CN102710344A - 集群车载通信系统用频数据评估 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集群车载通信系统用频数据评估，其方法至少包括：初始化步骤和实时使用步骤，其中，初始化步骤包括步骤101，对通信车进行车体和天线建模；步骤102，对设备用频参数进行设置；步骤103，采用矩量法和快速多极子方法进行通信车平台耦合度计算；步骤104，对计算的耦合度结果进行保存；实时使用步骤是对集群车载通信系统用频数据进行评估，包括步骤105，对环境地理信息进行设定；步骤106，获取设备用频和特性信息，获取步骤104所保存的耦合度参数；步骤107，进行设备级干扰评估；步骤108，根据步骤106所获得设备评估结果进行系统级综合评估；最后进行步骤109，生成评估报告。实现对集群车载通信系统用频频率兼容性进行实时的评估。

Description

集群车载通信系统用频数据评估

技术领域

本发明属于车载通信系统频谱管理领域，特别涉及集群车载通信系统用频数据评估，针对集群车载通信系统上装多个设备用频频率指配兼容性的评估。

背景技术

集群车载通信系统用频数据评估是车载通信系统无线电频谱管理系统的关键技术之一，它直接影响着频率指配的正确性与有效性，为电磁频谱的指配提供辅助依据，是频谱管理系统首先要研究并解决的问题。集群车载通信系统集成了多部不同频带及功能的电台等设备，这些设备由于天线主动收发功能的限制，无法采用传统的屏蔽、滤波等抑制措施；且随着功能集成度越来越高、频谱越来越密集，无线系统间存在的邻道、谐波、互调、中频以及镜频等不同类型干扰将导致系统不可避免的存在着一些相互影响的频率自扰坏点，造成了电台通信距离缩短、语音质量变差、噪声增大等后果，严重时将导致各个通信信道完全阻塞，致使集群车载通信系统甚至整个系统瘫痪。产生上述问题的主要原因，是对集群车载通信系统上装设备进行频率指配时，未考虑系统电磁兼容问题。因此，对于处在复杂地理环境的集群车载通信系统来讲，利用设备用频频率指配与电磁兼容相结合的技术，对集群车载通信系统用频数据信息进行评估，是迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明目的是针对集群车载通信系统频谱管理存在的电磁兼容问题，提供一种集频段干扰预测、频点干扰预测、干扰分析、设备级以及系统级干扰评估为一体的集群车载通信系统用频数据评估，实现对集群车载通信系统用频频率兼容性进行实时的评估。

本发明是这样实现的：集群车载通信系统用频数据评估，其方法特征是：至少包括：初始化步骤和实时使用步骤，

其中，初始化步骤是对通信车设备之间的耦合度进行计算，

包括步骤101，对通信车进行车体和天线建模；

步骤102，对设备用频参数进行设置；

步骤103，采用矩量法和快速多极子方法进行通信车平台耦合度计算；步骤104，对计算的耦合度结果进行保存；

实时使用步骤是对集群车载通信系统用频数据进行评估，

包括步骤105，对环境地理信息进行设定；

步骤106，获取设备用频和特性信息，获取步骤104所保存的耦合度参数；

步骤107，进行设备级干扰评估；

步骤108，根据步骤106所获得设备评估结果进行系统级综合评估，最后进行步骤109，生成评估报告。

所述的步骤107详细评估步骤包括：

步骤201，获取的待评估接收设备用频与特性信息；

步骤202，获取环境监测频点和车内辐射源自扰频点；

步骤203，依据步骤201获取的设备用频频率和步骤202获取的环境监测频点和车内辐射源自扰频点，判断用频信息是否冲突，若冲突则进行步骤215，否则进行步骤204；

步骤204，获取第一个(组)发射设备用频与特性信息主要包含设备工作频率、发射功率、馈电网络效率、中频抑制、镜频抑制、谐波抑制以及发射特性；

步骤205，频段评估；设备满足干扰矩阵，则存在潜在的干扰，否则不存在潜在干扰；

步骤206，依据步骤205频段评估结果判断是否存在潜在干扰，若存在进行步骤207，否则进行步骤212；

步骤207，频点评估，评估依据如下：

假定接收机的接收频率f_r，中频频率f_I，中频带宽为B_r，发射机1的发射频率为f_t1，发射机2的发射频率f_t2，频率的单位均为MHz，当它们满足以下关系时

●f_r-B_r≤f_t1≤f_r+B_r，则发射机1对接收机存在邻道(同频)干扰；

●f_r-B_r≤mf_t1≤f_r+B_r，则发射机1对接收机存在m次谐波干扰(m为整数，一般取3、5、7、9)；

●f_I-B_r≤f_t1≤f_I+B_r，则发射机1对接收机存在中频干扰；

●f_r-B_r≤f_t1±2f_I≤f_r+B_r，则发射机1对接收机存在镜频干扰；

●f_r-B_r≤mf_t1±nf_t2≤f_r+B_r，则发射机1和发射机2对接收机存在互调干扰(m、n为整数)；

步骤208，依据步骤207频点评估结果判断是否存在潜在干扰，若存在进行步骤209，否则进行步骤212；

步骤209，获取集群所处环境地理信息，本发明主要包含丘陵、山地、平原、丛林四种环境地理类型，其中丘陵信息主要包含丘陵半径、丘陵宽度等，山地信息主要包含山地高度和山地宽度，平原信息主要包含平原标准方差等，丛林信息主要包含丛林高度等；

步骤210，根据获取的设备用频与特性信息进行无线电波传播分析；

步骤211，计算干扰量，获取步骤217初始化部分得出耦合度以及步骤201、步骤204的设备用频及特性信息，进行干扰量的计算；

步骤212，保存接收设备受扰分析结果，即保存接收设备受到当前获取的发射设备的干扰分析结果；

步骤213，判断是否为最后一个(组)发射设备，如果是则进行步骤215，否则返回步骤214；

步骤214，获取下一个(组)发射设备用频与特性信息，返回步骤205；

步骤215，依据步骤212的设备受扰分析结果进行干扰评估，评估依据如下：

假定接收机接收到的干扰量为P_R和接收机的敏感度门限值S_R满足以下关系时，通常认为：

(1)当P_R＜S_R时，则接收机完全可以正常工作；

(2)当S_R≤P_R＜1.14S_R时，则接收机受到轻度干扰；

(3)当P_R≥1.14S_R时，则接收机受到严重干扰，无法工作；

步骤216，保存接收设备评估结果。

所述的步骤107系统级评估的详细评估步骤包括：

步骤301，获取步骤106所有设备评估结果即各设备接收到的干扰信号功率；

步骤302，获取各设备的权重，并归一化权重向量；对于整个通信系统来说，不同的设备有不同的功能和用处，它们的重要程度也会随着不同的；

步骤303，判断各设备是否在同一辆通信车上，若是则进行步骤305，否则返回步骤304；

步骤304，获取通信车权重，集群通信系统中不同的通信车重要程度也是有区别的，不同职责的通信车重要程度也就不同；

步骤305，评估指标量化，本发明采用各设备接收到的干扰信号功率为评估指标；

步骤306，构造与待评估方案对应的最优和最劣方案以便于求出待评估方案的贴近度，其中最优方案为各个设备都未受到干扰；最劣方案为各个设备都受到严重的干扰，把各设备受到的干扰信号功率s_i赋值为其接收设备敏感度门限值的1.14倍(W)；

步骤307，运用TOPSIS算法对系统进行综合干扰评估，评估时采用成本型指标，即受扰程度越小越好；计算出待评估方案与最优方案的贴近度，并根据多次测试结果和工程经验给出待评估方案的性能等级；

步骤308，保存系统综合干扰结果。

所述的步骤201获取的待评估接收设备用频与特性信息，包含设备馈电网络效率、中频抑制、镜频抑制、谐波抑制以及发射特性。

所述的步骤202获取环境监测频点和车内辐射源自扰频点，包含环境监测时间、经度、纬度、环境监测频点以及对应的电平值、通信车监测频点以及对应电平值。

所述的步骤209获取集群所处环境地理信息是丘陵或山地或平原或丛林四种环境地理类型，其中丘陵信息主要包含丘陵半径、丘陵宽度等，山地信息主要包含山地高度和山地宽度，平原信息主要包含平原标准方差，丛林信息主要包含丛林高度。

所述的步骤210，根据获取的设备用频与特性信息进行无线电波传播分析包括：

(1)短波天线传播损耗分析，短波损耗包括四个部分：自由空间电波能量扩散损耗，电离层吸收损耗，电波落地反射损耗和其它额外损耗；

(1.1)自由空间电波能量扩散损耗

其表达式为

$L_{\mathrm{bf}}=20\lg \left(\frac{4\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}\right)=32.45+20\mathrm{lgf}+20\mathrm{lgd}---\left(1\right)$

式中，d为收发天线之间的距离(km)；

f为发射天线频率(MHz)；

L_bf为自由空间的传输损耗(dB)；

(1.2)电离层吸收损耗

公式表示式为

L_a＝10log+{[AT(x，R₁₂)×cos^1.4(0.881χ)×(1+0.0067×R₁₂)×secI₁₀₀]/(f+f_H)²}    (2)

式中，AT(x，R₁₂)为电离层吸收因子，它由磁倾角|X|和月份决定；χ为太阳天顶角(度)；R₁₂为太阳黑子的数目；f_H为磁旋频率(MHz)；I₁₀₀为100米高处的入射角(度)；f为发射天线工作频率(MHz)；L_a为电离层吸收损耗；

(1.3)电波落地反射损耗

其表达式为

L_g＝10lg[(|R_v|²+|R_H|²)/2]    (3)

式中：

电波水平极化反射系数： $\left|R_H\right|=\frac{\sin \mathrm{\θ}-\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}-{\cos }^2\mathrm{\θ}}}{\sin \mathrm{\θ}+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}-{\cos }^2\mathrm{\θ}}}$

电波垂直极化反射系数： $\left|R_V\right|=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}\×\sin \mathrm{\θ}-\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}-{\cos }^2\mathrm{\θ}}}{{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}\×\sin +\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}-{\cos }^2\mathrm{\θ}}}$

其中，ε_r′为大地的复相对介电常数；

θ为电波落地射线的入射角(度)；

L_g为地面反射损耗(dB)；

(1.4)额外损耗

通过试验可得如下规律性的数据，在计算短波损耗时直接引用，

综上所述，短波在空间传播的基本传播损耗为

L_b＝L_bf+L_a+L_g+L_p    (5)

所述的步骤211的计算干扰量表达式如下：

集群车载通信系统电磁干扰主要包含邻道干扰、谐波干扰、中频干扰、镜频干扰以及互调干扰类型。

●邻道干扰

接收天线接收到的邻道干扰类型下的干扰功率为

P_in＝P_out(f)+CP(f)    (6)

式中，P_in为接收天线接收到的干扰功率(dBm)，P_out(f)为发射天线在接收天线调谐频点为f时的发射功率(dBm)，CP(f)为接收天线和发射天线在频点为f的耦合度(dB)；

●谐波干扰

谐波对接收机的干扰机理与邻道干扰基本一致，因此在获得了发射机的发射功率后，可参照邻道干扰计算方法对到达接收机输入端的谐波干扰功率进行计算；

●中频干扰

不同波段的发射机对中频的抑制比不同。中频干扰的干扰电平计算可参考邻道干扰的计算方法进行计算；

●镜频干扰

镜频干扰的干扰功率计算可参考邻道干扰的计算方法进行计算；

●互调干扰

满足互调干扰的频率关系为

|mf₁±nf₂|＜|f₀±Br|    (7)

式中，f₁、f₂为两个干扰信号的频率(MHz)，f₀为接收机的调谐频率(MHz)，Br为接收机的中频带宽(MHz)，m、n为互调阶数；

信号三阶互调干扰功率的计算表达式为

P_in＝nP_Fin+mP_Nin+IMF    (8)

式中，m、n为互调阶数，其中m、n分别为对应于离f₀最近、最远的信号频率的谐波次数，P_Fin、P_Nin分别为频率为f_F、f_N的干扰信号产生的接收机输入端的功率(dBm)，f_N为离f₀最近的干扰信号频率(MHz)，f_F为离f₀最远的干扰信号频率(MHz)，IMF为互调系数(dB)，P_in为接收机输入的功率(dBm)；

典型的陆地移动通信接收机的等效三阶互调系数为

IMF＝D-60lg(Δf)    (9)

式中，D为两信号三阶互调常数，一般取-50dB，Δf为各干扰频率偏离接收机标称频率的平均值(以MHz计)。

本发明的优点是：由于在设备参数数据库基础上的，并依据通信车平台上装天线间耦合度进行评估的，其评估的原则包括：建立电磁兼容数据库，该库主要包含通信车模型、天线与设备属性等参数；在评估前进行所有天线的全面仿真并存入数据库，实现对集群车载通信系统用频频率兼容性进行实时的评估。

附图说明

图1是本发明的总体评估流程图；

图2是本发明的设备级评估流程图；

图3是本发明的系统级评估流程图；

图4是本发明的平原地形模型；

图5是本发明的地面反射模型；

图6是本发明的第一菲涅尔区；

图7是本发明的丘陵地形模型；

图8是本发明的山地地形模型；

图9是本发明的丛林地形模型。

具体实施方式

集群车载通信系统用频数据评估方法主要包含通信车设备耦合度计算和用频数据评估两个部分。通信车上装设备耦合度仿真为用频数据提供数据支持，以方便快速对通信车进行实时的评估。

以下结合附图对本发明——集群车载通信系统用频数据评估作进一步详细描述：

参照图1，本发明是由两部分组成：初始化步骤和实时使用步骤。

初始化步骤主要是对通信车设备之间的耦合度进行计算。首先进行步骤101对通信车进行车体和天线建模，在步骤101的基础上进行步骤102设备用频参数的设置，然后采用矩量法和快速多极子方法进行步骤103通信车平台耦合度计算，最后进行步骤104对计算的耦合度结果进行保存。

实时使用步骤是对集群车载通信系统用频数据进行评估。首先进行步骤105对环境地理信息进行设定和步骤106获取设备用频和特性信息，然后获取步骤104所保存的耦合度参数进行步骤107设备级干扰评估，根据步骤106所获得设备评估结果进行步骤108系统级综合评估，最后进行步骤109生成评估报告。

参照图2，为图1中步骤107——设备级评估的详细评估步骤：

步骤201，获取的待评估接收设备用频与特性信息，主要包含设备馈电网络效率、中频抑制、镜频抑制、谐波抑制以及发射特性等；

步骤202，获取环境监测频点和车内辐射源自扰频点，主要包含环境监测时间、经度、纬度、环境监测频点以及对应的电平值、通信车监测频点以及对应电平值；

步骤203，依据步骤201获取的设备用频频率和步骤202获取的环境监测频点和车内辐射源自扰频点进行步骤203，判断用频信息是否冲突，若冲突则进行步骤215，否则进行步骤204；

步骤204，获取第一个(组)发射设备用频与特性信息主要包含设备工作频率、发射功率、馈电网络效率、中频抑制、镜频抑制、谐波抑制以及发射特性等；

步骤205，频段评估；根据表1对设备进行频段评估，设备满足干扰矩阵，则存在潜在的干扰，否则不存在潜在干扰。例如，当接收设备为HF类型，若发射设备的(组合)类型为HF、VHF、HF和HF、HF和VHF、VHF和VHF时，则满足干扰矩阵，否则不满足。接收设备为VHF、UHF和SHF三种类型同理可知；

表1干扰矩阵表

步骤206，依据步骤205频段评估结果判断是否存在潜在干扰，若存在进行步骤207，否则进行步骤212；

步骤207，频点评估，评估依据如下：

假定接收机的接收频率f_r，中频频率f_I，中频带宽为B_r，发射机1的发射频率为f_t1，发射机2的发射频率f_t2，频率的单位均为MHz，当它们满足以下关系时

●f_r-B_r≤f_t1≤f_r+B_r，则发射机1对接收机存在邻道(同频)干扰；

●f_r-B_r≤mf_t1≤f_r+B_r，则发射机1对接收机存在m次谐波干扰(m为整数，一般取3、5、7、9)；

●f_I-B_r≤f_t1≤f_I+B_r，则发射机1对接收机存在中频干扰；

●f_r-B_r≤f_t1±2f_I≤f_r+B_r，则发射机1对接收机存在镜频干扰；

●f_r-B_r≤mf_t1±nf_t2≤f_r+B_r，则发射机1和发射机2对接收机存在互调干扰(m、n为整数，本发明只研究m+n＝3的情况)。

步骤208，依据步骤207频点评估结果判断是否存在潜在干扰，若存在进行步骤209，否则进行步骤212；

步骤209，获取集群所处环境地理信息，本发明主要包含丘陵、山地、平原、丛林四种环境地理类型，其中丘陵信息主要包含丘陵半径、丘陵宽度等，山地信息主要包含山地高度和山地宽度，平原信息主要包含平原标准方差等，丛林信息主要包含丛林高度等；

步骤210，根据获取的设备用频与特性信息进行无线电波传播分析；

(1)短波天线传播损耗

由于短波频率较低，它主要靠天波传输，因此复杂空间环境下短波传播时，电离层对它的传播衰减起主要作用，而地形地貌对它的衰减则可以忽略。

短波损耗包括四个部分：自由空间电波能量扩散损耗，电离层吸收损耗，电波落地反射损耗和其它额外损耗。

(1.1)自由空间电波能量扩散损耗

自由空间是个理想的介质，是不会吸收能量的，自由空间的能量的损耗是指电波在传播过程中，随着距离的增大，能量的自然扩散而引起的损耗，它反映电波的扩散损耗，其表达式为

$L_{\mathrm{bf}}=20\lg \left(\frac{4\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}\right)=32.45+20\mathrm{lgf}+20\mathrm{lgd}---\left(1\right)$

式中，d为收发天线之间的距离(km)；

f为发射天线频率(MHz)；

L_bf为自由空间的传输损耗(dB)。

(1.2)电离层吸收损耗

对于短波通信，主要考虑电离层对其吸收损耗，电离层的吸收损耗与电波传播路径中的电子浓度、碰撞率、地电磁强度以及电波的频率等因素有关，然而上述电离层参数难以估计，工程上使用半经验公式，公式表示式为

L_a＝10log{[AT(x，R₁₂)×cos^1.4(0.881χ)×(1+0.0067×R₁₂)×secI₁₀₀]/(f+f_H)²}    (2)

式中，AT(x，R₁₂)为电离层吸收因子，它由磁倾角|X|和月份决定；χ为太阳天顶角(度)；R₁₂为太阳黑子的数目；f_H为磁旋频率(MHz)；I₁₀₀为100米高处的入射角(度)；f为发射天线工作频率(MHz)；L_a为电离层吸收损耗。

(1.3)电波落地反射损耗

电波落地反射损耗是在多跳传输模式的情况下才存在，其与电波的极化、频率、射线仰角以及地质等因素有关，严格计算是很困难的，工程上采用圆极化波进行计算，其表达式为

L_g＝10lg[(|R_v|²+|R_H|²)/2]    (3)

式中：

电波水平极化反射系数： $\left|R_H\right|=\frac{\sin \mathrm{\θ}-\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}-{\cos }^2\mathrm{\θ}}}{\sin \mathrm{\θ}+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}-{\cos }^2\mathrm{\θ}}}$

电波垂直极化反射系数： $\left|R_V\right|=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}\×\sin \mathrm{\θ}-\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}-{\cos }^2\mathrm{\θ}}}{{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}\×\sin +\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}-{\cos }^2\mathrm{\θ}}}$

其中，ε_r′为大地的复相对介电常数；

θ为电波落地射线的入射角(度)；

L_g为地面反射损耗(dB)。

(1.4)额外损耗

额外损耗包括天波的聚焦效应、多径效应和电离层散射等引起的电波能量损耗。这些损耗十分复杂，难于一一精确计算。因此根据相关资料，通过试验可得如下规律性的数据，在计算短波损耗时直接引用。

综上所述，短波在空间传播的基本传播损耗为

L_b＝L_bf+L_a+L_g+L_p    (5)

(2)超短波和微波波段的无线电波传播损耗

超短波和微波的无线电波由于其频率较高，电波沿着地面传播时衰减较大，遇到障碍时绕射能力较弱，因此不能利用地面波传播方式，电离层对它们的传播衰减也可以忽略，通常采用视距传播方式。下面给出平原地形、山地地形、丘陵地形和丛林地形是四大典型的地形下无线电波传播损耗。

●平原地形

平原地形模型如图4所示，在平原地形模型中，收发两点除了直射波外，还存在反射波，并且当频率为30MHz～150MHz还存在表面波。

表面波衰减系数： $B=\frac{2{\mathrm{\μ}}_{2}n\cos \mathrm{\θ}}{{\mathrm{\μ}}_1{n}^2\cos \mathrm{\θ}+{\mathrm{\μ}}_2\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}};$

折射率： $n=\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{{\mathrm{\μ}}_1}\frac{({\mathrm{\ϵ}}_2{-\mathrm{\θ\σ}}_2/\mathrm{\ω})}{{\mathrm{\ϵ}}_1}};$

其中，μ₁和μ₂为空气和地面介质的磁导率(H/m)，σ₂为地面介质电导率(S/m)，ε₁和ε₂为空气和地面介质的相对介电常数，这些参数由数据库给定。ω为电磁波的角频率(rad/s)、θ为电波落地射线的入射角(度)。

平原地形电波的反射主要分为光滑地面的镜面反射和粗糙地面的漫反射，区分两种反射的依据是瑞利判据。

如图5所示，当电磁波的入射角为θ时，定义一个表面平整度参考高度h_c：

h_c＝λ/(8sinθ)(m)    (6)

式中：λ为入射波长(m)。

瑞利判据：当平原地形上最大的突起高度

平原地形是光滑的，反之则认为平原地形是粗糙的。

a、光滑地面：当平原地形上最大的突起高度

使用镜像原理处理反射问题。由于车载通信系统上装天线主要是线天线，采用垂直极化方式，利用几何光学的射线理论推导出平原地形下电磁波菲涅尔反射系数为：

$R_F=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{\η}}{{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{\η}}---\left(7\right)$

式中：

ε_r′＝ε_r-j60λσ。其中：ε_r′为地面介质的复相对介电常数，ε_r为地面介质的相对介电常数，σ为地面介质的电导率(S/m)，这些参数由数据库给定。

平原地形下，光滑地面短波以上天线传播损耗为：

$\left\{\begin{array}{cc}L=10\lg \left(\frac{P_r}{P_t}\right)=-21.98+20\lg \frac{\mathrm{\&lambda;}}{d}+20\lg [1+R_F+(1-R_F)B]\left|\sin \left(\frac{\mathrm{\&pi;\&delta;r}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)\right|\left(\mathrm{dB}\right)& (30\mathrm{MHz}\&le;f\&le;150\mathrm{MHz})\\ L=10\lg \left(\frac{P_r}{P_t}\right)=-21.98+20\lg \frac{\mathrm{\&lambda;}}{d}+20\lg (1+R_F)\left|\sin \left(\frac{\mathrm{\&pi;\&delta;r}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)\right|\left(\mathrm{dB}\right)& (150\mathrm{MHz}<f)\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中：δr为直射波和反射波的波程差(m)，d为收发天线之间的距离(km)。

b、粗糙地面：当平原地形上最大的突起高度

时，无线电波投射引起的反射为漫反射。对于光滑地面采用几何光学的射线理论来求解反射场，但是对于粗糙地面，反射区域不能只限于反射射线投落点，而是包含一个区域——反射面的费涅尔区，只有在这个区域内的反射电波对于接收点的合成场强才有较大的贡献。

在复杂地形中可以通过计算地面反射点的位置和区域迅速确定反射区的情况。反射点周围的地形、地貌特征对于无线电波的影响起主要作用，因此我们主要关注第一菲涅尔区内的地面特征。

第一菲涅尔区如图6：

$({\mathrm{\&rho;}}_1+r_1)-({\mathrm{\&rho;}}_0+r_0)=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2}---\left(9\right)$

确定了反射区域后就可以根据反射区的地形地貌计算粗糙地面的反射系数。一般粗糙地面反射系数可以表示为：

ρ_s＝R_sR_F    (10)

式中：R_s为粗糙地面反射射线衰减因子；R_F为菲涅尔反射系数。

我们近似认为平原地形高度起伏

服从高斯分布，粗糙地面引起的反射射线的衰减因子R_s可以表示为：

$R_s=\exp \left[{-8\left(\frac{{\mathrm{\&pi;\&sigma;}}_h\sin \mathrm{\&theta;}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^2\right]---\left(11\right)$

式中：σ_h为平原地面起伏高度的标准方差(m)。

平原地形下，粗糙地面短波以上频段的天线传输损耗为：

$\left\{\begin{array}{cc}L=10\lg \left(\frac{P_r}{P_t}\right)=-21.98+20\lg \frac{\mathrm{\&lambda;}}{d}+20\lg [1+{\mathrm{\&rho;}}_s+(1-{\mathrm{\&rho;}}_s)B]\left|\sin \left(\frac{\mathrm{\&pi;\&delta;r}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)\right|\left(\mathrm{dB}\right)& (30\mathrm{MHz}\&le;f\&le;150\mathrm{MHz})\\ L=10\lg \left(\frac{P_r}{P_t}\right)=-21.98+20\lg \frac{\mathrm{\&lambda;}}{d}+20\lg (1+{\mathrm{\&rho;}}_s)\left|\sin \left(\frac{\mathrm{\&pi;\&delta;r}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)\right|\left(\mathrm{dB}\right)& (150\mathrm{MHz}<f)\end{array}\right.---\left(12\right)$

●丘陵地形

丘陵地形模型如图7所示，在丘陵地形下，电磁波的传输损耗主要是蠕变绕射损耗。绕射使无线电波能够越过障碍物，在障碍物的后方形成场强，即绕射场强。接收天线处的场强为：

$E=\frac{\sqrt{30G_t{P}_t}}{r_1}{e}^{-\mathrm{jk}{r}_1}\exp (-\mathrm{jk\&theta;}{R}_H)\frac{\exp (-\mathrm{jk}{r}_2)}{\sqrt{r_2}}\frac{1}{\sqrt{k}}\mathrm{Dexp}(-\mathrm{\&psi;\&theta;})(V/m)---\left(13\right)$

$\mathrm{\&psi;}=2.338\&times;{\left(\frac{\mathrm{\&pi;}{R}_H}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^{1/3}\exp (\mathrm{j\&pi;}/6)---\left(14\right)$

$D=2.034\&times;\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}{\left(\frac{\mathrm{\&pi;}{R}_H}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^{1/3}\exp (\mathrm{j\&pi;}/6)---\left(15\right)$

式中，E为接收处的场强(V/m)，R_H为丘陵半径(m)，r₁为发射天线到丘陵绕射点的距离(m)，r₂为绕射射线离开丘陵的点到接收天线的距离(m)，θ为绕射角(rad)，D为绕射系数，ψ为绕射相位。

在丘陵地形下，绕射损耗(dB)为：

$L_h-20\log \left|\frac{E}{E_0}\right|=55.015-20\log |\frac{d}{r_1\sqrt{r_2}}\&times;\frac{1}{\sqrt{k}}\&times;{R_H}^{1/3}|-\frac{20}{3}\log f---\left(16\right)$

故在丘陵地形下，无线电波的传播损耗(dB)为L_H＝L_h+L_bf，式中L_bf为自由空间电波能量扩散损耗(dB)。

●山地地形

山地地形模型如图8，在山地地形下，无线电波传播的直射波常常会被山脊阻挡，产生的传输损耗称为绕射损耗。在预测路径损耗时，把这些障碍物看成是尖形障碍，称之为“刃形”。在经典的电磁理论应用中，通过刃型绕射损耗后无线电波的场强可表示为：

$E=E_0\frac{(1+j)}{2}{\&Integral;}_v^{\&infin;}\exp \{-\left({\mathrm{j\&pi;t}}^2\right)/2\}\mathrm{dt}---\left(17\right)$

式中，E为接收处的场强(V/m)，E₀为自由空间传播的场强(V/m)，v为绕射系数。

$v=-H\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\&lambda;}(1/d_1+1/d_2)}}---\left(18\right)$

式中，H为山地的高度(m)，d₁为发射天线距山地中心坐标的水平距离(m)，d₂为接收天线距山地中心坐标的水平距离(m)。

令 $L_m=-20\lg -\frac{E}{E_0}=20\lg \left[\frac{(1+j)}{2}{\&Integral;}_v^{\&infin;}\exp \right\{-\left(\mathrm{j\&pi;}{t}^2\right)/2\left\}\mathrm{dt}\right],$ 得到L的近似值为

$L_m=\left\{\begin{array}{cc}0& (v\&GreaterEqual;1)\\ -20\lg (0.5+0.62v)& (0\&le;v\&le;1)\\ -20\lg \left(0.5e^{0.45v}\right)& (-1\&le;v\&le;0)\\ -20\lg (0.4-\sqrt{0.1184-{(0.1v-0.38)}^2})& (-2.4\&le;v\&le;-1)\\ -20\lg (-0.225/v)& (v<-2.4)\end{array}\right.---\left(19\right)$

故在山地地形下，无线电波的传播损耗(dB)为L_M＝L_m+L_bf，式中L_bf为自由空间电波能量扩散损耗(dB)。

●丛林地形

丛林地形模型如图9所示，在丛林地形下，电磁波的传输损耗主要是丛林损耗。

a、丛林地形下的Tamir模型，此模型仅适用于2MHz～200MHz的电波的传播。发射天线的电磁波主要是通过与丛林树冠平行的空中传播的横向波进行的，该横向波是由发射机以临界角

入射到树顶，再以该临界角返回森林。此时，接收天线处的场强为：

$E=\sqrt{\frac{8\mathrm{\&pi;\&eta;}{p}_t{C}_t{\left(\frac{1}{\left|\mathrm{\&chi;}\right|}\right)}^2{\left(\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2\mathrm{\&pi;d}}\right)}^4\exp \left(2\mathrm{SkIm}\left(\sqrt{\mathrm{\&chi;}}\right)\right)}{{\mathrm{\&lambda;}}^2}}---\left(20\right)$

式中：χ为极化率，与丛林的复介电常数有关，它由数据库给定；

d为收发天线之间的距离(m)；

收发天线到树冠顶的垂直距离：S＝(H_M-h_T)+(H_M-h_R)(m)；

其中，H_M为地面到树冠顶的距离(m)，h_T和h_R分别为收发天线的高度(m)。

丛林损耗为：

b、丛林地形下的ITU-R模型，它适用于频率200MHz～95GHz的电波传播。

接收处的场强为：

$E=E_0\&times;{10}^{-\frac{0.2f^{0.3}{a}^{0.6}}{20}}(V/m)---\left(22\right)$

式中：f为发射天线频率(MHz)，d为收发天线之间的距离(m)。

丛林损耗为：

步骤211，计算干扰量，获取步骤217初始化部分得出耦合度以及步骤201、步骤204的设备用频及特性信息，进行干扰量的计算。干扰量计算表达式如下：

集群车载通信系统电磁干扰主要包含邻道干扰、谐波干扰、中频干扰、镜频干扰以及互调干扰类型。

●邻道干扰

接收天线接收到的邻道干扰类型下的干扰功率为

P_in＝P_out(f)+CP(f)    (24)

式中，P_in为接收天线接收到的干扰功率(dBm)，P_out(f)为发射天线在接收天线调谐频点为f时的发射功率(dBm)，CP(f)为接收天线和发射天线在频点为f的耦合度(dB)。

●谐波干扰

谐波对接收机的干扰机理与邻道干扰基本一致，因此在获得了发射机的发射功率后，可参照邻道干扰计算方法对到达接收机输入端的谐波干扰功率进行计算。

●中频干扰

不同波段的发射机对中频的抑制比不同。中频干扰的干扰电平计算可参考邻道干扰的计算方法进行计算。

●镜频干扰

镜频干扰的干扰功率计算可参考邻道干扰的计算方法进行计算。

●互调干扰

满足互调干扰的频率关系为

|mf₁±nf₂|＜|f₀±Br|    (25)

式中，f₁、f₂为两个干扰信号的频率(MHz)，f₀为接收机的调谐频率(MHz)，Br为接收机的中频带宽(MHz)，m、n为互调阶数。

信号三阶互调干扰功率的计算表达式为

P_in＝nP_Fin+mP_Nin+IMF    (26)

式中，m、n为互调阶数，其中m、n分别为对应于离f₀最近、最远的信号频率的谐波次数，P_Fin、P_Nin分别为频率为f_F、f_N的干扰信号产生的接收机输入端的功率(dBm)，f_N为离f₀最近的干扰信号频率(MHz)，f_F为离f₀最远的干扰信号频率(MHz)，IMF为互调系数(dB)，P_in为接收机输入的功率(dBm)。

典型的陆地移动通信接收机的等效三阶互调系数为

IMF＝D-60lg(Δf)    (27)

式中，D为两信号三阶互调常数，一般取-50dB，Δf为各干扰频率偏离接收机标称频率的平均值(以MHz计)；

步骤212，保存接收设备受扰分析结果，即保存接收设备受到当前获取的发射设备的干扰分析结果；

步骤213，判断是否为最后一个(组)发射设备，如果是则进行步骤215，否则返回步骤214；

步骤214，获取下一个(组)发射设备用频与特性信息，返回步骤205；

步骤215，依据步骤212的设备受扰分析结果进行干扰评估，评估依据如下：

假定接收机接收到的干扰量为P_R和接收机的敏感度门限值S_R满足以下关系时，通常认为：

(1)当P_R＜S_R时，则接收机完全可以正常工作；

(2)当S_R≤P_R＜1.14S_R时，则接收机受到轻度干扰；

(3)当P_R≥1.14S_R时，则接收机受到严重干扰，无法工作。

步骤216，保存接收设备评估结果。

参照图3，为图1中步骤107——系统级评估的详细评估步骤：

步骤301，获取步骤106所有设备评估结果即各设备接收到的干扰信号功率；

步骤302，获取各设备的权重，并归一化权重向量；对于整个通信系统来说，不同的设备有不同的功能和用处，它们的重要程度也会随着不同的；

步骤303，判断各设备是否在同一辆通信车上，若是则进行步骤305，否则返回步骤304；

步骤304，获取通信车权重，集群通信系统中不同的通信车重要程度也是有区别的，不同职责的通信车重要程度也就不同。

步骤305，评估指标量化，本发明采用各设备接收到的干扰信号功率为评估指标；

步骤306，构造与待评估方案对应的最优和最劣方案以便于求出待评估方案的贴近度，其中最优方案为各个设备都未受到干扰；最劣方案为各个设备都受到严重的干扰，把各设备受到的干扰信号功率s_i赋值为其接收设备敏感度门限值的1.14倍(W)。表2为本发明中车载通信系统构造的初始矩阵，其中p_i为第i个设备所受到的干扰功率；在构造初始矩阵时，当s_i＜p_i时，则令s_i＝p_i以确保最劣方案所有指标为负理想点。

表2初始矩阵

步骤307，运用TOPSIS算法对系统进行综合干扰评估，评估时采用成本型指标，即受扰程度越小越好。计算出待评估方案与最优方案的贴近度，并根据多次测试结果和工程经验给出待评估方案的性能等级；

步骤308，保存系统综合干扰结果。

仿真实例

该实例是对该发明的可行性进行验证，算例为一个包含五辆通信车的集群通信系统，依据本发明的干扰评估算法，并在已有的测试数据基础上对该集群车载通信系统进行频率兼容性评估。

通信车上装HF、VHF以及UHF电台，电台工作功率和频率如表3所示(其中设备003只是接收设备)，其天线与设备的对应关系、设备属性参数以及仿真得出的耦合度数据并未列出。

表3设备用频方案

集群车载通信系统的各个接收设备评估结果如表4，该结果是基于以下前提条件下得出的：

(1)集群车载通信系统在平原地形下；

(2)设备的指配频率与通信车自扰点和环境监测频点并不冲突；

(3)只对集群车载通信系统上装的HF电台、VHF电台以及UHF电台进行评估；

(4)假定各个通信车与上装设备具有同样的重要性。

表4接收设备评估结果

基于表4给出的各个接收设备的干扰评估结果(表中未列出未受干扰的设备)，依据系统级综合干扰评估算法进行综合评估，得出最终的干扰结果。

该实例综合评估结果为：频率指配兼容贴近度为0.476，受到严重干扰，通信质量较差。

Claims (8)

1.集群车载通信系统用频数据评估，其方法特征是：至少包括：初始化步骤和实时使用步骤，

其中，初始化步骤是对通信车设备之间的耦合度进行计算，

包括步骤101，对通信车进行车体和天线建模；

步骤102，对设备用频参数进行设置；

步骤103，采用矩量法和快速多极子方法进行通信车平台耦合度计算；步骤104，对计算的耦合度结果进行保存；

实时使用步骤是对集群车载通信系统用频数据进行评估，

包括步骤105，对环境地理信息进行设定；

步骤106，获取设备用频和特性信息，获取步骤104所保存的耦合度参数；

步骤107，进行设备级干扰评估；

步骤108，根据步骤106所获得设备评估结果进行系统级综合评估；最后进行步骤109，生成评估报告。

2.根据权利要求1所述的集群车载通信系统用频数据评估，其方法特征是：所述的步骤107详细评估步骤包括：

步骤201，获取的待评估接收设备用频与特性信息；

步骤202，获取环境监测频点和车内辐射源自扰频点；

步骤203，依据步骤201获取的设备用频频率和步骤202获取的环境监测频点和车内辐射源自扰频点，判断用频信息是否冲突，若冲突则进行步骤215，否则进行步骤204；

步骤204，获取第一个(组)发射设备用频与特性信息主要包含设备工作频率、发射功率、馈电网络效率、中频抑制、镜频抑制、谐波抑制以及发射特性；

步骤205，频段评估；设备满足干扰矩阵，则存在潜在的干扰，否则不存在 潜在干扰；

步骤206，依据步骤205频段评估结果判断是否存在潜在干扰，若存在进行步骤207，否则进行步骤212；

步骤207，频点评估，评估依据如下：

假定接收机的接收频率f_r，中频频率f_I，中频带宽为B_r，发射机1的发射频率为f_t1，发射机2的发射频率f_t2，频率的单位均为MHz，当它们满足以下关系时

●f_r-B_r≤f_t1≤f_r+B_r，则发射机1对接收机存在邻道(同频)干扰；

●f_r-B_r≤mf_t1≤f_r+B_r，则发射机1对接收机存在m次谐波干扰(m为整数，一般取3、5、7、9)；

●f_I-B_r≤f_t1≤f_I+B_r，则发射机1对接收机存在中频干扰；

●f_r-B_r≤f_t1±2f_I≤f_r+B_r，则发射机1对接收机存在镜频干扰；

●f_r-B_r≤mf_t1±nf_t2≤f_r+B_r，则发射机1和发射机2对接收机存在互调干扰(m、n为整数)；

步骤208，依据步骤207频点评估结果判断是否存在潜在干扰，若存在进行步骤209，否则进行步骤212；

步骤209，获取集群所处环境地理信息，本发明主要包含丘陵、山地、平原、丛林四种环境地理类型，其中丘陵信息主要包含丘陵半径、丘陵宽度等，山地信息主要包含山地高度和山地宽度，平原信息主要包含平原标准方差等，丛林信息主要包含丛林高度等；

步骤210，根据获取的设备用频与特性信息进行无线电波传播分析；

步骤211，计算干扰量，获取步骤217初始化部分得出耦合度以及步骤201、步骤204的设备用频及特性信息，进行干扰量的计算； 

步骤212，保存接收设备受扰分析结果，即保存接收设备受到当前获取的发射设备的干扰分析结果；

步骤213，判断是否为最后一个(组)发射设备，如果是则进行步骤215，否则返回步骤214；

步骤214，获取下一个(组)发射设备用频与特性信息，返回步骤205；

步骤215，依据步骤212的设备受扰分析结果进行干扰评估，评估依据如下：

假定接收机接收到的干扰量为P_R和接收机的敏感度门限值S_R满足以下关系时，通常认为：

(1)当P_R＜S_R时，则接收机完全可以正常工作；

(2)当S_R≤P_R＜1.14S_R时，则接收机受到轻度干扰；

(3)当P_R≥1.14S_R时，则接收机受到严重干扰，无法工作；

步骤216，保存接收设备评估结果。

3.根据权利要求2所述的集群车载通信系统用频数据评估，其方法特征是：所述的步骤107系统级评估的详细评估步骤包括：

步骤301，获取步骤106所有设备评估结果即各设备接收到的干扰信号功率；

步骤302，获取各设备的权重，并归一化权重向量；对于整个通信系统来说，不同的设备有不同的功能和用处，它们的重要程度也会随着不同的；

步骤303，判断各设备是否在同一辆通信车上，若是则进行步骤305，否则返回步骤304；

步骤304，获取通信车权重，集群通信系统中不同的通信车重要程度也是有区别的，不同职责的通信车重要程度也就不同；

步骤305，评估指标量化，本发明采用各设备接收到的干扰信号功率为评估指标； 

步骤306，构造与待评估方案对应的最优和最劣方案以便于求出待评估方案的贴近度，其中最优方案为各个设备都未受到干扰；最劣方案为各个设备都受到严重的干扰，把各设备受到的干扰信号功率s_i赋值为其接收设备敏感度门限值的1.14倍(W)；

步骤307，运用TOPSIS算法对系统进行综合干扰评估，评估时采用成本型指标，即受扰程度越小越好；计算出待评估方案与最优方案的贴近度，并根据多次测试结果和工程经验给出待评估方案的性能等级；

步骤308，保存系统综合干扰结果。

4.根据权利要求2所述的集群车载通信系统用频数据评估，其方法特征是：所述的步骤201获取的待评估接收设备用频与特性信息，包含设备馈电网络效率、中频抑制、镜频抑制、谐波抑制以及发射特性。

5.根据权利要求2所述的集群车载通信系统用频数据评估，其方法特征是：所述的步骤202获取环境监测频点和车内辐射源自扰频点，包含环境监测时间、经度、纬度、环境监测频点以及对应的电平值、通信车监测频点以及对应电平值。

6.根据权利要求2所述的集群车载通信系统用频数据评估，其方法特征是：所述的步骤209获取集群所处环境地理信息是丘陵或山地或平原或丛林四种环境地理类型，其中丘陵信息主要包含丘陵半径、丘陵宽度等，山地信息主要包含山地高度和山地宽度，平原信息主要包含平原标准方差，丛林信息主要包含丛林高度。

7.根据权利要求2所述的集群车载通信系统用频数据评估，其方法特征是：所述的步骤210，根据获取的设备用频与特性信息进行无线电波传播分析包括：

(1)短波天线传播损耗分析，短波损耗包括四个部分：自由空间电波能 量扩散损耗，电离层吸收损耗，电波落地反射损耗和其它额外损耗；

(1.1)自由空间电波能量扩散损耗

其表达式为

式中，d为收发天线之间的距离(km)；

f为发射天线频率(MHz)；

L_bf为自由空间的传输损耗(dB)；

(1.2)电离层吸收损耗

公式表示式为

L_a＝10log{[AT(x，R₁₂)×cos^1.4(0.881χ)×(1+0.0067×R₁₂)×secI₁₀₀]/(f+f_H)²}    (2)

式中，AT(x，R₁₂)为电离层吸收因子，它由磁倾角|X|和月份决定；χ为太阳天顶角(度)；R₁₂为太阳黑子的数目；f_H为磁旋频率(MHz)；I₁₀₀为100米高处的入射角(度)；f为发射天线工作频率(MHz)；L_a为电离层吸收损耗；

(1.3)电波落地反射损耗

其表达式为

L_g＝10lg[(|R_v|²+|R_H|²)/2]    (3)

式中：

电波水平极化反射系数：

电波垂直极化反射系数：

其中，ε_r′为大地的复相对介电常数；

θ为电波落地射线的入射角(度)；

L_g为地面反射损耗(dB)； 

(1.4)额外损耗

通过试验可得如下规律性的数据，在计算短波损耗时直接引用，

综上所述，短波在空间传播的基本传播损耗为

L_b＝L_bf+L_a+L_g+L_p    (5)。

8.根据权利要求2所述的集群车载通信系统用频数据评估，其方法特征是：所述的步骤211的计算干扰量表达式如下：

集群车载通信系统电磁干扰主要包含邻道干扰、谐波干扰、中频干扰、镜频干扰以及互调干扰类型；

●邻道干扰

接收天线接收到的邻道干扰类型下的干扰功率为

P_in＝P_out(f)+CP(f)    (6)

式中，P_in为接收天线接收到的干扰功率(dBm)，P_out(f)为发射天线在接收天线调谐频点为f时的发射功率(dBm)，CP(f)为接收天线和发射天线在频点为f的耦合度(dB)；

●谐波干扰

谐波对接收机的干扰机理与邻道干扰基本一致，因此在获得了发射机的发射功率后，可参照邻道干扰计算方法对到达接收机输入端的谐波干扰功率进行计算；

●中频干扰

不同波段的发射机对中频的抑制比不同。中频干扰的干扰电平计算可参考 邻道干扰的计算方法进行计算；

●镜频干扰

镜频干扰的干扰功率计算可参考邻道干扰的计算方法进行计算；

●互调干扰

满足互调干扰的频率关系为

|mf₁±nf₂|＜|f₀±Br|    (7)

式中，f₁、f₂为两个干扰信号的频率(MHz)，f₀为接收机的调谐频率(MHz)，Br为接收机的中频带宽(MHz)，m、n为互调阶数；

信号三阶互调干扰功率的计算表达式为

P_in＝nP_Fin+mP_Nin+IMF    (8)

式中，m、n为互调阶数，其中m、n分别为对应于离f₀最近、最远的信号频率的谐波次数，P_Fin、P_Nin分别为频率为f_F、f_N的干扰信号产生的接收机输入端的功率(dBm)，f_N为离f₀最近的干扰信号频率(MHz)，f_F为离f₀最远的干扰信号频率(MHz)，IMF为互调系数(dB)，P_in为接收机输入的功率(dBm)；

典型的陆地移动通信接收机的等效三阶互调系数为

IMF＝D-60lg(Δf)    (9)

式中，D为两信号三阶互调常数，一般取-50dB，Δf为各干扰频率偏离接收机标称频率的平均值(以MHz计)。 

Images