LongleyRice無線電波傳輸模型

目錄..............................................錯(cuò)誤!未定義書簽。第一章緒論........................................錯(cuò)誤!未定義書簽。研究背景..........................................錯(cuò)誤!未定義書簽。模型分類及參數(shù)....................................錯(cuò)誤!未定義書簽。Longley-Rice模型傳輸損耗........................錯(cuò)誤!未定義書簽。Longley-Rice模型的適用范圍.....................錯(cuò)誤!未定義書簽。第二章傳播模型分析及建模...........................錯(cuò)誤!未定義書簽。傳播模型的分析與選擇..............................錯(cuò)誤!未定義書簽。Longley-Rice模型建模...........................錯(cuò)誤!未定義書簽。衍射傳播損耗..................................錯(cuò)誤!未定義書簽。視距(LOS)傳播損耗.............................錯(cuò)誤!未定義書簽。向散射傳播損耗................................錯(cuò)誤!未定義書簽。仿真分析..........................................錯(cuò)誤!未定義書簽。SRTM據(jù)的抽取過程......................錯(cuò)誤!未定義書簽。接收機(jī)高度描述...............................錯(cuò)誤!未定義書簽。結(jié)果..........................................錯(cuò)誤!未定義書簽。第三章Longley-rice等效模型的建立....................錯(cuò)誤!未定義書簽。longley-rice的現(xiàn)狀和不足........................錯(cuò)誤!未定義書簽。Longley-Rice模型的改進(jìn).........................錯(cuò)誤!未定義書簽。ice電磁環(huán)境可視化..................................錯(cuò)誤!未定義書簽。三維電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)生成...........................錯(cuò)誤!未定義書簽。不規(guī)則地形剖面提取............................錯(cuò)誤!未定義書簽。電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)計(jì)算............................錯(cuò)誤!未定義書簽。在三維數(shù)字地球上體繪制電磁環(huán)境...................錯(cuò)誤!未定義書簽。硬件加速的直接體繪制..........................錯(cuò)誤!未定義書簽。電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)包圍盒..........................錯(cuò)誤!未定義書簽。體數(shù)據(jù)紋理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換............................錯(cuò)誤!未定義書簽。大氣折射修正方法的改進(jìn)...........................錯(cuò)誤!未定義書簽。第六章展望.........................................錯(cuò)誤!未定義書簽。參考文獻(xiàn)............................................錯(cuò)誤!未定義書簽。吵洋滴吵洋滴Normal.dotm第一章緒論吵洋滴吵洋滴第一章緒論研究背景輸模型，該模型為統(tǒng)計(jì)模型，它是以無線電波傳播理論為依據(jù)，并結(jié)合了許多實(shí)非規(guī)則性所造成的中值傳輸衰落。模型分類及參數(shù)Longley-rice模型有:2種模式。當(dāng)?shù)匦温窂揭讚?jù)很詳細(xì)時(shí)，特定路徑參數(shù)就很容易被確定。這不預(yù)測(cè)方式為“點(diǎn)到點(diǎn)預(yù)測(cè)”。如果地形數(shù)據(jù)不夠訓(xùn)確，可以利用Longley-Rice模型估計(jì)特定參數(shù)的值這種預(yù)測(cè)方式為“區(qū)域預(yù)測(cè)”。Longley-rice模型有4種變化模式，分別為單信號(hào)模式、單天線模式、移動(dòng)模式和廣播模式。在longley-rice模型的早期程序中，所有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)預(yù)測(cè)的計(jì)算都是基于單天線模式，這里天線的位置是不變的。后來，由于對(duì)計(jì)算精度需求的提高，人們才引入其他模式。在各種變化模式中，變化的主要是時(shí)間、位置和情景目前，Longley-Rice無線電波模型已有相關(guān)的計(jì)算機(jī)仿真程序，可以用來Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用程收發(fā)天線高度、地面導(dǎo)電常數(shù)以及表面繞射率等參數(shù)確定無線電波傳輸損耗的大Longley-Rice預(yù)測(cè)模型主要有以下參數(shù):式:可以采用水平極化或者垂直極化。Longley-Rice模型中假設(shè)發(fā)射天線和接受天線具有相同的極化方式;②折射率:空氣的折射率決定了無線電波的“彎曲”程度。在一般的模型中，空氣折射率用地面有效曲率來代替，通常取。③介電常數(shù):地面的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率Longley-Rice模型傳輸損耗根據(jù)無線電波的傳播范圍的不同，Longley-Rice模型的傳輸損耗可大致分當(dāng)無線電波傳播于視距范圍內(nèi)時(shí)，無線電波傳播方式主要以反射傳播為主。通過對(duì)地貌地形的路徑及對(duì)流層的繞射特點(diǎn)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)出無線電波傳輸中值傳輸衰落，將雙線地面反射模型用來模擬地平線以內(nèi)的傳輸場(chǎng)強(qiáng)。視距傳播模型的適用范圍為:ddd。minLS吵洋滴吵洋滴Normal.dotm第一章緒論吵洋滴吵洋滴當(dāng)無線電波傳播于超視距范圍內(nèi)時(shí)，無線電波傳播方式主要以繞射傳播為主。但是，當(dāng)無線電波的傳播環(huán)境為不規(guī)則的地形時(shí)，會(huì)有兩種理論用于計(jì)算繞一種則適用于非常不規(guī)則的地面上無線電波的傳播。采用Fresnel-Kirchoff刃形模型來預(yù)測(cè)無線電波傳播的繞射損耗，其計(jì)算結(jié)果是上述兩種理論結(jié)果的加權(quán)適用范圍:ddd為繞射傳播距離，單位為km。Lsx電波傳播方式主要以散射傳播為主，預(yù)測(cè)理論以繞射理論為主。適用范圍:dd為散射傳播距離，單位為km。x綜上所述，Longley-Rice模型傳輸損耗L為:bL=L+Lbreffree其中:free|be12minLs|be12minLsbessx(3-16)式中:d為傳播距離，單位為km;f為無線電波頻率，單位為MHz;d為光滑地面距離;d表示此處的繞射損耗和散射損耗相等;L、L、L分別表示自由空xbebedbes間下視距、繞射和散射時(shí)的傳播損耗值;k和k為傳播損耗系數(shù);m和m分別為12dsLongley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用minLSLsxdd為散射傳播距離。xLongley-Rice模型的適用范圍Longley-Rice模型中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大多數(shù)取自10--1000MHz的頻率范圍，其接收天線高度。數(shù)據(jù)來源于世界各地，但主要是美國(guó)，多數(shù)為移動(dòng)記錄結(jié)果。[2]Longley-Rice模型給出了參考衰減值的計(jì)算公式及不同環(huán)境下相關(guān)修正因子的詳細(xì)說明，公式中所使用的參數(shù)包括:不規(guī)則地形參數(shù)、頻率、收發(fā)信機(jī)天線高度和表面折射率等[3]。同時(shí)還引入了反映介質(zhì)特性的2個(gè)參數(shù):介電常數(shù)和導(dǎo)以傳播理論為依據(jù)，加上極其豐富的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，ngleyRice范圍如下:2)收、發(fā)信機(jī)天線高度:;3)覆蓋半徑:1--2000km;[4]4)表面折射率:250--400Ns。表地面的相對(duì)介電常數(shù)和導(dǎo)電率吵洋滴吵洋滴Normal.dotm第一章緒論吵洋滴吵洋滴表氣候類型和相應(yīng)地表折射率其典型特征為顯著}f氣溫變化和四季交替。在中緯度沿海地區(qū)，強(qiáng)大曠海風(fēng)為大陸帶來了濕潤(rùn)的空氣，因此這里主要是溫帶海洋性氣候[5]。英國(guó)、美國(guó)西海岸和歐洲部分地區(qū)就是這種氣候的典型代表。對(duì)于小于100km的播路徑而言，溫帶大陸性氣候和溫帶海洋性氣候造成的差別微乎其微。但是對(duì)于更長(zhǎng)的路徑而言[6]，帶海洋性氣候帶來了更多的折射，使得在約10%時(shí)間內(nèi)其場(chǎng)強(qiáng)大于溫帶大陸Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用第二章傳播模型分析及建模傳播模型的分析與選擇飛行器從起飛到飛臨目標(biāo)上空，一般情況下可能會(huì)途經(jīng)平原、丘陵、高山、河流甚至是海洋等不規(guī)則地形，對(duì)通信信道損耗的預(yù)測(cè)需要考慮不同的天然地形環(huán)境的影響。同時(shí)還要考慮樹木、建筑物和其他遮擋物等人為因素的影響。電波傳播預(yù)測(cè)模型大體可分為兩類:一類是基于電磁波傳播理論[7]，根據(jù)具體的適用環(huán)境，確定電磁環(huán)境的邊界條件，求解麥克斯韋電磁波方程式，進(jìn)而確定出電磁波的傳播路徑和傳播場(chǎng)強(qiáng)值，該類模型通常適用于計(jì)算近區(qū)場(chǎng)電磁傳播，而對(duì)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)而言邊界條件難以確定，需要考慮的因素增多，計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜;另一類是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，通過將大量數(shù)據(jù)篩選后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合部分電磁理論來確定對(duì)電磁波傳播損耗影響較大的因素，再利用數(shù)據(jù)擬合等方法得到電磁波的傳播預(yù)測(cè)模型，屬半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的電磁波預(yù)測(cè)大都使用該類模型。通過長(zhǎng)期的測(cè)試、研究，人們總結(jié)歸納了多種適用于遠(yuǎn)距離的電波傳播預(yù)測(cè)Okumura模型以準(zhǔn)平坦地形大城市區(qū)的中值場(chǎng)強(qiáng)或路徑損耗作為參考，在工程實(shí)際中多用于市區(qū)、郊區(qū)和開闊地等地形起伏不大的地區(qū)[8]。對(duì)于起伏較大的孤立山峰，其傳播損耗應(yīng)在準(zhǔn)平坦地形的中值傳播損耗的基礎(chǔ)上，加上適當(dāng)?shù)男蕹逞蟮纬逞蟮蜰ormal.dotm第二章傳播模型分析及建模吵洋滴吵洋滴正因子進(jìn)行校正。Okumura模型以曲線圖的形式給出，不便于快速的仿真，而Okumura-Hata模型是Hata在Okumura曲線圖的基礎(chǔ)上，通過曲線擬合所作的經(jīng)驗(yàn)公式:1)1)trttrr距離修正因子[9]。EgliVHF頻段和UHF頻段對(duì)不規(guī)則地形上得到的大量實(shí)測(cè)數(shù)為準(zhǔn)，對(duì)于地形起伏和障礙物超過15m的，運(yùn)用修正因子加以修正。該模型僅適用于視距范圍內(nèi)。Longley-Rice模型被稱為不規(guī)則地形模型，以電波傳播理論為依據(jù)，結(jié)合豐富的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，用以預(yù)測(cè)在自由空間中由地形的非規(guī)則性造成的中值傳播損表不同傳播預(yù)測(cè)模型的適用范圍Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用三種模型的具體適用范圍。從表中可以看出:Egli模型的適用頻率范圍較窄，距離范圍僅為視距，Egli模型不適用于地形高度起伏太大的山圖開闊地傳輸損耗對(duì)比Okumura-Hata模型在兩種地形下的預(yù)測(cè)值變化較小，丘陵地區(qū)僅比開闊地偏高吵洋滴吵洋滴Normal.dotm第二章傳播模型分析及建模吵洋滴吵洋滴20dB左右，而Longley-Rice模型的變化較大，丘陵地區(qū)比開闊地高30dB左右。從仿真可以看:Longley-Rice模型比Okumura-Hata模型對(duì)地形的變化更加敏感，特別是圖中Longley-Rice模型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式能夠?qū)崟r(shí)地反映地形對(duì)電磁波傳播的影響，比區(qū)域模式更加適用于傳播地形復(fù)雜的飛行器通信信道預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)和巨中均使用了Longley-Rice模型作為海而電波傳播模型，但由于應(yīng)用環(huán)境是海洋，地形不規(guī)則度較小，因此，使用的是區(qū)域模式;[11]文獻(xiàn)中提出使天線高度的角度，使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式對(duì)電波傳播衰減進(jìn)行了仿真。圖丘陵地區(qū)傳播損耗對(duì)比Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用ongleyRicetr極化方向、地形不規(guī)則度△h、地球表而折射率N、地而電導(dǎo)率和相對(duì)介電常s數(shù)c等因素，在考慮電波本身特性的基礎(chǔ)上，同時(shí)兼顧了傳播環(huán)境的電氣特性。r不同路徑長(zhǎng)度的傳播損耗參考中值L的計(jì)算如下：(max(0,L+kd+klgd),ddd(2—2)(2—2)bessx式中:d為傳播距離，單位為km;f為無線電波頻率，單位為MHz;d為光滑地面距離;d表示此處的繞射損耗和散射損耗相等;L、L、L分別表示自由空xbebedbes間下視距、繞射和散射時(shí)的傳播損耗值;k和k為傳播損耗系數(shù);m和m分別為12ds繞射和散射損耗系數(shù)。ddd為視距傳播距離，ddd為繞射傳播距離，minLSLsxdd為散射傳播距離。x通過式(2—2)可以分別計(jì)算視距傳播損耗、衍射傳播損耗和散射傳播損耗。同時(shí)，再考慮到自由空間傳播損耗，整個(gè)傳播路徑上的總體損耗為L(zhǎng)=L+Lbreffree其中:free (2—4)式中:d為傳播距離，單位為km;f為無線電波頻率，單位為MHz。衍射傳播損耗ddd為衍射傳播距離，單位:km.Lsx吵洋滴吵洋滴Normal.dotm第二章傳播模型分析及建模吵洋滴吵洋滴不規(guī)則地形中的衍射傳播損耗通過結(jié)合基于菲涅耳-基爾霍夫理論的雙刃峰kffy=y(1_0.04665eNs/N1)(2—5)0,eadhyj1,2Lseje(2—6)dddddd(2—7)LsLs1Ls2LL1L2h為收發(fā)天線有效高度，單位:m。Xkyace(2—9)ddiffLsLae(2—9)eddiffLsLaedLsLaediffkrfofog1g2hLs式(2—10)根據(jù)參數(shù)二確定雙刃峰衰落L和圓形地球衰落L在衰落計(jì)算中kr視距(LOS)傳播損耗d共d共d為視距[12]傳播距離，單位km.在LOS內(nèi)，以反射傳播機(jī)制minLS為主，采用雙線地而反射模型計(jì)算。2Ls2edd2ed0Le1e20LeddL(2—11)Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用311404LL=L(d)，L=L(d)LosLos1式中，L=(1w)L+wL根據(jù)參數(shù)w確定衍射之外的損耗和雙線理論損耗的比Losdt向散射傳播損耗dd為散射傳播距離，單位km。計(jì)算過程為xd=d+D5Lsd=d+2D6Lsm=(L(d)L(d))/Dsscat5scat6sd=max[d,d+Xlg(f),(LLmd)/(mm)]xLsLae5eds5dsscats04))(2—16)(2—17)(2—18)仿真分析地形剖而數(shù)據(jù)的獲取應(yīng)用Longley-Rice模型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要獲取收發(fā)信機(jī)之間詳細(xì)的地形剖而數(shù)據(jù)。在仿真過程中采用質(zhì)量較高的航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪使命高程數(shù)據(jù)SRTM，分辨率為90m,SRTM數(shù)據(jù)有多種存儲(chǔ)格式，此處使用ASCII格數(shù)目N和N、起始經(jīng)緯度X和Y以及數(shù)據(jù)元大小S等，然后計(jì)算目標(biāo)位置點(diǎn)re00cell相對(duì)起始點(diǎn)的偏移量△n就能得到該點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)。如果該點(diǎn)不能與文件中的位置相對(duì)應(yīng)，則使用內(nèi)插值方法，根據(jù)若干相鄰點(diǎn)的高程值求出此點(diǎn)的高程值。吵洋滴吵洋滴Normal.dotm第二章傳播模型分析及建模吵洋滴吵洋滴SRTM取過程將ASCII文件中除去基本信息的實(shí)際高程數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，網(wǎng)格數(shù)目為N*N;re網(wǎng)格的起始點(diǎn)坐標(biāo)O(0,0)，終點(diǎn)坐標(biāo)E(N,N).根據(jù)收發(fā)點(diǎn)的經(jīng)緯度確定收發(fā)re點(diǎn)在網(wǎng)格中的坐標(biāo)TTLS」LS」cellcellRRLS」LS」cellcell(1)根據(jù)收發(fā)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算采樣點(diǎn)數(shù)N=max(X-X,Y-Y)和采樣點(diǎn)間距TRTRX-XTRRRiiiii,i到了收發(fā)點(diǎn)之間的地形剖而數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)過程中，選取發(fā)射點(diǎn)坐標(biāo)T,，接收點(diǎn)坐標(biāo)R(117,，采樣點(diǎn)數(shù)N=1321,d=m，收發(fā)點(diǎn)間距d=km.抽取后的地形剖而如圖所示。Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用接收機(jī)高度描述在Longley-Rice模型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式[14]中，需要明確信號(hào)發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)高度以及接收機(jī)的結(jié)構(gòu)高度，此處也就是飛行器距離地而的垂直距離。仿真時(shí)，可以收機(jī)的結(jié)構(gòu)高度卻時(shí)刻在變化著。m1時(shí)，飛行器處于山體的最頂端上空，此時(shí)的接收機(jī)結(jié)構(gòu)高度為h=hh，且gm1接收機(jī)處于發(fā)射機(jī)的視距范圍內(nèi)。當(dāng)在位置2時(shí)，飛行器飛臨山體的低海拔處，此時(shí)接收機(jī)的結(jié)構(gòu)高度變?yōu)閔'，由于山體的阻擋，電波的傳輸以衍射為主。圖飛行器在不同位置時(shí)的接收機(jī)高度描述在仿真計(jì)算中各工作參數(shù)設(shè)定為:電波工作頻率f=1500MHz，全向天線，垂直極化。發(fā)射機(jī)天線高度h=100m，飛行器飛行海拔高度h=1665m，地g1m而電導(dǎo)率=0.005，相對(duì)介電常數(shù)。e=15，地球表而折射率N=320N.發(fā)射機(jī)rs吵洋滴吵洋滴Normal.dotm第二章傳播模型分析及建模吵洋滴吵洋滴坐標(biāo)為(E115.9,N42.7)，飛行器接收機(jī)的坐標(biāo)隨飛行器以固定的飛行海拔高度向著坐標(biāo)為(E117.0,的點(diǎn)沿直線飛行而不斷變化，該地區(qū)的氣候類型為亞熱帶處為發(fā)射機(jī)所在地;右坐標(biāo)軸表示電波傳播衰減，單位a};圖上端帶箭頭的虛線緩射機(jī)的視距范圍內(nèi)，可以認(rèn)為是自由空間傳播。在視距最遠(yuǎn)端點(diǎn)處，飛行器和發(fā)射此點(diǎn)后的電波傳播就以繞射衍射為主。值得注意的是當(dāng)飛行器飛臨地形中最高的山峰時(shí)，即在多重衍射區(qū)處，電波傳播衰減不但沒有增加，反而有所減少。這種現(xiàn)象就是波在衍射區(qū)域遇到阻擋物被反射回來時(shí)會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)原有波的強(qiáng)度。隨著飛行器越飛越遠(yuǎn)進(jìn)入散射區(qū)域后，傳播衰減值呈緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，地形的變化己經(jīng)不是影響電波傳播的主要因素，因此，不會(huì)引起傳播衰減太大的波動(dòng)。圖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式下的傳播衰減仿真Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用從圖的仿真結(jié)果可以看出:在散射區(qū)域之前，電波的傳播損耗隨地形的高低起伏發(fā)生明顯的變化，說明應(yīng)用Longley-Rice模型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式可以較精確地預(yù)測(cè)電波傳播衰減。Longleyrice等效模型的建立longley-rice的現(xiàn)狀和不足Longley-Rice模型是由Longley和Rice提出的著名模型，它是一種統(tǒng)計(jì)模型，以傳播理論為依據(jù)，同時(shí)結(jié)合了數(shù)千組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因此稱其為半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模含在Longley-Rice模型中，使模型更加完善，精度得到響應(yīng)的提高。Longley-Rice模型的改進(jìn)由于Longley-Rice模型不能反映接收機(jī)附近的路徑損耗情況，為了使模型更加完善，提高預(yù)測(cè)的精度，作者對(duì)Longley-Rice模型做了改進(jìn)，用等效散射模型描述了接收機(jī)附近的路徑損耗情況。木以及起伏的地形，引起了電波的反射、折射和繞射，于是到達(dá)接收機(jī)的電rr2Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用等效散射體分布在接收機(jī)附近以r為半徑的圓上，其中有一個(gè)散射體在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的視線傳播路徑上，如圖所示。圖等效散射模型idni為:ni于是將各個(gè)路徑的損耗疊加可以求得徑的總損耗為:pi.i=1pi.i=1i對(duì)Longley-Rice模型做了改進(jìn)，考慮接收機(jī)附近的因素以及多徑的影響，建立了接收機(jī)附近的散射模型，使得Longley-Rice模型更加完善，減小了電波傳播損耗計(jì)算的誤差，提高了電波傳播預(yù)測(cè)的精度。Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用第四章利用longley-rice模型設(shè)計(jì)的可視化電磁環(huán)境電磁環(huán)境可視化人為環(huán)境因素，本文主要研究人為電磁設(shè)備輻射構(gòu)成的三維電磁環(huán)境.由于各種了電磁環(huán)境的復(fù)雜性.由于電磁環(huán)境不可見，指揮員不能直觀地了解戰(zhàn)場(chǎng)中的電磁態(tài)勢(shì)，所以要快速準(zhǔn)確地做出決策存在巨大的困難.計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)能形象直觀地展示數(shù)字信息，通過數(shù)據(jù)可視化，使用戶能直觀了解數(shù)據(jù)隱含的信息，帶給用戶[16]強(qiáng)烈的視覺感受.因此，電磁環(huán)境可視化在一定程度上能減少指揮人員對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境掌握的盲目性，使指揮員對(duì)所處環(huán)境有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，為快速準(zhǔn)確地決策提供支持.現(xiàn)三維電磁環(huán)境情況.本文結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在三維數(shù)字地球上展示三維虛擬電磁環(huán)境，為其快速準(zhǔn)確地決策提供直觀的輔助支持.然而，把復(fù)雜的三維電磁環(huán)境高效且準(zhǔn)確地展示到數(shù)字地球上是非常困難的.為了可視化電磁環(huán)境，需采Normaldotm第四章利用longley-rice模型設(shè)計(jì)的可視化電磁環(huán)境吵洋滴吵洋滴用合適的電波傳播模型計(jì)算電磁設(shè)備傳播數(shù)據(jù).雖然時(shí)域有限差分(FDTD)方法化三維電磁環(huán)境的要求.Longley-rice電波傳播模型是一種基于統(tǒng)計(jì)分析和電磁理論的電波傳播計(jì)算模型[17]，它考慮了地形和大氣的影響.通過數(shù)字地形模型，可采用Longley-rice。點(diǎn)到點(diǎn)的預(yù)測(cè)模式計(jì)算電波傳播，它能精細(xì)考慮不規(guī)則地形對(duì)電波傳播的影響，且該模式相比FDTD能較快計(jì)算電波傳播數(shù)據(jù)，適合在數(shù)字地球上動(dòng)態(tài)展示三維電磁環(huán)境.直接體繪制方法是一種可視化分析體數(shù)據(jù)的有效工具，由于圖形硬件能力的提高和功能的增強(qiáng)，采用圖形硬件圖形處理器(GPU)加速的直接體繪制方法可在主流圖形硬件條件下實(shí)時(shí)繪制，并能得到高質(zhì)量的繪制結(jié)果.目前對(duì)電磁環(huán)境中雷達(dá)探測(cè)范圍的可視化己有一些研究，主要采用了單層等值面的方法展示雷達(dá)三維探測(cè)范圍，能直觀展示雷達(dá)最大探測(cè)范圍的包絡(luò);文獻(xiàn)采用等值面提取的方法對(duì)高壓電線周圍的電場(chǎng)進(jìn)行可視化，[18]可清晰展示特定電位大小的電場(chǎng)覆蓋范圍，但由于等值面方法對(duì)表現(xiàn)體數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)的不足，尚不能展示電磁環(huán)境內(nèi)部的細(xì)節(jié)信息.多層半透明等值面繪制方法通過展示體數(shù)據(jù)的多層信息，能在一定條件下彌補(bǔ)單層等值面的不足，但沒有對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行信息分析的切片、切割能力.直接體繪制技術(shù)能詳細(xì)展示體數(shù)據(jù)信息，還能從多個(gè)角度切割分析數(shù)據(jù)，如文獻(xiàn)采用直接體繪制方法繪制了電磁態(tài)勢(shì)，但沒有采用GPU加速的方法，不能實(shí)時(shí)展示電磁態(tài)勢(shì)體數(shù)據(jù).因此本文擴(kuò)展了文獻(xiàn)中的硬件加速直接體繪制方法，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換把三維電磁環(huán)境直接實(shí)時(shí)繪制到數(shù)字地球Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用三維電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)生成備向三維空間中輻射電磁波的情況.本文采用Longley}ice電波傳播模型，即不規(guī)則地形模型來預(yù)測(cè)不同頻段的電波傳播，它能較準(zhǔn)確地估計(jì)點(diǎn)波傳播損失.通過Longley}ice電波傳播模型得到各個(gè)[19]電磁設(shè)備在三維空間中的輻射損失基礎(chǔ).不規(guī)則地形剖面提取不規(guī)則地形模型需要地形剖面數(shù)據(jù)來精確計(jì)算地形對(duì)電波傳播損失的影響，數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)用來生成地形剖面數(shù)據(jù).如圖(a)所示，電磁設(shè)備向四周發(fā)射的線條表示電波傳播路徑，背景線條是數(shù)字高程模型地形網(wǎng)格.為得到分辨率大小等間隔在數(shù)字地形上采樣生成路徑剖面高程數(shù)據(jù)[20]，圖(b)示出了采樣得到的地形剖面示意圖。圖地形剖面選取Normaldotm第四章利用longley-rice模型設(shè)計(jì)的可視化電磁環(huán)境吵洋滴吵洋滴電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)計(jì)算由式P=PLL可計(jì)算得到三維電磁環(huán)境功率密度值，為減少存儲(chǔ)空間和ts提高繪制效率，把電磁數(shù)據(jù)離散為一定間隔的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，如圖(a)所示.首先，點(diǎn)，用式P=PLL計(jì)算每個(gè)離散網(wǎng)格點(diǎn)上的功率密度值.采用上述離散方法計(jì)ts算生成的電磁環(huán)境數(shù)據(jù)大小為m*k*n，圖(b)示出了離散電磁數(shù)據(jù)在三維環(huán)境中的強(qiáng)度情況，分別用不同灰度表示強(qiáng)度大小.圖電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)在三維數(shù)字地球上體繪制電磁環(huán)境硬件加速的直接體繪制用體數(shù)據(jù)包圍盒作為繪制代理網(wǎng)格，并把包圍盒的每個(gè)頂點(diǎn)顏色設(shè)置為三維紋理坐標(biāo)，采用多遍繪制技術(shù)繪制體數(shù)據(jù)信息.Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用體繪制方法采用規(guī)則包圍盒繪制體數(shù)據(jù)，且體數(shù)據(jù)是規(guī)則網(wǎng)格.但是生成的電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)并不是規(guī)則體數(shù)據(jù)，如圖(b)所示，電方法不能直接應(yīng)用到電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)的繪制.下面將詳細(xì)介紹擴(kuò)展傳統(tǒng)基于GPU的光線投射直接體繪制方法，巧妙通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)在三維數(shù)字地球上展示電磁環(huán)境體數(shù)據(jù).電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)包圍盒圖(a)示出了在數(shù)字地球上表示的電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)不規(guī)則包圍盒的線框同，但包圍盒的經(jīng)緯度與三維電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)計(jì)算區(qū)域的經(jīng)緯度相同.假設(shè)三維電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)計(jì)算區(qū)域是從位置V(a,,y)至位置V(a,,y)位置點(diǎn)均采用00001111nnn維電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)的剖面，不規(guī)則包圍盒垂直截面ABCD用粗實(shí)線表示.根據(jù)幾何0境體數(shù)據(jù)包圍盒大于體數(shù)據(jù)的計(jì)算區(qū)域范圍，這樣可得到體數(shù)據(jù)包圍盒海拔高度:0Normaldotm第四章利用longley-rice模型設(shè)計(jì)的可視化電磁環(huán)境吵洋滴吵洋滴圖電磁體數(shù)據(jù)包圍盒體數(shù)據(jù)紋理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換據(jù)紋理的紋理坐標(biāo)，通過繪制包圍盒背面到紋理作為投射光線終止點(diǎn).計(jì)算得到且由于包圍盒中其紋理坐標(biāo)系統(tǒng)不是均勻變化的，不能直接把三維體數(shù)據(jù)紋理坐標(biāo)設(shè)置成頂點(diǎn)坐標(biāo)，通過線性插值得到其他紋理坐標(biāo).本文提出一種方法，不用三把球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為紋理坐標(biāo).首先，把球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為笛卡兒坐標(biāo)x=rcosacosy=rcosasin|(4-2)z=rsinaJ|坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為笛卡兒坐標(biāo)，然后設(shè)置其顏色值.通過GPU浮點(diǎn)紋理的支持，包圍盒浮點(diǎn)顏色值被繪制到了浮點(diǎn)紋理上，片段著色程序查詢浮點(diǎn)紋理就能得到包圍盒的頂點(diǎn)位置值，即得到投射光線的終止點(diǎn).繪制包圍盒正面作為投射光線的起始點(diǎn)[22]，因此投射光線方向就是終止點(diǎn)與Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用起始點(diǎn)的矢量差，沿著光線方向就能采樣得到該光線穿過的體數(shù)據(jù)值.但該光線上的位置是在笛卡兒坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，不能直接從三維體數(shù)據(jù)紋理中得到體數(shù)據(jù)，需把笛卡兒坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為紋理坐標(biāo).由于體數(shù)據(jù)計(jì)算范圍為V(a,b,Y)至0000V(a,b,Y)，首先笛卡兒坐標(biāo)(x,y,z)轉(zhuǎn)換為球坐標(biāo)(r,α,β)，1111)通過球坐標(biāo)插值可得到紋理坐標(biāo)為)||Ja)||Jua-a010r-Y其中體數(shù)據(jù)紋理坐標(biāo)u,v,s的有效范圍為[0,1]，即在體數(shù)據(jù)計(jì)算范圍內(nèi).該區(qū)域處的體數(shù)據(jù)，可加速體數(shù)據(jù)繪制.實(shí)驗(yàn)中在三維數(shù)字地球上設(shè)置了20部電磁設(shè)備，假設(shè)為全向天線，地形數(shù)據(jù)采用90m分辨率.電磁設(shè)備參數(shù)見表。電波傳播參數(shù)設(shè)置如下:折射率為320，介率分別為15F/m和S/m.地形剖面采樣間隔為100m，實(shí)驗(yàn)用個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)配置為IntelCore2DuoGHz，顯卡為GeForee8600GT.圖示出了電磁環(huán)境在三維數(shù)字地球上的情況，電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)分辨率為100Normaldotm第四章利用longley-rice模型設(shè)計(jì)的可視化電磁環(huán)境吵洋滴吵洋滴m500km×500km，每個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)采采用16位浮點(diǎn)數(shù)存儲(chǔ).如果體數(shù)據(jù)范圍較大，可把體數(shù)據(jù)劃分為多個(gè)分塊區(qū)域，每塊采用同樣的方法繪制，然后按照分塊從后往前的順序融合到三維環(huán)境中，因此本文方法適合較大數(shù)據(jù)量的電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)繪制.釆用Longley-rice電波傳播模型計(jì)算實(shí)驗(yàn)用電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)耗時(shí)s，窗口大小為1024×768時(shí)繪制平均幀率為12幀/s.相比文獻(xiàn)，本文方法可實(shí)時(shí)直接磁環(huán)境體數(shù)據(jù).電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)通過顏色映射工具(見圖(c))為不同的功率密度設(shè)置不同的顏色和透明度，三維電磁環(huán)境體繪制效果如圖(a)所示.電磁環(huán)境在三維環(huán)境中的情況可直觀地動(dòng)表電磁設(shè)備參數(shù)態(tài)展示，而且可交互改變電磁設(shè)備參數(shù)，能極大輔助電磁設(shè)備設(shè)Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用計(jì)和規(guī)劃.圖(b)示出了關(guān)閉圖(a)中一部電磁設(shè)備后的情況，可清楚看到該電磁設(shè)備影響情況.圖在三維地球上繪制的結(jié)果圖通過體數(shù)據(jù)切割技術(shù)示出了電磁環(huán)境在不同方向上的輻射情況，相比文獻(xiàn)的等值面方法，本文方法能展示電磁體數(shù)據(jù)內(nèi)部細(xì)節(jié).其中圖(a)是500m海拔上電磁環(huán)境切片，圖(b)是5km海拔上的電磁環(huán)境切片，圖(c)是沿經(jīng)度、緯度方向切割電磁環(huán)境的情況.Normaldotm第四章利用longley-rice模型設(shè)計(jì)的可視化電磁環(huán)境吵洋滴吵洋滴圖體數(shù)據(jù)切割法，巧妙通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換把電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)及時(shí)展示到了三維數(shù)字地球上.采用Longley-rice電波傳播模型[23]計(jì)算電磁環(huán)境數(shù)據(jù)，該模型考慮了不規(guī)則地形和大氣的影響，能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電波傳播.最后在數(shù)字地球上實(shí)現(xiàn)了三維電磁環(huán)境繪制.結(jié)果表明，本文方法能及時(shí)展示虛擬電磁環(huán)境，而且可動(dòng)態(tài)調(diào)整電磁設(shè)備參數(shù)(如頻率、功率等)，及時(shí)展示不同電磁播模型來生成電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)，但本文方法也適合其他方法生成的體數(shù)據(jù)的及時(shí)式提高電磁數(shù)據(jù)計(jì)算效率，增強(qiáng)電磁環(huán)境體數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性.Longley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用第五章用Longley-Rice大氣折射修正方法的改進(jìn)度模型兩種，大尺度型刻畫信號(hào)傳輸過程中的快速衰落。在大尺度傳播衰落模型研究方面先后建立了以下著名的信道模型:Longley-Rice模型、在幾公里到幾百公里圍內(nèi)Okumura-Hata被廣泛用來預(yù)測(cè)接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)，但海上移動(dòng)信道路徑損耗預(yù)測(cè)利用Longley-Rice模型更合適，Longley-Rice模型考慮了更多的與地形有關(guān)的因素，包括面折射率、地面導(dǎo)電指出預(yù)測(cè)海上傳播損耗時(shí)后更確切。Longley-Rice模型適合于傳輸距離為1--2000公里，頻率范圍為2--2000MHz，天線高度0--10000米，支持多種氣候類型、多種地形、多種反射面?zhèn)鞑ヌ匦?、三種天線位置標(biāo)準(zhǔn)、天線激化方式等參數(shù)。該模型以傳播理論為依據(jù)，同時(shí)結(jié)合了數(shù)千組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因此稱其為半經(jīng)驗(yàn)型提供的理論和原始數(shù)據(jù)給出了模型的實(shí)用算法。由于大氣折射的影響，電波在大氣中傳播的實(shí)際路徑是一條曲線，與收發(fā)信洋滴吵洋滴機(jī)之間的實(shí)際距離存在著誤差，預(yù)測(cè)信道傳播路徑損耗時(shí)需要對(duì)實(shí)際距離加以修Longley-Rice模型中對(duì)大氣折射誤差的修正Longley-Rice模型中對(duì)大氣折射誤差的修正采用等效地球半徑法，等效地差異比較大，本文對(duì)Longley-Rice模型大氣折射誤差修正方法加以改進(jìn)。改進(jìn)方法充分利用大氣折射率垂直剖面信息，利用電波實(shí)際傳播路徑和收發(fā)天線地面水平距離之間的映射關(guān)系，將模型輸人的收發(fā)天線之間的實(shí)際距離映射為電波實(shí)比原有方法更接近實(shí)測(cè)結(jié)果，具有較大的實(shí)用價(jià)值。大氣折射修正方法的改進(jìn)Longley-Rice模型參考衰減為距離的分段函數(shù)(max(0,L+kd+klgd),ddd(5-1)(5-1)bessx定義的三段分別稱為視距區(qū)域，繞射區(qū)域和散射區(qū)域。模型控制置信度的參數(shù)由統(tǒng)計(jì)量給出，L(qT,qL,qS)作為時(shí)間，位置，形勢(shì)分量的函數(shù)，衰減不會(huì)超qTLongley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用對(duì)于光滑地球地平線d的距離，是基于平坦地面的二徑反射理論和一個(gè)繞射損耗的外插值計(jì)算的;對(duì)恰好超過從d到d,的地平線距離(為繞射損耗和散Lsx射損耗相等的地點(diǎn))，參考衰減值是刃峰繞射和光滑地球繞射計(jì)算的加權(quán)平均。加權(quán)因子為頻率、地形不規(guī)則因子和天線高度的函數(shù)。對(duì)于很不規(guī)則地形，從終端看地平線障礙物可看做是銳利山脊，繞射損耗是基于Epstein-Peterson近似正向散射損耗計(jì)算中取較小者。播距離與實(shí)際距離不符。在Longley-Rice模型中，傳輸距離參數(shù)給出的是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的地面水平距離，但影響傳輸損耗的距離是電波實(shí)際傳播的距離(視在距離)，并且該模型預(yù)測(cè)損耗值是傳播距離的分段函數(shù)，傳播距離直接影響Longley-Rice模型采用等效地球半徑法修正大氣折射誤差，等效地球半徑定義球表面大氣折射指數(shù)。該方法對(duì)折射率剖面的計(jì)算沒有利用折射率負(fù)梯度的值在不同氣候類型之間有較大差異的特性，實(shí)際中這種差異比較明顯，而折射率剖面射修正方法，以改進(jìn)Longley-Rice電波傳播衰落預(yù)測(cè)精度。在海平面上的投影，R為接收天線相對(duì)海平面的高度，R’為R在海平面上的投洋滴吵洋滴發(fā)射天線高度，單位m。RR'為接收天線高度，單位m,益為電波傳輸視在距離，0利用Longley-rice模型計(jì)算電波傳輸路徑損耗時(shí)，收發(fā)天線間的距離參數(shù)給出的是地面水平距離，即R'T'，而實(shí)際電波傳播距離為TR，下面根據(jù)Snell定理，利用射線描跡法推導(dǎo)R'T'和TR之間的關(guān)系式。首先推導(dǎo)地面水平距離R'T'計(jì)算公式:drdrhLongley-rice電波傳播模型及其應(yīng)用drdrhhcot9=nr0nrcos=0=nrnrn2r2nrnr000n2r2n2r2cos29TT'000下面推導(dǎo)實(shí)際電波傳播距離TR的計(jì)算公式: sin9nrnrnrnrcos29nr n2rdrn2rdrn2r2n2r2cos2900000洋滴吵洋滴 n2rdrn2rdr000(5-9)OT'nrcos90OT'nrcos9000dr000利用上式可以將模型的輸人參數(shù)地面水平距離T'R'映射為電波實(shí)際傳播距000 (5-11)0分布的情況下根據(jù)式(5-9)可得到TR和T'R'之間的關(guān)系。(5-12)(5-12)m00