VHF航空通讯信号覆盖的算法分析

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1、VHF航空通讯信号覆盖的算法分析AlgorithmanalysisofthecoverageofVHFaviationcommunicationsignals北方工业大学刘家荣吴洁明华北空管局王保强范卫平引言在航空领域，VHF信号主要应用于航空语音通讯，包括飞行器于地面基站之间，飞行器于飞行器ZI'可的通讯。目前因为手段和技术的局限，在VHF通信建设的过程屮，通常只是简单的对地血基站天线近距离的地物做一些直观的遮蔽角计算，无法评价复杂地物对VHF通信的遮蔽影响，无法实现VHF有效通信，造成一些不必要的投资损失。本文定义VHF电磁

2、信号在指定的高度(h)±,连接信号在360。的各个方向上能够到达的最远点，形成的闭合曲线内部即为该信号在高度(h)上的覆盖。因为地形地貌的遮挡和空气对电磁波的折射影响，这样的覆盖通常是不规则的。知道某地点上VHF设备在各个高度上的覆盖具有很高的工程价值。它可以为我们设备选址，航道规划等航空决策行为提供直接的数据支持。本文将探讨如何基于视距传播理论，借助于数字等高线地图来解决信号覆盖问题。一、理论依据(一)视距传播“当收、发天线架设高度较高(远大于波长)，电波直接从发射天线传播到接收点，就称为视距传播。”视距传播主要用于微波中继通

3、讯、甚高频和超高频广播、电视、雷达等业务。VHF信号频率在30〜300Mhz,属于视距传播方式。(二)场强的计算“电波在理想的、均匀的、各项同性的介质内传播时，不出现折射、绕射、反射、吸收和散射等现彖，而仅仅考虑由于电波的扩散而引起的传播损耗，像这样的空间，称为自由空间。在自由空间距离源为d处的场强为：E二姨301^二°dE为场强(V/m),为辐射功率(W),d为距源的距离(in)”因VHF电波在电离层因反射和散射造成的衰减损耗较小，因而主要采用自由空间电波的哀减损耗公式来计算VHF电波的传播损耗。在VHF,UHF波段，认为天线

4、的效率近似为100%,天线的增益和方向系数相等，在忽略天线自身损耗的情况下。距离源为d处的场强为：E二姨警】(1)G1天线增益根据1CA0规定VHF通信接受点的最低电场强度为75uV/m,接收机灵敏度为10uVo则VHF地空通信台站电波最大通信覆盖距离Dmrti1式变换可得：Dm二73.03姨卞~(加)(2)P(三)视线距离由于地球是球体，突起的地表面会阻挡视线。视线能到达的最大距离称为视线距离，简称视距。o图1如图1所示，设地球半径为Ro,发射及接收天线分别为huh2o图3图2收发Z间的连线AB相切于C点，dvdrd2即为直射

5、波所能到达的最远距离。“在三角形COA屮芋謬（R（A）-Ro二姨2R°h]+h]BC=罐（R°+h2）-R0=^2Rflh.,+h2由魏球半径远博天纓架高，故c】~AC~姨2R°+h】,姨力导石则视距_-—w二（姨h+姨11?）姨2R。”在应用中A点可看成基站天线位71,h.即为天线高度。B点看成E行器所处位置，h2为飞行器的高度。（四）地物及地球曲面的影响卜面通过两个图來解释地面障碍物和地球曲面对视距的影响。设观察者站在原点上测量高度1和高度2上的信号最大覆盖距离。由于障碍物的遮挡，各个高度上所能看见的距离为ell,d2（都小

6、于理论最大值）。根据视距估算原理，当通信距离超过30公里后，必须考虑地球曲面突起的影响。因此我们对图2进行修正变图3。可以看出在图3中，对于观察者来说前方的障碍物高度增加而视距却因此而缩短了。图4将进一步说明如何修正高度。（五）地球突起C处，地球突起高度1%即为视距AD间C点的修正高度。山等于由C点FD至弦的垂直距离CF。设F点到A点的距离dl,F点到D点的距离为d2,根据平面几何的相交弦定理可知。AF・TD=CF・TE,在视距传播中，通信距离相对于地球周长而言是非常小的，所以山，虫可以看成是地面的距离，且7F近似等于地球的直径

7、。即h仔二d是”⑸bCr乙八0（六）低空大气对电波的折射影响根据电磁理论，我们知道电磁波在通过不同介质面时会有折射反应。而地球低层大气层是一种非均匀介质.其介电常数受到大气成分、气压，温度和湿度的影响。当这些参数随时间和高度变化时，介质的介电常数也随之而变化对于沿水平方向传播的电渡，影响最大的是相对介电常数£，E会随高度h而变化。总的來说，当信号由低地空向高空传播时，电波折射的轨迹向下发生弯曲，而信号高空向低空传播时，电波折射的轨迹向上发生弯曲。尽管电波在大气层内的射线轨迹吋弯曲的，但是习惯上人们在处理电波传播问题时，仍然把电波

8、射线当作直线传播的，因而引出了等效地球半径因子K的概念。“这种方法假想电波在大气层屮仍按直线传播，而对地球半径进行修正，以保证在等效球面地上空电波沿直线传播轨迹上的任一点到等效地面的距离，与实际传播轨迹上的同一点到真实地面的距离保持相等。根据这个原则令R。为等效