超短波无线传输在观音阁水库防汛中的应用

2014-03-23袁雪莲

东北水利水电 2014年5期

关键词：中继站观音阁雨量站

袁雪莲

（辽宁省观音阁水库管理局，辽宁本溪 117100）

超短波无线传输在观音阁水库防汛中的应用

袁雪莲

（辽宁省观音阁水库管理局，辽宁本溪 117100）

文章介绍了超短波在观音阁水库降雨量、水库水位、闸位、出库流量、数据传输中的应用，阐述防汛测报系统如何选择天线、电台及中继站的选址方式。

超短波；天线；电场强度；水库防汛

根据国家水利系统给定的无线电通讯频点为230MHz属于超短波频段。其中超短波也称甚高频、米波，界定频率为 30MHz 至 300MHz、相应波长为 10m 至 1m 的电磁波，它的主要特性是：在高频段的天波能穿透电离层而不被电离层反射回地面，我们现在使用的 230MHz 就是超短波的高频段。所以在地面应用主要依靠直射波传播，但也具备有限的绕射能力。与光的辐射特性基本相同，传播距离受地理环境的影响很大，在山区中远距离传输就必须依靠架设中继站转发才能达到理想的效果。

水库防汛测报系统是利用超短波无线传输将各测站采集的降雨量、水位、闸位等各类实时信息传输到计算机数据处理中心，经计算出 1h到 3h的降雨强度、间隔水位值等，并做出短期洪水预报和相应的调度方案，为兴利运行创造经济效益和社会效益。

1 原系统组网

观音阁水库地处辽宁的东部山区，属于长白山余脉、尾脉。由于各观测站点分布在不同的山谷地域的地理环境中，各观测站点的位置由于考虑到历史资料的连续性，所以一般不允许重新选址。中心站（数据处理中心、海拔高 198m）位于本溪县小市镇北、南甸雨量站（直线距离中心站 24 km、海拔高：266m）、南孤山雨量站（距中心站 32 km、海拔高：350m）、洋湖沟雨量站（距中心站 48 km、海拔高：520m）、苇子峪雨量站（距离中心站：36km、海拔高：295m）、杜家店雨量站（距离中心站：48km、海拔高：420m）、平顶山雨量站（距离中心站 56km、海拔高：396m）清河城雨量站（距中心站 23km、海拔高：264m）。

根据以上各观测站的地理信息在相关机构单位的合作下，于 1998 年进行了无线电场强度测定，结论是：各观测站均无直达中心站的路由条件，如要建立各测站与中心站良好的无线通信，必须在中途适当高度的山顶建立中继站。为此，经等高地图查询和相关的无线电场强度测试，在距中心站东南 27km 的韭菜顶子（本溪县第一高峰海拔高度：1254m）设第一级中继站，并将东南部的南孤山、南甸、洋湖沟三个雨量站所发信息归韭菜顶子转发。其他雨量站：苇子峪、杜家店、平顶山、清河城的无线信号仍无法直达韭菜顶子中继站。因此，又选定在新宾县境内距中心站东北 40Km的大顶子山（海拔高 750m）设立第二级中继站，大顶子山中继站将其下的4个雨量站信息上传给一级中继韭菜顶子再传至中心站。

以上无线传输路由经一年的实际运行后，发现诸多的问题：

1）下设的所有雨量站在天气晴朗的情况下中心站能正常的接收各测站的数据信息，但是在阴天或是降雨时则无法保证定时和数据信息的正常传输与接收。

2）由于韭菜顶子和大顶子两个中继站的海拔高度分别是 1254m 和 750m，并且没有可正常行走的道路，对装撤站和维护产生严重的困难，特别是在降雨的同时如果发生故障，就只能等雨晴一两天后才能上去检修。由于上述实际应用中存在的缺点，于 2003 年经过重新选址及电场强度测试后，淘汰了维护困难的韭菜顶子和大顶子两个中继站。

2 优化组网

2.1 中继站与各测站传输

由于第一次组网只考虑超短波视距直线传播的特性，没有对设备整体性能参数匹配应用做数据分析。因此在本次组网中首先对 230MHz超短波的电磁波特性进行了具体分析。

无线电的传播特性：

无线电波在自由空间的视距直线传播是电波传播研究中最基本、最简单的一种。自由空间的视距直线传播应满足下述条件的一种理想空间：

1）均匀无损耗的无限大空间。

2）各项同性。

3）电导率为零。

应用电磁场理论可以推出，在自由空间传播条件下，传输损耗的表达式为：

Lp＝32.45+20lgf+20lgd

由上式得出：自由空间基本传输损耗 Lp 仅与频率 f和距离 d 有关。当 f和 d 扩大一倍时，Lp 均增加 6dB。

由于式中的 f已被固定为。230MHz，因此，应用电磁场理论可以推出，传输损耗 Lp的表达式

其中：f——工作频率，MHz；h1——中继站接收天线高度，m；h2——雨量站发射天线高度，m；d——雨量站到中继站的距离，km。

非视距基本传输损耗由三项组成：

L＝Lo+Lm+Lr

式中：Lo——代表自由空间损耗；Lm——是多重阻挡屏蔽的绕射损耗（如雨量发射站到中继站间的高山）；Lr——是电磁场经过山顶绕射及散射损耗。

其中：Lp＝32.45+20lgf+20lgd

以上不管是用哪一种模式来预测无线覆盖范围，都是基于理论和测试结果统计的近似计算,由于实际地理环境千差万别，很难用一种数学模型来精确地描述，特别是高山及建筑物反射、绕射和阻挡，造成的数学运算的结果与实际场强使用数值存在巨大偏差。因此，有一定精度的预测虽可起到指导网络基站选点及布点的初步设什，但是通过数学模型预测与实际信号场强值总是存在差别。所以这次无线中继站选址上的做法是，在大量场强测试的基础上，经过对数据的分析与统计处理，找出在最优条件下的传播损耗（或接受信号场强）与距离、附近相关建筑物体及天线高度的关系。

八盘岭到各雨量站的地理条件及超短波传播方式：

八盘岭到中心站 14km：

地理坐标：N41°15′07.09″，E124°15′44.42″，海拔高度 830m。

2.2 中继站站址

观音阁水库防汛测报系统的无线数据传输通信系统是由收发信机（数传电台）、天线馈线和空中的 230MHz超短波无线信道组成。由于复杂的地理环境条件决定了对选择收发信机、中继站及雨量测报站架设位置、天线类型和架设高度等主要参数值的特殊指标要求，其中最关键的是收发信机技术参数指标和天线增益技术参数及天线架设高度对不同的站址不同的要求。

由于现场的实际环境不可能是绝对平坦的，如山丘、建筑物、树木等，不同程度和方式衰耗着无线电波的传输，并且在不同的频率下、短波、超短波和微波都具有不同的传播特性。因此，在工程实施前，必须进行现场点对点的电场强度测试。

工作信道频点（230MHz）干扰测试：国家水利系统无线电通讯给定的频点为 230MHz，因此，必须测试外来 230MHz信号对无线数据传输系统的干扰,干扰信号主要指非法使用干扰、谐波干扰、互调干扰、电气噪声干扰等。经上述系列项目测试后，八盘岭基本达到设置为中继站的地理条件。

2.3 天线

天线作为雨量测报系统的重要组成部分，其性能的好坏直接影响系统的稳定和通信路由的建立，各雨量站特别是中继站在选择天线时必须首先注重其性能参数的选定。具体说有两个方面，第一选择天线类型；天线的方向性能（定向天线）是否符合特殊地理环境中电波覆盖的要求；第二选择电气参数指标，使用天线的频率带宽、增益、额定功率等电气指标，是否符合系统本身地理环境要求。

2.3.1 天线的增益

增益是天线主要性能指标之一，它是天线辐射或接收电波大小的表现。增益大小对系统信号与传输距离是正比关系，简单地说，在同等条件下，增益越高，电波传播距离就越远，在中继站（八盘岭）的天线必须采用高增益天线，雨量站的天线则根据距离和测站的地理环境确定选用天线增益高低。

2.3.2 电压驻波比

天线输入阻抗和馈线的特性阻抗不一致时，产生的反射波和入射波在馈线上叠加形成驻波。其相邻电压最大值和最小值就是电压驻波比。它是检验馈线传输效率的依据。电压驻波比过大，将缩短天线的传输距离，而且反射功率将返回发射机功放部分，严重时容易烧毁收发信机的末级功放和前级放大器，破坏设备的正常工作。

2.3.3 天线的方向性

天线对于空间不同的方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性。衡量天线方向性通常使用方向图，在水平面上，辐射与接收无最大方向的天线称为全向天线，有一个或多个最大方向的天线称为定向天线。全向天线由于其无方向性，所以为使各雨量站都能与中继站建立点对多点通信就必须使用高增益的全向天线。另外，在人为干扰和反射干扰较强，并且直射波无法到达的雨量站（如：苇子峪站等）可以采用定向天线，根据使用现场地形的需要使方向图成为椭圆形、扇形、心形等，这样使天线的应用就更加灵活、效率更加提高，定向天线由于具有最大辐射或接收方向，因此能量集中，增益相对全向天线要高，适合于远距离点对点通信，同时由于具有方向性，抗干扰能力比较强。

2.3.4 选择天线安装地点

由于地形和环境地的影响，天线接收到的电磁波是有效直射波与反射绕射波及散射波的叠加，其结果决定了接收点处的场强幅度和相位，并直接影响天线的应用效果。因此，选择天线架设位置应注意以下几个方面：

1）天线的发射或接收方向应避开障碍物（楼房、铁塔、高山等）。

2）天线架设地点应尽量远离干扰源（高压线、铁塔、工厂的电器车间等）。

3）天线应尽量架设在附近的最高点。

4）如有几付天线同在一个铁塔上工作，应特别注意它们之间左右和上下的间距，以防相互耦合影响系统性能。

2.3.5 天馈系统防雷电干扰

天线一般都架设在室外铁塔等较高的位置，因此，这些铁塔等建筑物必须应该具备良好的接地措施，并且接地电阻不大于 4 Ω。天线应架设在塔顶避雷针的有效避雷范围内，即避雷针顶部下方 45°角覆面内。但为防止感应雷击引起的脉冲放电对收发信设备的冲击，还应在馈电线上串接避雷装置，使测报系统更安全的工作。