Longley-Rice無線電波傳輸模型

1、目錄i第一章緒論11.1研究背景11.2模型分類及參數(shù)11.3 Longley-Rice模型傳輸損耗21.4 Longley-Rice模型的適用范圍3第二章傳播模型分析及建模52.1傳播模型的分析與選擇52.2 Longley-Rice模型建模82.2.1衍射傳播損耗92.2.2視距(LOS)傳播損耗102.2.3向散射傳播損耗102.3仿真分析102.3.2 SRTM高程數(shù)據(jù)的抽取過程112.3.3接收機(jī)高度描述122.3.4 結(jié)果13第三章Longley-rice等效模型的建立153.1 longley-rice的現(xiàn)狀和不足153.2 Longley-Rice模型的改進(jìn)15第四章利用lon

2、gley-rice模型設(shè)計的可視化電磁環(huán)境174.1電磁環(huán)境可視化174.2三維電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)生成184.2.1不規(guī)則地形剖面提取184.2.3電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)計算194.3在三維數(shù)字地球上體繪制電磁環(huán)境204.3.1硬件加速的直接體繪制204.3.2電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)包圍盒204.3.3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)255.1 對Okumura-Hata和Longley-Rice的比較255.2 Longley-Rice模型中對大氣折射誤差的修正255.3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-Ric

3、e無線電波傳輸模型1是由Longley和Riee提出的無線電波傳輸模型，該模型為統(tǒng)計模型，它是以無線電波傳播理論為依據(jù)，并結(jié)合了許多實際環(huán)境下的測量數(shù)據(jù)，所以該模型被稱為半經(jīng)驗預(yù)測模型。正是因為該模型是以無線電波傳播理論為依據(jù),有加上了大量的實際測量數(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，特定路徑參數(shù)就很容易被確定。這不預(yù)測方式為“點到點預(yù)測”。如果地形數(shù)據(jù)不夠訓(xùn)確，可以利用Longley-Rice模型估計特定參數(shù)的值這種預(yù)測

4、方式為“區(qū)域預(yù)測”。Longley-rice模型有4種變化模式，分別為單信號模式、單天線模式、移動模式和廣播模式。在longley-rice模型的早期程序中，所有點對點預(yù)測的計算都是基于單天線模式，這里天線的位置是不變的。后來，由于對計算精度需求的提高，人們才引入其他模式。在各種變化模式中，變化的主要是時間、位置和情景3個參量，或者說是一個三維變量。目前，Longley-Rice無線電波模型已有相關(guān)的計算機(jī)仿真程序，可以用來對無線電波傳輸?shù)膿p耗進(jìn)行計算。當(dāng)無線電波傳輸路徑已知時，計算機(jī)的仿真程序可以通過無線電波傳播路徑的長度、極化方向、無線電波頻率、地面有效半徑、收發(fā)天線高度、地面導(dǎo)電常數(shù)以及

5、表面繞射率等參數(shù)確定無線電波傳輸損耗的大小。Longley-Rice預(yù)測模型主要有以下參數(shù)： 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； 折射率:空氣的折射率決定了無線電波的“彎曲”程度。在一般的模型中，空氣折射率用地面有效曲率來代替，通常取1.333。 介電常數(shù):地面的相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率1.3Longley-Rice模型傳輸損耗根據(jù)無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)無線電波傳播于視距范圍內(nèi)時，

6、無線電波傳播方式主要以反射傳播為主。通過對地貌地形的路徑及對流層的繞射特點進(jìn)行分析，預(yù)測出無線電波傳輸中值傳輸衰落，將雙線地面反射模型用來模擬地平線以內(nèi)的傳輸場強(qiáng)。視距傳播模型的適用范圍為:d<d<d。minLS(2) 繞射傳播損耗當(dāng)無線電波傳播于超視距范圍內(nèi)時，無線電波傳播方式主要以繞射傳播為主。但是,當(dāng)無線電波的傳播環(huán)境為不規(guī)則的地形時，會有兩種理論用于計算繞射損耗。其中一種適用于預(yù)測非球形但光滑的地面上無線電波的傳播,而另外一種則適用于非常不規(guī)則的地面上無線電波的傳播。采用Fresnel-Kirchoff刃形模型來預(yù)測無線電波傳播的繞射損耗，其計算結(jié)果是上述兩種理論結(jié)果的加權(quán)

7、和。適用范圍:d<d<d為繞射傳播距離，單位為km。Lsx(3) 散射傳播損耗當(dāng)無線電波的傳輸距離為大大超出地平線的遠(yuǎn)距離無線電波的傳輸時，無線電波傳播方式主要以散射傳播為主，預(yù)測理論以繞射理論為主。適用范圍:d<d為散射傳播距離，單位為km。x綜上所述，Longley-Rice模型傳輸損耗L為：bL二L+L(3-15)breffree其中：L二32.45+20lgd+20lgf(3-16)freemax(0,L+kd+klgd),d<d<dbe12minLsLL+m,d<d<d(3-17)refbeddLsxL+md,d<dbessx式中:d為

8、傳播距離，單位為km;f為無線電波頻率,單位為MHz;d為光滑地面距離;dLsx表示此處的繞射損耗和散射損耗相等;L、L、L分別表示自由空間下視距、繞bebedbes射和散射時的傳播損耗值;k和k為傳播損耗系數(shù);m和m分別為繞射和散射損耗系12ds數(shù)。d<d<d為視距傳播距離，d<d<d為繞射傳播距離，d<d為散射傳播距minLSLsxX離。1.4Longley-Rice模型的適用范圍Longley-Rice模型中的實測數(shù)據(jù)大多數(shù)取自10-1000MHz的頻率范圍，其中20-100MHz的數(shù)據(jù)涉及5-50km的距離和1-9m的收、發(fā)信天線高度;較高頻段的數(shù)據(jù)涉及5

9、-1000km的距離，10-1500m的發(fā)射天線高度和3-9m的接收天線高度。數(shù)據(jù)來源于世界各地，但主要是美國，多數(shù)為移動記錄結(jié)果。©Longley-Rice模型給出了參考衰減值的計算公式及不同環(huán)境下相關(guān)修正因子的詳細(xì)說明，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3。同時還引入了反映介質(zhì)特性的2個參數(shù):介電常數(shù)和導(dǎo)電率。以傳播理論為依據(jù)，加上極其豐富的實測數(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;4）

10、表面折射率:250-400Ns。表1.1地面的相對介電常數(shù)和導(dǎo)電率相對介電常數(shù)導(dǎo)電率/（S/m）一般的地面150.005導(dǎo)電性差的地面40.001導(dǎo)電性好的地面250.020純水810.010海水815.000表1.2氣候類型和相應(yīng)地表折射率氣候類型地表折射率（N-units）1近赤道氣候（如：剛果）3602亞熱帶大陸性氣候（如：蘇丹）3203亞熱帶海洋性氣候（如：非洲西海岸）3704沙漠氣候（如：撒哈拉沙漠）2805溫帶大陸性氣候3016溫帶海洋性氣候（陸地上）（如：英國）320在Longley-Rice模型中，溫帶大陸性氣候為溫地區(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

11、。在中緯度沿海地區(qū)，強(qiáng)大曠海風(fēng)為大陸帶來了濕潤的空氣，因此這里主要是溫帶海洋性氣候。英國、美國西海岸和歐洲部分地區(qū)就是這種氣候的典型代表。對于小于100km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。但是對于更長的路徑而言，帶海洋性氣候帶來了更多的折射，使得在約10%時間內(nèi)其場強(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，一般情況下可能會途經(jīng)平原、丘陵、高山、河流甚至是海洋等不規(guī)則地形，對通信信道損耗的預(yù)測需要考慮不同的天然地形環(huán)境的影響。同時還要考慮樹木、建筑物和其他遮擋物等人為因素的影響。電波傳播預(yù)測模型大體可分為兩

12、類:一類是基于電磁波傳播理論7，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強(qiáng)值，該類模型通常適用于計算近區(qū)場電磁傳播，而對遠(yuǎn)區(qū)場而言邊界條件難以確定，需要考慮的因素增多，計算相當(dāng)復(fù)雜;另一類是利用數(shù)理統(tǒng)計方法，通過將大量數(shù)據(jù)篩選后進(jìn)行統(tǒng)計分析，并結(jié)合部分電磁理論來確定對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)測模型，屬半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，對遠(yuǎn)區(qū)場的電磁波預(yù)測大都使用該類模型。通過長期的測試、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)測模型，如OkumurHata模型、Egli模型和Longley-Rice模

13、型等。Okumura模型以準(zhǔn)平坦地形大城市區(qū)的中值場強(qiáng)或路徑損耗作為參考，在工程實際中多用于市區(qū)、郊區(qū)和開闊地等地形起伏不大的地區(qū)。對于起伏較大的不規(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，通過曲線擬合所作的經(jīng)驗公式：L二69.55+26.16lgf-13.82lgh-A(h)+(44.9-6.55lgh)(lgd)y+Loss'(21)trt式中:f為電波頻率，單位MHz;d為通

14、信距離，單位km;h、h為收發(fā)天線高度，單位trm;Loss'為地形修正因子，A(h)是移動天線有效高度修正因子，單位dB;Y為距離修正r因子9。Egli模型是通過在VHF頻段和UHF頻段對不規(guī)則地形上得到的大量實測數(shù)據(jù)綜合分析的基礎(chǔ)上提出的一種經(jīng)驗?zāi)Ｐ停缘匦纹鸱驼系K物高度不超過15m為準(zhǔn)，對于地形起伏和障礙物超過15m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)合豐富的實測數(shù)據(jù)，用以預(yù)測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)測模式。當(dāng)能夠獲取詳細(xì)的地形剖而數(shù)據(jù)時10，可以采

15、用點對點模式，如果沒有地形數(shù)據(jù)，預(yù)測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)測模型的適用范圍模型名稱適用頻率/MHz距離范韋ktn收發(fā)天線高度加適用地形Egli40-1000視距30/3起伏較低的不規(guī)則地形()kumura-Hata15019201-10030-200,1-10郊區(qū)、開闊地、丘陵等Loiighy-Ricr20-40000170000.5-3000不規(guī)則地形表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-R

16、ice模型均可用于飛行器通信仿真系統(tǒng)。對這兩種預(yù)測模型在開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。Okumura-HadLongIey-RicM4K式FreeSpace100/B°i)IQ3Q<3040SO6070W90100通信Ki.Sl/km圖2.1開闊地傳輸損耗對比圖2.1中，Longley-Rice模型的預(yù)測值比Okumura-Hata模型的預(yù)測值明顯偏低。Okumura-Hata模型在兩種地形下的預(yù)測值變化較小，丘陵地區(qū)僅比開闊地偏高20dB左右，而Longley-Rice模型的變化較大，丘陵地區(qū)比開闊地高30dB左右。從仿真可以看:Longley-Ric

17、e模型比Okumura-Hata模型對地形的變化更加敏感，特別是圖2.2中Longley-Rice模型的點對點模式能夠?qū)崟r地反映地形對電磁波傳播的影響，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。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;11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電波傳播衰減的影響，但未給出點對點模式下地形影響的仿真結(jié)果。本文通過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，使用點對

18、點模式對電波傳播衰減進(jìn)行了仿真。6021020旳40506G70fiO901Q0通信距離/km圖2.2丘陵地區(qū)傳播損耗對比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h、h:及位置、極化方tr向、地形不規(guī)則度Ah、地球表而折射率N、地而電導(dǎo)率b和相對介電常數(shù)e等因素,sr在考慮電波本身特性的基礎(chǔ)上，同時兼顧了傳播環(huán)境的電氣特性。不同路徑長度的傳播損耗參考中值L的計算如下:refmax(0,L+kd+klgd),d<d<d(22)be12minLsLL+m,d<d<drefbeddLsxL+md,d<db

19、essx式中:d為傳播距離，單位為km;f為無線電波頻率,單位為MHz;d為光滑地面距離;dLsx表示此處的繞射損耗和散射損耗相等;L、L、L分別表示自由空間下視距、繞bebedbes射和散射時的傳播損耗值；k和k為傳播損耗系數(shù);m和m分別為繞射和散射損耗系12ds數(shù)。d<d<d為視距傳播距離，d<d<d為繞射傳播距離，d<d為散射傳播距minLSLsxX離。通過式(22)可以分別計算視距傳播損耗、衍射傳播損耗和散射傳播損耗。同時，再考慮到自由空間傳播損耗，整個傳播路徑上的總體損耗為L二L+L(23)breffree其中：L二32.45+20lgd+20lgf(2

20、4)free式中:d為傳播距離，單位為km;f為無線電波頻率，單位為MHz。2.2.1衍射傳播損耗d<d<d為衍射傳播距離，單位:km.Lsx不規(guī)則地形中的衍射傳播損耗通過結(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修正模型來計算。k=f/f丫=丫(10.04665eNs/nJ0,ea(25)d=、；2h/y,j=1,2Lseje(26)d=d+d,d=d+dLsLs1Ls2LL1L2(27)h.為收發(fā)天線有效咼度，單位:m。eJX=(ky2)-1/3為地球有效曲率acem=L(max(d,d+1.38X)+2.76X)一LddiffLsLaeaediff

21、(max(d,d+1.38X)1(2-8)LsLae2.76XaeL二L(max(d,d+1.38X)m(max(d,d+1.38X)(2一9)eddiffLsLaedLsLaeL(d)二(1w)L+wL+L(210)diffkrfoL=min(15,glg(1+akhha(d)(2一11)fog1g2hLs式(210)根據(jù)參數(shù)二確定雙刃峰衰落L和圓形地球衰落L在衰落計算中的比kr重。式(211)為雜波干擾衰落。2.2.2視距(LOS)傳播損耗d<d<d為視距12傳播距離，單位km.在LOS內(nèi)，以反射傳播機(jī)制為主,minLS采用雙線地而反射模型計算。定乂d=dL=L+md2Ls2e

22、dd2如果L>0，那么d=min(1/2d,4x10-5hhf)，否則ed0Lele2d=max(1/2d,min(-L/m,d2)(2一11)0LeddL31d=d+d(212)14o4lL=L(d)，L=L(d)(213)0Los01Los1式中，L=(1w)L+wL根據(jù)參數(shù)w確定衍射之外的損耗和雙線理論損耗的比重。Losdt2.2.3向散射傳播損耗d<d為散射傳播距離，單位km。計算過程為xd=d+D5Ls(214)d=d+2D(215)6Lsm=(L(d)L(d)/D(216)sscat5scat6sd=maxd,d+Xlg(f),(LLmd)/(mm)xLsLae5eds

23、5ds(217)式中L(s)=10lg(kHO4)+F(Os,N)+H(218)scats02.3仿真分析2.3.1地形剖而數(shù)據(jù)的獲取應(yīng)用Longley-Rice模型的點對點模式進(jìn)行計算時，需要獲取收發(fā)信機(jī)之間詳細(xì)的地形剖而數(shù)據(jù)。在仿真過程中采用質(zhì)量較高的航天飛機(jī)雷達(dá)地形測繪使命高程數(shù)據(jù)SRTM，分辨率為90m,SRTM數(shù)據(jù)有多種存儲格式，此處使用ASCII格式存儲的數(shù)據(jù),通過讀取ASCII文件頭獲取存儲高程文件的基本信息13,如行列數(shù)目N和N、起始經(jīng)re緯度X和Y以及數(shù)據(jù)元大小S等，然后計算目標(biāo)位置點相對起始點的偏移量厶n就能00cell得到該點的高程數(shù)據(jù)。如果該點不能與文件中的位置相對應(yīng)，

24、則使用內(nèi)插值方法，根據(jù)若干相鄰點的高程值求出此點的高程值。2.3.2 SRTM高程數(shù)據(jù)的抽取過程將ASCII文件中除去基本信息的實際高程數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，網(wǎng)格數(shù)目為N*N網(wǎng)格的re起始點坐標(biāo)O(0,0)，終點坐標(biāo)E(N,N).根據(jù)收發(fā)點的經(jīng)緯度確定收發(fā)點在網(wǎng)格中的坐re標(biāo)xT7yTSLcellS-cellxy44SSLcell-Lcell),),向下取整。(Xt，勺=(Xr，Yr)二(根據(jù)收發(fā)點的坐標(biāo)計算采樣點數(shù)N=max(|X-X|,Y-Y|)和采樣點間距TRTRd=90九，單位為m，其中X=廣r.X-XTR(2)米樣點滿足直線方程：y=Xx+Y-XX，由此得到米樣點的坐標(biāo)為RR(X,Y)=(x,

25、y)=(xXx),ie(0,1,2,3.,N)進(jìn)而求得所有采樣點的高程值，也就得到了iiiii,i收發(fā)點之間的地形剖而數(shù)據(jù)。在實驗過程中，選取發(fā)射點坐標(biāo)T(115.9,42.7),接收點坐標(biāo)R(117,43.5),采樣點數(shù)N=1321,d=111.3m,收發(fā)點間距d=146.9km.抽取后的地形剖而如圖2.3所示。中抽取地形剖面數(shù)據(jù)-<左鎖筆<全猴圖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模型的點對點模式】4中，需要明確信號發(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，可以假設(shè)飛行器在飛行過程中，飛行的海

26、拔高度在一段時間內(nèi)變化不大。但飛行器接收機(jī)的結(jié)構(gòu)高度卻時刻在變化著。如圖2.4所示，飛行器在位置1和位置2時的飛行高度相同，均為h，當(dāng)在位置1m時，飛行器處于山體的最頂端上空，此時的接收機(jī)結(jié)構(gòu)高度為h二h-h，且接收機(jī)g2m1處于發(fā)射機(jī)的視距范圍內(nèi)。當(dāng)在位置2時，飛行器飛臨山體的低海拔處，此時接收機(jī)的結(jié)構(gòu)高度變?yōu)閔'，由于山體的阻擋，電波的傳輸以衍射為主。g2接收機(jī)位戲2圖2.4飛行器在不同位置時的接收機(jī)高度描述2.3.4結(jié)果在仿真計算中各工作參數(shù)設(shè)定為:電波工作頻率f=1500MHz，全向天線，垂直極化。發(fā)射機(jī)天線高度h=100m，飛行器飛行海拔高度h=1665m，地而電導(dǎo)率q=0.

27、g1m005,相對介電常數(shù)。e=15,地球表而折射率N=320N.發(fā)射機(jī)坐標(biāo)為(E115.9,N42.7)，rs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)端點之前的傳播衰減值緩慢增長，且曲線較為光滑，這是因為飛行器飛臨視距最遠(yuǎn)端點之前一直處于發(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

28、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，即在多重衍射區(qū)處，電波傳播衰減不但沒有增加，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時會進(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的趨勢，地形的變化己經(jīng)不是影響電波傳播的主要因素，因此，不會引起傳播衰減太大的波動。70050LOO圖2.5點對點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，說明應(yīng)用Lon

29、gley-Rice模型的點對點模式可以較精確地預(yù)測電波傳播衰減。第三章Longley-rice等效模型的建立3.1longley-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)計模型，以傳播理論為依據(jù)，同時結(jié)合了數(shù)千組實測數(shù)據(jù)，因此稱其為半經(jīng)驗預(yù)測模型。由于該模型以傳播理論為依據(jù)，加上及其豐富的實測數(shù)據(jù)15，使其得到了廣泛的應(yīng)用。但是Longley-Rice模型沒有考慮接收機(jī)附近的因素以及多徑的影響，所以預(yù)測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

30、。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)測的精度，作者對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，電波在傳播過程中會遇到各種障礙物、樹木以及起伏的地形，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。發(fā)射機(jī)圖3-1電波的傳播模型采用等效的散射體來描述接收機(jī)附近的電波傳播情況，在該模型中，有n個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

31、.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：r2兀&.=sin(i),i=0,l,2,3.n-1。1dn式中，d為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離;由9，d和r可以確定第n條路徑的長度為:id=f(9,r,d),i二0,1,2.n1.ni于是將各個路徑的損耗疊加可以求得徑的總損耗為：L=£L,i=0,1,2n1.pii=1式中，L為第i條路徑的損耗。i對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算的誤差，提高了電波傳播預(yù)測的精度。第四章利用longl

32、ey-rice模型設(shè)計的可視化電磁環(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、輻射功率大，構(gòu)成的整個電磁環(huán)境異常復(fù)雜，相互間的干擾時有發(fā)生，尤其在目前高技術(shù)條件下，敵我雙方的電磁對抗更加重了電磁環(huán)境的復(fù)雜性.由于電磁環(huán)境不可見，指揮員不能直觀地了解戰(zhàn)場中的電磁態(tài)勢，所以要快速準(zhǔn)確地做出決策存在巨大的困難.計算機(jī)圖形技術(shù)能形象直觀地展示數(shù)字信息，通過數(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161強(qiáng)烈的視覺感受.因此，電磁環(huán)境可視化在一定程

33、度上能減少指揮人員對復(fù)雜電磁環(huán)境掌握的盲目性，使指揮員對所處環(huán)境有一個直觀的認(rèn)識，為快速準(zhǔn)確地決策提供支持.目前在虛擬戰(zhàn)場環(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，指揮員還能動態(tài)調(diào)整電磁設(shè)備參數(shù)，并直觀查看電磁態(tài)勢相應(yīng)的變化，通過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算電磁設(shè)備傳播數(shù)據(jù)雖然時域有限差分(FDTD)方法能精確描

34、述電波傳播，但由于其需耗費(fèi)大量的計算時間，難以滿足實時動態(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)計分析和電磁理論的電波傳播計算模型17，它考慮了地形和大氣的影響.通過數(shù)字地形模型，可采用Longley-rice。點到點的預(yù)測模式計算電波傳播，它能精細(xì)考慮不規(guī)則地形對電波傳播的影響，且該模式相比FDTD能較快計算電波傳播數(shù)據(jù)，適合在數(shù)字地球上動態(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時繪制，并能得到高質(zhì)量的繪制結(jié)果目前對電

35、磁環(huán)境中雷達(dá)探測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)三維探測范圍，能直觀展示雷達(dá)最大探測范圍的包絡(luò);文獻(xiàn)采用等值面提取的方法對高壓電線周圍的電場進(jìn)行可視化，181可清晰展示特定電位大小的電場覆蓋范圍，但由于等值面方法對表現(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，但沒有對體數(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，但沒有采用GPU加速的方法，不能實時展示電磁態(tài)勢體數(shù)據(jù)因此本文擴(kuò)展了文獻(xiàn)

36、中的硬件加速直接體繪制方法，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換把三維電磁環(huán)境直接實時繪制到數(shù)字地球上。4.2三維電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)生成為了對虛擬電磁環(huán)境進(jìn)行展示，首先計算虛擬環(huán)境中設(shè)置的各個電磁設(shè)備向三維空間中輻射電磁波的情況.本文采用Longleyice電波傳播模型，即不規(guī)則地形模型來預(yù)測不同頻段的電波傳播，它能較準(zhǔn)確地估計點波傳播損失通過Longleyice電波傳播模型得到各個19電磁設(shè)備在三維空間中的輻射損失值，進(jìn)而計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)來精確計算地形對電波傳播損失的影響，數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)用來生成地形剖面數(shù)據(jù)如

37、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)20,圖4.1(b)示出了采樣得到的地形剖面示意圖。輛足樣也形山地形；吋茲擬圖4.1地形剖面選取4.2.3電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)計算由式P二P-L-L可計算得到三維電磁環(huán)境功率密度值，為減少存儲空間和提高繪ts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個網(wǎng)格點，用式P二P-L-L計算每個離散網(wǎng)

38、格點上的功率密度值.采用上述離散方法計算生成的電磁ts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.35W)電就數(shù)擁離散£忖電磁數(shù)據(jù)存”:維環(huán)境中的強(qiáng)度圖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，并把包圍盒的每個頂點顏色設(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

39、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，巧妙通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實現(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個頂點與其上部對應(yīng)的4個頂點經(jīng)緯度值相同21，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)計算區(qū)域是從位置V(a,p,y)至位置V(a,p,y)位置點均采用球坐標(biāo)，其中00001

40、111a,p,y,(n二0,1)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)nnn據(jù)的剖面，不規(guī)則包圍盒垂直截面ABCD用粗實線表示根據(jù)幾何關(guān)系可明顯得到包圍盒的底部B點和C點海拔為y，頂部A點和D點的海拔為0(4-1)H二耳-Rcos0其中，R為地球半徑；陽max(a-a,p-p)/2.從圖3(b)可見，電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)1010包圍盒大于體數(shù)據(jù)的計算區(qū)域范圍，這樣可得到體數(shù)據(jù)包圍盒海拔高度:底部為y，頂0部為H.ChyjifLI金誡祈圖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，包圍盒頂點顏色值設(shè)置為三維體數(shù)據(jù)紋理的紋理坐標(biāo)，

41、通過繪制包圍盒背面到紋理作為投射光線終止點.計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)置成頂點坐標(biāo)，通過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)作為頂點顏色值，而是采用頂點的球坐標(biāo)位置，通過坐標(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)x=rcosacosPy=rcosasinP>(4-2)z=rsina其中，r,a，P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個頂點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為笛卡兒坐標(biāo)，然后設(shè)置其顏色值.通過GPU浮點紋

42、理的支持，包圍盒浮點顏色值被繪制到了浮點紋理上，片段著色程序查詢浮點紋理就能得到包圍盒的頂點位置值，即得到投射光線的終止點.繪制包圍盒正面作為投射光線的起始點22,因此投射光線方向就是終止點與起始點的矢量差，沿著光線方向就能采樣得到該光線穿過的體數(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)計算范圍為V(a,p,y)至V(a,p,y)，首先笛卡兒坐標(biāo)00001111(x,y,z)轉(zhuǎn)換為球坐標(biāo)(r,a,P)，r=Qx2+y2+z2(4-3)za=arcsmrP=arctanx通過球坐標(biāo)插值可得到紋理坐標(biāo)為a-a0-

43、a-a10(4-4)P-P0P-P0r-y0-y-y0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)計算范圍內(nèi)因此如果計算得到的紋理坐標(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語言實現(xiàn)了硬件加速的電磁環(huán)境直接體繪制方法.實驗中在三維數(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90m分辨率.電磁設(shè)備參數(shù)見表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15F/m和0.005S/m.地形剖面采樣間隔為100m,實驗用個人計算機(jī)(PC)配置為IntelCor

44、e2Duo2.8GHz，顯卡為GeForee8600GT.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100x100x30,經(jīng)度和緯度等分間隔都為0.O5度，高度等分間隔為200m覆蓋范圍約為500kmx500km，每個采樣點數(shù)據(jù)采采用16位浮點數(shù)存儲如果體數(shù)據(jù)范圍較大，可把體數(shù)據(jù)劃分為多個分塊區(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電波傳播模型計算實驗用電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)耗時8.836s，窗口大小為1024x768時繪制平均幀率為12幀/s.相比文獻(xiàn)，本文方法可實

45、時直接體繪制電磁環(huán)境，且各個電磁設(shè)備參數(shù)可交互改變，系統(tǒng)將重新計算生成新的電磁環(huán)境體數(shù)據(jù).電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)通過顏色映射工具(見圖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表4.1電磁設(shè)備參數(shù)編號頻率/MHz功率編匕頻率/MHz功H)HH)220025001235050035003000350600斗.15()15001斗30025005.32()2(HH)1548050062001500162(M)10(H)7500120017350450S40012001S35025009500

46、2)194(M)1500101025002()5(M)1200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.同電磁環(huán)境休繪制佝動態(tài)關(guān)閉電磁設(shè)備(C)顏色映射L鳧圖4.4在三維地球上繪制的結(jié)果圖4.5通過體數(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500m海拔上電磁環(huán)境切片，圖4.5(b)是5km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.(a)500ni髙度旳,5kni高

47、度（討切塊操作圖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，巧妙通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換把電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)及時展示到了三維數(shù)字地球上.采用Longley-rice電波傳播模型23計算電磁環(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)測電波傳播.最后在數(shù)字地球上實現(xiàn)了三維電磁環(huán)境繪制.結(jié)果表明，本文方法能及時展示虛擬電磁環(huán)境，而且可動態(tài)調(diào)整電磁設(shè)備參數(shù)（如頻率、功率等），及時展示不同電磁參數(shù)下電磁環(huán)境，可用于描述大范圍三維電磁態(tài)勢.雖然采用了Longley-rice傳播模型來生成電磁環(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)的及時可視化，因此下一步計劃采用更為準(zhǔn)確的電波傳播模型，并采用

48、并行計算的方式提高電磁數(shù)據(jù)計算效率，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，大尺度型刻畫信號傳輸過程中經(jīng)歷的路徑損耗中值，小尺度模型刻畫小范圍內(nèi)（幾個波長）信號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被廣泛用來預(yù)測接收信號的場強(qiáng)，但海上移動信道路徑損耗預(yù)測利用Longley-Rice模型更合適，Longley-Rice模型考慮了更多

49、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)通過對Okumura-Hata和Longley-Rice模仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的比較,指出預(yù)測海上傳播損耗時后更確切。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?、三種天線位置標(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)，同時結(jié)合了數(shù)千組實測數(shù)據(jù)，因此稱其為半經(jīng)驗預(yù)測模型。Longley-Rice模型從1967年提出以來在當(dāng)時航海等大區(qū)制通信場強(qiáng)預(yù)測模型中得

50、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)給出了模型的實用算法。由于大氣折射的影響，電波在大氣中傳播的實際路徑是一條曲線，與收發(fā)信機(jī)之間的實際距離存在著誤差，預(yù)測信道傳播路徑損耗時需要對實際距離加以修正。5.2 Longley-Rice模型中對大氣折射誤差的修正Longley-Rice模型中對大氣折射誤差的修正采用等效地球半徑法，等效地球半徑法計算簡單，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Longley-Rice模型大氣折射誤差修正方法加以改進(jìn)

51、。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)天線之間的實際距離映射為電波實際傳播距離，能更精確反映傳播距離對電波傳播損耗的影響。改進(jìn)算法預(yù)測結(jié)果比原有方法更接近實測結(jié)果，具有較大的實用價值。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)max(0,L+kd+klgd),d<d<dbe12minLsL=<L+m,d<d<d(5-1)refbeddLsxL+md,d<dbessx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)計量給出

52、，L(qT,qL,qS)作為時間，位置，形勢分量的函數(shù)，衰減不會超出這個值。也就是說，在必的情況下，至少有私的地點衰減不會超過L(qT,qL,qS),并且這個時間至少為qT。對于光滑地球地平線d的距離，是基于平坦地面的二徑反射理論和一個繞射損耗Lsb的外插值計算的;對恰好超過從d到d，的地平線距離(為繞射損耗和散射損耗相等的地Lsx點)，參考衰減值是刃峰繞射和光滑地球繞射計算的加權(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算的。對范圍大于的超視距路徑，參考衰減按按

53、繞射損耗計算和正向散射損耗計算中取較小者。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際傳播的距離(視在距離)，并且該模型預(yù)測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，因此必須對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)x10A6其中，。為地球表面大氣折射指數(shù)。該方法對折射率剖面的計算沒有利用

54、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際路徑，從而影響預(yù)測精度。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)測精度。電波折射示意圖如圖1所示，T為發(fā)射天線相對平均海平面的高度，T'為T在海平面上的投影，R為接收天線相對海平面的高度，R'為R在海平面上的投影，0為地心原點，OTOR為地球半徑，P為射線上的某點，0為射線在P點處的仰角，dl為射線在P點處的一小段弧線，dr為地球徑向延長線在P點處的線段小量，d申為射線上P點對應(yīng)的地心張角小量，R'T'為收發(fā)天線之間

55、的地面水平距離，ds為R'T'在P點與地心連線和地球表面的交點處水平距離小量，TT'為發(fā)射天線高度，單位m。RR'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點處的電波折射率，h=OP,9°射線在T點處的初始仰角。圖1電波傳播折射幾何圖利用Longley-rice模型計算電波傳輸路徑損耗時，收發(fā)天線間的距離參數(shù)給出的是地面水平距離，即R'T'，而實際電波傳播距離為TR,下面根據(jù)Snell定理，利用射線描跡法推導(dǎo)R'T'和TR之間的關(guān)系式。首先推導(dǎo)地面水平距離RT計算公式:由圖2知:drds=OT'dq,dq=cot0-h從而,drds=OT'cot0h進(jìn)而得,(5-2)T'R=S=TOT'cot01drhTT'由SNELL定理可導(dǎo)出，cot0=nr0-0cos0nr0阻cos0nrcos00zQ:n2r2n2r2cos201000(5-3)nr從而，mRR'OTrcos0TR=J&=o0drn2r2n2r2cos20TT'000下面推導(dǎo)實際電波傳播距離TR的計算公式:(5-4)設(shè)光速為c,電波從發(fā)射天線T傳到R的時間為t,則1ORn,ct,t=drc一sin0TR