一种与GIS结合的短波应急台站可用性预测方法

张光域，范荣双，张恒璟

一种与GIS结合的短波应急台站可用性预测方法

张光域1,2，范荣双2，张恒璟1

(1. 辽宁工程技术大学，辽宁 阜新 123000；2. 中国测绘科学研究院，北京 100036）

针对某地区紧急情况出现时，无法确定当前周围应急短波广播台站可用性问题，提出一种以地理信息系统为基础的短波二维可视化应急预警模块，并与短波可靠性预测计算模型组合应用。以广电总局监管中心提供的测试数据作为对象，利用短波链路可靠性（BCR）链路预测模型，预测出目标应急点范围的所有台站的BCR及信噪比（S/N）值，在地图上可视化显示，并对所有时段中所有台站的BCR及S/N值分类整合、分别形成折线图；对目标时间段内数据分别设定阈值通道，并对可用台站的信号强度进行分析。最终根据极差极值确定当前时段的满足信噪比及可靠性的最低要求的可用台站信息。实验结果表明，该方法能成功地对应急地区的短波广播信号进行预测分析，获得特定时间、特定地点的可接收到的台站信息，实现目标区域短波广播的可靠性检验及应急需求。

地理信息系统；应急广播；可靠性预测；短波广播；信噪比

0 引言

广播是一种传播迅速、覆盖范围广的通讯手段，在新中国的发展历程已有80余年，最早可追溯到1940年在延安建立的新华广播电台[1]80。到21世纪初，我国绝大部分区域都可以接收到广播信号。随着科技的进步，如今网络已经成为主流娱乐和传媒手段，已代替广播的位置，但是在应急预警领域，广播一直起到了至关重要的作用。以2013年雅安地震为例：地震发生时，电视、网络已大多无法使用，而广播仍然可以正常运作，随即中央发出特定频率的定向应急广播，灾区群众通过收听这些广播进行抢险救援[2]103。因而，我国对国家应急广播体系的建立一直保持高度关注，2018年，国家应急广播中心主任高南军在中国国际广播电视信息网络（China Content Broadcasting Network, CNBN）公共服务论坛上提出，到2020年，我国将建成灾情应急广播体系，这种广播体系分为中央、省、市、县四级，且具有信息共享迅速，责任分工明确，对灾情救援快速到达，应急信息传递安全的特点[3]13。

在世界上，美国、日本等国在应急广播方面一直处于领先地位，他们把广播当作国家应急体系中最重要的信息窗口，并以此为基础，搭建了覆盖全国的应急广播系统。从1963年开始，美国便着手将境内的广播电台、有线电视及卫星广播连接起来，形成了一套巨大的应急信息传输广播系统。日本因为其独特的地理位置，为应对频发的地震等灾害，从1985年起就建成了灾害应急警报系统（emergency alert system, EAS)[4]61。我国也是一个自然灾害频发的国家，搭建我国自己的应急网络平台，也具有重要的现实意义与深远的历史意义。

在地理信息系统（geographic information system, GIS）应急预测系统平台建成以前，我国的地面广播电视覆盖规划处于模拟阶段，这一阶段被称为“粗放式”规划[5]130，尽管场强预测可以采用国际电信联盟（International Telecommunication Union, ITU）颁布的ITU-RP.370建议书中规定的方法，但地形的影响则要通过实地考察，并用经验估计的方法加以评估，导致场强预测准确性不足，从而使频率指配、干扰分析、覆盖区计算等覆盖规划建设的重要内容，缺乏应有的科学性，由此可见，我国应用到应急广播分析上的方法并不成熟。相对于我国“粗放式”的规划方法，美国数字电视覆盖规划、频率指配等则使用地理间隔法[6]36，美国使用的地理间隔法虽较我国原有的“粗放式”规划更优秀，但在计算时存在冗余步骤，效率低、使用复杂，应急应用时还需要做大量的其他工作。本文所建的GIS应急预测系统平台，则包含了多种波长模块的应用窗口，可以提供二维、三维一体化的信息系统平台，实现范围覆盖预测、网络分析预测等功能，该应急预测系统平台采用更为专业的模型方法，因此具有较高的准确性，也便于提高应急使用效率。

GIS应急预测系统平台具有多波段广播类型，应急广播频率为3~30 MHz的短波[7]55。该短波频率具有信号覆盖面积广，接收设备普及率高的特点，相比较其他通讯手段，该短波频率可以在传达应急指令中发挥至关重要的作用。虽然当今科技发达，但如遇台风、洪水、地震等自然灾害时，可能导致受灾地区断水断电，电视及电话传输线路损坏，这些高科技通讯设备此时常常无法正常运转，在这种特殊时期，短波广播依然可以持续工作，因此，短波广播是应急工作的最佳选择。

本文的GIS应急预测系统平台兼顾了GIS数据库及短波广播计算模型的综合功能[8]157,即以GIS数据库、二维数字地图为基础，建立应急预警平台系统。按照国际电信联盟广播第533号建议书（ITU-R P.533-12）中信噪比（signal-to-noise ratio,SNR或S/N）、国际电信联盟广播第842号建议书（ITU-RP.842-4）中短波链路可靠性（basic circuit reliability, BCR）预测模型，来进行可用性预测，根据应急需求设定阈值通道，由此筛选出最优应急台站及其相关信息。

1 GIS地图与应急预测系统

GIS技术可以在广播可用性预测过程中提供位置信息，同时也可以为使用者提供更加直观的视觉体验。同时，GIS技术可以对电波传播有重要影响的地理信息进行数字化，这些地理信息包括地形高度及地表覆盖等。这些地理信息可以为应急广播的高效化播出提供基础数据[9]。文献[10]指出，在未来应急广播技术发展中，GIS及各类综合预警指挥系统，将会极大地提升应急广播的稳定性及适应性。

广播数据使用时一直存在一些问题，GIS与应急广播相结合，将使其得到解决。应急广播的接收机大多设置在非开阔平缓的区域，其分布也不均匀，并且电波的传播路径多种多样，因而环境对电波传播产生的干扰也是多种多样的[11]74,[12]106。而应急广播站已存在多年，导致台站相关数据来源十分复杂，这种复杂来源的数据使得数据形式、精度等方面差异明显。故无法简单地利用计算机对原始数据进行解算研究，广播计算模型也无法直接批量处理这些数据[13]5,[14]193。GIS为解决上述问题，首先使台站管理数据模型对发射机、台站、天馈系统等对象进行管理；然后对这些对象的层次关系进行梳理分类；最后利用分类后的数据进行批计算等。例如，可以将经纬度、海拔高度、台名、台址等信息归类到台站信息之下[15]119。GIS以这种面向对象的台站数据模型去管理台站、发射机、天馈系统等对象，可以有效地提升数据维护的一致性，当提取数据时，操作可以做到简单化，可以明显提高工作效率。

由于GIS能够高效率使用及合理管理广播数据，因此平台可以提供多层次多维度的计算分析结果，利用空间数据及非空间数据，可以实现包括台站选址、场强计算、干扰分析、地形分析及人口覆盖分析等功能[16]99。系统建立GIS数据库，对数据库信息进行分类，以方便在地图获取数据后，通过后端返回并从数据库调取相关功能所需的数据。应用这些数据信息,本论文开发了应急功能平台，实现了对中国全疆域任意地点短波广播信号的应急预测，保证在任意时刻、任意地点发生紧急情况时，事发地周边可用的台站，皆可接收中央统一调度的短波广播信号。同时，为了提升计算的准确性，本平台导入了国家广播电视总局提供的大比例尺地图、GIS遥感数据等其他数据源[17]88。这种大比例尺地图虽然具有清晰度高的优势，却也存在图像体积大，加载时间消耗过长的问题，为了解决这个问题，GIS电子地图采用特有的栅格化地图模型，即将大块电子地图进行分块处理，这样处理的好处是：一方面在计算时，可以大幅度提高计算速度，减少计算机内存消耗；另一方面也可以缩短真实地形图的载入时间，保证展示的流畅度[18]57。

平台不仅仅对广播数据进行分析，同时可以对被分析的数据进行关联。本平台充分利用GIS平台的地理信息辅助展示及分析功能，研发了基于GIS空间特性的事件展示模块，充分考虑了在多种复杂的情况下发生自然灾害、外部侵扰、技术故障等事件后，除了能在地图中直观展示事件发生的地点，还能通过利用GIS的空间特性进一步展示事件相关内容，例如包括地址、联系人、电话等相关信息在内的事发单位信息，实现属性信息和地理信息的交互，便于对事件进行分析和应对，这使得应急处理可以更加全面、更加完善。

2 短波应急预测方法

2.1 与GIS结合的应急预测方法

利用GIS地图服务提供的位置信息及视觉展示功能，可以为操作提供直观的使用界面，使使用者对台站位置信息和应急地区的地形状态一目了然，也为应急指挥的判断提供了便利。

在数据处理方面，主要是分为数据处理及源数据获取。利用短波电路性能预测模型及信噪比预测模型对源数据进行处理：首先计算每个模的场强值及频率值，通过每个模的频率值计算总信号频率值；然后计算信噪比中值、信噪比上十分位差及下十分位差；最后利用规定信噪比值与上述计算值，计算得出链路可靠性值。将计算出的信噪比及链路可靠性值，以分时段折线图的形式绘出图形，供使用者直接查看，这样使用者就可以直接观察台站信号的优劣。结合GIS地图数据及台站数据计算所需参考值，对参考值设定阈值，通过通道分析的方法确定其极值与极差，判断其对应台站信号的稳定性及强度，评估其可用性是否达到标准。源数据分为三大类：即地图数据、天线数据及台站数据。地图数据是指地图上的图像及位置等，利用基于阿尔克GIS服务器（ArcGIS Server）的缓存机制，提前建立地图瓦片，以提升二维GIS网络中的影像及矢量数据的显示速度。这种机制存储的地图数据，同时也可以作为广播应急可视化功能的基础数据。天线数据库及台站数据库属于专题数据库，主要包括发射台站、监测台站、地球站、管理单位、播出单位等相关属性数据。主要来源分为前期采集的调查统计数据、已有台站模型等数据。计算模块主要分为前端与后端两部分：前端为页面、参数整合及参数调取；后端为模型计算部分，利用数据库获取的计算参数及对应功能的模型，对源数据进行批处理后，以数据或图像的形式呈现至前端。

数据处理方法，不以场强信号强度是否达到可用性指标作为依据，而是首先采用信噪比值，分析台站噪声是否干扰了台站正常信号的传播；然后采用链路可靠性，判断信号本身的稳定性及可用性。与将场强作为唯一依据相比，这种方法在考虑了台站自身噪声的同时，又将与多台站的优劣对比作为参考，这样可以多维度地保证应急台站处于正常可用的状态。

应急预警系统工作模块的整体框架如图1所示，其中虚线框内的为后台计算模块。

图1 预测功能流程框架

2.2 应急预测方法所用模型

短波广播的可用性与中波及调频电视数字电视的可用性预测方法不同，并不只依赖于场强数值的预测，而是需要利用BCR及信噪比进行信号可用性预测。ITU-R P.533-12号建议书为短波电路性能预测模型，ITU-RP.842-4建议书为高频（high frequency, HF）无线电通信系统可靠性和兼容性计算模型。后续章节将描述其计算模型。

2.2.1 短波信噪比（S/N）

广播信号输出过程中，必然会在输出可用信号的同时输出噪声，噪声是除有意义信号之外的所有无规则信号，而且这些无规则信号有极高的稳定性。

2.2.1.1 信噪比中值

可以将信噪比作为判断输出信号质量的指标，信噪比是指输出广播信号的有效功率与输出噪声的有效功率之间的比值，信噪比值越高，表明广播信号的质量越优。

在短波带宽内，可得信噪比的中值S/N为

式中：S/N是广播信号信噪比，单位为dB；P为可用接收机功率中值,单位为W；F为规定频率处合成的外部噪声因子；为带宽，单位为Hz。

2.2.1.2 其他时间的信噪比

在90%的时间内，超过信噪比中值的计算公式为

式中：S/N50为信噪比的中值；S/N90为该信号90%时间内，超过S/N50的信噪比值；S为每时场强中值、可用信号的十分位偏差下限，单位为dB；S每日份场强中值、可用信号的十分位偏差下限，单位为dB；N是每月份场强中值、信号噪声的十分位偏差下限，单位为dB。对于其他时间百分比，可由ITU-R P.1057建议书给出的关于某种对数正态分布的资料获取。

2.2.2 基本电路可靠性（BCR）

短波广播的BCR是由ITU-R P.842建议书规定的，可靠性就是满足规定的性能准则（即规定的信噪比）的概率，因此其存在100%概率的上限及0%概率的下限，BCR值越接近100%，说明广播信号越优秀。通过频率、信噪比值、预设信噪比计算出BCR。

基本电磁波链路（简称电路）可靠性的计算步骤包括：1）求可用接收机有用信号功率的中间值（第1步）；2）求信噪比中间值（第2步和第3步）；3）计算信噪比的上十分位差（第4—6步）；4）计算信噪比的下十分位差（第7—9步）；5）根据需求定义信噪比（第10步）；6）估算BCR。

步骤1：求可用接收机有用信号功率的中间值P，其方法为ITU-R P.533建议书第6段预测P的方法。对长度在7000 km内的距离，无损耗接收天线的相应可用信号功率P的公式为

式中：E为场强，用ITU-R P.533第5.2节的方法计算；为满足此需求，专门在界面右上角设计了应急功能方便操作功能；为频率,单位为MHz，的计算方法为

式中：P及P的单位为dB·W；为模的个数。

步骤2：从ITU-R P.372建议书中分别获取大气噪声的噪声系数中间值FaA，人为噪声的噪声系数中间值FaM，银河噪声的噪声系数中间值FaG。

步骤3：求带宽产生的信噪比中间值S/N为

式中：FaA、FaM及FaG的单位为dB。

步骤4：针对不同功率及地磁纬度，由根据表1、表2，获取每日信号上十分位差DuSd；每时信号的下时十分位差DuSh，模型设定为5，单位为dB。

表1 地磁纬度小于60°的可用接收机功率月中间值的上下十分位差

表2 地磁纬度大于等于60°的可用接收机功率月中间值的上下十分位（UD）差

步骤5：根据ITU-R P.372建议书相关部分，计算大气噪声下十分位差DlA和人为噪声下时分位差DlM，银河噪声下时分位差DlG设定为2 dB。

步骤6：计算产生的信噪比（dB）的上十分位差DuSN为

式中：DuSd代表信号上时分位差，单位为dB；DuSh为信号下时分位差，单位为dB。

步骤7：针对不同功率及地磁纬度，由表1、表2，获取每日信号下十分位差DlSd；每时信号的下十分位差DlSh，模型设定为8，单位为dB。

步骤8：通过ITU-R P.372建议书，获取大气噪声的上十分位差DUA及人为噪声的上十分位差DuM，银河噪声的上十分位差DuG设定为2dB。

步骤9：计算产生的信噪比的下十分位差DlSN为

式中：DlSd为每日信号下十分位差，单位为dB；DlSh为每时信号下十分位差，单位为dB。

步骤10：用户自定义一个要求的信噪比S/Nr。

步骤11：计算BCR值。当（S/N）>（S/Nr）时，BCR为

结果为计算值或100，取二者中的最小值。

当（S/N）<（S/Nr）时，BCR为

结果为计算值或0，取二者中的最大值。

3 短波应急预测应用

短波广播应急预警功能是指在某地区某时间出现紧急情况，即使附近台站出现了故障无法使用时，可以第一时间获取可用的应急台站信息，以解决无台站可用问题。开始时的系统界面概况如图2所示。

图2 系统界面概况

打开应急预警相关功能页面后，首先设置时间及模型参数，并从提供的台站中，选取希望参与应急分析的台站，每一次点选不同台站后，可以实时显示台站的部分参数，每个台站只可以选择一次，台站选择界面如图3所示，图4为模型参数显示界面。

图3 预测分析界面与测试台站显示

图4 模型参数设置

接着，从地图底图数据点上选目标点，系统允许用户在地图上点选或者利用坐标自定义输入应急点，应急点选取界面如图5所示。

图5 应急点选取

此操作自动获取目标点的二维坐标信息，坐标点数据传到前端接口，然后传送至后端路由，依据坐标信息及台站选择信息，查找对应功能的台站地理信息数据库，从台站数据库调取所有相关台站数据、目标点与台站之间的距离等相关数据。

最后点击确定按钮开始计算，将前两步获取的数据，输入前端编写的预测模型程序后，依照模型进行计算。计算时，每一个台站分别由后端天线数据库调取用于BCR计算的天线参数，进行分时段计算，获得每一台站预测出的当日24时的S/N及BCR的值，并以折线图的方式将结果显示出来。将所有计算台站的折线图输出到一张图表上，在设定阈值后，筛选出所需时间段符合BCR及S/N的台站信息。计算完成后，在显示器的地图上显示应急点与台站间的链路状态，示意图如图6所示。

图6 应急点选取与周边台站示意

地图界面右侧呈现经过汇总整理的SNR及BCR直线图，如图7，图8所示。

图7 应急SNR结果折线

图8 应急BCR结果折线

根据计算结果进行信号可靠性及稳定性分析，获得最优台站次序，所得结果台站即为应急区域突发紧急情况的时间段可接受到的最优台站。测试选取应急地点（北京），应急时间为5月11日6时至12时，台站为722台、684台、515台、694台，设定BCR的阈值为40.000%，SNR阈值为40.000 dB，其结果如表3所示。

根据表3中数据及阈值要求, 在BCR值中，684台6时的BCR值小于40，不满足需求，需要淘汰；694台12时的BCR值也小于40，不满足需求，需要淘汰；722台及515台的所有BCR值，均满足需求。在SNR值中，515台6时的数据小于40，不满足阈值要求，需要淘汰；722台符合了所有要求，为使结果更严谨进一步分析表中数据计算极差、极值，结果如表4所示。

表3 BCR及SNR实验值

表4 实验数据分析

根据表4的值分析得知，4台站的BCR平均值及SNR平均值都是722台最高，意味着722台信号平均强度最高且符合阈值要求，不过值得一提的是，515台的BCR及SNR极差是所有4个台站最低的，且根据折线图得知，台站的信号强度走势大致相同，这说明515台站的信号强度变化幅度最小，稳定性极佳，但因为其6时的SNR值不满足阈值，因此，除6时外都可以使用。722台站是满足规定时间内应急条件需求的台站，但建议与515台站共同使用，因为除6时以外，515台站也满足需求且其信号稳定性更佳。

本文计算方法有一定局限性也存在一些问题。首先，BCR及S/N 两种实验数据都由场强数据计算得来，这导致实验数据本身准确性受场强准确性的直接影响，因此需要控制场强的计算准确性。其次，本文使用数据为经过加密偏移的测试数据，避免了涉密问题，但加密偏移数据和真实数据有偏差，不能反应真实的台站状态，对实验结果会有一定干扰效果。最后，本文计算的是国内的台站与应急地区的链路可靠性，而国内最远两地距离为5 414 km，因此不存在大于7 000 km的情况，但若为世界范围内进行可靠性计算，本方法模型并不完全适用。

4 结束语

本文基于短波覆盖范围广，但随时间变化信号线强度变化幅度大的特点，建立了以GIS地图数据及台站相关数据库为基础的应急预警模块，在GIS预警平台基础上，实现了以S/N及BCR的计算结果为依据的分时段广播应急台站可用性的预测功能，能够在对给定阈值分析的结果后，选出符合需求的台站，通过计算进一步确定可用台站或某些台站的可用时间段。实验结果表明，在事故区域出现紧急事件需要应急指令、却基本断绝与外界的主动沟通能力时，能第一时间选择事故区域周边的可用台站，恢复受灾区域的广播通讯，达到信息传递下达、统一部署抗灾的目的。若分析结果出现某一时段、某一区域无可用的台站时，这时就需要考虑是否添加更多备选台站进行计算分析，或者选择此时段可用、但其余时段不可用的台站同步播报。后续研究，可以将预测受灾范围扩展为可选择的区域范围，对区域内自动筛选所有运行中的应急广播台站，进行可用性分析选择。

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A method of short-wave emergency station availability prediction combined with GIS

ZHANG Guangyu1,2,FAN Rongshuang2,ZHANG Hengjing1

（1. Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning 123000, China; 2. Chinese Academy of Surveying and Mapping, Bejing 100036, China）

Aiming at the problem that the availability of emergency short-wave broadcasting stations around the area cannot be determined when an emergency occurs in a certain area, a short-wave two-dimensional visual emergency warning module based on Geographic Information System (GIS) is designed and combined with the shortwave reliability prediction calculation model. Taking the test data provided by the Supervision Center of the State Administration of Radio, Film and Television as the object, using the shortwave Basic Circuit Reliability (BCR) link prediction model to predict the link reliability BCR and Signal-to-Noise ratio (S/N) values of all stations at the target emergency point. The above visual display and classification and integration of the link reliability S/N and BCR values of all stations in all time periods form a line graph, respectively, set threshold channels for the data in the target time period and make available. The signal strength of the station is analyzed. In the end, the available station information that meets the minimum requirements of S/N and BCR in the current period is determined based on the extreme value of the range. This method successfully predicts and analyzes the shortwave broadcast signal in the emergency area, obtains the information of the stations that can be

at a specific time and place, and realizes the reliability test and emergency requirements of the shortwave broadcast in the target area.

geographic information system; emergency broadcasting; reliability prediction; shortwave broadcasting; signal-to-noise ratio

P228

A

2095-4999(2021)02-0075-08

张光域，范荣双，张恒璟. 一种与GIS结合的短波应急台站可用性预测方法[J]. 导航定位学报, 2021, 9(2): 75-82.（ZHANG Guangyu, FAN Rongshuang, ZHANG Hengjing. A method of short-wave emergency station availability prediction combined with GIS[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2021, 9(2): 75-82.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20210212.

2020-07-15

辽宁省教育厅辽宁省高等学校基本科研项目（LJ2017QL008）；辽宁工程技术大学博士启动基金（13-1120）。

张光域（1995—），男，辽宁大连人，硕士研究生，研究方向为大地测量，地理信息系统。

范荣双（1975—），男，北京人，博士，研究员，研究方向为地理信息系统、广播电视覆盖网规划、移动GIS。