广播电视无线覆盖场强预测系统设计要点

2015-02-04刘婷婷

电子技术与软件工程 2014年22期

本文主要是在广播电视无线覆盖基础知识上，通过研宄ITU-R P.1546建议书，从中提炼计算模型，并且融合GIS技术，借助Google Maps API开发平台，设计并且开发出基于ITU-RR1546建议书的广播电视无线覆盖场强预测模型软件系统。在无线覆盖场强预测工作中将Google Maps API引入，这样，既避免了大型GIS系统昂贵的成本问题，还使得界面显示变得更加简单直接，并且，将枯燥繁琐的数学计算隐藏到背后，大大的方便了使用者，用户体验也随之提升。

【关键词】广播电视无线覆盖场强预测设计

目前来说，广播电视无线的发射频段主要使用的是VHF（米波）以及UHF（分米波），频率在48.5MHz～791.25MHz区间，属于广电专用的发射频段。无线电波的主要传播方式是依靠直线传播的空间波进行的，然而，在实际的传播路径中，该波容易受到地形等因素影响，如山峰、湖泊、森林等。天气现象，四季交替，甚至一天内早晚的温差，都会对无线电波的传播带来影响，从而带来电波散射、绕射作用等；接收端接收到的信号是来自多条路径的，而且，在另一方面有时候会出现延时、相位差等原因引起的快衰落，信号场强中值变化引起的慢衰落，移动接收时“多普勒效应”导致的频率偏移等问题。总而言之，各种各样的因素使得电波场强变化极为复杂，这给广播电视无线发射覆盖场强的预测带来诸多不便，使得有效的覆盖区域、覆盖面积、覆盖人口很难进行准确的掌握，这就会直接影响到广播电视无线覆盖工作的规划以及建设。

Google Maps API作为业界成熟的WEB GIS产品，它具有丰富的应用接口，用户可以通过使用JavaScript脚本语言，进行编程，从而使大多数的应用需求得到满足，在本文中，主要对Google Maps API的以下功能进行了介绍：在GIS地图上做标记、GIS地图的导航和鹰眼功能、图层类型的切换、海拔数据的读取等。软件内Google Maps API的功能应用，主要表现在以下方面：①通过保存在本地数据库中的台站经度以及纬度信息，可通过调用Google Maps API接口，在地图上显示台站标记，该操作是Google Maps API的Marker操作；②当完成覆盖计算后，以台站为中心点，在周边360度各个方向上，例如每隔5度的方向上计算覆盖点，那么就一共需要计算出72个点，然后将72个点依次序连接，最后所形成一个多边形，将这个多边形送至地图上显示即为所需覆盖图，这是 Google Maps API 的 Polygon 操作。

1 Google Maps API开发平台简介

该开发平台是美国Google公司为广大开发者提供的Maps的编程API，在该平台内，嵌入了iframe的展现形式，他能在许多互联网应用系统中都能使用。而且这个平台能在开发者不建立自己的地图服务器的前提之下，将谷歌地图数据嵌入到自己的应用系统之中，但是在开发的时候，开发者需要使用标准的java脚本进行程序的开发。开发者经过编程开发出来的结果，与标准的谷歌地图在使用上并无区别，而且，还能借助谷歌地图的数据为使用其开发结果的人们提高相应的位置服务。在开发中，开发者能在基于交通、物流、社交、等许多功能上做出来许多应用。该平台的最新版本为Google Maps JavaScript API v3.9，在每天生成的地图的加载低于25000次时，用户可以免费使用。目前为止，该平台主要提供以下功能：

（1）在地图上对地理坐标等信息做出标记。

（2）可以对交通图、卫星图、地形图等几个图层间进行切换。

（3）可以根据需要对地图进行缩放以及拖动。

（4）可以获取所需要的地理位置的海拔高度。

（5）可以根据需要查看街景地图。

谷歌地图还具有TERRAIN、ROADMAP、HYBIRD、SATELLITE等图形显示模式，其中，第一种显示模型为3D地形，比较直观，是系统默认的显示模式。

2 系统的结构设计

在设计本系统时，所采用的软件开发应用平台是Delphi 2010+JavaScript+SQL Server，本系统的设计是综合了广播电视无线覆盖技术、JAVA、数据库、地理信息系统以及Delphi等各个领域的相关知识，是一个跨学科的综合型应用。在系统的设计时，首先考虑到的是用户的操作和体验，所以基于此，系统的结果为C/S结构，同时该系统的核心便是ITU-R P.1546建议书。该系统的功能关系如图1。

根据图1，明显可以看出，数据提高的源头，就是台站的基本信息，数据的容器就是数据库，对数据进行加工的是预测模型，最后产品的展示平台就是Google Maps。

在该系统的功能上，主要体现在以下几个方面：

（1）可以对站台基本信息进行管理，这些基本信息主要是经纬度以及海拔高度等。

（2）完成对场强覆盖预测的计算，这个功能主要是通过建立预测模型实现的。

（3）满足ITU-R P.1546建议书中对场强覆盖预测模型的要求，这一点是通过对Google Maps基本功能控制，最后拓展其GIS功能而实现的。该系统的设计具有层次分明、各个小模块之间的功能界定十分明确，整个系统的数据流向十分清晰明了。在该系统的操作界面设置方面，采用在界面左侧放置TreeView控件的方式实现，而在系统的右侧，则防止了Google Maps，整个控件的层次十分清楚，共有地市、县级、发射台站、发射机一共四个节点，结构分明；使用鼠标对目标地点进行双击可以实现对目标区域的缩放，按住鼠标左键可以实现对地图的拖动，操作简单便捷。

3 系统的模块设计

3.1 台站管理模块的设计

模块的功能是主要实现对无线发射台站的基础数据的管理，本省境内一共有400多座各类广播电视发射台站，而且这个数字还在逐年递增，在每个台站上，还配备了多部工作频率不同的发射机，现在，在该系统中引入了台站的管理功能，这样一来就实现了对台站管理的GIS的可视化操作，这为多部发射机无线覆盖图的生成打下了基础，可以实现对全省范围内的曲线覆盖预测图的绘制。endprint

这个模块在功能上主要包括了台站类型、台站的基本信息、台站主要负责人的姓名以及联系方式、站台的经纬度、站台的海拔高度以及台站内发射机的管理等各个方面的功能，在结构设计上，系统用户可通过此模块的使用完成对站台的信息的添加或者编辑。

无线发射台的类型一般有调频发射台、电视发射台、中波发射台等3类，一般的台站只能发射单一类型的节目，但是还有另一些发射台可以发射两种以及两种以上类型的节目，这种情况下，就要根据发射机的工作参数来确定发射站台的类型。

台站的基本信息仅仅是储存在系统里，为了方便查询。而台站的地理信息参数等是技术参数，如台站的经纬度、海拔高度等，这些参数参与了题图的显示以及预测图的计算生成，某台站的经纬度以及海拔高度可以在系统内输入中，便可以实现对另一种信息的查询，二者可以互相验证。

发射机信息的管理功能，主要是可以实现对该台站下各发射机、天线以及同轴馈管工作参数的统一管理。在这个部分，发射机的参数，尤其是天馈线参数信息是进行场强覆盖预测计算的主要以来参数，这些参数主要有天线类型、极化方式、方向性、天线增益、馈线长度、馈线损耗等。参数中，馈线长度、馈线的类型等参数与馈线的损耗相关，这些参数都决定着馈线的损耗的大小，表1为常用的天线增益表；其中天线的类型、方向性与极化方式与增益相关。

3.2 GIS操作模块设计

本系统在设计时采用的平台为Google Maps API平台，这个平台具有许多编程接口，在设计时可以通过JavaScrip脚本语言，最终可以实现大多数的功能应用，以下功能将在本文中得到体现：（1）在地图上做个性化的标记，比如地图上的点以及地图上的多边形都可以是用户标记的对象；（2）用户可以对交通图、卫星图、地形图进行图层间的切换；（3）双击地图可以实现对该点的缩放，按住鼠标不放可以实现对地图的拖动；（4）可以获取坐标位置的海拔高度。

除此之外，如果用户还有其他的更多的要求，那么就要通过Google Maps API的二次编程开发，实现其他功能的拓展，如鼠标光标在地图上时，就显示该点的经纬度以及海拔高度等等更加高级的附加功能。

但是，Google Maps在更加深刻的GIS功能的分析和操作上并没有优势，远远没有专业的GIS平台等操作以及分析功能强大丰富。在该系统中，为了达到满足ITU-RP. 1546建议书的要求，要在具体系统最终具体实现进一步扩充Google Maps API的GIS计算功能，举例说，可以在已知某个点的经纬度的情况下，计算求解在某个方向、距离该点一定距离的另一点的经纬度。

在该系统启动时，可以设定经纬度的限定值，这样一来，系统就自动不加载输入经纬度之外的地图。当地图成功加载后，使用者可以通过移动鼠标、拖拉实现对地图的漫游，可以通过滚轮混着界面上的“+”、“-”符号对地图进行缩放，在地图为达到最大程度时，还可以双击鼠标对地图进行放大。如需要对图层的切换，可以点击鼠标的右键，或者通过菜单选项实现系统内设置好的几种图层的切换，

3.3 覆盖计算模块的设计

覆盖预测计算模型在ITU-R P.1546建议书（下称“建议书”）中有明确的描述，本文主要是在理解上述建议书的基础之上，再结合广播电视无线覆盖的实际工作，实现从模型到程序代码的转换，并且使其做最后可以在相关地图平台上显示出来。简而言之，就是要实现建议书以及Google Maps API的综合应用。

在建议书中，需要输入的计算参数一共多达11个，在本文中，设定几个参数作为常量，其中Path=陆地，Time=50%，Location=50%。为了行文方便，在本文中将不再对其他参数对场强预测值的影响。

本文的核心就是场强覆盖的计算部分，这个部分也是软件功能可以实现的关键所在，该系统的主要功能就是从数据库中获取台站信息表中的位置信息；从发射机信息参数表中获取功率、天线增益、馈线损耗等参数；通过Google Maps API获取发射点周围地形的地理信息数据；最终将这些信息全部送入建议书中提取出来的场强计算模型中，逐点对以发射点为中心的360°范围内能都达到预定覆盖场强边界值得各个点，最终会形成一个闭合的曲线，并在Google Maps地图上将形成的覆盖图显示出来。

在计算覆盖场强中，一般用到以下两种方法：

3.3.1射线法

该方法计算中，以发射点为中心点，在具体给定的方向上做射线一条，然后沿着该射线找出来满足覆盖场强条件的所有边界点。在实际的计算中，一般都有计算精度的要求，所以在计算时，可以设置每隔10°或者每隔5°做出多条射线出来，之后沿着每条射线分别找出满足符合条件的边界点，最后一步，将这些点连接起来，形成一个闭合的曲线，这个图形就是要求的场强覆盖区域。

3.3.2 栅格数据计算法

该计算是基于栅格数据的，原理是利用栅格数据为矩形阵列的特点，在该计算方式中，适宜无线台站为中心的，做出一个长度为2倍服务距离的正方形，然后，将该正方形分成许多小的方格，这些方格的大小业余所要求的计算的精度有关系，一般来所，取100m、500m等，在计算时，分别要计算每隔小方格中心点的覆盖场强预测值，并且，将这个结果作为整个小方格的取值，完成计算后，将所有小方格进行分类，分类的依据就是场强预测值的不同，然后对小方格进行填充颜色，得到不同场强预测值的效果图，这样显示出来的结果就极为直观。但是这个方法有个缺点，就是计算量太大，在实际的操作中需要更强大的算法对其进行实现。

在本文中，选择了第一种计算方法，也就是射线法，计算精度是去方位角上每5°的间隔，最终生成的图形中，一共有72条射线。

3.4 辅助工具模块的设计

建议书中所提供的预测模型与台站上周边的地形关系很大，所以在进行计算时，经常需要海量的海拔高度数据，同时为了避开Google Maps的免费使用的加载上限次数，还要避开在线获取海拔高度数据的时间延迟，使得系统的响应时间得到进一步的提升，在该模块的设计时，采用了一个站台在注册之后，首先要在系统的辅助工具菜单项下进行操作，主动抓取周边的海拔高度数据，并且将这些数据存储在本地的数据库中。这种做法的优点是可以提高计算时的速度，而且在另一个方面避开了Google Maps的数据流量限制；但是该方式的缺点是在台站建站之后，需要花一定的时间进行对其周边海拔高度把数据的抓取，并不能立即实现计算。所以该部分功能要通过辅助工具进行实现。这个模块主要有台站h1数据查核、获取台站周边海拔信息两个部分组成。endprint

关于台站h1数据核查中，主要考虑的是陆地的传播路径，当d≥15km是，就有

h1=heff d≥15km

其中，heff为发射天线的有效高度，一般定义为从发射天线到接收天线方向上3-15km，超出地表面平均地形高度之上的天线高度，单位是m。该功能主要是计算台站周边360°范围内heff的值，当新增加台站后，首先要进行此项操作，计算并且将结果保存在本地的数据库中。

关于站台周边的海拔高度数据。这个模块也是主动对台站周边360°范围内一定距离的台站的海拔高度数据，距离间隔为1km，在抓取成功后，也是讲所得的结果保存在本地的数据库中。可以在以后进行计算式调用计算。

4 功能的实现

4.1 系统开发平台的搭建

在进行系统开发平台的搭建时，软件系统开发平台为 Windows 2007，Google Maps API V3， SQL Server 2010；开发工具选用Delphi 2010，脚本语言为JavaScript。

首先需要在Delphi 2010中安装第三方控件EmbeddedWB，EmbeddedWB实际上是一个开源共享的浏览器的挂件，是由BSALSA组织开发的，其实只是在Webbrowser控件的基础之上进行二次开发，实现功能的能力相对说较为强大。限于篇幅，这里就不在对Delphi 2010中EmbeddedWB的安装方法进行赘述了。

4.2 覆盖预测计算

在进行广播电视无线覆盖场强的预测计算时，需要在界面中输入覆盖计算参数，参数有“覆盖场强”、“发射功率”、“天线增益”、“馈线损耗”等需要输入界面，最后这四项参数可以将覆盖边界的门限场强值进行计算，计算公式为：

覆盖边界门限场强值Elimit=覆盖场强-（log（发射功率）+天线增益-馈线损耗）。

本系统中，使用了射线法计算覆盖场强，也即是说要寻找每条从台站出发的射线上场强值与门限场强值最为接近的点，为了家少计算的量，可以依照经验预先设置一个距离值，然后根据该点的计算值以及边界门限场强值的差对距离值进行调整，一直到找出来与边界门限场强值Elimit最为接近的距离值。

再进行计算之前，还需要先将ITU-R第三研究组提供下载的场强预测计算表格转换，并且导入本地的SQL数据库中，并且需要将表格命名为tFieldStrength 2。

可定义函数FunGetFSFromTable来读取tFieldStrength表中的数据，函数格式声明为：Function FunGetFSFromTable：其中tmpFreq为频率f的参数，tmpDistance为距离参数d的参数，tmpAveHeight为天线有效高度h1参数。

5 结束语

我国在2007年，有广电总局以及测绘科学研究院联合开发了一套广播电视无线覆盖场强的网管理系统，实现了覆盖范围预测、基本的干扰计算和分析的功能，但是可供使用的范围很窄，卫星影像地图的分辨率也较低，做出的图并不理想。本文在在广播电视无线覆盖基础知识上，通过研宄ITU-R P.1546建议书，提炼计算模型，融合GIS技术，借助Google Maps API幵发平台，开发基于ITU-RR1546建议书的广播电视无线覆盖场强预测模型软件系统。希望为我国的广播电视无线覆盖场强预测事业做出贡献。

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