CN115291304A - 全向天线轴辐式微波密集降雨监测网络部署方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种全向天线轴辐式微波密集降雨监测网络部署方法，包括如下步骤：S1、获取地区基本信息：S2、构建雨区的降雨分割区：S3、确定信号接收设备的位置和数量S4、选择最佳监测网络：确定多个方案，以总成本、全覆盖区域面积、降雨反演效果因素为评价标准，建立监测网络评价体系，根据监测网络评价体系计算得分，得分最高的为最佳监测网络。本发明根据一个地区的地理环境与降雨情况合理规划微波链路网络，在提高微波降雨监测网络的捕捉区域降雨分布能力的同时，能够以更低的设备布设成本实现区域监测网络的全覆盖。

Description

全向天线轴辐式微波密集降雨监测网络部署方法
技术领域
本发明涉及气象要素监测技术领域，具体涉及全向天线轴辐式微波密集降雨监测网络部署方法。
背景技术
微波降雨监测是一项拥有巨大价值的降雨监测技术，城市是降雨监测的重点区域，亟需构建合理高效的密集降雨监测网络。由于城市环境复杂，存在许多能够造成微波衰减的障碍因素，微波设备需要一定的布设环境条件；且降雨时空分布不均匀，需要根据一个地区各局部降雨的频率合理安排网络的密度。
另外，相较于传统雨量站网，超高频微波监测网络能够更好的捕捉区域降雨分布情况，获取高时空分辨率的降雨场，而建设密集降雨监测网络，对提高降雨监测资料的精度起到重要作用。现有的微波网络主要采用单发单收的微波链路，在移动通信基站上架设定向超高频无线微波设备，点对点发射超高频微波信号。由于是在现有的通信基站上布设微波设备，在网络规划上显得不够灵活，可能存在布设不合理的情况，且采用定向天线点对点发射微波信号，单条链路的设备成本显然很高。并且现有的微波网络基于已建成的通信基站分布，没有考虑优化网络对降雨监测资料精度的作用和设备布设成本的控制，以及现有点对点发射的微波链路存在设备低利用效率的问题。
因此，根据一个地区的地理环境与降雨情况合理规划微波链路网络，在提高微波降雨监测网络的捕捉区域降雨分布能力的同时，能够以更低的设备布设成本实现区域监测网络的全覆盖是亟待解决的问题。
发明内容
发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种全向天线轴辐式微波密集降雨监测网络部署方法，能够实现微波密集降雨监测的少天线、低成本、全范围覆盖。
技术方案：本发明所述的全向天线轴辐式微波密集降雨监测网络部署方法，包括如下步骤：
S1、获取地区基本信息：所述基本信息包括地区地形图，通讯基站分布图，雨量空间分布图；
S2、构建雨区的降雨分割区：根据S1获得的信息，按照信号收发装置的位置、信号传播路径和各等级降雨年均雨量空间分布图三个维度构建雨区的网络密度图；根据全向天线的覆盖范围和安装环境将网络密度图分割成降雨分割区；
S3、确定信号接收设备的位置和数量：以降雨分割区的中心为轴放置全向天线，以全向天线辐射范围为半径，选择合适的信号接收设备安装位置，以年均雨量为依据，确定接收设备的个数；
S4、选择最佳监测网络：确定多个方案，以总成本、全覆盖区域面积、降雨反演效果因素为评价标准，建立监测网络评价体系，根据监测网络评价体系计算得分，得分最高的为最佳监测网络。
进一步地，S1具体的为：
S1-1、获取地区地形图和通讯基站分布图，利用遥感影像提取地区内建筑物高度；
S1-2、获取各等级降雨年均雨量空间分布图，等级包括暴雨，大中雨，中雨。
进一步地，S2具体的为：
S2-1、结合通讯基站分布图，在等高线地形图上点选适合布设信号收发装置的高地，根据获取的建筑物高度选择适合布设信号收发装置的高层建筑，在该高层建筑上得到位置点；
S2-2、根据S2-1中获取的位置点，以及相邻两点间的沿线环境，连线适合信号传播的路径；
S2-3、根据各等级降雨年均雨量空间分布图将区域划分暴雨区、大中雨区、小雨区，作为网络密度的依据之一；
S2-4、根据全向天线的覆盖范围和安装环境将各雨区合理分割成降雨分割区。
进一步地，S3具体的为：
S3-1、根据S2-4划定分割的降雨分割区，确定各降雨区的中心，理想状态下，即恰为合适的安装地点，作为全向天线的放置位置；
S3-2、确定全向天线位置后，根据降雨区的年均雨量，确定各天线辐射链路条数，年均雨量越大，条数越多，以此确定信号接收装置布设点；
S3-3、根据确定的信号接收装置布设点获得多个网络布置方案。
进一步地，S4具体的为：
S4-1、通过S3确定的多个网络布置方案，计算各方案的总成本，网络覆盖面积；
S4-2、模拟各方案的降雨反演效果；
S4-3、以总成本、全覆盖区域面积、降雨反演效果因素为评价标准，建立评价体系，根据评价体系对多个网络布置方案进行评价，选择得分最高的方案为最佳监测网络。
进一步地，建立评价体系具体的为：
S5-1、计算各方案的总成本C万元；
S5-2、计算各方案的网络覆盖面积A km2；
总成本包括装置费用、人工费用、日均反演费用(即所有装置工作一天平均所需的费用)等；网络覆盖面积即各天线以轴辐间距为半径为圆的面积之和。
S5-3、模拟各方案的降雨反演效果E，以捕捉降雨能力和反演精度为评价标准；
Figure BDA0003779280080000031
式中，s为捕捉到的降雨次数，a为实际降雨次数，MSE为均方误差；
S5-4、对各方案基于总成本、全覆盖区域面积、降雨反演效果进行综合评价，所述降雨反演效果、覆盖面积、总成本依次权重分配为0.5、0.3、0.2，各方案的评价得分按照下式获得：
ASSi＝0.2Ci+0.3Ai+0.5Ei
式中：Ci代表该方案中的总成本，Ai代表该方案中的网络覆盖面积，Ei代表该方案中的降雨反演效果。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明利用全向天线发射超高频微波信号，全向天线和信号接收装置轴辐式分布，一发多收，降低设备成本；
(2)本发明利用利用综合评价得出全向天线和信号接收装置的最佳安装个数和位置，提高天线的利用效率；
(3)本发明建立了监测网络评价体系，根据该评价体系可快速得到最佳监测网络，达到低成本、高效率的目的；
(4)本发明可以根据一个地区的地理环境与降雨情况合理规划微波链路网络，在提高微波降雨监测网络的捕捉区域降雨分布能力的同时，能够以更低的设备布设成本实现区域监测网络的全覆盖。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明中建立评价体系的流程图。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1所示的全向天线轴辐式微波密集降雨监测网络部署方法，包括如下步骤：
S1、获取地区基本信息：所述基本信息包括地区地形图，通讯基站分布图，雨量空间分布图；
S2、构建雨区的降雨分割区：根据S1获得的信息，按照信号收发装置的位置、信号传播路径和各等级降雨年均雨量空间分布图三个维度构建雨区的网络密度图；根据全向天线的覆盖范围和安装环境将网络密度图分割成降雨分割区；
S3、确定信号接收设备的位置和数量：以降雨分割区的中心为轴放置全向天线，以全向天线辐射范围为半径，选择合适的信号接收设备安装位置，以年均雨量为依据，确定接收设备的个数；
S4、选择最佳监测网络：确定多个方案，以总成本、全覆盖区域面积、降雨反演效果因素为评价标准，建立监测网络评价体系，根据监测网络评价体系计算得分，得分最高的为最佳监测网络。
S1具体的为：
S1-1、获取地区地形图和通讯基站分布图，利用遥感影像提取地区内建筑物高度；
遥感影像提取地区内建筑物高度具体的为：
下载DEM数字高程数据；
将DEM数据拖入Global Mapper中加载，分析生成等高线。
利用高分辨遥感影像中城市建筑物的阴影推导出建筑物的三维信息，其原理如下：设建筑物高度H，太阳高度角α，卫星高度角β，建筑物阴影实际长度L，L＝L1+L2，其中L1为可见长度，即影像中的长度。
当太阳和卫星在同一侧时：
Figure BDA0003779280080000051
Figure BDA0003779280080000052
当太阳和卫星在异侧时：
L2＝0，L1＝L
H＝L1·tanβ
若太阳和卫星参数未知，令
Figure BDA0003779280080000053
k2＝tanβ，k1,k2为常数，则：H＝L1·ki(i＝1，2)。
S1-2、获取各等级降雨年均雨量空间分布图，等级包括暴雨，大中雨，中雨。
获取地区近数十年(根据当地条件而定，尽量充足)各等级降雨平均年雨量空间分布。
S2具体的为：
S2-1、结合通讯基站分布图，在等高线地形图上点选适合布设信号收发装置的高地，根据获取的建筑物高度选择适合布设信号收发装置的高层建筑，在该高层建筑上得到位置点；
具体的为：
在等高线地形图上标示出通讯基站；
根据当地天线网络规划中的指定高度：
在等高线地形图上标示出其他适合布设信号收发装置的高地；
在等高线地形图上标示出适合布设信号收发装置的高层建筑。
S2-2、根据S2-1中获取的位置点，以及相邻两点间的沿线环境，连线适合信号传播的路径；
具体的为：
以波源和接收点为焦点的旋转椭球面所包含的空间区域，称为菲涅尔区；沿垂直传播方向的平面截菲涅尔区域得到一个圆C，这个圆所在的菲涅尔区域称为第一菲涅尔区。为了尽量减少信号传播中的基础衰减，根据菲涅尔区域判断相邻两点间是否清晰可视，为保证系统正常通信，收发天线架设的高度要满足使它们之间的障碍物尽可能不超过其菲涅尔区的20％；“最小”菲涅尔区半径计算公式为：
Figure BDA0003779280080000061
式中R0为“最小”菲涅尔区半径，该半径是接收点能得到与自由空间传播相同的信号强度时所需要的最小菲涅尔椭球区的半径；λ为波长；d为波源和接收点间的距离；d1、d2分别是波源和接收点到圆C圆心的距离。
S2-3、根据各等级降雨年均雨量空间分布图将区域划分暴雨区、大中雨区、小雨区，作为网络密度的依据之一；
由于暴雨的大雨强、易致灾以及失事造成危害大等特征，是降雨监测的重要对象；中雨和大雨对年雨量贡献最大，对它们的监测也必不可少。分别大致勾勒出各等级降雨年均雨量空间分布图中的高雨量区，在根据各分布图间雨量交集处确定边界，最终整个区域被划分为暴雨区、大中雨区、小雨区。
S2-4、根据全向天线的覆盖范围和安装环境将各雨区合理分割成降雨分割区。
由于全向天线的覆盖范围有限，也许单个天线无法覆盖各分区的全部范围，需要再对各分区进行分割，每个分区分割形式以全向天线的覆盖范围和安装环境为参考，覆盖范围决定其分割数量，安装环境决定其分割位置。
S3具体的为：
S3-1、根据S2-4划定分割的降雨分割区，确定各降雨区的中心，理想状态下，即恰为合适的安装地点，作为全向天线的放置位置；
根据全向天线的特征，以及需要尽量确保同一天线的所有轴辐间距相等，应确定各降雨区的中心，作为全向天线的放置位置。
S3-2、确定全向天线位置后，根据降雨区的年均雨量，确定各天线辐射链路条数，年均雨量越大，条数越多，以此确定信号接收装置布设点；
S3-3、根据确定的信号接收装置布设点获得多个网络布置方案。
S4具体的为：
S4-1、通过S3确定的多个网络布置方案，计算各方案的总成本，网络覆盖面积；
S4-2、模拟各方案的降雨反演效果；
S4-3、以总成本、全覆盖区域面积、降雨反演效果因素为评价标准，建立评价体系，根据评价体系对多个网络布置方案进行评价，选择得分最高的方案为最佳监测网络。
如图2所示，建立评价体系具体的为：
S5-1、计算各方案的总成本C万元；
S5-2、计算各方案的网络覆盖面积A km2；
总成本包括装置费用、人工费用、日均反演费用(即所有装置工作一天平均所需的费用)等；网络覆盖面积即各天线以轴辐间距为半径为圆的面积之和。
S5-3、模拟各方案的降雨反演效果E，在实验场地以一定的比例布设全向天线，人工降水进行模拟，确定各方案的反演效果E，以捕捉降雨能力和反演精度为评价标准；
Figure BDA0003779280080000071
式中，s为捕捉到的降雨次数，a为实际降雨次数，MSE为均方误差。
S5-4、对各方案基于总成本、全覆盖区域面积、降雨反演效果进行综合评价，所述降雨反演效果、覆盖面积、总成本依次权重分配为0.5、0.3、0.2，各方案的评价得分按照下式获得：
ASSi＝0.2Ci+0.3Ai+0.5Ei
式中：Ci代表该方案中的总成本，Ai代表该方案中的网络覆盖面积，Ei代表该方案中的降雨反演效果。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (6)

1.全向天线轴辐式微波密集降雨监测网络部署方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、获取地区基本信息：所述基本信息包括地区地形图，通讯基站分布图，雨量空间分布图；
S2、构建雨区的降雨分割区：根据S1获得的信息，按照信号收发装置的位置、信号传播路径和各等级降雨年均雨量空间分布图三个维度构建雨区的网络密度图；根据全向天线的覆盖范围和安装环境将网络密度图分割成降雨分割区；
S3、确定信号接收设备的位置和数量：以降雨分割区的中心为轴放置全向天线，以全向天线辐射范围为半径，选择合适的信号接收设备安装位置，以年均雨量为依据，确定接收设备的个数；
S4、选择最佳监测网络：确定多个方案，以总成本、全覆盖区域面积、降雨反演效果因素为评价标准，建立评价体系，根据评价体系计算得分，得分最高的为最佳监测网络。
2.根据权利要求1所述的全向天线轴辐式微波密集降雨监测网络部署方法，其特征在于：所述S1具体的为：
S1-1、获取地区地形图和通讯基站分布图，利用遥感影像提取地区内建筑物高度；
S1-2、获取各等级降雨年均雨量空间分布图，等级包括暴雨，大中雨，中雨。
3.根据权利要求1所述的全向天线轴辐式微波密集降雨监测网络部署方法，其特征在于：所述S2具体的为：
S2-1、结合通讯基站分布图，在等高线地形图上点选适合布设信号收发装置的高地，根据获取的建筑物高度选择适合布设信号收发装置的高层建筑，在该高层建筑上得到位置点；
S2-2、根据S2-1中获取的位置点，以及相邻两点间的沿线环境，连线适合信号传播的路径；
S2-3、根据各等级降雨年均雨量空间分布图将区域划分暴雨区、大中雨区、小雨区，作为网络密度的依据之一；
S2-4、根据全向天线的覆盖范围和安装环境将各雨区合理分割成降雨分割区。
4.根据权利要求1所述的全向天线轴辐式微波密集降雨监测网络部署方法，其特征在于：所述S3具体的为：
S3-1、根据S2-4划定分割的降雨分割区，确定各降雨区的中心，理想状态下，即恰为合适的安装地点，作为全向天线的放置位置；
S3-2、确定全向天线位置后，根据降雨区的年均雨量，确定各天线辐射链路条数，年均雨量越大，条数越多，以此确定信号接收装置布设点；
S3-3、根据确定的信号接收装置布设点获得多个网络布置方案。
5.根据权利要求1所述的全向天线轴辐式微波密集降雨监测网络部署方法，其特征在于：所述S4具体的为：
S4-1、通过S3确定的多个网络布置方案，计算各方案的总成本，网络覆盖面积；
S4-2、模拟各方案的降雨反演效果；
S4-3、以总成本、全覆盖区域面积、降雨反演效果因素为评价标准，建立评价体系，根据评价体系对多个网络布置方案进行评价，选择得分最高的方案为最佳监测网络。
6.根据权利要求5所述的全向天线轴辐式微波密集降雨监测网络部署方法，其特征在于：建立评价体系具体的为：
S5-1、计算各方案的总成本C万元；
S5-2、计算各方案的网络覆盖面积A km2；
S5-3、模拟各方案的降雨反演效果E，以捕捉降雨能力和反演精度为评价标准；
Figure FDA0003779280070000021
式中，s为捕捉到的降雨次数，a为实际降雨次数，MSE为均方误差；
S5-4、对各方案基于总成本、全覆盖区域面积、降雨反演效果进行综合评价，所述降雨反演效果、覆盖面积、总成本依次权重分配为0.5、0.3、0.2，各方案的评价得分按照下式获得：
ASSi＝0.2Ci+0.3Ai+0.5Ei
式中：Ci代表该方案中的总成本，Ai代表该方案中的网络覆盖面积，Ei代表该方案中的降雨反演效果。
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