袁雪蓮

（遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧 本溪 117100）

超短波無線傳輸在觀音閣水庫防汛中的應用

袁雪蓮

（遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧 本溪 117100）

文章介紹了超短波在觀音閣水庫降雨量、水庫水位、閘位、出庫流量、數(shù)據(jù)傳輸中的應用，闡述防汛測報系統(tǒng)如何選擇天線、電臺及中繼站的選址方式。

超短波；天線；電場強度；水庫防汛

根據(jù)國家水利系統(tǒng)給定的無線電通訊頻點為230MHz屬于超短波頻段。其中超短波也稱甚高頻、米波，界定頻率為 30MHz 至 300MHz、相應波長為 10m 至 1m 的電磁波，它的主要特性是：在高頻段的天波能穿透電離層而不被電離層反射回地面，我們現(xiàn)在使用的 230MHz 就是超短波的高頻段。所以在地面應用主要依靠直射波傳播，但也具備有限的繞射能力。與光的輻射特性基本相同，傳播距離受地理環(huán)境的影響很大，在山區(qū)中遠距離傳輸就必須依靠架設中繼站轉(zhuǎn)發(fā)才能達到理想的效果。

水庫防汛測報系統(tǒng)是利用超短波無線傳輸將各測站采集的降雨量、水位、閘位等各類實時信息傳輸?shù)接嬎銠C數(shù)據(jù)處理中心，經(jīng)計算出 1h到 3h的降雨強度、間隔水位值等，并做出短期洪水預報和相應的調(diào)度方案，為興利運行創(chuàng)造經(jīng)濟效益和社會效益。

1 原系統(tǒng)組網(wǎng)

觀音閣水庫地處遼寧的東部山區(qū)，屬于長白山余脈、尾脈。由于各觀測站點分布在不同的山谷地域的地理環(huán)境中，各觀測站點的位置由于考慮到歷史資料的連續(xù)性，所以一般不允許重新選址。中心站（數(shù)據(jù)處理中心、海拔高 198m）位于本溪縣小市鎮(zhèn)北、南甸雨量站（直線距離中心站 24 km、海拔高：266m）、南孤山雨量站（距中心站 32 km、海拔高：350m）、洋湖溝雨量站（距中心站 48 km、海拔高：520m）、葦子峪雨量站（距離中心站：36km、海拔高：295m）、杜家店雨量站（距離中心站：48km、海拔高：420m）、平頂山雨量站（距離中心站 56km、海拔高：396m）清河城雨量站（距中心站 23km、海拔高：264m）。

根據(jù)以上各觀測站的地理信息在相關(guān)機構(gòu)單位的合作下，于 1998 年進行了無線電場強度測定，結(jié)論是：各觀測站均無直達中心站的路由條件，如要建立各測站與中心站良好的無線通信，必須在中途適當高度的山頂建立中繼站。為此，經(jīng)等高地圖查詢和相關(guān)的無線電場強度測試，在距中心站東南 27km 的韭菜頂子（本溪縣第一高峰海拔高度：1254m）設第一級中繼站，并將東南部的南孤山、南甸、洋湖溝三個雨量站所發(fā)信息歸韭菜頂子轉(zhuǎn)發(fā)。其他雨量站：葦子峪、杜家店、平頂山、清河城的無線信號仍無法直達韭菜頂子中繼站。因此，又選定在新賓縣境內(nèi)距中心站東北 40Km的大頂子山（海拔高 750m） 設立第二級中繼站，大頂子山中繼站將其下的4個雨量站信息上傳給一級中繼韭菜頂子再傳至中心站。

以上無線傳輸路由經(jīng)一年的實際運行后，發(fā)現(xiàn)諸多的問題：

1）下設的所有雨量站在天氣晴朗的情況下中心站能正常的接收各測站的數(shù)據(jù)信息，但是在陰天或是降雨時則無法保證定時和數(shù)據(jù)信息的正常傳輸與接收。

2）由于韭菜頂子和大頂子兩個中繼站的海拔高度分別是 1254m 和 750m，并且沒有可正常行走的道路，對裝撤站和維護產(chǎn)生嚴重的困難，特別是在降雨的同時如果發(fā)生故障，就只能等雨晴一兩天后才能上去檢修。由于上述實際應用中存在的缺點，于 2003 年經(jīng)過重新選址及電場強度測試后，淘汰了維護困難的韭菜頂子和大頂子兩個中繼站。

2 優(yōu)化組網(wǎng)

2.1 中繼站與各測站傳輸

由于第一次組網(wǎng)只考慮超短波視距直線傳播的特性，沒有對設備整體性能參數(shù)匹配應用做數(shù)據(jù)分析。因此在本次組網(wǎng)中首先對 230MHz超短波的電磁波特性進行了具體分析。

無線電的傳播特性：

無線電波在自由空間的視距直線傳播是電波傳播研究中最基本、最簡單的一種。自由空間的視距直線傳播應滿足下述條件的一種理想空間：

1）均勻無損耗的無限大空間。

2）各項同性。

3）電導率為零。

應用電磁場理論可以推出，在自由空間傳播條件下，傳輸損耗的表達式為：

Lp＝32.45+20lgf+20lgd

由上式得出：自由空間基本傳輸損耗 Lp 僅與頻率 f和距離 d 有關(guān)。當 f和 d 擴大一倍時，Lp 均增加 6dB。

由于式中的 f已被固定為。230MHz，因此，應用電磁場理論可以推出，傳輸損耗 Lp的表達式

其中：f——工作頻率，MHz；h1——中繼站接收天線 高 度 ，m；h2——雨 量 站 發(fā) 射 天 線 高 度 ，m；d——雨量站到中繼站的距離，km。

非視距基本傳輸損耗由三項組成：

L＝Lo+Lm+Lr

式中：Lo——代表自由空間損耗；Lm——是多重阻擋屏蔽的繞射損耗（如雨量發(fā)射站到中繼站間的高山）；Lr——是電磁場經(jīng)過山頂繞射及散射損耗。

其中：Lp＝32.45+20lgf+20lgd

以上不管是用哪一種模式來預測無線覆蓋范圍，都是基于理論和測試結(jié)果統(tǒng)計的近似計算,由于實際地理環(huán)境千差萬別，很難用一種數(shù)學模型來精確地描述，特別是高山及建筑物反射、繞射和阻擋，造成的數(shù)學運算的結(jié)果與實際場強使用數(shù)值存在巨大偏差。因此，有一定精度的預測雖可起到指導網(wǎng)絡基站選點及布點的初步設什，但是通過數(shù)學模型預測與實際信號場強值總是存在差別。所以這次無線中繼站選址上的做法是，在大量場強測試的基礎(chǔ)上，經(jīng)過對數(shù)據(jù)的分析與統(tǒng)計處理，找出在最優(yōu)條件下的傳播損耗（或接受信號場強）與距離、附近相關(guān)建筑物體及天線高度的關(guān)系。

八盤嶺到各雨量站的地理條件及超短波傳播方式：

八盤嶺到中心站 14km：

地理坐標：N41°15′07.09″，E124°15′44.42″，海拔高度 830m。

2.2 中繼站站址

觀音閣水庫防汛測報系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸通信系統(tǒng)是由收發(fā)信機（數(shù)傳電臺）、天線饋線和空中的 230MHz超短波無線信道組成。由于復雜的地理環(huán)境條件決定了對選擇收發(fā)信機、中繼站及雨量測報站架設位置、天線類型和架設高度等主要參數(shù)值的特殊指標要求，其中最關(guān)鍵的是收發(fā)信機技術(shù)參數(shù)指標和天線增益技術(shù)參數(shù)及天線架設高度對不同的站址不同的要求。

由于現(xiàn)場的實際環(huán)境不可能是絕對平坦的，如山丘、建筑物、樹木等，不同程度和方式衰耗著無線電波的傳輸，并且在不同的頻率下、短波、超短波和微波都具有不同的傳播特性。因此，在工程實施前，必須進行現(xiàn)場點對點的電場強度測試。

工作信道頻點（230MHz）干擾測試：國家水利系統(tǒng)無線電通訊給定的頻點為 230MHz，因此，必須測試外來 230MHz信號對無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的干擾,干擾信號主要指非法使用干擾、諧波干擾、互調(diào)干擾、電氣噪聲干擾等。經(jīng)上述系列項目測試后，八盤嶺基本達到設置為中繼站的地理條件。

2.3 天 線

天線作為雨量測報系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的好壞直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定和通信路由的建立，各雨量站特別是中繼站在選擇天線時必須首先注重其性能參數(shù)的選定。具體說有兩個方面，第一選擇天線類型；天線的方向性能（定向天線）是否符合特殊地理環(huán)境中電波覆蓋的要求；第二選擇電氣參數(shù)指標，使用天線的頻率帶寬、增益、額定功率等電氣指標，是否符合系統(tǒng)本身地理環(huán)境要求。

2.3.1 天線的增益

增益是天線主要性能指標之一，它是天線輻射或接收電波大小的表現(xiàn)。增益大小對系統(tǒng)信號與傳輸距離是正比關(guān)系，簡單地說，在同等條件下，增益越高，電波傳播距離就越遠，在中繼站（八盤嶺）的天線必須采用高增益天線，雨量站的天線則根據(jù)距離和測站的地理環(huán)境確定選用天線增益高低。

2.3.2 電壓駐波比

天線輸入阻抗和饋線的特性阻抗不一致時，產(chǎn)生的反射波和入射波在饋線上疊加形成駐波。其相鄰電壓最大值和最小值就是電壓駐波比。它是檢驗饋線傳輸效率的依據(jù)。電壓駐波比過大，將縮短天線的傳輸距離，而且反射功率將返回發(fā)射機功放部分，嚴重時容易燒毀收發(fā)信機的末級功放和前級放大器，破壞設備的正常工作。

2.3.3 天線的方向性

天線對于空間不同的方向具有不同的輻射或接收能力，這就是天線的方向性。衡量天線方向性通常使用方向圖，在水平面上，輻射與接收無最大方向的天線稱為全向天線，有一個或多個最大方向的天線稱為定向天線。全向天線由于其無方向性，所以為使各雨量站都能與中繼站建立點對多點通信就必須使用高增益的全向天線。另外，在人為干擾和反射干擾較強，并且直射波無法到達的雨量站（如：葦子峪站等）可以采用定向天線，根據(jù)使用現(xiàn)場地形的需要使方向圖成為橢圓形、扇形、心形等，這樣使天線的應用就更加靈活、效率更加提高，定向天線由于具有最大輻射或接收方向，因此能量集中，增益相對全向天線要高，適合于遠距離點對點通信，同時由于具有方向性，抗干擾能力比較強。

2.3.4 選擇天線安裝地點

由于地形和環(huán)境地的影響，天線接收到的電磁波是有效直射波與反射繞射波及散射波的疊加，其結(jié)果決定了接收點處的場強幅度和相位，并直接影響天線的應用效果。因此，選擇天線架設位置應注意以下幾個方面：

1）天線的發(fā)射或接收方向應避開障礙物（樓房、鐵塔、高山等）。

2）天線架設地點應盡量遠離干擾源（高壓線、鐵塔、工廠的電器車間等）。

3）天線應盡量架設在附近的最高點。

4）如有幾付天線同在一個鐵塔上工作，應特別注意它們之間左右和上下的間距，以防相互耦合影響系統(tǒng)性能。

2.3.5 天饋系統(tǒng)防雷電干擾

天線一般都架設在室外鐵塔等較高的位置，因此，這些鐵塔等建筑物必須應該具備良好的接地措施，并且接地電阻不大于 4 Ω。天線應架設在塔頂避雷針的有效避雷范圍內(nèi)，即避雷針頂部下方 45°角覆面內(nèi)。但為防止感應雷擊引起的脈沖放電對收發(fā)信設備的沖擊，還應在饋電線上串接避雷裝置，使測報系統(tǒng)更安全的工作。

3 結(jié)語

通過以上各項分析并經(jīng)過改造,觀音閣水庫雨量測報系統(tǒng)經(jīng)十多年的運行后確認，整體性能穩(wěn)定、安全、可靠，特別是觀音閣水庫在經(jīng)歷“058”暴雨時，由于雷電造成本溪整個地區(qū)電力、移動通訊系統(tǒng)停電以致于各水文系統(tǒng)的雨量都無法傳輸時，觀音閣水庫上游各雨量站雨量數(shù)據(jù)還能順利傳輸，為防汛指揮部提供了第一手資料。

1002－0624（2014）05－0068－03

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2013-11-20