基于GIS的短波台站电磁辐射环境影响预测*

左丽芬 任席闯 崔 洁

(91469部队 北京 100841)



基于GIS的短波台站电磁辐射环境影响预测*

左丽芬 任席闯 崔 洁

(91469部队 北京 100841)

论文提出一种基于实际地形环境的短波电磁辐射环境影响预测的方法,以某假定发信基站发信天线为对象,给出基于该方法的电磁辐射仿真实现过程,并结合GJB5313实现该幅天线电磁辐射场强超暴露极限值区域的可视化,最后分析基于GIS实际地形环境的短波基站电磁辐射环境影响仿真预测方法的应用前景。

预测; 电磁辐射; 地理信息系统三维空间; 电磁防护

Class Number TN219

1 引言

以往短波发信基站的建设对电磁环境缺乏有效的量化预测手段,导致建设效能受限和电磁辐射暴露无法实现有效控制[1～3],本文以某个假定的短波发信基站的双锥宽带天线为对象,介绍基于地理信息系统(Geographic Information System,GIS)实际地形环境的电磁环境预测实现方案,利用基于GIS技术来完成地形环境的三维空间建模,并在三维空间模型的基础上通过基站仿真、电波传播计算、电磁波可视化等技术,实现该假定发信基站电磁环境预测分析。

2 基于GIS电磁环境仿真预测分析

2.1 基于GIS实际地形环境的三维空间建模

以美国国家航空航天局(NASA)世界数字地图GTOPO30为基础,采用图层覆盖技术,对NASA世界数字地图进行修改完善,以此来构建该假定的仿真基站三维空间地理模型,使之与基站实际地形地貌相符,确保后续电磁环境仿真的准确性。建模过程如下:

1) 将美国航空航天局(NASA)精度为30″的2006年版世界数字地图GTOPO30导入电波传播计算仿真平台,初步构建仿真平台下的地理信息数据库。

2) 在该仿真平台[4]下,调用GTOPO30数字地图,并根据假定基站的地理坐标,标出基站所在区域。

3) 在精度为30″的GTOPO30数字地图基础上导入NASA航拍中国数字地图,并标出基站所在区域,改善地图分辨率。

4) 将假定的基站平面分布图进行经纬度配准后,采用图层覆盖技术[8～10],将其导入地理信息数据库,得到基站二维数字地图和三维数字地图,如图1、图2所示。

图1 二维数字地图

图2 三维空间数字地图

2.2 基站仿真建模

基站内一般要布置多副发信天线,这些天线功能各异、内部组成不同,但工作时都会向基站区域产生电磁辐射,影响基站的电磁环境。本文采用仿真的方法对该假定基站进行了仿真建模。依据发信天线和发射机的基本参数,建立了基站站仿真模型,具体参数如表1所示。

表1 仿真模型建模参数

对基站内双锥宽带天线进行仿真建模,并将设备基本参数录入电磁环境仿真平台的设备数据库,双锥宽带天线参数如表2所示,方向性图如图3所示。

表2 双锥宽带天线主要技术参数

双锥宽带天线方向性图如图3所示。

图3 双锥宽带天线方向性图

2.3 构建基站电波传播仿真模型

从理论上[5～7]讲,对由各类无线电发射设备辐射的电磁波,可根据天线理论计算出辐射场分布,再根据传输路径上的损耗等因素加以修正,最终得出待分析区域的场强。但在无线电系统实际通信距离或覆盖范围内,由于传播路径上存在着各种各样的影响,如高空电离层影响,高山、湖泊、海洋、地面建筑、植被以及地球曲面的影响等,因而电磁波具有反射、绕射、散射和波导传播等比自由空间复杂得多的传播方式。在研究电磁波传播特性时,通常以数学表达式等来描述这些传播损耗特性,即采用所谓的数学模型来预测基站覆盖和传播场强。电磁波传播模型存在很多种,应用条件存在差异,为保证仿真计算结果的正确性,必须选择合适的传播模型,考虑的基本因素如下:

1) 频率:传播模型的频率范围限制。

第三代图书馆服务平台的总体架构如图2所示。该系统由基础支撑平台、图书馆自动化管理系统、电子书内容管理平台、知识服务平台、数据服务平台、用户管理、开放平台七大部分构成。

2) 地形地貌特征

· 是否可以得到地貌特征;

· 计算是一般应用还是特定基站的运算。

3) 天线高度

· 部分传播模型忽略地面因素的影响;

· 如果天线距离地面很近,选择考虑地面影响的传播模型。

表3 选择模型的主要考虑因素

基于GIS实际地形环境仿真应选用DETVAG90/FOA模型作为本文仿真计算模型。

2.4 电磁辐射环境影响仿真结果

将假定基站的仿真模型与实际地理坐标匹配,嵌入到基站GIS三维空间模型,建立基站电磁波发射/接收基站数据库;调用基站发射/接收基站数据库信息,依据DETVAG90/FOA等电磁波传播模型,对基站电磁波场强覆盖情况进行仿真;并参照国军标GJB5313《电磁辐射暴露极限值和测量方法》给出的人员的电磁环境规定极限值,在基站GIS三维空间模型上标出电磁辐射超标区域。

采用DETVAG90/FOA电波传播模型,仿真高度为地面高度2m,仿真频率3MHz、4MHz、5MHz、6MHz、10MHz、12MHz、15MHz、20MHz、25MHz、30MHz,仿真计算了该天线场强覆盖情况,仿真结果如图4所示。

图4 场强覆盖最大值仿真结果

图5 场强覆盖二维分布图(20MHz)

参照国军标极限值,该天线各频率场强覆盖均低于连续波暴露对应极限值,该天线场强覆盖二维分布图(20MHz)如图5所示。

根据仿真结果,对照国军标极限值,该天线场强辐射没有超过作业区连续波暴露极限(140dBμV/m)的区域,符合作业区工作场强暴露极限范围。

3 结语

本文介绍的基于GIS实际地形环境的电磁环境仿真预测方法突破了传统的二维图形或图表的预测形式,充分考虑了实际环境中地形、地貌对电波传播影响因素,结合国军标极限值,直观、量化地反映了三维地形环境中电磁波覆盖的分布态势,可为短波发信基站建设提供电磁环境技术保障,为基站电磁辐射保护措施提供定量依据,为电磁环境预测仿真手段提供了重要思路。

[1] 周建明,高攸刚,徐小超,等.通信电磁辐射及其防护[J].人民邮电出版社,2010,6:63-85.

[2] 蔡英议,等.短波天线工程建设与维护[J].北京:解放军出版社,2003:120-135.

[3] 王汝群,等.战场电磁环境[M].北京:解放军出版社,2006:90-105.

[4] Haiqing Li, Guofo Yin, Jie Fu. Research on the collaborative virtual products development based on Web and X3D[C]//Proceedings of the 16thinternational Conference onArtificial Reality and Texlexistence-Workshops(ICAT’06),2006.

[5] 熊皓.无线电传播[M].北京:电子工业出版社,2000:87-93.

[6] Melvin M Weiner. Use of the Longly-Rice and Johnson-Gierhart Tropospheric Radio Propagation Programs: 0.02-20GHz[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications,1986,4(2):297-307.

[7] 胡绘斌,柴舜连,大气折射率剖面在宽角抛物面方程中的应用[J].微波学报,2006,22(1):5-8.

[8] Bannister P R. r ELF propagation update[J]. IEEE of Ocean Engineering,1984,OE-9(3).

[9] Rowe H E. Extremely low frequency(ELF) communication to submarine[J]. IEEE Trans. On Commun,1974,22(4):371-385.

[10] CAPON J. High resolution frequency wave number spectrum analysis[J]. Proc. IEEE,1969,57:1408-1418.

Prediction of the Influence of the Environment on the Shortwave Electromagnetic Radiation Characteristics Based on GIS

ZUO Lifen REN Xichuang CUI Jie

(No. 91469 Troops of PLA, Beijing 100841)

A method is proposed to predict the environment on the shortwave electromagnetic radiation characteristics baesd on GIS. Based on this method, certain shortwave communication station is taken as example, and the emulation procession of certain shortwave antenna is presented. Afterwards, the GJB5313 is combined to realize the visualization of the above the limitation area. Finally, the possible apply of this method is analyzed.

prediction, electromagnetic radiation, GIS three-dimensional space, electromagnetic defence

2015年3月4日,

2015年4月20日

左丽芬,女,硕士,工程师,研究方向:通信与信息系统。任席闯,男,博士,工程师,研究方向:无线通信系统。崔洁,女,工程师,研究方向:通信与信息系统。

TN219

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.043