摘 要：超短波海面?zhèn)鞑ヌ匦允请姶艂鞑パ芯款I域的一個重要課題，目前常用的經典模型計算繁雜，且適用范圍各不不同，文章對各種模型進行了詳細分析比對，得出了適宜應用于海面?zhèn)鞑キh(huán)境的應用模型，并進行了軟件開發(fā)、仿真計算和數值比對，為快速工程計算打下了基礎。

關鍵詞：傳播特性；自由空間模型；Okumura-Hata模型；Egli模型

1 概述

超短波通信傳輸一般比較穩(wěn)定，但不同地域和環(huán)境下的傳輸衰減情況不同，這使得信號傳輸質量和傳輸距離也各不相同。在其傳播預測方面，業(yè)界廣泛應用的有幾個經典模型，但這些經典模型復雜且計算繁瑣。文章結合經典模型對超短波信號海上傳播特性進行了研究，對超短波海面?zhèn)鞑ヒ?guī)律作了一定程度的分析。并運用Visual C++6.0編制了基于這幾種常用模型的應用軟件，使傳播損耗工程計算得以快速實現。

2 超短波傳播特性模型研究

2.1 視距傳播理論

超短波波段通信頻率較高，電波沿地面?zhèn)鞑r衰減很大，遇到障礙時繞射能力又很弱，難以利用地波傳播方式。而高空電離層又難以將其反射回地面，因而不能利用天波傳播方式，超短波通常是利用視距傳播方式。所謂視距傳播， 是指發(fā)射天線和接收天線處于相互能看見的視線距離內的傳播方式。

設發(fā)射天線高度為h1、接收天線高度為h2，視距公式為：

式中，h1和h2的單位為米，考慮大氣的不均勻性對電波傳播軌跡的影響時， 視距公式應修正為：

實際上電波是在各種空間場所（如沿地表、海面、低空大氣層、或在電離層內）傳播的。在傳播過程中，媒質吸收使信號衰減，媒質的不均勻性、地貌地物的影響、多徑傳輸等都會使信號畸變、衰落或電波傳播方向改變等。因此超短波尤其臨界頻段在海上實際環(huán)境下應用視距公式不太準確。

2.2 超短波傳播預測的主要模型

超短波傳播模型一般分為三類，分別為經驗模型、半經驗半確定模型，以及確定模型。經驗模型是由大量測量數據的統(tǒng)計分析導出的公式，該方法簡單且不需要精確的地理信息，但該方法估算路徑損耗的精度較低。確定性模型是基于電磁理論直接用于特定環(huán)境的求解，環(huán)境描述的精度決定確定性模型的精度。半經驗半確定模型先從確定性模型導出的公式入手，為了改善預測路徑損耗精度，使理論預測與實驗測量一致，需要通過實驗對模型校正。下面介紹的應用最廣泛也最具實用性的傳播模型都是統(tǒng)計模型，即經驗模型。這里選擇了三個最具代表性的自由空間模型、 Okumura 模型、Okumura-Hata 模型、Egli 模型來研究超短波傳播預測。

（1）自由空間傳播模型

L=32.45+20lgf（MHz）+20lgr（km）-Gi（dB）-GR（dB） （3）

L為傳播損耗，f為信號頻率，r為傳播距離，Gi、GR分別為發(fā)射天線和接收天線增益，可見若不考慮天線的因素， 則自由空間中的傳輸損耗，是球面波在傳播的過程中隨著距離的增大，能量自然擴散而引起的，它反映了球面波的擴散損耗。

（2）Okumura-Hata 模型

Okumura-Hata 模型是根據測試數據統(tǒng)計分析得到的經驗公式，其適用頻率范圍是150-1500MHz，適用于小區(qū)半徑大于1km的宏蜂窩系統(tǒng)，基站有效天線高度在30-200m之間，移動臺有效天線高度在1-10m之間。Okumura-Hata模型以市區(qū)傳播損耗為標準，在此基礎上對其它地形做了修正。在市區(qū)，Okumra-Hata 經驗公式如下：

Lm=69.55+26.161gf-13.821g（ht）-a（hr）+[44.9-6.55lg（ht）]lgd（4）

式中，f 是載波頻率；ht是發(fā)射天線有效高度；hr是接收天線有效高度；d是發(fā)射機與接收機之間的距離；a（hr）是移動天線修正因子，其數值取決于環(huán)境因素。

（3）Egli 模型

Egli模型是一種簡化的不規(guī)則地形上的無線傳播模型，它是基于實測數據而提出的，經實驗證明在室外移動傳播環(huán)境中，接收信號的功率隨 40log10d 的增大而減小，且二者呈線性關系。Egli指出該模型只適用于接近平面的區(qū)域，所以其適用于海上環(huán)境。在90-1000MHz 頻率之間對不規(guī)則地形進行大量測量后，Egli 觀察到一個小區(qū)域的中值信號強度隨距離按四次冪規(guī)律變化的趨勢。其從平坦地面的雙徑模型擴展出一種新模型，且根據頻率和地形特征產生附加損耗。Egli 模型的路徑損耗公式為：

L=-88-40lgd-20lgf+10lgGt+10lgGr+20lght+20lghr（5）

式中Gt、Gr分別表示發(fā)射天線增益和接收天線增益，d的單位為km，f的單位為MHz，ht和hr的單位為m。Egli模型包括了地形因子。由于文章主要的研究對象為海面環(huán)境，因此該模型可以應用于海面超短波信號傳播損耗的工程計算。

3 傳播預測模型軟件的設計開發(fā)

3.1 軟件的界面設計及說明

本軟件選用了三種傳播預測模型，分別為自由空間模型、Okumura-Hata模型、Egli模型。其中Okumura-Hata模型又分為城市、農村、郊區(qū)、開闊地四種自然環(huán)境。計算模型的主要參數為：信號頻率、發(fā)射天線高度、接收天線高度和傳輸距離。軟件可以執(zhí)行單次計算或連續(xù)計算，單次計算即計算模型在固定距離下的傳輸損耗值，連續(xù)計算可計算不等距離或不同頻率在固定點的傳輸損耗值。如計算模型在不等距離的傳輸損耗時，配置好模型參數后，先選擇須計算點數，再選擇距離步進，然后點擊連續(xù)計算，軟件自動對每一個距離計算點進行傳輸損耗計算，生成的數據存入attenua.dat文件；計算不同頻率在固定傳輸距離的傳輸損耗時，配置好模型參數后，先選擇計算點數，再選擇頻率步進，然后點擊連續(xù)計算，軟件自動對各個頻率在某點的傳輸損耗依次進行計算，生成的數據存入attenua.dat文件。

3.2 傳播預測模型主要算法

相關代碼如下：

if（m_model==0）//自由空間模型

{m_ground=32.44+20*log10（m_distance）+20*log10（m_frequency）；}

else if（m_model==1）//Okumura-Hata改進模型

{ double a，b，c；

if（m_environment==0）//中小城市

┉ ┉

else if（m_model==2） //Egli模型

{m_ground=32.44+20*log10（m_distance）+20*log10（m_frequency）；}

3.3 軟件仿真生成數據實例

如發(fā)射信號頻率200MHz，發(fā)射天線高度20米的條件下，基于各種預測模型對1到80Km的傳輸距離連續(xù)計算傳輸衰減。計算的模型采用自由空間模型、Okumura-Hata模型（包含中小城市、農村、郊區(qū)、開闊地）和Egli模型。部分計算數據如表1所示：

運用excel軟件對表1數據各組數據繪制衰減曲線如圖1所示。

從圖1可以看出，各種模型的衰減曲線走向是較為一致的，總體規(guī)律是隨著傳播距離的增加傳播損耗不斷增加。在0～10Km范圍內衰減增長較快，在10～80Km范圍內衰減速度有所放慢?？v向來看，同樣傳輸距離，自由空間模型的衰減值最小，開闊地次之，農村和Egli模型接近，郊區(qū)較大，中小城市傳輸衰減最大。各種模型的起始距離衰減值均高于80dB，這是由于電磁波傳播的球面擴散引起的。根據大量的實際實驗數據印證，Egli模型與海面實測數據吻合程度較高，該模型的應用價值較大。工程技術人員可運用本軟件對超短波的海面?zhèn)鞑p耗進行快速工程計算。

4 結束語

文章研究了超短波傳播的幾種經典模型，對各種模型的適用條件進行了分析，運用vc軟件開發(fā)了傳播損耗計算軟件，用幾種模型對1-80KM距離的損耗進行了仿真計算，并進行了比對分析，研究表明Egli模型較為適合海面環(huán)境下的超短波通信傳播損耗工程計算。

參考文獻

[1]陳波.海上超短波通信距離分析[J].艦船科學技術，2010（6）.

[2]耿京朝.超短波電波傳播的分析與計算[J].無線電通信技術，2002（6）.