海上无线电监测浮标的覆盖范围研究∗

金鹏熊 瑾 煜 张晓勇（盲信号处理重点实验室成都610041）

海上无线电监测浮标的覆盖范围研究∗

金鹏熊 瑾 煜 张晓勇
（盲信号处理重点实验室成都610041）

海上无线电波传播损耗预测是确定海上无线电监测范围的基础。论文从基于浮标的海上无线电监测需求出发，简要分析了浮标无线电波传播特点以及多种海上无线电波传播模型，以适用性和平均预测误差最小为准则，选择Long⁃ley-Rice模型作为海上无线电监测浮标覆盖范围评估的模型。重点研究了VHF/UHF频段浮标覆盖范围与监测频率、收发天线高度、海况以及接收机灵敏度之间的关系，研究成果可作为无线电监测浮标设计和部署的参考。

无线电监测；浮标；Longley-Rice模型；覆盖范围

Class Num ber TN98

1 引言

随着我国经济快速发展，综合国力不断提升，经济发展对海洋的依赖日益增加，特别是在海上丝绸之路经济战略提出以来，各类舰船出海频率不断增加，海上用频设备不断丰富，船舶乱用和盗用无线电频率的现象时有发生，极大地影响了海上交通运输业务的安全。另外，海上方向是我国战略利益拓展的重要方向，是确保国家长治久安和持续发展必争必保的战略空间，海上无线电监测不仅能够为民用无线电频谱管理提供所需要的参数，而且可以为军队制定无线电频谱管理和通信保障计划提供技术支撑，对国家安全、海上维稳以及海上作战等方面具有重大意义。

浮标是锚定在指定位置浮于水面实现某种特定用途的海洋观测平台，已广泛用于海洋环境监测、水声信号探测以及无线电中继通信等领域，技术相对成熟。采用浮标可以实现对指定海域无线电环境的实时监测，相比于传统的人工出海监测方式，监测效率更高、费用开销更小，具有良好的应用前景。

本文从基于浮标的海上无线电监测需求出发，针对监测浮标的实际部署问题，以Longley-Rice传播损耗模型为基础，首次给出了VHF/UHF频段下监测浮标覆盖范围与监测频率、收发天线高度、海况以及接收机灵敏度之间的关系，为无线电监测浮标的实际部署提供参考。

2 浮标无线电波传播的特点

海上无线电波主要来源于舰船、港口或附近岛屿上的单边带短波电台、甚高频无线电话、短波对讲机、蜂窝移动通信网以及卫星移动通信网等。浮标对指定海域及其周围空域开展无线电实时监测可以理解为浮标与岸上监测站、浮标与海上舰船之间进行电波传播。岸上监测站负责接收浮标回传的监测信息，通常建在沿海海拔较高的地方，高度一般在80m~200m不等；水面舰船因船舶类型、通信目的的不同，天线高度通常为3m~50m不等；而浮标因浮标体结构的原因，天线高度一般较低，通常来说不超过5m。频率高于30MHz的无线电波在海上传播时，接收天线接收的电波主要是由通过空气传播的直达波和经过海面反射的反射波构成，并且对于矮小的浮标天线来说，直达波受海面变化的影响较大［1］。海面浮标无线电波传播路径如图1所示。

3 浮标海上无线电波传播模型的比较和选择

相比于通常情况下的海上无线电波传播，由于浮标接收天线贴近海面，浮标无线电信道更容易受到海浪起伏的动态影响［2~3］，因此研究适用于浮标的海上无线电波传播模型具有很强烈的现实意义。目前普遍采用的海上无线电波传播模型有自由空间传播模型、Egli模型、Okumura-Hata模型、ITU-R P.1546模型和Longley-Rice模型等，本节首先给出Longley-Rice模型的理论介绍，然后从模型适用性和Matlab仿真分析的角度，充分考虑浮标海上无线电波传播的实际情况，对上述五种模型进行对比分析。

3.1 Longley-Rice模型

Longley-Rice模型由Longley和Rice提出，以传播理论为依据，结合了数千组实测数据，属于半经验半确定性模型。该模型下，传播损耗的计算基于不同的传播距离和传播模式：在视距范围内以反射传播机制为主，在超视距情况下以衍射传播为主，对于更远的距离则以散射传播为主。其数学描述为

式中，d为传播距离，单位为km；f为无线电波频率，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；Le、Led和Les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；Lfree为自由空间传播损耗，Lref为由Longley-Rice模型计算得到的超出自由空间传输损耗的参考中值。

目前，Longley-Rice模型已被广泛用于海上无线电波传播损耗的预测。文献［2］采用Longley-Rice模型对海面浮标中继通信系统电波传输损耗进行仿真研究，确立了海面浮标信道通信与海洋环境及通信系统结构的关系；文献［4］通过补充双径模型和雨衰模型使得改进后的Longley-Rice模型更能反映远海区域移动信道传输特征；文献［5］在Longley-Rice模型基础上，建立了等效散射模型，描述了接收机附近的损耗情况，减小了计算误差；文献［6~7］在文献［8］的基础上，选择Longley-Rice模型来计算接收点场强，对船载通信侦察系统在不同距离上的侦察概率进行定量分析，进而估算系统的有效侦察距离。

3.2 适用性分析

对于上述五种传播模型，自由空间传播模型最为简单，传播损耗仅与工作频率和传播距离有关，与实际偏差最为明显；Okumura-Hata模型和Egli模型属于经验模型，是在大量实测数据经分析后得出的模型，这类模型比较简单，限定条件较少，通常只适用于预测小场景、近距离的无线电波传播，精确度也比较低；而Longley-Rice模型和ITU-R P.1546模型考虑了更多与地形相关的参数，有不少文献［9］都表明它们能对海上无线电波的传播进行较好地预测。几种海上传播模型的适用性比较如表1所示。

表1 几种海上传播模型的适用性比较

表1从适用频率、使用范围、接收天线高度和发送天线高度对上述五种模型进行了比较。从表中可以看出，Egli模型仅限于视距传播，预测距离较短；Okumura-Hata模型的发送天线高度最低为30m，远高于海上船舶天线的最低高度；而自由空间传播模型、Longley-Rice模型和ITU-R P.1546模型从适用性的角度考虑虽都能满足浮标无线电波传播的要求，但Longley-Rice模型相比另外两者来说考虑了更多与地形有关的因素，同时兼顾了传播环境中介质的电气特性，包括海面折射率、海面电导率、介电常数等，并且模型基于的实测数据大多数是在接收天线高度为1m~9m的情况下测得。因此，从适用性角度来说，Longley-Rice模型更能体现浮标无线电波近海面传播的特点。

3.3 仿真分析

本节采用福建某海域实测数据［10］对上述五种传播模型的预测精度进行仿真对比验证，通过平均预测误差最小的原则来考量究竟哪种传播模型更适合浮标海上无线电波传播损耗的预测。定义平均预测误差［11］为

式中，N是电波传播路径上的采样点数，Lmodel和Lreal分别代表各模型在对应采样点上计算得到的传播损耗和实测的传播损耗，单位为dB。

原文测试条件为：信号频率900 MHz，岸基固定发射天线高200m，增益18dBi，水平波束宽65°，单极化，输出功率80W，有效辐射功率66.29dBm，船载接收天线高3m，测试距离7km~42km。考虑到测试时海浪较大，在数据处理时，首先以1km为间隔进行采样点平均，以消除因海浪带来的数据扰动，其次在Longley-Rice模型、ITU-R P.1546模型和Egli模型中考虑不规则地形参数D h，以提高预测精度；在Okumura-Hata模型中使用开阔环境修正，保证每种模型都能较好地满足实测海洋环境。仿真结果如图2所示。

从仿真结果来看，在整个测试距离内，五种模型的传播损耗预测曲线与实测数据曲线的上升趋势基本一致，但相比于其他三种模型，Longley-Rice模型和ITU-R P.1546模型与实测数据更为吻合。对比Longley-Rice模型和ITU-R P.1546模型，在预测距离为9km~20km时，ITU-R P.1546模型与实测数据更相近，但当预测距离超过30km时，ITU-R P.1546模型与实测数据相差接近10dB，偏差较大，而此时Longley-Rice模型与实测数据更为吻合。现用式（4）来计算各个模型的平均预测误差，计算结果如表2所示。

表2 各模型平均预测误差

表2给出了几种模型相对于实测数据的平均预测误差，和适用性分析的结论一样，Longley-Rice模型的平均预测误差最小，约为2.43dB，表明其更适合作为接收天线较矮的海上无线电波传播损耗预测模型。

4 海上无线电监测浮标覆盖范围评估

4.1 仿真参数选取

影响浮标无线电覆盖范围的主要因素有发射功率大小、天线增益、天线角度/方向性以及水文气象条件等。本节结合实际情况对覆盖范围评估中所需参数进行选取，设定仿真参数为：浮标端接收天线高度h2分别为3m、4m和5m，采用全向天线，增益GR=3.5dBi，接收机灵敏度为-90dBm；舰船发送天线高度高度h1分别为45m、25m和3m，发射功率为20W，发射天线增益为GT=5dBi；监测频段为VHF/UHF频段，海水的电导率和介电常数分别为81F/m和5S/m，气候类型为热带海洋性气候（Mari⁃time Tropical），其海面折射率为370N-units；收发天线标准选用“Careful”，都为垂直极化方式；时间参量分位数设为0.9，位置参量分位数设为0.9，情景参量分位数设为0.9，监测半径步进参数取1km。

4.2 收发天线高度与覆盖范围

图3给出了浮标接收天线高度为3m，不同发射天线高度下监测频率与监测半径之间的关系。对于发射天线高度分别为45m、25m以及3m的发射天线，无线电频率低于150MHz时，监测半径随频率的增加缩减较快，高于150MHz时则较为平缓。另外，对某一固定监测频率而言，在同样的发射功率下，发射天线高度越高，浮标天线对该频率信号的监测距离越远。

图4 给出了舰船发射天线高度为25m，接收天线高度分别为5m、4m和3m情况下监测频率与监测半径之间的关系。对于矮小的浮标天线来说，监测半径受浮标天线高度变化的影响并不大，在整个监测频段内只存在1km~3km的差距。

4.3 海况与覆盖范围

为了全面分析海上无线电监测浮标的覆盖范围，引入不规则地形参数D h以模拟不同海况等级下海面散射对覆盖范围的影响。不规则地形参数D h定义为地形起伏的90%与10%的高度差，不同海况下D h的取值可以根据定义由国际通用的海况表计算得到。另外，海况还直接影响着浮标天线的姿态，研究表明［12］，圆柱形浮标受波浪刺激最小，是海洋监测的理想平台，在3、4级海况条件下，圆柱形浮标体俯仰摇摆角度均方值为8.067°。而全向天线的增益可以表示为

式中，H为水平面角度，V为垂直面角度，k在27000~42000之间取值，通常情况下，取k=32000，H=360°，V=40°以保证浮标体最大摇摆角度时不出现信号电平的剧烈衰落，并使系统保持最大的电平储备［13］。对于理想海况，由式（5）计算得到浮标天线接收增益GR=3.5dBi；对于3、4级海况，GR在2.7dBi~4.4dBi之间。因此，海况还动态地影响着浮标天线的接收增益。

通常，浮标的工作环境设置在3级海况，生存环境为4级海况。图5给出了舰船发射天线高度为25m，浮标接收天线高度为3m，浮标生存海况等级与0级海况下监测频率与监测半径之间的关系，反映出水文气象条件对无线电监测浮标覆盖范围的影响。可以看出，海况对覆盖范围的影响随着监测频率的增加而更为明显，在监测频率小于100MHz时，3、4级海况几乎不会带来覆盖半径偏差，而当频率超过100MHz时，偏差增大至3km；另外，对于同一监测频率，海况等级越高，海况对浮标的覆盖半径影响越大。

4.4 接收机灵敏度与覆盖范围

以上仿真是在接收机灵敏度为-90dBm情况下来讨论的，实际接收机的灵敏度因系统内部噪声的不同而有所差异。一般情况下，监测接收设备距被测无线电辐射源较远，并且天线的最大接收方向通常不能准确对准被测无线电辐射源发射机天线的最大辐射方向，接收信号一般很微弱，这就要求监测接收设备具有很高的灵敏度。因此，实际工程到底采用灵敏度为多大的接收机来保证需要的监测范围也是一个值得讨论的现实问题。

图6给出了收发天线高度分别为3m和25m，理想海面情况下，典型接收机灵敏度对覆盖范围的影响。与实际情况一样，对于同一监测频率，接收机灵敏度越小，监测范围越大。表3给出了监测频率为150MHz时典型接收机灵敏度下监测半径的数值。可见监测频率为150MHz，接收机灵敏度在-80dBm~-100dBm的情况下，接收机灵敏度每提高5dBm，监测半径可增加约6km。

表3 150MHz时典型接收机灵敏度下的监测半径

4.5 UHF频段分析

以上分析重点考察了VHF频段监测半径受监测频率、收发天线高度、海况以及接收机灵敏度的影响。对于UHF频段，监测频率对监测半径的影响已经很小，这主要是因为UHF频段频率较高，影响电波传播损耗的主要因素已经不再是地形变化，而是由于对流层散射所致。在接收机灵敏度为-90dBm时，Longley-Rice模型仿真结果如表4所示。从表中不难发现各情况下监测半径与频率为300MHz时的仿真结果基本一致，只在海况等级较高的情况下出现4km左右的浮动。

表4 UHF频段仿真结果

5 结语

近年来，海上时常发生的无线电干扰极大地影响了海上交通业务运输安全。对此，利用本文对海上无线电监测浮标覆盖范围的评估结果，可以为无线电监测浮标的实际部署提供参考。例如，由仿真结果可知对于水上移动VHF无线电话业务156.8MHz的呼叫频率，监测浮标的有效监测半径约为13km~30km。

另外，在实际部署时，还应结合拟部署海域的实际情况，尽量部署在海况较好的海域，以提高监测浮标的覆盖范围。某些情况下，不仅需要做到对海面的连续覆盖，有时候还需要考虑重点区域的覆盖，比如重要捕鱼作业区、油井以及重要航道等，这时就需要重点考虑监测对象的工作频段，有针对性地设置浮标位置，使监测对象处于覆盖范围之内。

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Coverage Research of M arine Radio M onitoring Buoy

JIN Peng XIONG Jinyu ZHANG Xiaoyong
（Science and Technology on Blind Signal Processing Laboratory，Chengdu 610041）

Prediction of radio wave propagation loss at sea is the basis for determining the range ofmaritime radiomonitoring. This paper begin with radiomonitoring requirements based on the sea buoy.Briefly analyzes the characteristicsof radio wave propa⁃gation and themodel of radio wave propagation at sea.Treating applicability andminimal average prediction error as the criterion. Choosing the Longley-Ricemodelas themaritime radiomonitoring buoy coverage evaluationmodel.Focusing on the relationship be⁃tweenmonitor range and themonitor frequency，antenna height，sea conditions and the sensitivity of the receiver under UHF/VHF frequency.The research results can beused as the referenceof radiomonitoringbuoy design and deployment.

radiomonitor，buoy，Longley-Ricemodel，coverage

TN98 DO I：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.006

2016年11月18日，

2016年12月19日

金鹏，男，硕士研究生，研究方向：微弱信号检测、多源信息融合。熊瑾煜，男，博士后，高级工程师，研究方向：无源定位跟踪、海洋电子信息。张晓勇，男，博士，工程师，研究方向：通信与信息系统、信号检测与识别。