基于國(guó)產(chǎn)環(huán)境的散射通信站址選擇軟件設(shè)計(jì)

肖永劍，劉雪峰，孫長(zhǎng)明

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)人民解放軍空軍華北地區(qū)總軍代表室，北京 010000)

0 引言

散射通信是一種無(wú)線通信手段，它利用大氣對(duì)流層對(duì)電磁波的散射作用，在兩地間實(shí)現(xiàn)超視距通信[1]。與其他類(lèi)型的無(wú)線通信方式相比，散射通信具有傳播距離遠(yuǎn)、傳播較為穩(wěn)定和通頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)，因此在軍事通信領(lǐng)域和民用通信領(lǐng)域有著不可替代的作用[2]。

但是，因?yàn)樯⑸渫ㄐ沛溌返膫鞑ベ|(zhì)量和鏈路地形地貌有著密不可分的關(guān)系[3]，而散射通信的技術(shù)人員卻往往難以獲得相關(guān)信息，所以，工程人員在進(jìn)行站址選擇的時(shí)候會(huì)遇到巨大的困難。在傳統(tǒng)的散射鏈路開(kāi)通過(guò)程中，使用者首先要在高分辨率的紙質(zhì)地圖上進(jìn)行大量的圖上作業(yè)，獲取鏈路的高程剖面，然后再根據(jù)鏈路高程剖面計(jì)算鏈路的幾何參數(shù)，判斷鏈路的傳播可靠度[4]。這種方法存在著工作量大、精度低和計(jì)算準(zhǔn)確性差等許多問(wèn)題。在這種情況下，散射通信站址選擇的工作效率非常低下，從而嚴(yán)重限制了散射通信的發(fā)展。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，尤其是地理信息系統(tǒng)(Geography Information System，GIS)的發(fā)展[5]，技術(shù)人員開(kāi)始將GIS和散射通信傳播模型集成為一體，實(shí)現(xiàn)散射通信鏈路傳播質(zhì)量的快速預(yù)測(cè)以及散射通信陣地的快速選擇功能。

文獻(xiàn)[6]介紹了怎樣利用MapX引擎根據(jù)等高線地圖分析散射鏈路傳播可靠度；而文獻(xiàn)[7-8]則進(jìn)一步進(jìn)入數(shù)字高程地圖和三維GIS引擎，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)的精度。

本文對(duì)前述的研究成果進(jìn)行了總結(jié)，借助國(guó)產(chǎn)GIS平臺(tái)，對(duì)散射鏈路傳播可靠度的計(jì)算和程序架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，有效地提升了散射通信站址選擇軟件的工作效率。

1 散射傳播計(jì)算方法

要開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)軟件，輔助完成散射鏈路的快速預(yù)計(jì)和散射陣地快速選擇，其理論基礎(chǔ)是散射傳播計(jì)算模型。根據(jù)散射鏈路的理論傳播模式和工程實(shí)踐，這里把散射傳播計(jì)算的過(guò)程劃分為3個(gè)步驟：鏈路幾何參數(shù)計(jì)算、傳播損耗計(jì)算和傳播可靠度計(jì)算。

1.1 鏈路幾何參數(shù)計(jì)算

散射鏈路的傳播要求天線的仰角不能太大，否則電磁波將會(huì)穿透大氣層進(jìn)入宇宙中。因此，在工程上要求仰角要盡可能得小，所以，需要考慮地面地形變化對(duì)電磁波傳播的影響。

在計(jì)算地形對(duì)電波傳播影響的過(guò)程中，需要首先采集鏈路的高程剖面曲線，然后將該曲線等效變換成地球的球面曲線[9]。在這一過(guò)程中，為了折算大氣對(duì)電波的折射效應(yīng)，往往不代入地球的真實(shí)半徑，而是考慮大氣折射因素的等效地球半徑。完成球面變換后，則利用平面幾何關(guān)系，可以計(jì)算出雙端天線仰角、散射角、通信球面距離和通信方位角等關(guān)鍵參數(shù)[10]。鏈路幾何計(jì)算的平面幾何關(guān)系示意圖如圖1所示。

圖1 鏈路幾何計(jì)算的平面幾何關(guān)系示意

在傳統(tǒng)方法中，由于需要手動(dòng)采集鏈路高程剖面曲線，因此完成這一步驟所需要的工作量是最大的[11]。引入GIS技術(shù)最大的好處則是提高了這一步驟的效率。

1.2 傳輸損耗計(jì)算

根據(jù)ITU-RP.617建議的散射損耗預(yù)測(cè)方法，將散射基本傳輸損耗中值通?？删C合為[12]：

Lb=M+30lgf+30lgΘ+10lgd+20lg5+λH+

4.343λh，

(1)

式中，f為頻率(MHz)；d為通信距離(km)；Θ為散射角(mrad)；H為最低散射點(diǎn)高度(km)；M，γ分別表示氣象和大氣結(jié)構(gòu)參數(shù)，不同氣候區(qū)類(lèi)型的值如表1所示[13]。

表 1 不同氣候區(qū)的氣象參數(shù)和大氣結(jié)構(gòu)參數(shù)

氣候區(qū)M/dBγ/km-1139.600.33229.730.27319.300.32438.500.27629.730.277a33.200.277b26.000.27

表1中所列氣候區(qū)為：1-赤道；2-大陸性亞熱帶；3-海洋性亞熱帶；4-沙漠；6-大陸性溫帶；7a-海洋性溫帶陸地；7b-海洋性溫帶海面。

對(duì)照全球?qū)α鲗由⑸鋽?shù)據(jù)庫(kù)和國(guó)內(nèi)部分電路數(shù)據(jù)，China Zhang方法的預(yù)測(cè)精度優(yōu)于美國(guó)NBS方法，替代美國(guó)方法作為首要方法納入CCIR238-6報(bào)告，隨后形成CCIR617-1建議[14]。

1.3 傳播可靠度計(jì)算

完成相關(guān)參數(shù)計(jì)算后可以計(jì)算鏈路的傳播可靠度，該參數(shù)表示對(duì)鏈路可通能力的直接評(píng)估結(jié)果。

CCIR推薦用CHINA(Zhang)方法估算傳播可靠度[15]，其表達(dá)式為：

(2)

式中，Ф(x)為概率積分(或誤差函數(shù))；Δ為衰落余額；σs為標(biāo)準(zhǔn)偏差。

該計(jì)算結(jié)果為一個(gè)百分?jǐn)?shù)，代表的是在當(dāng)前環(huán)境下，該條鏈路在一年的時(shí)間內(nèi)處于可通狀態(tài)的時(shí)間占總時(shí)間的百分比。一般來(lái)說(shuō)，這個(gè)百分比越大，該鏈路可開(kāi)通的可能性也就越大。

2 國(guó)產(chǎn)化GIS平臺(tái)

為了實(shí)現(xiàn)描述的功能，一個(gè)合理的GIS平臺(tái)便成為軟件開(kāi)發(fā)的核心問(wèn)題之一。目前，國(guó)外已經(jīng)有了很多非常成熟的商用和專(zhuān)用GIS平臺(tái)。而國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的通用GIS平臺(tái)，無(wú)論從功能上還是二次開(kāi)發(fā)的難易程度上，均無(wú)法和國(guó)外成熟產(chǎn)品相媲美[16]。但是考慮到后續(xù)的應(yīng)用場(chǎng)合，本文還是需要選擇一款國(guó)產(chǎn)化的GIS平臺(tái)。

SuperMap 7C系列軟件是北京超圖軟件股份公司推出的運(yùn)行于純國(guó)產(chǎn)化軟件環(huán)境下的產(chǎn)品，主要用于國(guó)產(chǎn)環(huán)境下的地理信息應(yīng)用開(kāi)發(fā)[17]。該平臺(tái)同時(shí)支持國(guó)產(chǎn)中標(biāo)麒麟和Windows操作系統(tǒng)，同時(shí)包含Qt C++和JAVA的二次開(kāi)發(fā)接口。相比于其他的國(guó)產(chǎn)GIS系統(tǒng)而言，其易用性較高。

3 技術(shù)難點(diǎn)

3.1 地圖精度與空間的矛盾

為了生成散射鏈路的高程剖面曲線，需要為軟件提供高精度的數(shù)字高程地圖。而數(shù)字高程地圖的數(shù)據(jù)精度越高，其占用的空間就越大，而且在使用高精度地理圖像的時(shí)候，這些高精度數(shù)據(jù)會(huì)大量占據(jù)計(jì)算機(jī)的顯存，從而嚴(yán)重影響顯示的效率[18]。

為了提高顯示速度、減少顯存的占用，GIS平臺(tái)會(huì)在保證精度的前提下，對(duì)同一地區(qū)的圖像存儲(chǔ)多個(gè)有著聯(lián)系的更高分辨率的文件片。這種文件片被稱(chēng)為瓦片，每一層圖像都被分為多個(gè)瓦片，而且分辨率越高的圖層所包含的瓦片越多。SuperMap平臺(tái)利用統(tǒng)一的算法，將這些瓦片文件以合理的方式存放到硬盤(pán)的指定位置，便形成了數(shù)字高程金字塔和影像金字塔。當(dāng)需要對(duì)某一瓦片進(jìn)行操作時(shí)，計(jì)算機(jī)只需到硬盤(pán)中讀取幾個(gè)不大的瓦片文件即可，從而提高了運(yùn)行效率。

盡管金字塔式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)占用了更大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，但是能有效地減少完成地形繪制的總時(shí)間，同時(shí)，分塊的瓦片金字塔模型還能進(jìn)一步減少文件讀取數(shù)量，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

3.2 計(jì)算效率優(yōu)化

在進(jìn)行鏈路站址選擇計(jì)算時(shí)，軟件需要完成大量的鏈路計(jì)算，以至于計(jì)算耗時(shí)巨大。在實(shí)驗(yàn)中，完成一塊半徑為20 km內(nèi)的站址預(yù)選，需要耗時(shí)將近5 h。這種情況將會(huì)嚴(yán)重制約軟件的使用。經(jīng)過(guò)分析，主要的時(shí)間消耗是在從地圖文件讀取鏈路高程的過(guò)程中。為此，本文對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化。

優(yōu)化思路是借助SuperMap底層提供的同心圓高速采集算法，將目標(biāo)區(qū)域用若干同心圓劃分成足夠細(xì)致的點(diǎn)陣，然后利用極坐標(biāo)完成坐標(biāo)的快速轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高程數(shù)據(jù)的快速讀取。

完成優(yōu)化后，軟件對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行站址選擇分析的耗時(shí)可以壓縮至10 min以內(nèi)。

4 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)軟件工程的思想，軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)該在滿足實(shí)用性、可靠性和規(guī)范性的原則下，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化的設(shè)計(jì)。同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，還需要考慮到未來(lái)可能出現(xiàn)的升級(jí)需求，并在應(yīng)用平臺(tái)上留出必要的接口。因此，利用面向?qū)ο蟮念?lèi)組織關(guān)系，本文設(shè)計(jì)了軟件的主要類(lèi)關(guān)系，其結(jié)構(gòu)類(lèi)圖如圖2所示。

圖2 軟件的結(jié)構(gòu)類(lèi)圖

針對(duì)功能封裝的差異性，首先定義了剖面曲線類(lèi)(Profile)、陣地類(lèi)(Position)、鏈路類(lèi)(QLink)和設(shè)備類(lèi)(QEquip)作為基類(lèi)，利用虛函數(shù)定義各個(gè)功能模塊的基本功能和接口，然后分別由其繼承并實(shí)例化相應(yīng)的散射功能類(lèi)，形成全功能的散射通信類(lèi)包。然后在主體平臺(tái)上，利用軟件工廠的概念實(shí)現(xiàn)實(shí)體功能類(lèi)包的調(diào)用。

這樣進(jìn)行軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)的好處是，未來(lái)如果擴(kuò)展其他類(lèi)型的通信手段預(yù)測(cè)，如微波通信和超短波通信等，可以大為簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程。

5 工程實(shí)例

本文選取2個(gè)具有代表性的工程實(shí)例：北京—洛陽(yáng)(遠(yuǎn)距離，單跳選址)、拉薩—貢嘎(青藏高原，多跳選址)，以證明軟件的有效性。

第1個(gè)實(shí)例是北京—洛陽(yáng)的散射鏈路。該鏈路全長(zhǎng)將近750 km，為一跳直達(dá)。其中鏈路的北京端站地址相對(duì)固定，而洛陽(yáng)端站地址不定。需要軟件在洛陽(yáng)地區(qū)某地附近選擇合適的站址，以便開(kāi)通鏈路。

該鏈路跨越燕山山脈、太行山脈和王屋山脈3條山脈，鏈路剖面地形復(fù)雜。如按照傳統(tǒng)的紙上作業(yè)方法，僅分析一對(duì)潛在站點(diǎn)的開(kāi)通可能性，就需要在大比例尺地圖上采樣25 000個(gè)點(diǎn)，然后再對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析，消耗時(shí)間巨大。而利用本軟件，30 min之內(nèi)則預(yù)選出了足夠的推薦站點(diǎn)位置。在部署設(shè)備之后，一次性地就完成了鏈路的開(kāi)通。該鏈路的分析評(píng)估結(jié)果的界面示意圖如圖3所示。

圖3 北京—洛陽(yáng)散射鏈路評(píng)估結(jié)果

第2個(gè)實(shí)例是拉薩—貢嘎的鏈路。該鏈路處于高原地區(qū)，鏈路傳播路線在S型大峽谷中，兩側(cè)均為落差不小于1 500 m的高山，因此需要在峽谷中尋找合適的中繼站點(diǎn)。利用本軟件，用戶在1 h之內(nèi)便完成站址初選。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，鏈路工作狀態(tài)良好。該鏈路的多跳選址結(jié)果如圖4所示。

圖4 拉薩—貢嘎多跳鏈路站址選擇結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于國(guó)產(chǎn)GIS系統(tǒng)的散射鏈路規(guī)劃方法解決了傳統(tǒng)散射鏈路預(yù)測(cè)對(duì)地形因素考慮的不足，提高了鏈路預(yù)測(cè)的精確度和速度。同時(shí)在GIS平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了散射鏈路規(guī)劃的可視化和自動(dòng)化，提高了散射鏈路規(guī)劃的效率，并在多個(gè)海內(nèi)外實(shí)際工程中取得了應(yīng)用。但是，本軟件在UI設(shè)計(jì)和用戶體驗(yàn)方面還有很大的優(yōu)化空間。除散射通信外，其他的地面無(wú)線通信模式，例如微波通信和超短波通信等，在應(yīng)用的過(guò)程中也存在鏈路預(yù)計(jì)困難和站址選擇困難等問(wèn)題。本軟件在后續(xù)的研發(fā)過(guò)程中，還需要針對(duì)這些不足和潛在的功能點(diǎn)開(kāi)展更多的工作。