左麗芬 任席闖 崔 潔

(91469部隊(duì) 北京 100841)

?

基于GIS的短波臺(tái)站電磁輻射環(huán)境影響預(yù)測(cè)*

左麗芬 任席闖 崔 潔

(91469部隊(duì) 北京 100841)

論文提出一種基于實(shí)際地形環(huán)境的短波電磁輻射環(huán)境影響預(yù)測(cè)的方法,以某假定發(fā)信基站發(fā)信天線為對(duì)象,給出基于該方法的電磁輻射仿真實(shí)現(xiàn)過程,并結(jié)合GJB5313實(shí)現(xiàn)該幅天線電磁輻射場(chǎng)強(qiáng)超暴露極限值區(qū)域的可視化,最后分析基于GIS實(shí)際地形環(huán)境的短波基站電磁輻射環(huán)境影響仿真預(yù)測(cè)方法的應(yīng)用前景。

預(yù)測(cè); 電磁輻射; 地理信息系統(tǒng)三維空間; 電磁防護(hù)

Class Number TN219

1 引言

以往短波發(fā)信基站的建設(shè)對(duì)電磁環(huán)境缺乏有效的量化預(yù)測(cè)手段,導(dǎo)致建設(shè)效能受限和電磁輻射暴露無法實(shí)現(xiàn)有效控制[1～3],本文以某個(gè)假定的短波發(fā)信基站的雙錐寬帶天線為對(duì)象,介紹基于地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)實(shí)際地形環(huán)境的電磁環(huán)境預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)方案,利用基于GIS技術(shù)來完成地形環(huán)境的三維空間建模,并在三維空間模型的基礎(chǔ)上通過基站仿真、電波傳播計(jì)算、電磁波可視化等技術(shù),實(shí)現(xiàn)該假定發(fā)信基站電磁環(huán)境預(yù)測(cè)分析。

2 基于GIS電磁環(huán)境仿真預(yù)測(cè)分析

2.1 基于GIS實(shí)際地形環(huán)境的三維空間建模

以美國國家航空航天局(NASA)世界數(shù)字地圖GTOPO30為基礎(chǔ),采用圖層覆蓋技術(shù),對(duì)NASA世界數(shù)字地圖進(jìn)行修改完善,以此來構(gòu)建該假定的仿真基站三維空間地理模型,使之與基站實(shí)際地形地貌相符,確保后續(xù)電磁環(huán)境仿真的準(zhǔn)確性。建模過程如下:

1) 將美國航空航天局(NASA)精度為30″的2006年版世界數(shù)字地圖GTOPO30導(dǎo)入電波傳播計(jì)算仿真平臺(tái),初步構(gòu)建仿真平臺(tái)下的地理信息數(shù)據(jù)庫。

2) 在該仿真平臺(tái)[4]下,調(diào)用GTOPO30數(shù)字地圖,并根據(jù)假定基站的地理坐標(biāo),標(biāo)出基站所在區(qū)域。

3) 在精度為30″的GTOPO30數(shù)字地圖基礎(chǔ)上導(dǎo)入NASA航拍中國數(shù)字地圖,并標(biāo)出基站所在區(qū)域,改善地圖分辨率。

4) 將假定的基站平面分布圖進(jìn)行經(jīng)緯度配準(zhǔn)后,采用圖層覆蓋技術(shù)[8～10],將其導(dǎo)入地理信息數(shù)據(jù)庫,得到基站二維數(shù)字地圖和三維數(shù)字地圖,如圖1、圖2所示。

圖1 二維數(shù)字地圖

圖2 三維空間數(shù)字地圖

2.2 基站仿真建模

基站內(nèi)一般要布置多副發(fā)信天線,這些天線功能各異、內(nèi)部組成不同,但工作時(shí)都會(huì)向基站區(qū)域產(chǎn)生電磁輻射,影響基站的電磁環(huán)境。本文采用仿真的方法對(duì)該假定基站進(jìn)行了仿真建模。依據(jù)發(fā)信天線和發(fā)射機(jī)的基本參數(shù),建立了基站站仿真模型,具體參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型建模參數(shù)

對(duì)基站內(nèi)雙錐寬帶天線進(jìn)行仿真建模,并將設(shè)備基本參數(shù)錄入電磁環(huán)境仿真平臺(tái)的設(shè)備數(shù)據(jù)庫,雙錐寬帶天線參數(shù)如表2所示,方向性圖如圖3所示。

表2 雙錐寬帶天線主要技術(shù)參數(shù)

雙錐寬帶天線方向性圖如圖3所示。

圖3 雙錐寬帶天線方向性圖

2.3 構(gòu)建基站電波傳播仿真模型

從理論上[5～7]講,對(duì)由各類無線電發(fā)射設(shè)備輻射的電磁波,可根據(jù)天線理論計(jì)算出輻射場(chǎng)分布,再根據(jù)傳輸路徑上的損耗等因素加以修正,最終得出待分析區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)。但在無線電系統(tǒng)實(shí)際通信距離或覆蓋范圍內(nèi),由于傳播路徑上存在著各種各樣的影響,如高空電離層影響,高山、湖泊、海洋、地面建筑、植被以及地球曲面的影響等,因而電磁波具有反射、繞射、散射和波導(dǎo)傳播等比自由空間復(fù)雜得多的傳播方式。在研究電磁波傳播特性時(shí),通常以數(shù)學(xué)表達(dá)式等來描述這些傳播損耗特性,即采用所謂的數(shù)學(xué)模型來預(yù)測(cè)基站覆蓋和傳播場(chǎng)強(qiáng)。電磁波傳播模型存在很多種,應(yīng)用條件存在差異,為保證仿真計(jì)算結(jié)果的正確性,必須選擇合適的傳播模型,考慮的基本因素如下:

1) 頻率:傳播模型的頻率范圍限制。

第三代圖書館服務(wù)平臺(tái)的總體架構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)由基礎(chǔ)支撐平臺(tái)、圖書館自動(dòng)化管理系統(tǒng)、電子書內(nèi)容管理平臺(tái)、知識(shí)服務(wù)平臺(tái)、數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)、用戶管理、開放平臺(tái)七大部分構(gòu)成。

2) 地形地貌特征

· 是否可以得到地貌特征;

· 計(jì)算是一般應(yīng)用還是特定基站的運(yùn)算。

3) 天線高度

· 部分傳播模型忽略地面因素的影響;

· 如果天線距離地面很近,選擇考慮地面影響的傳播模型。

表3 選擇模型的主要考慮因素

基于GIS實(shí)際地形環(huán)境仿真應(yīng)選用DETVAG90/FOA模型作為本文仿真計(jì)算模型。

2.4 電磁輻射環(huán)境影響仿真結(jié)果

將假定基站的仿真模型與實(shí)際地理坐標(biāo)匹配,嵌入到基站GIS三維空間模型,建立基站電磁波發(fā)射/接收基站數(shù)據(jù)庫;調(diào)用基站發(fā)射/接收基站數(shù)據(jù)庫信息,依據(jù)DETVAG90/FOA等電磁波傳播模型,對(duì)基站電磁波場(chǎng)強(qiáng)覆蓋情況進(jìn)行仿真;并參照國軍標(biāo)GJB5313《電磁輻射暴露極限值和測(cè)量方法》給出的人員的電磁環(huán)境規(guī)定極限值,在基站GIS三維空間模型上標(biāo)出電磁輻射超標(biāo)區(qū)域。

采用DETVAG90/FOA電波傳播模型,仿真高度為地面高度2m,仿真頻率3MHz、4MHz、5MHz、6MHz、10MHz、12MHz、15MHz、20MHz、25MHz、30MHz,仿真計(jì)算了該天線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋情況,仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 場(chǎng)強(qiáng)覆蓋最大值仿真結(jié)果

圖5 場(chǎng)強(qiáng)覆蓋二維分布圖(20MHz)

參照國軍標(biāo)極限值,該天線各頻率場(chǎng)強(qiáng)覆蓋均低于連續(xù)波暴露對(duì)應(yīng)極限值,該天線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋二維分布圖(20MHz)如圖5所示。

根據(jù)仿真結(jié)果,對(duì)照國軍標(biāo)極限值,該天線場(chǎng)強(qiáng)輻射沒有超過作業(yè)區(qū)連續(xù)波暴露極限(140dBμV/m)的區(qū)域,符合作業(yè)區(qū)工作場(chǎng)強(qiáng)暴露極限范圍。

3 結(jié)語

本文介紹的基于GIS實(shí)際地形環(huán)境的電磁環(huán)境仿真預(yù)測(cè)方法突破了傳統(tǒng)的二維圖形或圖表的預(yù)測(cè)形式,充分考慮了實(shí)際環(huán)境中地形、地貌對(duì)電波傳播影響因素,結(jié)合國軍標(biāo)極限值,直觀、量化地反映了三維地形環(huán)境中電磁波覆蓋的分布態(tài)勢(shì),可為短波發(fā)信基站建設(shè)提供電磁環(huán)境技術(shù)保障,為基站電磁輻射保護(hù)措施提供定量依據(jù),為電磁環(huán)境預(yù)測(cè)仿真手段提供了重要思路。

[1] 周建明,高攸剛,徐小超,等.通信電磁輻射及其防護(hù)[J].人民郵電出版社,2010,6:63-85.

[2] 蔡英議,等.短波天線工程建設(shè)與維護(hù)[J].北京:解放軍出版社,2003:120-135.

[3] 王汝群,等.戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境[M].北京:解放軍出版社,2006:90-105.

[4] Haiqing Li, Guofo Yin, Jie Fu. Research on the collaborative virtual products development based on Web and X3D[C]//Proceedings of the 16thinternational Conference onArtificial Reality and Texlexistence-Workshops(ICAT’06),2006.

[5] 熊皓.無線電傳播[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000:87-93.

[6] Melvin M Weiner. Use of the Longly-Rice and Johnson-Gierhart Tropospheric Radio Propagation Programs: 0.02-20GHz[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications,1986,4(2):297-307.

[7] 胡繪斌,柴舜連,大氣折射率剖面在寬角拋物面方程中的應(yīng)用[J].微波學(xué)報(bào),2006,22(1):5-8.

[8] Bannister P R. r ELF propagation update[J]. IEEE of Ocean Engineering,1984,OE-9(3).

[9] Rowe H E. Extremely low frequency(ELF) communication to submarine[J]. IEEE Trans. On Commun,1974,22(4):371-385.

[10] CAPON J. High resolution frequency wave number spectrum analysis[J]. Proc. IEEE,1969,57:1408-1418.

Prediction of the Influence of the Environment on the Shortwave Electromagnetic Radiation Characteristics Based on GIS

ZUO Lifen REN Xichuang CUI Jie

(No. 91469 Troops of PLA, Beijing 100841)

A method is proposed to predict the environment on the shortwave electromagnetic radiation characteristics baesd on GIS. Based on this method, certain shortwave communication station is taken as example, and the emulation procession of certain shortwave antenna is presented. Afterwards, the GJB5313 is combined to realize the visualization of the above the limitation area. Finally, the possible apply of this method is analyzed.

prediction, electromagnetic radiation, GIS three-dimensional space, electromagnetic defence

2015年3月4日,

2015年4月20日

左麗芬,女,碩士,工程師,研究方向:通信與信息系統(tǒng)。任席闖,男,博士,工程師,研究方向:無線通信系統(tǒng)。崔潔,女,工程師,研究方向:通信與信息系統(tǒng)。

TN219

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.043