陈 雁，王栋良，杜梦杰

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

基于三维GIS的散射链路规划方法

陈 雁，王栋良，杜梦杰

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

针对传统散射链路规划的可视化程度和准确性差的问题，提出了一种基于三维地理信息系统（Geographic Information System，GIS）的散射链路规划方法。介绍了散射链路传播损耗模型，分析了地形因素对散射链路损耗计算的影响。讨论了三维GIS平台的特点和应用方向，并选择适合软件实现一款三维GIS平台。给出了基于三维GIS的散射链路规划技术的实现步骤和关键因素，通过与传统方法的比较证明了该预测方法的准确性。

三维GIS；散射信道模型；传播损耗；链路规划

0 引言

散射通信系统的设计和装备部署都需要预先进行散射链路规划，而传统散射链路规划一般采用光滑球面估算或图纸作业计算的方式，不能反映实际地形对散射链路传播损耗的影响。

随着信息技术的不断发展，由于GIS能直观地反映地形地貌等信息，在无线领域的应用越来越广泛［1－4］。瑞典SAAB公司开发的WRAP无线电频谱管理软件就是在GIS平台上实现无线链路性能分析、通信台站覆盖分析等应用，但是受限于SAAB公司专业领域，WRAP软件并不具备散射链路分析功能。

利用3D GIS提供的链路地形剖面，在传统散射链路传播损耗预测模型的基础上考虑地形影响因素，提高散射链路传播损耗的预测精度，同时通过三维图形化界面的操作方式提升散射链路规划的可视化和自动化程度。

1 散射传播损耗模型

链路传播损耗［5－7］由主基本传输损耗（主要指电波散射传播引起的损耗）Lb0、地面发射损耗Lr、大气吸收损耗LA、天线偏移损耗La和天线介质耦合损耗Lc组成，即

在散射传播损耗预测中，粗略的计算可以理想化，即不考虑地面反射损耗、大气吸收和天线偏移损耗，此时，散射传播损耗可表示为：

1.1 散射主基本传输损耗

根据ITU-R P．617［8，9］建议的散射损耗预测方法将散射主基本传输损耗中值综合为如下形式：

式中，f为频率（MHz）；d为通信距离（km）；Θ为散射角（mrad）；H为最低散射点距收发连线的高度（km）；h为最低散射点离地高度（km）；M、γ分别为表示气象和大气结构参数，不同气候区类型［10］的值如表1所示。

表1 不同气候区的气象参数和大气结构参数

表1气候区一列中：1-赤道；2-大陆性亚热带；3-海洋性亚热带；4-沙漠；6-大陆性温带；7a-海洋性温带陆地；7b-海洋性温带海面。

由此可以看出，影响散射传播损耗预测准确度的主要是Θ、H和h，而这3个参数都与链路的地形剖面密切相关。

1.2 链路几何参数计算

散射链路几何参数如图1所示，图中表示了非光滑球面地形下的链路几何参数的意义。

图1 散射链路几何参数示意

图1中，d为散射通信电路长度，即收发天线之间的电路长度（km）；de为散射通信等效电路长度，即收发障碍点之间的电路长度（km）；ht、hr为发、收端站天线海拔高度（km）；h_t、h_r为发、收端站天线离地高度（m）；h1、h2为从发、收端看去的障碍物海拔高度（km）；dt、dr为发、收端至最近障碍物之间的距离（km）；lt、lr为发、收端至最低散射点在收发连线上垂足间的距离（km）；Re为等效地球半径（km）；Ns为最低散射点正下方大气折射指数年中值；θ1、θ2为发、收端地平线与无线电视平线的夹角，也称发端俯仰角（rad）；α、β为发、收端视平线与发收点连线间夹角（rad）。

①不考虑地形（光滑球面）时，

②考虑地形因素时，散射角Θ计算过程如下：

H和h根据最低散射点位置和实际地形确定。

2 GIS平台

GIS是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统［11］。

NASA World Wind是一款代码公开的免费GIS平台，提供World Model、图层、插件、http和WMS请求、三维渲染等交互式浏览功能，能较好离线应用。World Wind采用基于瓦片管理的“金字塔”多分辨率层次模型，在保证显示精度的前提下为提高显示速度，不同区域通常需要不同分辨率的数字高程模型数据和纹理影响数据。数字高程模型金字塔和影像金字塔可以直接提供这些数据而无需进行实时重采样，尽管金字塔模型增加了数据的存储空间，但能够减少完成地形绘制所需的总机时。分块的瓦片金字塔模型还能够进一步减少数据访问量，提供系统的输入输出执行效率，从而提升软件系统的整体性能。三维高程模型和纹理图像映射如图2所示，金字塔架构如图3所示。

图2 三维高程模型和纹理图像映射

图3 金字塔架构

3 基于GIS的散射链路规划

利用World Wind组织和管理各种数字高程数据，利用软件可以直接获取链路中任意点的高程信息，并进一步分析出各种高程剖面，再通过将台站数据库信息导入软件，可以对散射链路进行精确建模和分析。

散射链路规划的基本流程如下：

①建链准备阶段：GIS平台加载图像和高程信息，设置台站信息；

②建立链路阶段：通过选择收发点位置，在GIS界面内建立散射链路；

③获取链路剖面阶段：获取链路上各点的剖面信息，并进行图像化显示；

④几何参数计算阶段：根据链路剖面信息，按照1．2节中的方法进行几何参数计算，获得散射角Θ、最低散射点距收发连线高度H和最低散射点离地高度h；

⑤链路计算阶段：按照ITU-R P．617建议方法对散射传播损耗计算，并根据收发端台站数据，计算系统传播可靠度，同时可计算台站方位角、俯仰角等参数，作为系统设计和散射建站的参考；

⑥报表生成阶段：计算完成后，可将计算结果、链路剖面等进行处理，生成格式化报表。

规划流程中实现的关键是链路几何参数的计算，几何参数的计算精度直接关系到链路预测的准确度。

4 计算实例分析

选取地形起伏不同的2条链路分别采用光滑球面计算方法和考虑地形计算方法对链路传播损耗进行预测。

2条链路的剖面图如图4所示，传播损耗预测结果如表2所示。假定收发天线离地高度均为5 m，工作频率为4 700 MHz。

表2 散射链路传播损耗预测结果

链路1地形起伏较小，可看作是光滑球面，采用光滑球面计算与考虑地形计算的结果基本一致；链路2地形起伏较大，且一端地势较高，考虑地形的计算结果比光滑球面计算结果低1．6 dB，主要原因是一端有架高因素。从上面的分析可看出，该方法计算结果准确可信，可作为链路规划的依据。

图4 链路剖面示意

5 结束语

本文提出的基于三维GIS的散射链路规划方法，解决了传统散射链路预测对地形因素考虑的不足，提高了链路预测的精确度。同时该方法在GIS平台上实现了散射链路规划的可视化和自动化，提高了散射链路规划的效率，具备向微波视距、绕射等无线传播模式推广的价值。此外，由于本方法采用的散射链路预计模型为统计模型，无法实现散射传播损耗的实时准确预测，下一步将研究利用基于抛物方程法的确定性预测模型结合GIS地形、实时气象因素对散射链路传播损耗进行预测，提高预测的精确性。

［1］朱 立，夏 洪，钱 敏．基于GIS的无线网络覆盖模拟建模［J］．东华理工大学学报（自然科学版），2010，33（4）：384－388．

［2］周成国，范玉山，赵修涛．基于GIS技术的沂蒙山区无线通信基站选址与网络优化［J］．城市勘测，2005（6）：13－15．

［3］何政聪．基于GIS的无线遥测系统及其应用［J］．无线电工程，2001，（S1）：226－227．

［4］王洪年．GIS在PHS无线网络中的应用［D］．青岛：中国海洋大学，2005：7－11．

［5］甘国田．对流层散射信道预测及分析［J］．无线电通信技术，1997，23（5）：20－23．

［6］李立军．对流层散射链路传输损耗的工程计算［J］．计算机与网络，2007（Z1）：92－93．［7］李正伟，冯锦瑞，曾超．数字对流层散射通信链路传播可靠度工程计算［J］．无线通信技术，2010，26（2）：41－44．

［8］ITU-R．Propagation Prediction Techniques and Data Re-quired fortheDesignofTrans-horizonRadio-relay Systems［S］，1992．

［9］ITU-R．Propagation Prediction Techniques and Data Re-quired fortheDesignofTrans-horizonRadio-relay Systems［S］，2012．

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［11］陈 军，李 洁，南立波．GIS发展应用综述［C］∥2009通信理论与技术新发展——第十四届全国青年通信学术会议论文集，2009－07，中国辽宁大连：电子工业出版社（Publishing House of Electronics Industry），2009：512－518．

A Troposcatter Link Planning Method Based on 3D GIS

CHEN Yan，WANG Dong-liang，DU Meng-jie
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

In this paper，a troposcatter link planning method based on 3D GIS is proposed for improving the visualization and accuracy of troposcatter link planning．The troposcatter link propagation loss model is introduced，and the impact of terrain on troposcatter link loss computation is analyzed．The characteristics and application of 3D GIS platform is recommended，a suited 3D GIS software is selected．The technical implementation procedures and key factors of troposcatter link planning method are given．The accuracy of the proposed method is proved by comparing with the traditional method．

3D GIS；troposcatter channel model；propagation loss；link planning

TN911

A

1003－3106（2015）07－0014－03

10．3969／j．issn．1003－3106．2015．07．04

陈 雁，王栋良，杜梦杰．基于三维GIS的散射链路规划方法［J］．无线电工程，2015，45（7）：14－16，86．

陈 雁男，（1980—），硕士，工程师。主要研究方向：通信与信息系统。

2015-04-09

国家科技重大专项基金资助项目（2014ZX03006－003）。

王栋良男，（1980—），硕士，高级工程师。主要研究方向：通信与信息系统。