电波传播预测模型分析与研究

总第205期2011年第7期

舰船电子工程

Ship Electr onic Engineering

V o l.31No.7

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电波传播预测模型分析与研究*

刘 勇1) 周新力2) 金慧琴2)

(海军航空工程学院研究生管理大队1) 烟台 264001)(海军航空工程学院电子信息工程系2) 烟台 264001)

摘 要 文章对O kumura H ata模型、CO ST231 H ata模型、Egli模型三种电波传播模型进行了简要分析。通过对某地的电波传播损耗进行测量得到实测数据,与预测模型仿真结果进行对比分析,对比结果显示COST231 Hate模型与实测值最接近,并且通过对COST231 H ate模型的修正,使得修正后的模型满足高精度电波传播模型的6dB要求,适合用于预测本地的电波传播。

关键词 电波传播;O kumura H ata模型;COST231 Hata模型;Eg li模型;模型修正

中图分类号 T N926

Analysis and Research of Radio Wave Propagation M odel

L iu Y ong1) Z ho u X inli2) Jin Huiqin2)

(Gr aduate Students Brig ade o f N AA U1),Y antai 264001)

(Depar tment o f Electro nic and Informat ion Eng ineering of N A AU2),Y antai 264001)

A bstract T hree radio w ave pr opagatio n models:O kumura H ata M odel,COST231 H ata M o del and Eg li M odel,are firstly pr esented in this article.O n site test pr opagat ion loss data ar e used to get simulat ions o n these mo dels,simulatio n re sults and actual data a re t hen co mpar ed,r esults show that COST231 Hata M odel has narr ow er err or band.T his art icle lastly modifies COST231 Hata M odel,to make the modified model has ev en hig her accur acy6d

B w hen applied t o the pr ediction of local radio pr opagation.

Key Words electromagnetic w ave pro pagation,Okumura Hata model,COST231 Hata model,Egli model,model cor rection Class Nu mber T N926

1 引言

随着军队信息化进程的加快,军事领域电磁应用日益广泛,电磁环境日益复杂,电磁空间的斗争会更加激烈并将对争夺未来战争主动权,乃至国家安全与战略利益拓展产生重大影响[1]。因此,在现代战争中,对战场电磁环境进行预测分析就显得极为重要。电波传播作为战场电磁环境预测分析领域中重要组成的一部分,因此开展对电波传播特性研究就显得格外重要。

2 电波传播预测模型

理想情况下,自由空间的电波传播损耗[2]为:L f=32.4+20lg d+20lg f,式中,f是载波频率,d 是发射机与接收机之间的距离。可以看出,自由空间传播损耗只与工作频率和传播距离有关。但是在现实环境中,由于传播路径上存在着各种影响,如高空电离层影响,高山、湖泊、海洋、地面建筑、植被以及地球曲面的影响等,因而电磁波具有反射、绕射、散射和波导传播等比自由空间复杂得多的传播方式。出于工程技术和军事应用上的需要,人们建立了很多复杂环境下的电波传播预测模型,目前常用的电波传播预测模型有Okumura H ata模型、COST231 H ata模型和Eg li模型。

2.1 Okumura H ate模型

Okum ura H ate模型[3~4]是根据测试数据统计

*收稿日期:2011年1月19日,修回日期:2011年2月23日

作者简介:刘勇,男,硕士研究生,研究方向:复杂战场电磁环境预测仿真。周新力,男,教授,博士生导师,研究方向:短波通信、战场电磁兼容。金慧琴,女,副教授,研究方向:短波通信、战场电磁兼容。

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分析得到的经验模型,适用于VH F和U H F频段,该模型的特点是:以准平坦地形大城市地区的场强中值路径损耗作为基准,对于其它的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。

Okumura H ate模型传播损耗的经验公式为:

L M=69.55+26.16lg f-13.82lg h t- (h r)+ [44.9-6.55lg h t]lg d

式中,f是载波频率,单位为MH z;h t是发射天线有效高度,单位为m;h r是接收天线有效高度,单位为m;d是发射机与接收机之间的距离,单位为km; (h r)是接收天线高度修正因子,其数值取决于环境因素。

在中小城市,a(h r)=(1.1lg f-0.7)h r-(1.56 lg f-0.8)(dB)

在大城市分两种情况,

f 200MHz时,a(h r)=8.29(lg1.54h r)2-1.1(dB)

f 400MHz时,a(h r)=3.2[lg(11.75h r)]2-4.97(dB)

2.2 COST231 H ata模型

COST231 H ata电波传播模型[5~6]是在Oku m ur a H ata模型的基础上,由欧洲研究委员会COST231工作组对Okumura H ata模型近一步开发,将频率上限从1500MH z扩展到了2GH z。它是半经验半理论的传播模型,经过了大量实验数据的检验。COST231 H ata模型的经验公式如下: L M=46.33+(44.9-6.55lg h t)lg d+33.9lg f -a(h r)-13.82lg h t+C

其中C为传播环境校正因子,中型城市及郊区取0,密集大城市区取3。

2.3 Egli模型

Egli模型[7]是对在90~1000MH z频率之间对不规则地形进行一系列测量后,从平坦地面的双径模型扩展出的一种新模型。Egli模型以平面大地传播损耗为基础,在h r<10m时,其传播损耗公式为: L M=88+20lg f-20lg h t h r+40lg d

3 某地电波传播损耗的实测

3.1 测量仪器

ETS20kH z~400GH z宽带场强探头;

ETS H I4416场强计;

PROXT GPS接收机。

3.2 数据预处理

由于某地的测试环境复杂,为保证测量结果的有效性,排除偶然因素的影响,有必要对测量数据进行预处理[8~9]。数据预处理主要包括以下几个方面:1)去除接收信号强度异常点,设定一个合理的工程阈值,对异常数据进行剔除。2)修正GPS 地理坐标异常点,设定合理的工程阈值找出异常点,根据该点前后正常坐标值对其进行修正。3)滤除快衰落的影响。

3.3 实测数据

通过采用多次测量,再进行数据处理,然后取平均值的方法得到20个实测点的电波传播损耗值,如表1所示。

表1 某地的电波传播损耗实测值

序号距离

(km)

实测值

(dB)

序号距离

(km)

实测值

(dB)

1 1.02158.11111.01201.1

2 1.97

169.71212.05199.2

3 3.01182.11313.12202.8

4 4.07187.31413.98204.9

5 5.10191.71515.05207.1

6 6.03197.21616.03210.0 77.11194.61717.09212.8 88.01189.01818.02215.1 99.03193.21918.89217.

7 109.98197.72019.97221.1

4 实测数据和理论值的对比

利用Okumura H ata模型、COST231 H ata模型和Egli模型进行实验仿真,与实测数据进行对比,结果如图1所示。

图1 各种传播模型与实测数据的对比分析图

从图中可以看出COST231 H ata模型的仿真结果最接近实测数据,但是与实测数据的均方根误差还是高达12.1dB,不满足高精度电波传播模型的6dB[10]要求。为了精确预测本地的电磁环境,需要对COST231 H ata模型做进一步的修正。

5 CO ST231 H ata模型的修正

设修正后的COST231 H ata模型的传播损耗公式为: