基于国产环境的散射通信站址选择软件设计

肖永剑，刘雪峰，孙长明

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.中国人民解放军空军华北地区总军代表室，北京 010000)

0 引言

散射通信是一种无线通信手段，它利用大气对流层对电磁波的散射作用，在两地间实现超视距通信[1]。与其他类型的无线通信方式相比，散射通信具有传播距离远、传播较为稳定和通频带宽的优点，因此在军事通信领域和民用通信领域有着不可替代的作用[2]。

但是，因为散射通信链路的传播质量和链路地形地貌有着密不可分的关系[3]，而散射通信的技术人员却往往难以获得相关信息，所以，工程人员在进行站址选择的时候会遇到巨大的困难。在传统的散射链路开通过程中，使用者首先要在高分辨率的纸质地图上进行大量的图上作业，获取链路的高程剖面，然后再根据链路高程剖面计算链路的几何参数，判断链路的传播可靠度[4]。这种方法存在着工作量大、精度低和计算准确性差等许多问题。在这种情况下，散射通信站址选择的工作效率非常低下，从而严重限制了散射通信的发展。

近年来，随着计算机技术、测绘技术的发展，尤其是地理信息系统(Geography Information System，GIS)的发展[5]，技术人员开始将GIS和散射通信传播模型集成为一体，实现散射通信链路传播质量的快速预测以及散射通信阵地的快速选择功能。

文献[6]介绍了怎样利用MapX引擎根据等高线地图分析散射链路传播可靠度；而文献[7-8]则进一步进入数字高程地图和三维GIS引擎，进一步提高了数据的精度。

本文对前述的研究成果进行了总结，借助国产GIS平台，对散射链路传播可靠度的计算和程序架构进行了优化，有效地提升了散射通信站址选择软件的工作效率。

1 散射传播计算方法

要开发计算机软件，辅助完成散射链路的快速预计和散射阵地快速选择，其理论基础是散射传播计算模型。根据散射链路的理论传播模式和工程实践，这里把散射传播计算的过程划分为3个步骤：链路几何参数计算、传播损耗计算和传播可靠度计算。

1.1 链路几何参数计算

散射链路的传播要求天线的仰角不能太大，否则电磁波将会穿透大气层进入宇宙中。因此，在工程上要求仰角要尽可能得小，所以，需要考虑地面地形变化对电磁波传播的影响。

在计算地形对电波传播影响的过程中，需要首先采集链路的高程剖面曲线，然后将该曲线等效变换成地球的球面曲线[9]。在这一过程中，为了折算大气对电波的折射效应，往往不代入地球的真实半径，而是考虑大气折射因素的等效地球半径。完成球面变换后，则利用平面几何关系，可以计算出双端天线仰角、散射角、通信球面距离和通信方位角等关键参数[10]。链路几何计算的平面几何关系示意图如图1所示。

图1 链路几何计算的平面几何关系示意

在传统方法中，由于需要手动采集链路高程剖面曲线，因此完成这一步骤所需要的工作量是最大的[11]。引入GIS技术最大的好处则是提高了这一步骤的效率。

1.2 传输损耗计算

根据ITU-RP.617建议的散射损耗预测方法，将散射基本传输损耗中值通常可综合为[12]：

Lb=M+30lgf+30lgΘ+10lgd+20lg5+λH+

4.343λh，

(1)

式中，f为频率(MHz)；d为通信距离(km)；Θ为散射角(mrad)；H为最低散射点高度(km)；M，γ分别表示气象和大气结构参数，不同气候区类型的值如表1所示[13]。

表 1 不同气候区的气象参数和大气结构参数

气候区M/dBγ/km-1139.600.33229.730.27319.300.32438.500.27629.730.277a33.200.277b26.000.27

表1中所列气候区为：1-赤道；2-大陆性亚热带；3-海洋性亚热带；4-沙漠；6-大陆性温带；7a-海洋性温带陆地；7b-海洋性温带海面。

对照全球对流层散射数据库和国内部分电路数据，China Zhang方法的预测精度优于美国NBS方法，替代美国方法作为首要方法纳入CCIR238-6报告，随后形成CCIR617-1建议[14]。

1.3 传播可靠度计算

完成相关参数计算后可以计算链路的传播可靠度，该参数表示对链路可通能力的直接评估结果。

CCIR推荐用CHINA(Zhang)方法估算传播可靠度[15]，其表达式为：

(2)

式中，Ф(x)为概率积分(或误差函数)；Δ为衰落余额；σs为标准偏差。

该计算结果为一个百分数，代表的是在当前环境下，该条链路在一年的时间内处于可通状态的时间占总时间的百分比。一般来说，这个百分比越大，该链路可开通的可能性也就越大。

2 国产化GIS平台

为了实现描述的功能，一个合理的GIS平台便成为软件开发的核心问题之一。目前，国外已经有了很多非常成熟的商用和专用GIS平台。而国内开发的通用GIS平台，无论从功能上还是二次开发的难易程度上，均无法和国外成熟产品相媲美[16]。但是考虑到后续的应用场合，本文还是需要选择一款国产化的GIS平台。

SuperMap 7C系列软件是北京超图软件股份公司推出的运行于纯国产化软件环境下的产品，主要用于国产环境下的地理信息应用开发[17]。该平台同时支持国产中标麒麟和Windows操作系统，同时包含Qt C++和JAVA的二次开发接口。相比于其他的国产GIS系统而言，其易用性较高。

3 技术难点

3.1 地图精度与空间的矛盾

为了生成散射链路的高程剖面曲线，需要为软件提供高精度的数字高程地图。而数字高程地图的数据精度越高，其占用的空间就越大，而且在使用高精度地理图像的时候，这些高精度数据会大量占据计算机的显存，从而严重影响显示的效率[18]。

为了提高显示速度、减少显存的占用，GIS平台会在保证精度的前提下，对同一地区的图像存储多个有着联系的更高分辨率的文件片。这种文件片被称为瓦片，每一层图像都被分为多个瓦片，而且分辨率越高的图层所包含的瓦片越多。SuperMap平台利用统一的算法，将这些瓦片文件以合理的方式存放到硬盘的指定位置，便形成了数字高程金字塔和影像金字塔。当需要对某一瓦片进行操作时，计算机只需到硬盘中读取几个不大的瓦片文件即可，从而提高了运行效率。

尽管金字塔式数据结构占用了更大的数据存储空间，但是能有效地减少完成地形绘制的总时间，同时，分块的瓦片金字塔模型还能进一步减少文件读取数量，提高系统运行效率。

3.2 计算效率优化

在进行链路站址选择计算时，软件需要完成大量的链路计算，以至于计算耗时巨大。在实验中，完成一块半径为20 km内的站址预选，需要耗时将近5 h。这种情况将会严重制约软件的使用。经过分析，主要的时间消耗是在从地图文件读取链路高程的过程中。为此，本文对这一过程进行了优化。

优化思路是借助SuperMap底层提供的同心圆高速采集算法，将目标区域用若干同心圆划分成足够细致的点阵，然后利用极坐标完成坐标的快速转换，从而实现对高程数据的快速读取。

完成优化后，软件对同一区域进行站址选择分析的耗时可以压缩至10 min以内。

4 软件架构设计

根据软件工程的思想，软件的设计应该在满足实用性、可靠性和规范性的原则下，实现标准化、通用化和模块化的设计。同时在设计的过程中，还需要考虑到未来可能出现的升级需求，并在应用平台上留出必要的接口。因此，利用面向对象的类组织关系，本文设计了软件的主要类关系，其结构类图如图2所示。

图2 软件的结构类图

针对功能封装的差异性，首先定义了剖面曲线类(Profile)、阵地类(Position)、链路类(QLink)和设备类(QEquip)作为基类，利用虚函数定义各个功能模块的基本功能和接口，然后分别由其继承并实例化相应的散射功能类，形成全功能的散射通信类包。然后在主体平台上，利用软件工厂的概念实现实体功能类包的调用。

这样进行软件架构设计的好处是，未来如果扩展其他类型的通信手段预测，如微波通信和超短波通信等，可以大为简化开发过程。

5 工程实例

本文选取2个具有代表性的工程实例：北京—洛阳(远距离，单跳选址)、拉萨—贡嘎(青藏高原，多跳选址)，以证明软件的有效性。

第1个实例是北京—洛阳的散射链路。该链路全长将近750 km，为一跳直达。其中链路的北京端站地址相对固定，而洛阳端站地址不定。需要软件在洛阳地区某地附近选择合适的站址，以便开通链路。

该链路跨越燕山山脉、太行山脉和王屋山脉3条山脉，链路剖面地形复杂。如按照传统的纸上作业方法，仅分析一对潜在站点的开通可能性，就需要在大比例尺地图上采样25 000个点，然后再对这些点进行计算分析，消耗时间巨大。而利用本软件，30 min之内则预选出了足够的推荐站点位置。在部署设备之后，一次性地就完成了链路的开通。该链路的分析评估结果的界面示意图如图3所示。

图3 北京—洛阳散射链路评估结果

第2个实例是拉萨—贡嘎的链路。该链路处于高原地区，链路传播路线在S型大峡谷中，两侧均为落差不小于1 500 m的高山，因此需要在峡谷中寻找合适的中继站点。利用本软件，用户在1 h之内便完成站址初选。经实际验证，链路工作状态良好。该链路的多跳选址结果如图4所示。

图4 拉萨—贡嘎多跳链路站址选择结果

6 结束语

本文提出的基于国产GIS系统的散射链路规划方法解决了传统散射链路预测对地形因素考虑的不足，提高了链路预测的精确度和速度。同时在GIS平台上实现了散射链路规划的可视化和自动化，提高了散射链路规划的效率，并在多个海内外实际工程中取得了应用。但是，本软件在UI设计和用户体验方面还有很大的优化空间。除散射通信外，其他的地面无线通信模式，例如微波通信和超短波通信等，在应用的过程中也存在链路预计困难和站址选择困难等问题。本软件在后续的研发过程中，还需要针对这些不足和潜在的功能点开展更多的工作。