(a)是500 m海拔上電磁環(huán)境切片，圖4.5 (b)是5 km海拔上的電磁環(huán)境切片，圖4.5 (c)是沿經(jīng)度、緯度方向切割電磁環(huán)境的情況. 圖4.5 體數(shù)據(jù)切割 這是一種傳統(tǒng)體繪制方法的擴(kuò)展方法，巧妙通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換把電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)及時(shí)展示到了三維數(shù)字地球上.采用Longley-rice電波傳播模型[[] 周橋，徐青，陳景偉，等電磁環(huán)境建模與3維可視化[J]測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2008, 25 (2):112-115 ]計(jì)算電磁環(huán)境數(shù)據(jù)，該模型考慮了不規(guī)則地形和大氣的影響，能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電波傳播.最后在數(shù)字地球上實(shí)現(xiàn)了三維電磁環(huán)境繪制.結(jié)果表明，本文方法能及時(shí)展示虛擬電磁環(huán)境，而且可動(dòng)態(tài)調(diào)整電磁設(shè)備參數(shù)(如頻率、功率等)，及時(shí)展示不同電磁參數(shù)下電磁環(huán)境，可用于描述大范圍三維電磁態(tài)勢(shì).雖然采用了Longley-rice傳播模型來(lái)生成電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)，但本文方法也適合其他方法生成的體數(shù)據(jù)的及時(shí)可視化，因此下一步計(jì)劃采用更為準(zhǔn)確的電波傳播模型，并采用并行計(jì)算的方式提高電磁數(shù)據(jù)計(jì)算效率，增強(qiáng)電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性.  第五章用Longley-Rice大氣折射修正方法的改進(jìn) 5.1對(duì)Okumura-Hata和Longley-Rice的比較 信道模型分為大尺度模型和小尺度模型兩種，大尺度型刻畫(huà)信號(hào)傳輸過(guò)程中經(jīng)歷的路徑損耗中值，小尺度模型刻畫(huà)小范圍內(nèi)(幾個(gè)波長(zhǎng))信號(hào)的幅度和相位上的快速衰落。在大尺度傳播衰落模型研究方面先后建立了以下著名的信道模型: Longley-Rice模型、在幾公里到幾百公里圍內(nèi)Okumura-Hata被廣泛用來(lái)預(yù)測(cè)接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)，但海上移動(dòng)信道路徑損耗預(yù)測(cè)利用Longley-Rice模型更合適，Longley-Rice模型考慮了更多的與地形有關(guān)的因素，包括面折射率、地面導(dǎo)電率、介電常數(shù)以及地面粗糙度等，還考慮了不同的氣候類型和天線的位置標(biāo)準(zhǔn)等。 文獻(xiàn)通過(guò)對(duì)Okumura-Hata和Longley-Rice模仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較，指出預(yù)測(cè)海上傳播損耗時(shí)后更確切。Longley-Rice模型適合于傳輸距離為1--2000公里，頻率范圍為2--2000MHz，天線高度0--10000米，支持多種氣候類型、多種地形、多種反射面?zhèn)鞑ヌ匦浴⑷N天線位置標(biāo)準(zhǔn)、天線激化方式等參數(shù)。該模型以傳播理論為依據(jù)，同時(shí)結(jié)合了數(shù)千組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因此稱其為半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型。Longley-Rice模型從1967年提出以來(lái)在當(dāng)時(shí)航海等大區(qū)制通信場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)模型中得到了廣泛的應(yīng)用，并不斷被深人研究和改進(jìn)，Hufford等人根據(jù)模型提供的理論和原始數(shù)據(jù)給出了模型的實(shí)用算法。 由于大氣折射的影響，電波在大氣中傳播的實(shí)際路徑是一條曲線，與收發(fā)信機(jī)之間的實(shí)際距離存在著誤差，預(yù)測(cè)信道傳播路徑損耗時(shí)需要對(duì)實(shí)際距離加以修正。 5.2 Longley-Rice模型中對(duì)大氣折射誤差的修正 Longley-Rice模型中對(duì)大氣折射誤差的修正采用等效地球半徑法，等效地球半徑法計(jì)算簡(jiǎn)單，但是精度不高，該方法只利用了大氣地面折射率的水平差異，未利用垂直剖面信息，而實(shí)際大氣折射率垂直差異，尤其在近地面lkm內(nèi)的垂直差異比較大，本文對(duì)Longley-Rice模型大氣折射誤差修正方法加以改進(jìn)。改進(jìn)方法充分利用大氣折射率垂直剖面信息，利用電波實(shí)際傳播路徑和收發(fā)天線地面水平距離之間的映射關(guān)系，將模型輸人的收發(fā)天線之間的實(shí)際距離映射為電波實(shí)際傳播距離，能更精確反映傳播距離對(duì)電波傳播損耗的影響。改進(jìn)算法預(yù)測(cè)結(jié)果比原有方法更接近實(shí)測(cè)結(jié)果，具有較大的實(shí)用價(jià)值。 5.3大氣折射修正方法的改進(jìn) Longley-Rice模型參考衰減為距離的分段函數(shù) （5-1) 定義的三段分別稱為視距區(qū)域，繞射區(qū)域和散射區(qū)域。模型控制置信度的參數(shù)由統(tǒng)計(jì)量給出，L(qT,qL,qS）作為時(shí)間，位置，形勢(shì)分量的函數(shù)，衰減不會(huì)超出這個(gè)值。也就是說(shuō)，在必的情況下，至少有私的地點(diǎn)衰減不會(huì)超過(guò)L(qT,qL,qS），并且這個(gè)時(shí)間至少為qT。 對(duì)于光滑地球地平線的距離，是基于平坦地面的二徑反射理論和一個(gè)繞射損耗的外插值計(jì)算的;對(duì)恰好超過(guò)從到,的地平線距離(為繞射損耗和散射損耗相等的地點(diǎn))，參考衰減值是刃峰繞射和光滑地球繞射計(jì)算的加權(quán)平均。加權(quán)因子為頻率、地形不規(guī)則因子和天線高度的函數(shù)。對(duì)于很不規(guī)則地形，從終端看地平線障礙物可看做是銳利山脊，繞射損耗是基于Epstein-Peterson近似按雙刃峰路徑計(jì)算的。對(duì)范圍大于的超視距路徑，參考衰減按按繞射損耗計(jì)算和正向散射損耗計(jì)算中取較小者。 由于大氣層密度分布的不均勻性，導(dǎo)致電波傳播產(chǎn)生折射現(xiàn)象，使得電波傳播距離與實(shí)際距離不符。在Longley-Rice模型中，傳輸距離參數(shù)給出的是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的地面水平距離，但影響傳輸損耗的距離是電波實(shí)際傳播的距離(視在距離)，并且該模型預(yù)測(cè)損耗值是傳播距離的分段函數(shù)，傳播距離直接影響傳輸衰落曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因此必須對(duì)給出的傳播距離參數(shù)加以修正。Longley-Rice模型采用等效地球半徑法修正大氣折射誤差，等效地球半徑定義為散射梯度△N或地球表面折射值N的函數(shù)。定義N=(n-1)10^6其中，。為地球表面大氣折射指數(shù)。該方法對(duì)折射率剖面的計(jì)算沒(méi)有利用折射率負(fù)梯度的值在不同氣候類型之間有較大差異的特性，實(shí)際中這種差異比較明顯，而折射率剖面直接影響到電波傳播的實(shí)際路徑，從而影響預(yù)測(cè)精度。下面提出一種改進(jìn)的折射修正方法，以改進(jìn)Longley-Rice電波傳播衰落預(yù)測(cè)精度。 電波折射示意圖如圖1所示，T為發(fā)射天線相對(duì)平均海平面的高度，T’為T在海平面上的投影，R為接收天線相對(duì)海平面的高度，R’為R在海平面上的投影，0為地心原點(diǎn)，為地球半徑，P為射線上的某點(diǎn)，θ為射線在P點(diǎn)處的仰角，dl為射線在P點(diǎn)處的一小段弧線，dr為地球徑向延長(zhǎng)線在P點(diǎn)處的線段小量，為射線上P點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地心張角小量，為收發(fā)天線之間的地面水平距離，ds為在P點(diǎn)與地心連線和地球表面的交點(diǎn)處水平距離小量，為發(fā)射天線高度，單位m。為接收天線高度，單位m,益為電波傳輸視在距離，單位km,n為P點(diǎn)處的電波折射率，射線在T點(diǎn)處的初始仰角。 圖1 電波傳播折射幾何圖 利用Longley-rice模型計(jì)算電波傳輸路徑損耗時(shí)，收發(fā)天線間的距離參數(shù)給出的是地面水平距離，即，而實(shí)際電波傳播距離為TR，下面根據(jù)Snell定理，利用射線描跡法推導(dǎo)和TR之間的關(guān)系式。 首先推導(dǎo)地面水平距離計(jì)算公式: 由圖2知: 從而， 進(jìn)而得， (5-2) 由SNELL定理可導(dǎo)出， (5-3) 從而， (5-4) 下面推導(dǎo)實(shí)際電波傳播距離TR的計(jì)算公式: 設(shè)光速為c，電波從發(fā)射天線T傳到R的時(shí)間為t，則 (5-5) 從而， (5-6) 由SNell定理導(dǎo)出 (5-7) 從而得到， (5-8) 進(jìn)而得到， （5-9） 利用上式可以將模型的輸人參數(shù)地面水平距離映射為電波實(shí)際傳播距離TR，上式中為未知變量，在△TOR中利用余弦定理可求得: 由Snell定理可得， （5-11） 上面兩式右邊相等，通過(guò)數(shù)值積分可以求出的值。至此，在知道n的垂直分布的情況下根據(jù)式（5-9）可得到TR和之間的關(guān)系。 下面的三段式模型能較為精確的給出N的計(jì)算式， 進(jìn)而根據(jù)n=N10^6+1求出n; （5-12） 其中,為地面的海拔高度,為地面折射率，為離地面lkm高度折射率，為近地面lkm折射率負(fù)梯度，cal為lkm至9km處指數(shù)衰減率，為海拔為9km處的折射率，該值較穩(wěn)定，不論何時(shí)何地均可取105N單位。ca9為海拔9km至60km指數(shù)衰減率，其年平均值可取1432/km。 第六章 展望 無(wú)論是在下一代5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)還是在未來(lái)的無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃當(dāng)中，Longley-rice模型及其校正都有著極其重要的作用，其必須向著更精確、更智能化的方向發(fā)展，以適應(yīng)高科技網(wǎng)絡(luò)的需求。在未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化中，隨著城市化的發(fā)展，同一區(qū)域傳播環(huán)境將包含更多的不同地質(zhì)地貌，這就使得傳播模型的校正將隨著客觀環(huán)境的變化而變得更加復(fù)雜，longley-rice模型校正算法還應(yīng)該具備環(huán)境自適應(yīng)的功能，以降低校正過(guò)程的工作量，提升數(shù)據(jù)的有效性,從而為未來(lái)蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。  參考文獻(xiàn)