广播电视覆盖地理信息系统中波场强计算及分析

王长悦 韩向兵 黄泳文(河南南阳中波转播台,河南南阳 473000)



广播电视覆盖地理信息系统中波场强计算及分析

王长悦 韩向兵 黄泳文
(河南南阳中波转播台,河南南阳 473000)

【摘 要】地理信息系统广泛应用于各个领域,方便人们对于空间的信息数据进行处理和分析。影响中波广播的播出效果的诸多因素中,最主要的因素是有效场强的覆盖大小。通过将地理信息系统的空间数据和属性数据引入广播电视覆盖的计算中,可以直观的观察到广播覆盖效果的好坏,从而在发射台址的选择、覆盖效果的优化、经济效益的提升等方面提供良好的技术参考。本文阐述了地理信息系统在广播电视覆盖方面的应用。通过对中波传播的方式和影响因素分析,探索在地理信息系统中中波场强计算模型建立和公式的运用,分析场强计算中各因素的影响结果,提出简化的运算模型,在简化的运算模型下进行平差,从而达到简化计算的目的。最后总结在场强计算过程中误差产生的原因,提出消除误差的方法。

【关键词】地理信息系统 中波 覆盖 场强 地波 天波 计算

1 概述

GIS是地理信息系统 Geographic Information System的英文缩写，是集计算机科学、地理学、信息学、管理学于一体的新型科学技术，广泛应用于各个领域。它对空间的数据信息进行分析和处理，并将分析处理后的结果以电子地图的形式展现出来，以便人们进行管理和决策。

广播电视覆盖地理信息系统包含许多基础数据信息，主要有地理信息数据、台站信息数据、综合统计数据。地理信息系统中包含空间坐标、自然环境、地质构造、大地电导率等信息，台站信息系统包括发射机功率、频率、天线高度、相邻台站等信息，综合统计数据包含行政区划、电磁环境、覆盖统计、人口密度和结构等信息。

2 GIS在广播电视覆盖中的应用

广播电视覆盖管理的目的是以电磁波传播的理论为基础，保证播出质量，减少功率损耗，提高覆盖效率。地理信息系统通过将空间数据和属性数据引入广播电视覆盖的计算中，通过调用空间要素对数据进行计算、分析、统计、制作，建立直观的图形模型和分析图表，供管理者进行管理和决策。其中对于场强的计算和覆盖区域的绘制是整个广播电视覆盖地理系信息的基础。精确的场强和覆盖区域的计算，可以进行受众人口的统计、临近台站的互扰、发射台址的拟选、发射效果的评估和发射功率的优选等各项功能的开发。

3 中波传播方式和影响因素

中波以地波和天波两种方式传播。沿地面传播的地波会受到衰减，通常叫做地损耗。这种损耗主要来自两个方面:一是传播过程中由于电波的扩散引起的自然衰减；二是由于地面存在电导率而导致的损耗，其大小与电波的频率、传播距离和地面性质相关。电导率和介电系数是影响中波传播的特定因素，我国也绘制了大地电导率数字地图用于地理系信息的开发应用。另外，中波电波在起伏较大的地面上传播时又会产生散射，使能量转移，而且波长越短散射现象越严重，这是波的特性决定的。靠大气电离层反射传播的天波，白天受到电离层的D层强烈吸收基本上不能反射，夜间D层消失后经E层反射到地面。天波场强是不稳定的，同时传播的距离远远超过地波传播。

4 中波地波传播的计算方法

地波传播根据严格的绕射理论公式计算，依据特定的地导系数，在距离r(公里)处的场强可以这样计算:

E(r)=E0(r)+P+G (分贝)

式中:E(r)—在距离r处的场强值(分贝)

P—发射机功率 (千瓦)

G—天线增益

E0(r)为相应的不同土壤地导系数下的传播曲线上查得的数据。天线增益对于不同高度的垂直天线，增益G可以通过图形查出。

中波地波传播的场强大小主要由地导系数、发射机功率、天线增益、天线距离决定。通过比较不同的传播曲线发现，海洋的电导率最大，传播曲线在有效接收范围内比较平直，传播距离远，场强随距离的衰减小，曲线的斜率小；电导率较大的陆地(湿地，平原等)，传播曲线在有效接收范围内也比较直，但传播距离比海洋近；场强随距离的衰减稍小，曲线的斜率较小；电导率较小的陆地(沙漠，荒山等)，传播曲线在有效接收范围内较直，传播距离近，场强随距离的衰减大，曲线的斜率大。整体来看，在各种单一地质条件下，场强大小随距离的增加呈接近线性的减小。

根据传播曲线的特点，在计算中，传播曲线在可用场强范围之内曲线比较平稳，场强和距离的关系接近线性关系。如果没有出现绕射损耗过大引起的场强大的衰减，场强和距离的关系曲线可以简化成直线进行计算，能够大大简化运算，在海量的坐标点的运算中节省时间。

通过地理数据、台站数据和传播运算模型，可以在电子地图上对场强进行逐像素的运算，运算结果记录入场强数据库，在电子地图上模拟出覆盖结果图，能够直观的观察场强的分布情况。

5 地波传播复合传播路径的计算方法

如果发射塔与某一待测点之间的地理情况比较复杂，是由几段不同电导率的路径组成，假定整个路径由S1、S2、S3……等各段组成，每段长度分别为d1、d2、d3……，其电导率和介电常数分别为σ1ε1、σ2ε2、σ3ε3……。

通过此公式可以看到，需要在传播曲线上找到多组数据，传播曲线是不规则的曲线，运用信息系统进行计算需要输入大量的数据。因此需要对传播曲线进行优化计算，假定场强和距离的关系是线性关系，运算就简单多了，对每一条传播曲线线性化，线性化后的曲线与X坐标轴的斜率就是运算模型的唯一参数，通过电子地图自身的坐标计算路径长度，放进运算模型中即可算出最终的场强值。

6 天波传播的运算

中波传播撤了地波传播外，还存在天波传播。在白天由于大气层D层的强烈吸收，中波难以依靠电离层进行反射传播。日落以后，C层消失，E层电离度下降，高度上升，中波的吸收急剧减少，电离层能够对中波进行反射传播，传播到很远的地方。天波传播的计算同地波传播的方法相同。

天波传播史反射传播，与大地的导电率无关，通过天波传播曲线可以计算出某地天波传播的场强。天波传播曲线在有效接收范围内场强和距离也可看做线性关系，天线增益数值在距离600KM以外可以视作常量，在50-500KM区间也可看做随距离呈线性变换，运用简化的运算模型可计算出天波传播的场强。

7 误差及修正

在计算各坐标点场强时，需要调用各点的大地电导率数据，在大地电导率电子地图上，判断该点在哪个电导率区域内，该区域的电导率即为该坐标点的电导率值。数字地图提供地理信息数据，大地电导率电子地图提供电导率和介电常数，通过引入发射机及天线数据，通过设定的运算模型，可以对电子地图各个像素点的场强进行计算，生成的场强数据绘制成场强覆盖效果图。

通过简化的运算模型具有运算简便，灵活，不易出错的优点，其运算的结果和实测的场强数值会存在一定的误差。

首先，引入的大地电导率数据所对应的场强曲线存在一定的误差，信息系统在运算时，将不同大地电导率和介电常数下的场强曲线进行了线性化处理，简化运算过程，模拟出不同频率下的场强衰减因数，此衰减因数会产生误差。两者相叠加，通过信息系统计算出的场强数值和实测数值的差值需要进行平差处理。

其次，地理信息系统中对于特殊的地形地貌区域，大型设施，水库，湖泊对场强和覆盖区域的影响因素需要考虑。相对高度接近和大于中波波长的高山对中波传播的散射影响很大，在起伏不定的地形区域内，中波地波传播场强会有很大的衰减；变电站附近的存在复杂强大电磁辐射场，对中波的传播形成干扰，直接影响周围中波覆盖的效果；在土壤湿度相对较大的水库、湖泊、湿地环境下，中波传播的损耗小，效果好于其他区域，传播覆盖区域更大。

通过对普遍存在的运算误差和特殊地理环境产生的误差的纠正，处理后的数据应当与真实数据基本吻合。

8 结语

地理信息系统的应用对于广播电视覆盖工程建设起到了极大的推动作用，场强的计算和覆盖区域的绘制是基础，大量的信息采集和数据统计都服务于此，同时很多信息也是建立也是在此基础之上。做好场强计算和覆盖区域绘制需要建立一个科学的、合理的统计和运算模式，寻找一个好的计算方法和模型往往能起到事半功倍的效果，希望本文能起到抛砖引玉的效果。

参考文献:

[1]柯希林,陈洪.中国大地电导率电子地图的研制.《陕西天文台台刊》,2001.2.

[2]中华人民共和国国家标准.中波广播覆盖技术,GB 2017-80.

[3]徐东升.基于GIS技术的广播电视覆盖与管理系统.《广播电视与传输》,2002.8.

[4]梁郑丽,龙学锋,杜俊,王灿.广播电视覆盖地理信息系统解决方案.《北京广播学院学报(自然科学版)》,2004.3.