超短波無(wú)線傳輸在觀音閣水庫(kù)防汛中的應(yīng)用

袁雪蓮

（遼寧省觀音閣水庫(kù)管理局，遼寧 本溪 117100）

超短波無(wú)線傳輸在觀音閣水庫(kù)防汛中的應(yīng)用

袁雪蓮

（遼寧省觀音閣水庫(kù)管理局，遼寧 本溪 117100）

文章介紹了超短波在觀音閣水庫(kù)降雨量、水庫(kù)水位、閘位、出庫(kù)流量、數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用，闡述防汛測(cè)報(bào)系統(tǒng)如何選擇天線、電臺(tái)及中繼站的選址方式。

超短波；天線；電場(chǎng)強(qiáng)度；水庫(kù)防汛

根據(jù)國(guó)家水利系統(tǒng)給定的無(wú)線電通訊頻點(diǎn)為230MHz屬于超短波頻段。其中超短波也稱(chēng)甚高頻、米波，界定頻率為 30MHz 至 300MHz、相應(yīng)波長(zhǎng)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(yīng)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(yuǎn)距離傳輸就必須依靠架設(shè)中繼站轉(zhuǎn)發(fā)才能達(dá)到理想的效果。

水庫(kù)防汛測(cè)報(bào)系統(tǒng)是利用超短波無(wú)線傳輸將各測(cè)站采集的降雨量、水位、閘位等各類(lèi)實(shí)時(shí)信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理中心，經(jīng)計(jì)算出 1h到 3h的降雨強(qiáng)度、間隔水位值等，并做出短期洪水預(yù)報(bào)和相應(yīng)的調(diào)度方案，為興利運(yùn)行創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 原系統(tǒng)組網(wǎng)

觀音閣水庫(kù)地處遼寧的東部山區(qū)，屬于長(zhǎng)白山余脈、尾脈。由于各觀測(cè)站點(diǎn)分布在不同的山谷地域的地理環(huán)境中，各觀測(cè)站點(diǎn)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(cè)站的地理信息在相關(guān)機(jī)構(gòu)單位的合作下，于 1998 年進(jìn)行了無(wú)線電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)定，結(jié)論是：各觀測(cè)站均無(wú)直達(dá)中心站的路由條件，如要建立各測(cè)站與中心站良好的無(wú)線通信，必須在中途適當(dāng)高度的山頂建立中繼站。為此，經(jīng)等高地圖查詢(xún)和相關(guān)的無(wú)線電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)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(shè)第一級(jí)中繼站，并將東南部的南孤山、南甸、洋湖溝三個(gè)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(wú)線信號(hào)仍無(wú)法直達(dá)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(shè)立第二級(jí)中繼站，大頂子山中繼站將其下的4個(gè)雨量站信息上傳給一級(jí)中繼韭菜頂子再傳至中心站。

以上無(wú)線傳輸路由經(jīng)一年的實(shí)際運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)諸多的問(wèn)題：

1）下設(shè)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(cè)站的數(shù)據(jù)信息，但是在陰天或是降雨時(shí)則無(wú)法保證定時(shí)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(gè)中繼站的海拔高度分別是 1254m 和 750m，并且沒(méi)有可正常行走的道路，對(duì)裝撤站和維護(hù)產(chǎn)生嚴(yán)重的困難，特別是在降雨的同時(shí)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(shí)際應(yīng)用中存在的缺點(diǎn)，于 2003 年經(jīng)過(guò)重新選址及電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試后，淘汰了維護(hù)困難的韭菜頂子和大頂子兩個(gè)中繼站。

2 優(yōu)化組網(wǎng)

2.1 中繼站與各測(cè)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(méi)有對(duì)設(shè)備整體性能參數(shù)匹配應(yīng)用做數(shù)據(jù)分析。因此在本次組網(wǎng)中首先對(duì) 230MHz超短波的電磁波特性進(jìn)行了具體分析。

無(wú)線電的傳播特性：

無(wú)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(jiǎn)單的一種。自由空間的視距直線傳播應(yīng)滿足下述條件的一種理想空間：

1）均勻無(wú)損耗的無(wú)限大空間。

2）各項(xiàng)同性。

3）電導(dǎo)率為零。

應(yīng)用電磁場(chǎng)理論可以推出，在自由空間傳播條件下，傳輸損耗的表達(dá)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(dāng) f和 d 擴(kuò)大一倍時(shí)，Lp 均增加 6dB。

由于式中的 f已被固定為。230MHz，因此，應(yīng)用電磁場(chǎng)理論可以推出，傳輸損耗 Lp的表達(dá)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(xiàng)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(chǎng)經(jīng)過(guò)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(lái)預(yù)測(cè)無(wú)線覆蓋范圍，都是基于理論和測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)的近似計(jì)算,由于實(shí)際地理環(huán)境千差萬(wàn)別，很難用一種數(shù)學(xué)模型來(lái)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(xué)運(yùn)算的結(jié)果與實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)使用數(shù)值存在巨大偏差。因此，有一定精度的預(yù)測(cè)雖可起到指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)基站選點(diǎn)及布點(diǎn)的初步設(shè)什，但是通過(guò)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)與實(shí)際信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值總是存在差別。所以這次無(wú)線中繼站選址上的做法是，在大量場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析與統(tǒng)計(jì)處理，找出在最優(yōu)條件下的傳播損耗（或接受信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)）與距離、附近相關(guān)建筑物體及天線高度的關(guān)系。

八盤(pán)嶺到各雨量站的地理?xiàng)l件及超短波傳播方式：

八盤(pán)嶺到中心站 14km：

地理坐標(biāo)：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(kù)防汛測(cè)報(bào)系統(tǒng)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸通信系統(tǒng)是由收發(fā)信機(jī)（數(shù)傳電臺(tái)）、天線饋線和空中的 230MHz超短波無(wú)線信道組成。由于復(fù)雜的地理環(huán)境條件決定了對(duì)選擇收發(fā)信機(jī)、中繼站及雨量測(cè)報(bào)站架設(shè)位置、天線類(lèi)型和架設(shè)高度等主要參數(shù)值的特殊指標(biāo)要求，其中最關(guān)鍵的是收發(fā)信機(jī)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)和天線增益技術(shù)參數(shù)及天線架設(shè)高度對(duì)不同的站址不同的要求。

由于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境不可能是絕對(duì)平坦的，如山丘、建筑物、樹(shù)木等，不同程度和方式衰耗著無(wú)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(shí)施前，必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試。

工作信道頻點(diǎn)（230MHz）干擾測(cè)試：國(guó)家水利系統(tǒng)無(wú)線電通訊給定的頻點(diǎn)為 230MHz，因此，必須測(cè)試外來(lái) 230MHz信號(hào)對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的干擾,干擾信號(hào)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(xiàng)目測(cè)試后，八盤(pán)嶺基本達(dá)到設(shè)置為中繼站的地理?xiàng)l件。

2.3 天 線

天線作為雨量測(cè)報(bào)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(shí)必須首先注重其性能參數(shù)的選定。具體說(shuō)有兩個(gè)方面，第一選擇天線類(lèi)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(biāo)，使用天線的頻率帶寬、增益、額定功率等電氣指標(biāo)，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(biāo)之一，它是天線輻射或接收電波大小的表現(xiàn)。增益大小對(duì)系統(tǒng)信號(hào)與傳輸距離是正比關(guān)系，簡(jiǎn)單地說(shuō)，在同等條件下，增益越高，電波傳播距離就越遠(yuǎn)，在中繼站（八盤(pán)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(cè)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(shí)，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(yàn)饋線傳輸效率的依據(jù)。電壓駐波比過(guò)大，將縮短天線的傳輸距離，而且反射功率將返回發(fā)射機(jī)功放部分，嚴(yán)重時(shí)容易燒毀收發(fā)信機(jī)的末級(jí)功放和前級(jí)放大器，破壞設(shè)備的正常工作。

2.3.3 天線的方向性

天線對(duì)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(wú)最大方向的天線稱(chēng)為全向天線，有一個(gè)或多個(gè)最大方向的天線稱(chēng)為定向天線。全向天線由于其無(wú)方向性，所以為使各雨量站都能與中繼站建立點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(qiáng)，并且直射波無(wú)法到達(dá)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(chǎng)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(yīng)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(duì)全向天線要高，適合于遠(yuǎn)距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，同時(shí)由于具有方向性，抗干擾能力比較強(qiáng)。

2.3.4 選擇天線安裝地點(diǎn)

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(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)幅度和相位，并直接影響天線的應(yīng)用效果。因此，選擇天線架設(shè)位置應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

1）天線的發(fā)射或接收方向應(yīng)避開(kāi)障礙物（樓房、鐵塔、高山等）。

2）天線架設(shè)地點(diǎn)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離干擾源（高壓線、鐵塔、工廠的電器車(chē)間等）。

3）天線應(yīng)盡量架設(shè)在附近的最高點(diǎn)。

4）如有幾付天線同在一個(gè)鐵塔上工作，應(yīng)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(shè)在室外鐵塔等較高的位置，因此，這些鐵塔等建筑物必須應(yīng)該具備良好的接地措施，并且接地電阻不大于 4 Ω。天線應(yīng)架設(shè)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(yīng)雷擊引起的脈沖放電對(duì)收發(fā)信設(shè)備的沖擊，還應(yīng)在饋電線上串接避雷裝置，使測(cè)報(bào)系統(tǒng)更安全的工作。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上各項(xiàng)分析并經(jīng)過(guò)改造,觀音閣水庫(kù)雨量測(cè)報(bào)系統(tǒng)經(jīng)十多年的運(yùn)行后確認(rèn)，整體性能穩(wěn)定、安全、可靠，特別是觀音閣水庫(kù)在經(jīng)歷“058”暴雨時(shí)，由于雷電造成本溪整個(gè)地區(qū)電力、移動(dòng)通訊系統(tǒng)停電以致于各水文系統(tǒng)的雨量都無(wú)法傳輸時(shí)，觀音閣水庫(kù)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