高仰角对流层散射传播损耗的改进预测方法

张利军 张蕊 赵振维 林乐科

(1.中国电波传播研究所, 青岛 266107;2.中国电波传播研究所 电波环境特性及模化技术重点实验室,青岛 266107)

高仰角对流层散射传播损耗的改进预测方法

张利军1张蕊2赵振维2林乐科2

(1.中国电波传播研究所, 青岛 266107;2.中国电波传播研究所 电波环境特性及模化技术重点实验室,青岛 266107)

鉴于ITU-R P.617建议只可用来计算低仰角而不适合于高仰角情形下的对流层散射传播损耗,提出了一种适用于高仰角对流层散射传播损耗的改进预测方法．分析了不适用于高仰角情形的原因,发现散射体离收发连线的高度H可能小于离地高度h,而通常的物理含义下H>h．因此根据散射几何模型,替换了原有的散射体高度表达式,在近似条件下令两个散射体高度相等,将新的散射体高度表达式代入计算．链路预测结果表明:改进的简单预测方法极大地改善了原有预测结果,更加接近实验结果,且与适合于高仰角的复杂美国国家标准局(National Bureau of Standards,NBS)方法预测结果基本一致．

高仰角;对流层散射;传播损耗;预测方法

引 言

对流层散射传播具有诸如单跳跨距大、保密性好、不怕核爆炸以及不受电离层骚扰等不可替代的优点[1],在军用和民用通信中具有广泛的应用．20世纪50年代起,国外对对流层散射传播这种超视距传播机制以及链路传播损耗计算相关研究开展了大量的试验和理论研究,基于对流层散射传播理论以及试验数据形成了国外的对流层散射传播预测方法[2-3]．随后,人们在北大西洋以及北欧相继建立多条军用对流层散射电路．国内于20世纪五六十年代,紧跟国际前沿,在对流层散射传播方面做了大量的理论和试验研究．在我国华北、华东和华中等地区十几条电路上开展了一系列传播试验,提出了适用于中国的散射传播预测公式[4]．20世纪90年代,以我国学者的研究成果为代表,形成了适用于全球的对流层散射传播损耗计算方法[5],即ITU-R P.617建议．需要指出的是,该方法是基于大量的全球实测数据以及综合诸多散射传播机理得到,在超视距传播链路预测中具有广泛的适用范围．对流层散射传播发展至今,已广泛应用于石油、水利、电力、采矿等各种工业部门指挥、调度等[6-8]．随着通信新技术的发展,文献[9]将正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技术引入对流层散射通信系统,实现了散射通信容量的增加,同时考虑天线分集技术抑制子载波间的干扰．近年来,对流层散射用于超视距无源侦察也得到了人们较大的关注,文献[10-15]利用对流层散射实现了雷达信号的超视距传输进而开展对流层散射超视距的无源定位与探测等．文献[16]计算了对流层散射传播中收发天线对不准情形下的偏移损耗,并利用实测试验数据进行验证,为高精度无源侦察定位提供了理论参考．

同时,随着国际上对对流层散射通信应用范围认识地不断提高,发现散射通信在5～100 km的越障通信具有良好的应用前景．然而相关文献[17-18]指出:在越障通信中,收发天线仰角较大,ITU-R P.617建议不适于该种情形下的传播损耗计算．随着天线仰角的增大,利用该方法计算的传播损耗急剧增加,与实测结果存在较大差别．文献[19]分别定义了高仰角、低仰角(其中高仰角对应文中指出的越障应用模式,即电波波束抬高,散射角较大;低仰角对应文中指出的常规应用模式,即电波波束沿着地球切线方向,散射角较小),给出了高低仰角情形下的ITU-R P.617建议预测结果以及美国NBS方法预测结果,并与实测数据进行了比较．比较结果表明:在低仰角情形两种预测结果基本一致,而在高仰角情形下NBS方法预测结果与试验结果较为一致．

鉴于ITU-R P.617建议在应用于高仰角时出现预测结果与实测不一致的问题,文中首先将该计算方法中与散射角相关的损耗项提出,并对不同距离下的散射体高度进行仿真分析,找出了导致传输损耗迅速增加的原因:散射体高度随着仰角的增大急剧增加,进而导致在高仰角情形下出现散射体离收发连线高度H小于离地高度h,不满足其物理含义．因此,在高仰角情形下给出了新的散射体高度解析表达式,替换原来的表达式,得到了一种适合于高仰角的散射传播损耗改进预测方法．该方法与文献[19]中建议的NBS方法预测结果较为一致,同时与试验结果相比,极大地改善了原有方法的预测结果．

1 ITU-R P.617建议预测方法

ITU-R P.617建议中给出的对流层散射传输损耗中值为如下形式[5]:

Lm=F+30lgf+30lgΘ0+

10lgd+20lg(5+γH)+

4.343γh+Lc-Gt-Gr.

(1)

式中:Lm为传输损耗中值,dB;F为气象因子,dB;f为频率,MHz;Θ0为散射角,mrad;d为散射电路距离,km;γ为对流层不均匀性强度随高度的指数衰减系数,km-1;H为最低散射点到收发连线的距离,km;h为最低散射点到地面的距离,km;Lc为耦合损耗,dB;Gt、Gr分别为发射天线、接收天线增益,dB．

最低散射点到收发连线的高度H和最低散射点离地高度h分别为:

H=10-3Θ0d/4,

(2)

h=10-6Θ02ae/8．

(3)

将与散射角有关系的所有损耗项叠加在一起,有

LΘ=30lgΘ0+20lg(5+γH)+4.343γh.

(4)

假定链路距离分别为20 km、300 km,等效地球半径取ae=8 500 km,则对于大陆性温带气候区取γ=0.27,散射角Θ0从1°到10°变化对应的LΘ项变化如图1所示．

图1 LΘ随Θ0的变化

由图1可见:随着散射角的增大,进而会带来与散射角有关的损耗项LΘ显著增加．然而,这在近距离越障通信中与相关实验结果不符,正如文献[19]中计算结果表明:实测损耗为251 dB,而利用ITU-R P.617建议计算结果为306 dB,二者相差达55 dB．对与散射角存在关系的损耗项分析可以发现:其中散射体离收发连线高度H以及散射体离地高度h均随着散射角的增大而显著增加,进而带来传输损耗的迅速增大．

(a) 近距离的情形(d=20 km)

(b) 远距离的情形(d=300 km)图2 散射体高度随Θ0的变化

2 改进的高仰角简易预测方法

ITU-R P.617建议作为通用的远距离预测方法,散射角的变量中包含了收发天线高度和仰角的信息．图3给出了散射角示意图．为清楚起见,此处重新列出这些参量．其中假定发射、接收天线的海拔高度分别为hts、hrs,散射通信距离为d,发射、接收端仰角分别为θ1、θ2．θ1和θ2由收发端前方的障碍物决定,其表达式为:

(5)

(6)

图3 散射仰角示意图

式中:hLt为发射端附近最高障碍物的高度;dLt为发射端到附近最高障碍物的距离;hLr为接收端最高障碍物的高度;dLr为接收端到附近最高障碍物的距离．

在不规则地形的情况下,图示的发射天线和接收天线视线与收发连线的夹角α、β可用下式计算:

(7)

(8)

(9)

式中,d为距离．近距离情形下,地球可视为平坦地球,则近似有h=H．

将公式(9)以及近距离情形下的近似表达式h=H替换ITU-R P.617中的式(2)、(3),其余依照原有的方法,即得到了适用于高仰角的对流层散射传播改进预测方法．

将改进的散射体高度表达式代入式(4)中,计算得到的与散射角有关的损耗项如图4所示．由图4可见,随着仰角的增大,传输损耗增加的趋势趋于平缓．

图4 LΘ随Θ0的变化

3 实测数据与改进算法比较

为了研究高仰角条件下的信号传输特性,2003—2008年分别在华北地区、东南地区、北京地区开展了多次试验,对不同距离、仰角的散射链路进行测量,获得了大量测试数据[18]．在试验中采用的测试设备有收发信机、400 W功放、2.4 m天线,以及多功能终端．多功能终端可产生不同的信号形式,测量接收电平时产生单频信号,可自动记录和保存数据．一般每条链路测试2～6 h,对于接收电平,每隔5 min测试一组数据,每组测试时间为20 s,记录20 s时间内的中值电平和衰落速率,最终统计出整个测试时间的中值电平,然后折算为中值传输损耗．此处直接使用文献[18]的传播损耗中值数据,并利用改进算法计算实际链路的高仰角传输损耗,结果如表1所示．由表中数据可见:直接利用ITU-R P.617建议计算的结果要显著大于试验结果(收发端仰角为22°/9°时,差别可达304 dB);利用改进预测方法计算的结果与实验结果更为接近．与实测数据相比,改进预测方法平均误差8.4 dB,均方根7.7 dB．

利用NBS方法计算的结果亦列在表中,由表中数据可知:改进的预测方法与NBS预测方法有相当的精度,最大误差为3 dB,最小误差为0.9 dB．NBS方法的准确性已得到众多电波传播专家的确认,唯一的缺点是需要涉及到大量的图表和运算,使用不便．因此,与NBS方法的一致性说明了改进预测方法的有效性．

对于大部分链路来讲,计算值大于实测值．这可能是由于测试样本仅仅在8月份或者10月份开展有关,且取2～6个小时的数据,没有考虑冬季较低的接收电平,因此出现了计算的损耗中值大于实测值的现象．

表1 实测数据以及计算结果

需要指出的是:表1最后一列给出了文献[18]的预测结果．该方法在基于光滑球面散射传输损耗公式的基础上,另外考虑三种影响散射传输损耗的因素:1)散射角增加使得散射截面减小;2)散射体高度增加引起大气折射指数降低;3)有效散射体体积减小．文中给出的高仰角散射传播预测方法为

L=LG+Lθ．

(10)

式中:LG为光滑球面条件下的散射传输损耗,可按ITU-R P.617建议的方法计算;Lθ为高仰角带来的附加损耗,其表达式为

Lθ=Ls+Lv+LN

40lgΘ0+0.2ΔN.

(11)

式中:s为电路对称因子;ΔN为仰角抬高导致的散射体高度处的折射指数差．该方法需要首先利用ITU-R P.617建议计算光滑球面条件下的散射损耗,然后再计算高仰角带来的三项附加损耗,最终得到高仰角散射传播损耗．需要指出的是:该方法由于考虑了实际折射指数的变化,因此在短时测量中相对接近实测结果．然而,针对长期测量的年传输损耗中值来说,该方法预测结果有待进一步验证．

4 结 论

将ITU-R P.617建议的散射体高度加以修改,得到了适合于高仰角的对流层散射传播损耗的改进预测方法．该方法所有参数均有相应的解析表达式,计算方便,适合工程应用,且与NBS预测方法具有相当的精度．与NBS方法相比,改进的预测方法无需NBS繁杂图表数据,更加简单易用．与文献[18]提供的方法相比,无需计算额外的附加损耗,只需替换散射体高度表达式,然后按照ITU-R P.617建议方法计算即可．其准确度的进一步验证需要大量的长期的高仰角散射链路测量数据来进行,这将是下一步的工作重点．

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张利军(1982—),男,河南人,高级工程师,研究方向为对流层散射传播理论、移动信道测量与传播特性．

张蕊(1979—),女,河北人,高级工程师,主要研究方向为波导传播、对流层散射传播、移动信道传播特性等．

Animprovedpredictionmethodofthetroposcatterpropagationlosswithhighelevation

ZHANGLijun1ZHANGRui2ZHAOZhenwei2LINLeke2

(1.ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China;2.NationalKeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

Usually we use ITU-R P.617 recommendation to compute the troposcatter propagation loss of low scatter angle case, however, it is not fit for the high scatter angle case. We propose an improved method for high scatter angle case in this paper, and analyze the reason why it is not fit for the high scatter angle case. We find that the height of the common volume above the line of transmitter and receiver called H maybe smaller than the height above the ground called h, but from the physical meaning, H must be larger than h. So according to the geometry model, we replace the original expression of H, and in an approximate condition we suppose the two heights are equal. If we substitute the new expression into the link prediction, we find that it is improved well compared to the original results and closer to the experimental results. The proposed method is also agreed well with complex U.S.National Bureau of standards(NBS) method which is used for both low and high elevation.

high elevation; troposcatter; propagation loss; prediction method

张利军, 张蕊, 赵振维, 等. 高仰角对流层散射传播损耗的改进预测方法[J]. 电波科学学报,2017,32(4):449-454.

10.13443/j.cjors.2017041902

ZHANG L J, ZHANG R, ZHAO Z W, et al. An improved prediction method of the troposcatter propagation loss with high elevation [J]. Chinese journal of radio science,2017,32(4):449-454. (In Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2017041902

TN011

A

1005-0388(2017)04-0449-06

DOI10.13443/j.cjors.2017041902

2017-04-19

联系人： 张利军 E-mail: crirpzhlj@sohu.com