基于MapX的甚低頻通信信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)系統(tǒng)研究*

李光明 ，宋裕農(nóng) ，初松濤

(1.海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266071；2.91049部隊(duì)，山東 青島 266000)

甚低頻(VLF)通信是海軍遠(yuǎn)程、水下對(duì)潛指揮的最有效通信手段。甚低頻電波在地面與低電離層之間以一種“波導(dǎo)”方式傳播。大量的實(shí)驗(yàn)證明，由于受發(fā)射、接收位置、傳播路徑、太陽(yáng)輻射、晝夜、季節(jié)、氣候以及水文條件等諸多因素的影響，甚低頻通信傳播參數(shù)分布存在明顯差異，導(dǎo)致潛艇在不同海域、不同時(shí)間和不同頻率的收信效果明顯不同[1]。加上對(duì)潛通信采用單向通信方式，在戰(zhàn)時(shí)極易造成軍令不通、指揮不暢，致使戰(zhàn)機(jī)延誤，其后果是嚴(yán)重的。由于甚低頻電波傳播具有良好的可預(yù)測(cè)性，因此應(yīng)用MapX技術(shù)和波導(dǎo)模式理論開(kāi)發(fā)甚低頻通信信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)甚低頻通信信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)通信效果的精確預(yù)報(bào)，從而對(duì)通信過(guò)程中的傳播影響進(jìn)行預(yù)測(cè)修正，使通信系統(tǒng)工作性能與信道特性達(dá)到良好匹配，對(duì)于提高潛通信效能具有重要意義。

地理信息系統(tǒng)(GIS)是在計(jì)算機(jī)硬件、軟件系統(tǒng)支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理、運(yùn)算、分析和可視化表達(dá)的信息處理與管理系統(tǒng)。MapX是GIS系統(tǒng)領(lǐng)域比較著名的組件式二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，是對(duì)象鏈接和嵌入(OLE)技術(shù)的ActiveX控件，其內(nèi)部提供了40多個(gè)父類為MFC的OLE對(duì)象，采用該控件可方便地將地圖控制集成到使用標(biāo)準(zhǔn)可視化編程工具VC++等開(kāi)發(fā)的應(yīng)用中。因此，甚低頻通信信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)系統(tǒng)選用VC++為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以MapX控件為圖形平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

1 系統(tǒng)功能

甚低頻通信信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)子系統(tǒng)、地理信息管理子系統(tǒng)、信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)分析子系統(tǒng)和系統(tǒng)輸出子系統(tǒng)組成。

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)子系統(tǒng)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)子系統(tǒng)主要包括地面電導(dǎo)率數(shù)據(jù)、海水電導(dǎo)率數(shù)據(jù)、電離層數(shù)據(jù)、地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)和發(fā)射臺(tái)數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的更新、綜合查詢、增加、刪除和修改等功能。

1.2 地理信息管理子系統(tǒng)

地理信息管理子系統(tǒng)提供以下功能：(1)地理信息數(shù)據(jù)分層顯示功能：根據(jù)地圖視野的范圍，自動(dòng)確定圖層的可見(jiàn)性判斷，同時(shí)可手動(dòng)控制圖層的可見(jiàn)性顯示。(2)地理數(shù)據(jù)編輯功能：根據(jù)發(fā)射臺(tái)的地理位置數(shù)據(jù)，在地圖上編輯、修改移動(dòng)發(fā)射臺(tái)的位置。(3)地圖操作功能：地圖的漫游、放大、縮小和移動(dòng)。(4)地圖信息查詢功能：提供屬性數(shù)據(jù)的可視化。

1.3 信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)分析子系統(tǒng)

信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)分析子系統(tǒng)主要功能：(1)現(xiàn)有固定和移動(dòng)發(fā)射臺(tái)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)分布、通信覆蓋范圍和多重覆蓋查詢功能。(2)新建發(fā)射臺(tái)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)分布和通信覆蓋范圍輔助分析功能，具有模擬仿真的能力，可預(yù)先評(píng)估通信效果。(3)保障某潛艇通信的最佳發(fā)射臺(tái)、最佳發(fā)射頻率、最佳通信時(shí)段和最佳通信海區(qū)的輔助決策功能。

1.4 系統(tǒng)輸出子系統(tǒng)

系統(tǒng)輸出子系統(tǒng)主要功能：(1)提供圖形輸出功能，系統(tǒng)能按指定地圖顯示比例范圍，輸出地圖和信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)分布圖及通信覆蓋分析結(jié)果，并可增加圖例、比例尺、標(biāo)題等輔助內(nèi)容。(2)提供多種圖形格式轉(zhuǎn)換功能。(3)提供數(shù)據(jù)輸出功能。

2 功能實(shí)現(xiàn)

2.1 信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算方法

信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)采用目前發(fā)展較為成熟的波導(dǎo)模式理論。模式方程如下[2]：

式中：Ez，n為 n 階模垂直電場(chǎng) (v/m)；η0為自由空間波阻抗，η0=120π(Ω)；l為發(fā)射天線電流(A)；he為發(fā)射天線有效高度(m)；f為發(fā)射頻率(Hz)；Δn為相對(duì)激勵(lì)系數(shù)；Gn(z)為天線高度增益系數(shù)；φ為發(fā)射天線相對(duì)于地表面的波角；v0為自由空間電磁波速度(m/s)；h為電離層假定的發(fā)射邊界的高度(km)；R0為地球半徑，R0=6 370(km)；r為波傳播的距離(m)；αn為衰減率(Np/km)；β為波在波導(dǎo)內(nèi)的傳播常數(shù)，β=ω/v。

模式方程僅能對(duì)均勻波導(dǎo)中的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算，而由于傳播環(huán)境媒質(zhì)特性在時(shí)空域中是逐點(diǎn)和瞬時(shí)隨機(jī)變化的，因此信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)模型總是對(duì)應(yīng)于一定時(shí)空區(qū)間的統(tǒng)計(jì)平均特性。在實(shí)際的推算中采用路徑分割法，將傳播路徑根據(jù)地面與電離層參數(shù)的不同分割成若干條水平窄段，在每一段內(nèi)認(rèn)為其媒質(zhì)特性參數(shù)(衰減率、高度增益系數(shù)、激勵(lì)系數(shù))是恒定的。分別對(duì)各小段傳播進(jìn)行推算，再通過(guò)一個(gè)模轉(zhuǎn)換模型將各段連接起來(lái)，就得到場(chǎng)強(qiáng)隨路徑分布的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)[3-5]。在實(shí)際計(jì)算甚低頻信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，首先輸入發(fā)射臺(tái)地理參數(shù)及接收時(shí)間、天線效率，發(fā)射功率、頻率，接收點(diǎn)地理位置參數(shù)，然后算出接收點(diǎn)相對(duì)于發(fā)射臺(tái)的距離和傳播方向。再根據(jù)傳播路徑的長(zhǎng)短及所經(jīng)過(guò)路徑的介質(zhì)不均勻性將路徑分段。對(duì)于每一小段路徑由地面導(dǎo)電率數(shù)據(jù)庫(kù)、電離層數(shù)據(jù)庫(kù)和地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)資料，計(jì)算傳播參數(shù)，然后利用場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型算出接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)。其計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)計(jì)算流程

2.2 MapX應(yīng)用

MapX主要用來(lái)完成信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)分布和通信覆蓋范圍顯示與控制模塊的制作。該模塊為本系統(tǒng)的重要組成部分，主要完成以下功能：

(1)地圖變換，完成電子地圖的放大、縮小、漫游等功能。

(2)地圖量算，計(jì)算任意路徑的長(zhǎng)度及兩點(diǎn)間方位角。

(3)態(tài)勢(shì)顯示，提供發(fā)射臺(tái)及其信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)分布和通信覆蓋范圍的標(biāo)繪。

(4)信息查詢，提供地面、海水電導(dǎo)率、電離層數(shù)據(jù)、地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)和發(fā)射臺(tái)相關(guān)信息的查詢功能。

2.3 實(shí)現(xiàn)方法

(1)添加文件

首先把MapX控件提供的文件MapX.cpp和MapX.h包含到工程中去，可通過(guò)Insert菜單中的File Into Project菜單，選中相應(yīng)的文件來(lái)實(shí)現(xiàn)，生成CMapX類。但不能像使用其他ActiveX控件那樣，用component菜單來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)檫@樣生成的是CCMapX類，用起來(lái)極其不便，且會(huì)使某些功能受限。將文件加入工程后，就可以在工程中采用如下語(yǔ)句為類創(chuàng)建相應(yīng)的對(duì)象：

CMapX m_ctrlMapX；

(2)地圖加載

MapX支持的是MapInfo Professional格式的電子地圖，可通過(guò)以下方式加載：

利用MapX提供的GeosetManage工具，將所需顯示的圖形文件添加進(jìn)來(lái)，并將當(dāng)前所有圖形集合存為1個(gè)XXX.GST文件，然后在程序中調(diào)用，代碼如下：

TRACE0(“Old Geoset: ”+m_ctrlMapX.GetGeoSet())；

m_ctrlMapX.SetGeoSet(“世界地圖.gst”)；

TRACE0(“New Geoset: ”+m_ctrlMapX.GetGeoSet())；

(3)定制工具

地圖的放大、縮小、漫游等功能可通過(guò)MapX提供的標(biāo)準(zhǔn)工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。方法簡(jiǎn)單，只需設(shè)定MapX對(duì)象的Current Tool屬性即可。例如，當(dāng)需縮小工具時(shí)：

m_ctrlMapX.SetCurrentTool(miZoomOutTool)；

對(duì)一些特殊的需要，例如標(biāo)注發(fā)射臺(tái)站、地圖量算等操作，需用戶自定義相應(yīng)的特殊工具。具體方法是使用MapX對(duì)象的CreateCutomTool方法，例如：

m_ctrlMapX.CreateCutomTool(MYTOOL_STATION，mi-ToolTypePoint，miCrossCursor)

上面語(yǔ)句中3個(gè)參數(shù)為用戶預(yù)先定義的常量：(1)MYTOOL_STATION表示所創(chuàng)建的工具常量，指明是標(biāo)注發(fā)射臺(tái)，它可直接引用(如：m_ctrlMapX.SetCurrentTool(MYTOOL_STATION))。(2)miToolTypePoint是決定工具行為的常量，表明該工具在鼠標(biāo)指定位置顯示點(diǎn)。(3)miCross-Cursor是直到光標(biāo)的常量，表示十字光標(biāo)。該工具的具體行為則要編寫(xiě)代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(4)繪圖

圖2所示為繪制某一發(fā)射臺(tái)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)分布圖簡(jiǎn)要程序流程。以發(fā)射臺(tái)為中心，依據(jù)場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)計(jì)算流程，逐度逐點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算，根據(jù)每點(diǎn)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的大小渲染為不同顏色，最終形成場(chǎng)強(qiáng)空間分布圖。精度要求不高的情況下，亦可采用3°為間隔進(jìn)行插值計(jì)算，以提高程序運(yùn)行的速度。下面為部分代碼：

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖3所示為某發(fā)射臺(tái)夏季白天發(fā)射頻率20.5 kHz時(shí)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)空間分布圖。從圖中可看出，該發(fā)射臺(tái)信號(hào)基本能覆蓋整個(gè)西北太平洋，但信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)分布存在空間不均勻性，在較近距離也存在信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)較弱的區(qū)域。因此，通過(guò)仿真計(jì)算并結(jié)合MapX進(jìn)行可視化顯示，可清晰標(biāo)繪發(fā)射臺(tái)可靠通信覆蓋范圍，為潛艇活動(dòng)區(qū)域和收信深度的確定提供依據(jù)，使?jié)撏е鲃?dòng)避開(kāi)不利通信區(qū)域，提高對(duì)潛指揮通信的不間斷性和可靠性。此外系統(tǒng)還可輔助進(jìn)行發(fā)射臺(tái)、功率、通信時(shí)間和發(fā)射頻率的合理選擇[6]，實(shí)現(xiàn)通信資源和系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化配置，提高對(duì)潛通信的效能。

圖2 繪制發(fā)射臺(tái)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)分布圖程序流程

圖3 某發(fā)射臺(tái)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)分布圖

長(zhǎng)期以來(lái)，世界各國(guó)海軍力求解決的一大難題就是在保持潛艇戰(zhàn)斗行動(dòng)隱蔽性的同時(shí)，如何保證對(duì)潛通信指揮的可靠性和不間斷性。建立甚低頻通信信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的最基本目的是預(yù)知發(fā)射臺(tái)有效通信覆蓋范圍，并根據(jù)出航潛艇所擔(dān)負(fù)的使命任務(wù)，在制定潛艇作戰(zhàn)行動(dòng)預(yù)案時(shí)選擇最佳的收信海區(qū)和時(shí)段，為部署潛艇提供科學(xué)合理的依據(jù)。更重要的是，還可以利用預(yù)測(cè)結(jié)果合理地優(yōu)化和配置通信狀態(tài)參數(shù)，主動(dòng)適應(yīng)傳播信道，以最大限度發(fā)揮甚低頻通信系統(tǒng)的效能，對(duì)提高潛艇的作戰(zhàn)效能具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和軍事價(jià)值。

[1]熊皓.無(wú)線電波傳播(第 1版)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[2]沃特.甚低頻無(wú)線電工程(第1版)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1973.

[3]FERGUSON J A，SNYDER F P.The segmented waveguide program for long wavelength propagation calculations[R].San Diego， California:Naval Ocean Systems Center， 1997.

[4]FERGUSON J A，SNYDER F P.Approximate VLF/LF waveguide mode conversion model[R].San Diego，California:Naval Ocean Systems Center，1980.

[5]PAPPERT R A，SHOCKEY L R.Simplified VLF/LF mode conversion program with allowance for elevated arbitrarily oriented electric dipole antennas[R].San Diego，California:Naval Ocean Systems Center Naval Ocean Systems Center，1976.

[6]JERRY A.Long wave propagation model[R].San Diego，California:Naval Ocean Systems Center Naval Ocean Systems Center，1989.