金鵬熊 瑾 煜 張曉勇（盲信號處理重點實驗室成都610041）

海上無線電監(jiān)測浮標的覆蓋范圍研究?

金鵬熊 瑾 煜 張曉勇
（盲信號處理重點實驗室成都610041）

海上無線電波傳播損耗預測是確定海上無線電監(jiān)測范圍的基礎。論文從基于浮標的海上無線電監(jiān)測需求出發(fā)，簡要分析了浮標無線電波傳播特點以及多種海上無線電波傳播模型，以適用性和平均預測誤差最小為準則，選擇Long?ley-Rice模型作為海上無線電監(jiān)測浮標覆蓋范圍評估的模型。重點研究了VHF/UHF頻段浮標覆蓋范圍與監(jiān)測頻率、收發(fā)天線高度、海況以及接收機靈敏度之間的關系，研究成果可作為無線電監(jiān)測浮標設計和部署的參考。

無線電監(jiān)測；浮標；Longley-Rice模型；覆蓋范圍

Class Num ber TN98

1 引言

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，綜合國力不斷提升，經(jīng)濟發(fā)展對海洋的依賴日益增加，特別是在海上絲綢之路經(jīng)濟戰(zhàn)略提出以來，各類艦船出海頻率不斷增加，海上用頻設備不斷豐富，船舶亂用和盜用無線電頻率的現(xiàn)象時有發(fā)生，極大地影響了海上交通運輸業(yè)務的安全。另外，海上方向是我國戰(zhàn)略利益拓展的重要方向，是確保國家長治久安和持續(xù)發(fā)展必爭必保的戰(zhàn)略空間，海上無線電監(jiān)測不僅能夠為民用無線電頻譜管理提供所需要的參數(shù)，而且可以為軍隊制定無線電頻譜管理和通信保障計劃提供技術支撐，對國家安全、海上維穩(wěn)以及海上作戰(zhàn)等方面具有重大意義。

浮標是錨定在指定位置浮于水面實現(xiàn)某種特定用途的海洋觀測平臺，已廣泛用于海洋環(huán)境監(jiān)測、水聲信號探測以及無線電中繼通信等領域，技術相對成熟。采用浮標可以實現(xiàn)對指定海域無線電環(huán)境的實時監(jiān)測，相比于傳統(tǒng)的人工出海監(jiān)測方式，監(jiān)測效率更高、費用開銷更小，具有良好的應用前景。

本文從基于浮標的海上無線電監(jiān)測需求出發(fā)，針對監(jiān)測浮標的實際部署問題，以Longley-Rice傳播損耗模型為基礎，首次給出了VHF/UHF頻段下監(jiān)測浮標覆蓋范圍與監(jiān)測頻率、收發(fā)天線高度、海況以及接收機靈敏度之間的關系，為無線電監(jiān)測浮標的實際部署提供參考。

2 浮標無線電波傳播的特點

海上無線電波主要來源于艦船、港口或附近島嶼上的單邊帶短波電臺、甚高頻無線電話、短波對講機、蜂窩移動通信網(wǎng)以及衛(wèi)星移動通信網(wǎng)等。浮標對指定海域及其周圍空域開展無線電實時監(jiān)測可以理解為浮標與岸上監(jiān)測站、浮標與海上艦船之間進行電波傳播。岸上監(jiān)測站負責接收浮標回傳的監(jiān)測信息，通常建在沿海海拔較高的地方，高度一般在80m~200m不等；水面艦船因船舶類型、通信目的的不同，天線高度通常為3m~50m不等；而浮標因浮標體結構的原因，天線高度一般較低，通常來說不超過5m。頻率高于30MHz的無線電波在海上傳播時，接收天線接收的電波主要是由通過空氣傳播的直達波和經(jīng)過海面反射的反射波構成，并且對于矮小的浮標天線來說，直達波受海面變化的影響較大［1］。海面浮標無線電波傳播路徑如圖1所示。

3 浮標海上無線電波傳播模型的比較和選擇

相比于通常情況下的海上無線電波傳播，由于浮標接收天線貼近海面，浮標無線電信道更容易受到海浪起伏的動態(tài)影響［2~3］，因此研究適用于浮標的海上無線電波傳播模型具有很強烈的現(xiàn)實意義。目前普遍采用的海上無線電波傳播模型有自由空間傳播模型、Egli模型、Okumura-Hata模型、ITU-R P.1546模型和Longley-Rice模型等，本節(jié)首先給出Longley-Rice模型的理論介紹，然后從模型適用性和Matlab仿真分析的角度，充分考慮浮標海上無線電波傳播的實際情況，對上述五種模型進行對比分析。

3.1 Longley-Rice模型

Longley-Rice模型由Longley和Rice提出，以傳播理論為依據(jù)，結合了數(shù)千組實測數(shù)據(jù)，屬于半經(jīng)驗半確定性模型。該模型下，傳播損耗的計算基于不同的傳播距離和傳播模式：在視距范圍內以反射傳播機制為主，在超視距情況下以衍射傳播為主，對于更遠的距離則以散射傳播為主。其數(shù)學描述為

式中，d為傳播距離，單位為km；f為無線電波頻率，單位為MHz；dLs為光滑地面距離；dx表示此處的繞射損耗和散射損耗相等；Le、Led和Les分別表示自由空間下視距、繞射和散射時的傳播損耗值；k1和k2為傳播損耗系數(shù)；md和ms分別為繞射和散射損耗系數(shù)；dmin￡d￡dLs為視距傳播距離，dLs￡d￡dx為繞射傳播距離，dx￡d為散射傳播距離；Lfree為自由空間傳播損耗，Lref為由Longley-Rice模型計算得到的超出自由空間傳輸損耗的參考中值。

目前，Longley-Rice模型已被廣泛用于海上無線電波傳播損耗的預測。文獻［2］采用Longley-Rice模型對海面浮標中繼通信系統(tǒng)電波傳輸損耗進行仿真研究，確立了海面浮標信道通信與海洋環(huán)境及通信系統(tǒng)結構的關系；文獻［4］通過補充雙徑模型和雨衰模型使得改進后的Longley-Rice模型更能反映遠海區(qū)域移動信道傳輸特征；文獻［5］在Longley-Rice模型基礎上，建立了等效散射模型，描述了接收機附近的損耗情況，減小了計算誤差；文獻［6~7］在文獻［8］的基礎上，選擇Longley-Rice模型來計算接收點場強，對船載通信偵察系統(tǒng)在不同距離上的偵察概率進行定量分析，進而估算系統(tǒng)的有效偵察距離。

3.2 適用性分析

對于上述五種傳播模型，自由空間傳播模型最為簡單，傳播損耗僅與工作頻率和傳播距離有關，與實際偏差最為明顯；Okumura-Hata模型和Egli模型屬于經(jīng)驗模型，是在大量實測數(shù)據(jù)經(jīng)分析后得出的模型，這類模型比較簡單，限定條件較少，通常只適用于預測小場景、近距離的無線電波傳播，精確度也比較低；而Longley-Rice模型和ITU-R P.1546模型考慮了更多與地形相關的參數(shù)，有不少文獻［9］都表明它們能對海上無線電波的傳播進行較好地預測。幾種海上傳播模型的適用性比較如表1所示。

表1 幾種海上傳播模型的適用性比較

表1從適用頻率、使用范圍、接收天線高度和發(fā)送天線高度對上述五種模型進行了比較。從表中可以看出，Egli模型僅限于視距傳播，預測距離較短；Okumura-Hata模型的發(fā)送天線高度最低為30m，遠高于海上船舶天線的最低高度；而自由空間傳播模型、Longley-Rice模型和ITU-R P.1546模型從適用性的角度考慮雖都能滿足浮標無線電波傳播的要求，但Longley-Rice模型相比另外兩者來說考慮了更多與地形有關的因素，同時兼顧了傳播環(huán)境中介質的電氣特性，包括海面折射率、海面電導率、介電常數(shù)等，并且模型基于的實測數(shù)據(jù)大多數(shù)是在接收天線高度為1m~9m的情況下測得。因此，從適用性角度來說，Longley-Rice模型更能體現(xiàn)浮標無線電波近海面?zhèn)鞑サ奶攸c。

3.3 仿真分析

本節(jié)采用福建某海域實測數(shù)據(jù)［10］對上述五種傳播模型的預測精度進行仿真對比驗證，通過平均預測誤差最小的原則來考量究竟哪種傳播模型更適合浮標海上無線電波傳播損耗的預測。定義平均預測誤差［11］為

式中，N是電波傳播路徑上的采樣點數(shù)，Lmodel和Lreal分別代表各模型在對應采樣點上計算得到的傳播損耗和實測的傳播損耗，單位為dB。

原文測試條件為：信號頻率900 MHz，岸基固定發(fā)射天線高200m，增益18dBi，水平波束寬65°，單極化，輸出功率80W，有效輻射功率66.29dBm，船載接收天線高3m，測試距離7km~42km?？紤]到測試時海浪較大，在數(shù)據(jù)處理時，首先以1km為間隔進行采樣點平均，以消除因海浪帶來的數(shù)據(jù)擾動，其次在Longley-Rice模型、ITU-R P.1546模型和Egli模型中考慮不規(guī)則地形參數(shù)D h，以提高預測精度；在Okumura-Hata模型中使用開闊環(huán)境修正，保證每種模型都能較好地滿足實測海洋環(huán)境。仿真結果如圖2所示。

從仿真結果來看，在整個測試距離內，五種模型的傳播損耗預測曲線與實測數(shù)據(jù)曲線的上升趨勢基本一致，但相比于其他三種模型，Longley-Rice模型和ITU-R P.1546模型與實測數(shù)據(jù)更為吻合。對比Longley-Rice模型和ITU-R P.1546模型，在預測距離為9km~20km時，ITU-R P.1546模型與實測數(shù)據(jù)更相近，但當預測距離超過30km時，ITU-R P.1546模型與實測數(shù)據(jù)相差接近10dB，偏差較大，而此時Longley-Rice模型與實測數(shù)據(jù)更為吻合?，F(xiàn)用式（4）來計算各個模型的平均預測誤差，計算結果如表2所示。

表2 各模型平均預測誤差

表2給出了幾種模型相對于實測數(shù)據(jù)的平均預測誤差，和適用性分析的結論一樣，Longley-Rice模型的平均預測誤差最小，約為2.43dB，表明其更適合作為接收天線較矮的海上無線電波傳播損耗預測模型。

4 海上無線電監(jiān)測浮標覆蓋范圍評估

4.1 仿真參數(shù)選取

影響浮標無線電覆蓋范圍的主要因素有發(fā)射功率大小、天線增益、天線角度/方向性以及水文氣象條件等。本節(jié)結合實際情況對覆蓋范圍評估中所需參數(shù)進行選取，設定仿真參數(shù)為：浮標端接收天線高度h2分別為3m、4m和5m，采用全向天線，增益GR=3.5dBi，接收機靈敏度為-90dBm；艦船發(fā)送天線高度高度h1分別為45m、25m和3m，發(fā)射功率為20W，發(fā)射天線增益為GT=5dBi；監(jiān)測頻段為VHF/UHF頻段，海水的電導率和介電常數(shù)分別為81F/m和5S/m，氣候類型為熱帶海洋性氣候（Mari?time Tropical），其海面折射率為370N-units；收發(fā)天線標準選用“Careful”，都為垂直極化方式；時間參量分位數(shù)設為0.9，位置參量分位數(shù)設為0.9，情景參量分位數(shù)設為0.9，監(jiān)測半徑步進參數(shù)取1km。

4.2 收發(fā)天線高度與覆蓋范圍

圖3給出了浮標接收天線高度為3m，不同發(fā)射天線高度下監(jiān)測頻率與監(jiān)測半徑之間的關系。對于發(fā)射天線高度分別為45m、25m以及3m的發(fā)射天線，無線電頻率低于150MHz時，監(jiān)測半徑隨頻率的增加縮減較快，高于150MHz時則較為平緩。另外，對某一固定監(jiān)測頻率而言，在同樣的發(fā)射功率下，發(fā)射天線高度越高，浮標天線對該頻率信號的監(jiān)測距離越遠。

圖4 給出了艦船發(fā)射天線高度為25m，接收天線高度分別為5m、4m和3m情況下監(jiān)測頻率與監(jiān)測半徑之間的關系。對于矮小的浮標天線來說，監(jiān)測半徑受浮標天線高度變化的影響并不大，在整個監(jiān)測頻段內只存在1km~3km的差距。

4.3 海況與覆蓋范圍

為了全面分析海上無線電監(jiān)測浮標的覆蓋范圍，引入不規(guī)則地形參數(shù)D h以模擬不同海況等級下海面散射對覆蓋范圍的影響。不規(guī)則地形參數(shù)D h定義為地形起伏的90%與10%的高度差，不同海況下D h的取值可以根據(jù)定義由國際通用的海況表計算得到。另外，海況還直接影響著浮標天線的姿態(tài)，研究表明［12］，圓柱形浮標受波浪刺激最小，是海洋監(jiān)測的理想平臺，在3、4級海況條件下，圓柱形浮標體俯仰搖擺角度均方值為8.067°。而全向天線的增益可以表示為

式中，H為水平面角度，V為垂直面角度，k在27000~42000之間取值，通常情況下，取k=32000，H=360°，V=40°以保證浮標體最大搖擺角度時不出現(xiàn)信號電平的劇烈衰落，并使系統(tǒng)保持最大的電平儲備［13］。對于理想海況，由式（5）計算得到浮標天線接收增益GR=3.5dBi；對于3、4級海況，GR在2.7dBi~4.4dBi之間。因此，海況還動態(tài)地影響著浮標天線的接收增益。

通常，浮標的工作環(huán)境設置在3級海況，生存環(huán)境為4級海況。圖5給出了艦船發(fā)射天線高度為25m，浮標接收天線高度為3m，浮標生存海況等級與0級海況下監(jiān)測頻率與監(jiān)測半徑之間的關系，反映出水文氣象條件對無線電監(jiān)測浮標覆蓋范圍的影響?？梢钥闯?，海況對覆蓋范圍的影響隨著監(jiān)測頻率的增加而更為明顯，在監(jiān)測頻率小于100MHz時，3、4級海況幾乎不會帶來覆蓋半徑偏差，而當頻率超過100MHz時，偏差增大至3km；另外，對于同一監(jiān)測頻率，海況等級越高，海況對浮標的覆蓋半徑影響越大。

4.4 接收機靈敏度與覆蓋范圍

以上仿真是在接收機靈敏度為-90dBm情況下來討論的，實際接收機的靈敏度因系統(tǒng)內部噪聲的不同而有所差異。一般情況下，監(jiān)測接收設備距被測無線電輻射源較遠，并且天線的最大接收方向通常不能準確對準被測無線電輻射源發(fā)射機天線的最大輻射方向，接收信號一般很微弱，這就要求監(jiān)測接收設備具有很高的靈敏度。因此，實際工程到底采用靈敏度為多大的接收機來保證需要的監(jiān)測范圍也是一個值得討論的現(xiàn)實問題。

圖6給出了收發(fā)天線高度分別為3m和25m，理想海面情況下，典型接收機靈敏度對覆蓋范圍的影響。與實際情況一樣，對于同一監(jiān)測頻率，接收機靈敏度越小，監(jiān)測范圍越大。表3給出了監(jiān)測頻率為150MHz時典型接收機靈敏度下監(jiān)測半徑的數(shù)值?？梢姳O(jiān)測頻率為150MHz，接收機靈敏度在-80dBm~-100dBm的情況下，接收機靈敏度每提高5dBm，監(jiān)測半徑可增加約6km。

表3 150MHz時典型接收機靈敏度下的監(jiān)測半徑

4.5 UHF頻段分析

以上分析重點考察了VHF頻段監(jiān)測半徑受監(jiān)測頻率、收發(fā)天線高度、海況以及接收機靈敏度的影響。對于UHF頻段，監(jiān)測頻率對監(jiān)測半徑的影響已經(jīng)很小，這主要是因為UHF頻段頻率較高，影響電波傳播損耗的主要因素已經(jīng)不再是地形變化，而是由于對流層散射所致。在接收機靈敏度為-90dBm時，Longley-Rice模型仿真結果如表4所示。從表中不難發(fā)現(xiàn)各情況下監(jiān)測半徑與頻率為300MHz時的仿真結果基本一致，只在海況等級較高的情況下出現(xiàn)4km左右的浮動。

表4 UHF頻段仿真結果

5 結語

近年來，海上時常發(fā)生的無線電干擾極大地影響了海上交通業(yè)務運輸安全。對此，利用本文對海上無線電監(jiān)測浮標覆蓋范圍的評估結果，可以為無線電監(jiān)測浮標的實際部署提供參考。例如，由仿真結果可知對于水上移動VHF無線電話業(yè)務156.8MHz的呼叫頻率，監(jiān)測浮標的有效監(jiān)測半徑約為13km~30km。

另外，在實際部署時，還應結合擬部署海域的實際情況，盡量部署在海況較好的海域，以提高監(jiān)測浮標的覆蓋范圍。某些情況下，不僅需要做到對海面的連續(xù)覆蓋，有時候還需要考慮重點區(qū)域的覆蓋，比如重要捕魚作業(yè)區(qū)、油井以及重要航道等，這時就需要重點考慮監(jiān)測對象的工作頻段，有針對性地設置浮標位置，使監(jiān)測對象處于覆蓋范圍之內。

［1］BD，Kilfoyle，BA，etal.The state of the art in underwa?ter acoustic telemetry［J］.IEEE Journal Of Oceanic Engi?neering，2000（25）：10-24.

［2］張國龍，鄭琛瑤.海面浮標通信電波傳播損耗研究與仿真［J］.艦船電子工程，2015，35（2）：77-79.

［3］張也冬，朱建國，左曉亞.L波段海上浮標通信信道傳播特性研究［J］.計算機工程與應用，2015，51（13）：72-76.

［4］趙雨薇，遲迅，任佳.基于ITM模型的海上移動信道傳輸模型［J］.電子技術應用，2014，40（7）：106-108.

［5］徐文杰，周新力，吳龍剛.Longley-Rice等效散射模型的建立［J］.電磁場與微波，2011，41（4）：42-44.

［6］陳旗，謝金輝.船載通信偵察系統(tǒng)距離估算研究［J］.艦船電子對抗，2016，39（4）：29-34.

［7］郭晉宏，李建濤.艦船超短波通信偵察系統(tǒng)偵察效能評估［J］.通信技術，2009，42（9）：117-120.

［8］楊明，陳靜，袁勁松.艦載短波偵察系統(tǒng)對天波的偵察效能評估［J］.電子對抗技術，2003，33（7）：33-35.

［9］李媛，任佳，崔亞妮.海面環(huán)境700MHz頻段傳輸特性測試與模型校正［J］.廣播與傳輸，2016，40（5）：82-90.

［10］何群，黃云鵬.關于海面無線傳播模型的探討［J］.無線通信，2004（2）：36-39.

［11］Phiri T J，Davidson D B，Wiid PG.Propagationmodel?ling for the South African SKA site［Z］.2015.

［12］曲少春，鄭琨，王英民.圓柱形浮標運動分析與仿真［J］.計算機仿真，2010（6）：363-367.

［13］張建忠，秦建存.浮標通信的仿真與設計［J］.無線電通信技術，2012，38（5）：74-76.

Coverage Research of M arine Radio M onitoring Buoy

JIN Peng XIONG Jinyu ZHANG Xiaoyong
（Science and Technology on Blind Signal Processing Laboratory，Chengdu 610041）

Prediction of radio wave propagation loss at sea is the basis for determining the range ofmaritime radiomonitoring. This paper begin with radiomonitoring requirements based on the sea buoy.Briefly analyzes the characteristicsof radio wave propa?gation and themodel of radio wave propagation at sea.Treating applicability andminimal average prediction error as the criterion. Choosing the Longley-Ricemodelas themaritime radiomonitoring buoy coverage evaluationmodel.Focusing on the relationship be?tweenmonitor range and themonitor frequency，antenna height，sea conditions and the sensitivity of the receiver under UHF/VHF frequency.The research results can beused as the referenceof radiomonitoringbuoy design and deployment.

radiomonitor，buoy，Longley-Ricemodel，coverage

TN98 DO I：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.006

2016年11月18日，

2016年12月19日

金鵬，男，碩士研究生，研究方向：微弱信號檢測、多源信息融合。熊瑾煜，男，博士后，高級工程師，研究方向：無源定位跟蹤、海洋電子信息。張曉勇，男，博士，工程師，研究方向：通信與信息系統(tǒng)、信號檢測與識別。