陳 旗，謝金輝

(海軍工程大學(xué)，武漢 430033)

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船載通信偵察系統(tǒng)距離估算研究

陳 旗，謝金輝

(海軍工程大學(xué)，武漢 430033)

介紹了海上通信信號(hào)傳播模型，選擇以Longley-Rice傳播模型為基礎(chǔ)，采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的方法得到模型參數(shù)，通過(guò)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，證明了該方法能夠較好地反映海上通信信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)際損耗。再根據(jù)該模型計(jì)算接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)，對(duì)船載通信偵察系統(tǒng)在不同距離上的偵察概率進(jìn)行定量分析，進(jìn)而估算系統(tǒng)的有效偵察距離。此方法結(jié)合了理論模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為估算系統(tǒng)有效偵察距離、對(duì)比不同系統(tǒng)性能優(yōu)劣提供了新思路。

通信偵察；Longley-Rice模型；傳播損耗；距離估算

0 引 言

船載通信對(duì)抗偵察系統(tǒng)的使用環(huán)境主要是海上或?yàn)l海地區(qū)，所接收信號(hào)的傳播路徑主要是通過(guò)空氣傳播的直達(dá)波和經(jīng)過(guò)海面反射的反射波，海浪的起伏、發(fā)射/接收平臺(tái)的擺動(dòng)、路徑上島嶼等障礙，都會(huì)對(duì)偵察效果產(chǎn)生影響。船載通信偵察系統(tǒng)的偵察效能可以從時(shí)間域、空間域和頻率域3個(gè)方面進(jìn)行衡量，其中，空間域主要指?jìng)刹炀嚯x、偵察范圍等，而偵察距離直接決定著范圍的大小，是衡量系統(tǒng)偵察效能的重要指標(biāo)。本文以Longley-Rice傳播損耗模型為基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)理論計(jì)算得到模型參數(shù)的做法不同，采用通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合求得參數(shù)的方法，得到傳播預(yù)測(cè)模型。根據(jù)該模型計(jì)算接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)，再代入偵察效能評(píng)估概率模型，對(duì)船載通信偵察系統(tǒng)的有效偵察距離進(jìn)行估算。

1 海上通信信號(hào)傳播預(yù)測(cè)模型的選擇

1.1 幾種預(yù)測(cè)模型的比較與選擇

通信信號(hào)傳播損耗預(yù)測(cè)模型主要有自由空間模型、Okumura-Hata模型、Egli模型和Longley-Rice模型等[1]。其中，自由空間傳播模型最為簡(jiǎn)單，但與實(shí)際的偏差也最為明顯；Okumura-Hata和Egli模型屬經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，即建立在大量?shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，但它們沒(méi)有將反映介質(zhì)特征的介電常數(shù)和導(dǎo)電率納入考慮，也沒(méi)有涉及地形變化的影響，使模型適用性有限；從仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比來(lái)看，對(duì)于海上無(wú)線通信尤其是遠(yuǎn)距離通信，使用Longley-Rice模型預(yù)測(cè)比Okumura-Hata和Egli模型更為準(zhǔn)確[2-3]。

表1 幾種傳播模型的適用性比較

1.2 Longley-Rice模型及其適用性

Longley-Rice模型是一種半經(jīng)驗(yàn)半確定性預(yù)測(cè)模型，它以傳播理論為基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合了數(shù)千組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，損耗的計(jì)算基于不同傳輸距離和傳播模式：在視距內(nèi)以反射傳播機(jī)制為主；在超視距情況下以衍射傳播為主；對(duì)于更遠(yuǎn)的距離以散射傳播為主；對(duì)于不規(guī)則地形，有分別適用于非球形但光滑地面和非常不規(guī)則地面的2種理論，以2種理論結(jié)果的加權(quán)描述地形變化[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(shuō)明，公式中所包含的參數(shù)有不規(guī)則地形、頻率、收發(fā)天線高度和表面折射率等以及介質(zhì)的介電常數(shù)和導(dǎo)電率。該模型適用于0.02～ 40 GHz的頻率范圍，1～2 000 km的覆蓋半徑和0.5～3 000 m的收發(fā)天線高度。

船載通信偵察一般涵蓋短波、超短波和微波的低頻段范圍，Longley-Rice模型可覆蓋除部分短波頻段外的全部范圍。船上偵察天線高度一般為10 m左右，大型艦船為獲得更好的偵察效果往往將偵察天線安裝在高度大于20 m的桅桿頂端。另一方面，水面艦船通信偵察的對(duì)象主要是岸基、水面和中低空的固定、低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，故收發(fā)天線的高度也符合本模型的適用范圍。尤其是模型中可通過(guò)介電常數(shù)和導(dǎo)電率反映海水介質(zhì)特性、不規(guī)則地形參數(shù)反映海浪起伏及島嶼遮擋情況，使該傳輸損耗模型相比其他模型更適合海上信號(hào)傳播的預(yù)測(cè)。

2 基于Longley-Rice模型和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸損耗估算

2.1 實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)及視距計(jì)算

在東海海面進(jìn)行的一次信號(hào)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中[4]，測(cè)試條件如下：信號(hào)頻率900 MHz，岸基固定發(fā)射天線高200 m，增益18 dBi，水平波束寬65°，單極化，輸出功率80 W。實(shí)驗(yàn)分2次進(jìn)行，接收條件稍有區(qū)別：6～42 km時(shí)，接收天線高3 m；40～90 km時(shí)，接收天線高10 m。

在數(shù)據(jù)處理時(shí)，首先以1 km為間隔進(jìn)行采樣點(diǎn)平均，以消除因海浪顛簸帶來(lái)的數(shù)據(jù)波動(dòng)，實(shí)測(cè)各點(diǎn)接收電平Pd，見(jiàn)圖1。根據(jù)天線理論，可計(jì)算出輻射源有效輻射功率Pe=66.29 dBm，沿線各點(diǎn)實(shí)際路徑損耗Ld=Pe-Pd，如圖2所示。

圖1 測(cè)試距離與接收電平關(guān)系

圖2 測(cè)試距離與傳輸損耗關(guān)系

視距的計(jì)算公式為:

(1)

假定偵察天線高度H1，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的輻射源目標(biāo)，H2取200 m，則視距距離與接收天線架高的關(guān)系如圖3所示?？梢?jiàn)接收天線在3 m高時(shí)，視距范圍約60 km；在10 m高時(shí)，視距范圍約70 km。

圖3 視距距離與偵察天線架高關(guān)系

2.2 傳輸損耗的估算

用Longley-Rice模型對(duì)傳輸損耗進(jìn)行估算，有公式：

(2)

式中：PR為接收點(diǎn)功率；Pe為有效輻射功率；Acr為參考衰減值；Lfs為自由空間傳輸損耗；a為修正因子，一般取5 dB。

假設(shè)輻射源功率為PT，信號(hào)頻率為f，發(fā)射天線增益為GT，接收天線增益為GR，信號(hào)輻射源與接收天線間距離為d，可通過(guò)下面3個(gè)公式計(jì)算傳輸損耗、接收功率：

Lfs=32.45+20lgf+20lgd

(3)

(4)

(5)

式中：d的單位為km;f的單位為MHz;Lcr為傳輸損耗。

Longley-Rice模型是基于不同傳播范圍對(duì)傳輸損耗進(jìn)行建模的，在視距范圍內(nèi)時(shí)，以海面反射傳播為主，采用雙徑模型估算，如下式：

(6)

超過(guò)視距范圍，以衍射傳播為主，對(duì)于不同類型的傳輸環(huán)境有不同的損耗估算方法，將結(jié)果加權(quán)即作為超視距衍射損耗：

(7)

對(duì)于更遠(yuǎn)的距離，以前向散射傳播機(jī)制為主，參考損耗計(jì)算公式為：

(8)

式中：dls為光滑地面距離，在海上無(wú)遮擋情況下可視為視距；dx為衍射損耗和散射損耗相等時(shí)的距離；Ae、Aed、Aes分別為自由空間視距、衍射和散射時(shí)的傳播損耗值；k1和k2為損耗系數(shù)；md和ms分別為衍射和散射損耗系數(shù)，對(duì)于各系數(shù)的計(jì)算有一套理論推導(dǎo)方法[5]。

本文為避免純理論計(jì)算脫離實(shí)際，將采用已知損耗模型，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反向擬合求解參數(shù)。

2.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反向擬合法求參考衰減損耗

由公式(2)得參考衰減值：

(9)

由圖3得偵收天線高3 m時(shí)視距范圍約60 km，而第1組測(cè)量數(shù)據(jù)在50 km以內(nèi)，故認(rèn)為可以使用預(yù)測(cè)公式(6)。

首先在圖1所示實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中，取視距范圍內(nèi)變化相對(duì)穩(wěn)定區(qū)間的3點(diǎn)，如(10,56)、(25,69)、(40,79)，代入式(6)，經(jīng)計(jì)算得參數(shù)Ae=5.718 6， k1=0.456 1，k2=-4.524 5，再利用軟件進(jìn)行非線性回歸擬合，得到視距范圍Acr的變化曲線,如圖4所示。

圖4 視距范圍參考損耗值擬合曲線

同理，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到在50 km以上至超視距條件下Acr的估算公式中，Aed=-69.808，md=1.150 1，經(jīng)過(guò)反向擬合，得到Acr的變化曲線如圖5所示。

圖5 超視距范圍參考損耗值擬合曲線

由于所參考資料中測(cè)試實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行到90 km，故衍射損耗和散射損耗相等的超遠(yuǎn)距離情況暫不討論。

2.4 預(yù)測(cè)曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較

將經(jīng)過(guò)擬合求得的ACR代回公式(2)中，得到接收點(diǎn)功率預(yù)測(cè)模型曲線PR=-35.963 5-0.456 1d-15.475 5lgd，與原始實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,如圖6所示。

同理，得到50 km以上至超視距情況下的預(yù)測(cè)公式PR=39.563 1-1.150 1d-20lgd，與原始實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到圖7。

從圖6和圖7可以看出，預(yù)測(cè)值曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線的衰減趨勢(shì)基本一致。表2的對(duì)比中有2個(gè)點(diǎn)誤差超過(guò)5 dB。

圖6 視距范圍預(yù)測(cè)曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較

圖7 超視距范圍預(yù)測(cè)曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較

距離(km)789101112131415161718實(shí)測(cè)(dBm)-61-57-56-56-56-56.5-57-60-62-62-57.5-64預(yù)測(cè)(dBm)-52.2-53.6-54.8-56.0-57.1-58.1-59.1-60.1-61.0-61.9-62.8-63.6距離(km)192021222324252627282930實(shí)測(cè)(dBm)-62.5-63-63-65-64-69-69-72-70-70.5-72-72.5預(yù)測(cè)(dBm)-64.4-65.2-66.0-66.8-67.5-68.3-69.0-69.7-70.4-71.1-71.8-72.5距離(km)313233343536373839404142實(shí)測(cè)(dBm)-70-69-70.5-71-72.5-74.5-75-78-79.5-79-81-78預(yù)測(cè)(dBm)-73.2-73.9-74.5-75.2-75.8-76.5-77.1-77.7-78.4-79.0-79.6-80.2

表3的對(duì)比中有9個(gè)點(diǎn)誤差超過(guò)5 dB，2次實(shí)驗(yàn)中誤差在5 dB以內(nèi)的分別占94.5%和71.9%，考慮到海上測(cè)試環(huán)境復(fù)雜，可認(rèn)為誤差在允許范圍以內(nèi)。由此可得出該方法所得模型適合海上通信信號(hào)傳輸預(yù)測(cè)的結(jié)論，且距離較近時(shí)較為準(zhǔn)確。

3 有效偵察概率的計(jì)算

通信過(guò)程中，由于傳輸環(huán)境的變化和各種干擾的存在，電磁波到達(dá)接收點(diǎn)后其場(chǎng)強(qiáng)是隨機(jī)變化的，信號(hào)幅度的變化有多種形式，工程計(jì)算中一般采用瑞利分布。對(duì)通信的偵察效能評(píng)估指標(biāo)為一種概率模型，即在某時(shí)刻，符合瑞利分布的電磁信號(hào)到達(dá)接收點(diǎn)的預(yù)期場(chǎng)強(qiáng)大于或等于接收機(jī)偵察所需最小場(chǎng)強(qiáng)的概率，其時(shí)間百分率為：

T=100e-0.693 15(ERmin/ER)2

(10)

式中:ERmin為偵察系統(tǒng)正常接收所需的最小場(chǎng)強(qiáng)；ER為信號(hào)經(jīng)過(guò)到達(dá)接收點(diǎn)時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)；T為ER≥ERmin的時(shí)間百分率。

表3 超視距范圍預(yù)測(cè)電平與實(shí)測(cè)電平比較

偵察接收機(jī)所需最小信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)主要由2個(gè)方面決定，分別是接收設(shè)備的內(nèi)、外部噪聲和由業(yè)務(wù)等級(jí)、工作體制、裝備性能等決定的信噪比。其中，船載通信偵察天線的噪聲場(chǎng)強(qiáng)有效值為：

En=Fa+10lgB-174

(11)

式中：B為偵察系統(tǒng)有效噪聲帶寬，單位Hz；Fa為有效噪聲系數(shù)，單位dB，可通過(guò)查表進(jìn)行估算[6]。

已知檢測(cè)出目標(biāo)信號(hào)所要求的信噪比和接收點(diǎn)的噪聲場(chǎng)強(qiáng)有效值，接收機(jī)偵察所需的最小接收?qǐng)鰪?qiáng)ERmin為：

(12)

另一方面，可由接收點(diǎn)的接收功率求得接收?qǐng)鰪?qiáng)：

ER=PR+20lg(f)+77.2

(13)

將ER與ERmin代入偵察效能評(píng)估概率公式(10)，可算出某位置接收點(diǎn)預(yù)期場(chǎng)強(qiáng)大于等于系統(tǒng)接收所需最小場(chǎng)強(qiáng)的概率，即目標(biāo)信號(hào)被船載通信偵察接收機(jī)截獲的概率。

(14)

超視距條件下：

(15)

船載通信偵察系統(tǒng)在不同距離上對(duì)假定目標(biāo)的偵察效能概率如圖8所示。

圖8 偵察效能概率

雖然因所依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)限制曲線分為2段，但其整體趨勢(shì)是相同的，即隨著距離的增大,偵察概率在不斷降低，且降低的速度越來(lái)越快。假定當(dāng)偵察概率低于50%時(shí)，不能滿足偵察效率的需求，則可得出結(jié)論：對(duì)于該假定目標(biāo),被評(píng)估系統(tǒng)的有效偵察 距離為133.3 km。對(duì)于不同船載通信偵察系統(tǒng)，可以各項(xiàng)參數(shù)確定已知的目標(biāo)信號(hào)輻射源為參照，通過(guò)上述方法衡量偵察距離的遠(yuǎn)近。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以Longley-Rice傳播模型為基礎(chǔ)，采用通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合求出所需參數(shù)的方法，得到傳播預(yù)測(cè)模型，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，證明了模型的有效性。根據(jù)所得模型計(jì)算接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)，代入偵察效能概率模型，進(jìn)而估算出船載通信偵察系統(tǒng)的有效偵察距離。此種方法結(jié)合了理論模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能較好地預(yù)測(cè)出通信信號(hào)的傳輸情況；對(duì)偵察系統(tǒng)的有效偵察距離進(jìn)行估算、對(duì)不同距離上的偵察效能進(jìn)行定量分析，有利于更好地了解并使用相關(guān)裝備。

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Research into Distance Estimation Method of Shipboard Communication Reconnaissance System

CHEN Qi,XIE Jin-hui

(Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

This paper introduces the propagation models of communication signals on the sea,chooses the Longley-Rice propagation model as the base,and uses the method of experimental data fitting to obtain the model parameters,proves that the method can reflect the actual propagation loss of communication signals on the sea by comparing the model parameter with the measured data,then calculates the electric field intensity of receiving point according to the model,and analyzes the reconnaissance probability of shipboard communication reconnaissance system in different distances quantitatively,moreover estimates the effective reconnaissance distance.The method combines the theoretical model with experimental data,which provides new way to estimate the effective reconnaissance distance of the system and compare the performance of different systems.

communication reconnaissance;Longley-Rice model;propagation loss;distance estimation

2015-12-31

TN911.23

A

CN32-1413(2016)04-0029-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.04.007