海上超短波通信距离分析.doc

第 32卷第 6期 2010 年 6 月舰船科学技术vo l. 32 , no. 6sh ip sc ience and technolo gy j un. , 2010 海上超短波通信距离分析陈波 , 金瓯 , 涂娟(中国船舶重工集团公司第七二二研究所 ,湖北 武汉 430079 )摘要 : 以海上超短波通信为背景 ,分析了影响海上超短波通信距离的几种相关因素 , 并得出了其主要因素是天线高度且给出天线高度的设计方法 。介绍了超短波通信的信道特性 ,给出了无线视距传播的几何视距及有 效视距的计算方法 ;分析了通信天线的特性参数 ,给出了天线辐射功率 、天线效率 、天线方向性系数及天线增益的 详细计算过程 ;对影响海上超短波通信距离的各种因素进行了理论分析 ,得出了影响海上超短波通信距离的主要 因素是天线高度的结论 ;给出了超短波通信天线高度设计的方法 , 为海军舰艇超短波通信天线的设计及架设提供 了理论支撑 。关键词 :超短波 ; 通信距离 ; 天线高度中图分类号 :文章编号 :文献标识码 :tn97a1672 - 7649 ( 2010 ) 06 - 0088 - 03do i: 1013404 / j1 issn11672 - 7649120101061020ana ly s is of m a r in e u ltra 2shor t wa ve comm un ica t ion d istan cech en bo, j in o u, tu juan( the 722 r e sea rch in stitu te of cs ic , w uhan 430079 , ch ina)a b stra c t:tak ing u ltra sho rt wave comm un ica tion a t sea a s background, ana lyse s seve ra l re la tedfac to rs wh ich give s imp ac ts on m a rine vh f comm un ica tion d istance and ge ts the conc lu sion tha t an tennahe igh t is the c ruc ia l fac to r. it a lso p rovide s he m a thod of u ltra2sho rt wave comm un ica tion an tenna he igh t de sign. th is p ap e r in troduce s the cha rac te ristic s of u ltra sho rt wave comm un ica tion channe l and com e s to the ca lc lu sion of geom e tric sigh t and effec tive sigh t of the w ire le ss rad io; it ana se s cha rac te ristic p a ram e te rs of the an tenna and p rovide s the de ta iled ca lc lu sion cou rse of an tenna rad ia ted powe r, an tenna effic iency, an tenna d irec tivity and an tenna ga in coeffic ien t; it ana lyse s va riou s fac to rs wh ich give imp ac ts on m a rine u ltra2sho rt wave comm un ica tion, thu s ge ts a conc lu sion tha t the m a in fac to r wh ich affec ts m a rine u ltra2sho rt wave comm un ica tion d istance is the an tenna he igh t; it give s the m a thod of u ltra2sho rt wave comm un ica tion an tenna he igh t de sign, wh ich p rovide s a theo re tica l suppo rt to u ltra2sho rt wave comm un ica tion an tennade sign and se t up on the navy sh ip s.u ltra2sho rt wave; comm un ica tion d istance; an tenna he igh tkey word s:通信设计时 ,如何能够保障海上通信联络的畅通性 ,通信距离是其中的关键。影响海上超短波通信距离的因 素主要有发射天线的辐射功率、收发天线的高度、接收机的灵敏度等。由于接收机的灵敏度受设备本身及技术限制 ,不可能太高 ,因此 ,本文只从发射天线的辐射 功率、收发天线的高度来进行理论分析。0 引言海军舰艇在进出港通信、海上与民船通信及编队内舰艇间进行通信联络时 ,主要采用超短波频段。超 短波频段具有信道稳定、不易被干扰的优点 ,缺点是受 视距通信距离的限制。因此 ,在进行海军舰艇超短波收稿日期 : 2009 - 09 - 23; 修回日期 : 2010 - 02 - 23作者简介 : 陈波 ( 1977 - ) ,男 ,硕士 ,助理工程师 ,主要从事舰船通信系统设计工作 。2 天线的特性参数 1 211 辐射功率天线辐射功率的定义为 : 以天线为中心 ,作一球 面 (球面半径 r 波长 ) 包围它 ,则从天线辐射出来的能量必须全部通过这个球面。在远区单位时间内通过这球面的电磁能量的平均值称为天线的辐射 功率。在电台功率确定的情况下 ,天线的辐射功率等于 输入的有功功率 (电台输出功率 )减去损耗功率 ,即 :1 超短波通信的信道特性111 无线视距传播所谓“视距 ”是指在收发天线间的路径完全没有 阻挡 ,从而使地面绕射现象可以忽略不计的距离 。1 ) 几何视距设半径 r = 6 370 km 的光滑地球地面上 ,发射与 接收站的天线高度分别为 ht 和 hr , 则收发点间的几何视距距离为 1 :2r ( ht +hr ) = 3157 ( ht +hr ) 。 ( 1 )r0 为几何视r0 =p = pa - pn 。( 3 )其中 , ht 和 hr 为发射和接收的高度 , m;距 , km。2 ) 有效视距式中 : pa 为输入的有功功率 ; p 为天线的辐射功率 ;pn 为损耗功率 。212 天线效率天线的效率 定义为辐射功率与输入的有功功 率之比 ,即 :根据电波传播机理 , 电波传播时会受到大气折射 ,使得电波在地球表面上空的传播路径沿地球表面 而发生弯曲 ,在高于 30 150 mh z时 ,这种弯曲现象 是显著的。所以 , 接收天线虽然在几何视线距离之 外 ,仍然能有效地接收到信号 ,即实际通信距离大于几何视线距离。综合考虑大气折射的平均效应后 ,超 = p / pa = p / ( p + pn ) 。( 4 )将功率等效到以电流振幅值为参考的电阻上 ,即 :12 3 短波传播的有效视距re = 4112 (re 可按下式计算,ht + hr ) = 1115 r0 。p=m r ,2( 2 )12= m rn ,pn112 超短波通信的特点超短波是频率范围在 30 300 mh z 的无线电 波。在这个波段内的电波频率高于电离层所能反射的最高可用频率 。在通常情况下 ,超短波电波必定要穿出电离层而不再返回地面 ,因此超短波不能用天波 传播 ;另一方面 ,超短波沿地面传播时 ,也会因其频率 太高而在传播过程中产生极大的衰减 ,所以只能运用 超短波波段的低频端以地面波方式作极近距离 (如 数千米 )通信。因此 ,在超短波通信中普遍采用空间 波即直射波的传播方式 ,在收发天线架高的情况下 ,无线电波通过直射波和地面反射波的途径而到达接收地点 。直射波传播的特点是 ,受多种地形、地物的影响 很大 ,通信距离一般都限制在视线距离以内或稍远一 点 ,其优点是通信稳定。由于超短波频率较高 ,受天 线及工业干扰很小 ,且波段范围很宽 ,可容纳大量电 台工作 ,因此超短波被广泛应用在雷达、通信、导航等 方面 。此外 ,在电离层 e 层底部的电子密度局部不 均匀区域 ,对于 3060 mh z的电波具有较强的散射 作用 ,利用这种散射波可实现 1 000 km 左右范围的 远距离通信。2因此 ,可以得到 = r / ( r + rn ) 。( 5 )从式 ( 5 )可看出 ,天线效率恒小于 1。通常用百分数来表示效率 ,它表示有百分之几的高频电流的输 入有功功率转变成辐射的电磁波能量 。由式 ( 5 ) 还可看出 ,天线的辐射电阻 r 比损耗电阻 rn 越大 ,它 的效率也越高 。设计天线时往往有一固定的 r , 因此 ,为了提高效率 ,必须降低损耗电阻。213 方向性系数方向性系数 d 用来表示天线集中辐射能量的特 性 。方向性系数的定义是 :天线辐射功率为 p , 在任一方向 (1 ,1 ) , 辐射功率密度 (坡印廷矢量 ) s (1 ,1 ) 与相等的辐射功率 p 均匀辐射时的平均功率密 度 su 之比 ,即 :d = s (1 ,1 ) / su ,db 来表示方向性系数 ,则 :d ( db ) = 10 lgd。( 6 )如果用( 7 )从 d 的定义可以看出 ,它的物理意义是 : 由于天线有方向性 ,使某方向的辐射功率密度比均匀辐射时 增加的倍数 。舰船科学技术第 32卷90事实上 ,不存在均匀辐射的天线 ,为了求天线的方向性系数 ,将被研究的天线与理想的、辐射相等功 率的点源作比较 。一个理想的点源是没有方向性的 ,它在各方向辐射功率密度都相等 ,即它的方向性图是1个球体 ,方向性函数为 1。因此 ,面波起主要作用 ,将表面波起支配作用的天线高度称为最小有效天线高度 。h0 与波长、极化方式、地面电 特性参数有关 1 。由式 ( 13 )可以清楚地看到 , 接收功率与天线高度的平方成正比 ,与距离的四次方成反比 ,与所使用 的频率无关 。将式 ( 13 )进行变换 ,得到 : psu =。( 8 )4r2式中 : r为包围天线的球面半径 , m。 r应足够大 ,使球面位于远区。典型天线的方向性系数如表 1 所示 。4h2 2d =ph2 d1 d2 / pr。( 14 ) 1为便于分析 ,取 h0 为 0。得到 :42 2d =p ht hr d1 d2 / pr =4d1 d2 。p / prht hr( 15 )由式 ( 15 ) 可以清楚地看到 ,在接收端电台灵敏度固定的条件下 ,即接收端最小接收功率 pr 一定时 , 假定天线方向性系数也一定 ,若通信距离增加 1 倍 , 则辐射功率变化如下 :44d2 / d1=p2 / prp2 / p1ht hr= 2,p1 / prht hr =4214 天线的增益天线增益的定义是 : 在任一方向 (1 ,1 ) , 辐射功率密度与将输入功率均匀辐射时的平均功率密度 之比 ,即天线增益 g为 :即 := 16 p 1 。p2根据天线的特性参数可以知道 ,天线的辐射功率与天线的效率成正比 , 也可以说与天线的增益成正 比 ,即在天线输入功率一定的条件下 ,天线的效率或 增益越高 ,则天线辐射功率越大 。同理可得到 ,若通信距离增加 1 倍 ,发射天线高度变化如下 :g = s (1 ,1 ) / su 。根据天线增益的定义 ,式 ( 8 )变为 :pa( 9 )( 10 )su =4r2 。经过数学运算 ,可以得到 :g = d。 如果用 db 来表示天线增益 ,则 :g ( db ) = 10 lgg。h= 4 h 。t2t1( 11 )通过上述分析可以知道 ,通信距离与辐射功率的4 次方根成正比 , 与发射天线高度的 2 次方根成正 比 。也就是说 ,要使通信距离增大 1 倍 ,采用提高辐射功率的方法 ,则发射机功率需提高 16 倍 ;采用增大( 12 )天线增益的物理意义是 :为了在观察点有相等的功率密度 ,方向性天线的输入功率应小于均匀辐射天 线的输入功率的 g倍。发射天线高度的方法 ,则发射天线高度需增高 4 倍。由此可见 ,用增大天线高度与提高发射机功率来比较 ,增加天线高度是增大传播距离的主要因素。4 海上超短波通信天线高度设计海上超短波传播可采用光滑平面电波传播模型 来计算传播损耗 , 由于超短波工作频段为 30 300mh z,因此 , 传播损耗可采用以下计算公式进行计算 1 :3 影响超短波通信距离的主要因素根据超短波传播特性 ,即在视距范围内无线电波 的传播主要是空间波和表面波 。仿照自由空间接收 功率的计算方法 ,可得到接收功率实际计算公式 1 ,2h1 h2d1 d2 。pr = p( 13 )2d20 lgh1 h2 + 20 lg ( f / 40) 。 ( 16 )lp = 120 + 40 lgd -2 22 2式中 : h1 =hr + h0 。ht , hr 为发射天ht + h0 , h2 =由于 l p 是一个符合正态分布的随机变量 ,因此 ,线和接收天线的实际架设高度 , m; d 为通信距离 ,km; h0 为最小有效天线高度 ,当天线架设较低时 ,表规定由式 16 所得的 lp 值()(下转第 127 页 )513 使用可用度计算中任务时间均为假定 ,部件更换时间假定为相同 ,部件寿命服从指数分布 ,且未考虑备件的维修 ,而实际 中 ,担负训练任务的舰炮装备 ,各类部件寿命分布不同 ,更换时间差别较大 ,许多部件可修复后继续使用。因此 ,下一步可在考虑这些因素的情况下 ,对备件的 短缺风险进行研究。参考文献 :已知 := 300 h, m ct = 015 h,= 1 440 h,tb ftsrq = 400。在方案 1下备件的保障概率 p1 = 018033 ,若= tb f i , m ct按 p = pi , tb f可得 :q= m cti , 计算使用可用度 ao 1tb f i7ao 1=tb f i + m cti+ ( 1 -pi ) ts ri = 1张建军 ,李树芳 ,张涛 ,等. 备件保障度评估与备件需求量模型研究 j . 电子产品可靠性与环境试验 , 2004 , ( 6) : 18 - 22.王正元 ,李瑾 ,朱昱 ,宋建社. 基于备件保障率的备件运 行量模型 j . 兵工学报 , 2006 , 27 ( 6 ) : 1137 - 1140. 刘照青 ,刘洋 ,王端民. 基于使用可用度的航材备件预测模 型及需求分析 j . 航空计算技术 , 2007, 37 (5) : 38 - 41. 姜朝毅 ,于永利 ,张柳 ,封会娟. 基于 petri网的装备系统任务成功概率仿真 j . 计算机仿真 , 2006, 23 (1) : 29 - 32.瞿红春 ,孙春林. 一种基于航材系统保障率的备件可靠 性模型 j . 航空维修与工程 , 2004, ( 3 ) : 50 - 51.d in esh k u , kn ezev ic j. a va ilab ility ba sed sp a re op tim iza tion u sing renewa l p roce ss j . r e liab ility enginee ring and system safe ty, 1998 , 59: 217 - 223.blanchard b s. a key to effec tive se rviceab ility and 1 tb f = 01513 920+ m ct + ( 1 -p1 ) tsrtb f在方案 2下备件的保障概率 p2使用可用度 ao 2 可得 := 01957 0 ,计算 2 3 = 01827 768。ao 2ro s 仿真结果和 ao 的计算结果表明 :孤立的考虑 ro s 或 p 的高低对装备的定量影响是不确定的 ,只有与战备完好性 ,特别是使用可用度联系起来才有 实际意义。通过使用可用度的高低来反映装备的实 际使用状态 ,从而达到更好地备件供应效果。 4 5 6 6 结语 7 从以上仿真结果可以看出 ,其他仿真条件不变 ,在备件库存量的增加可以有效降低备件的短缺风险 , 提高装备的使用可用度 。这为某任务假定下的舰炮 装备备件库存方案的制定提供一定借鉴作用。本文m a in tenance m anagem en t m .w iley&son s, inc, 1994.ind ianapo lis: john刁在筠 ,郑汉鼎 ,刘家壮 ,等. 运筹学 (第二版 )