王長(zhǎng)悅 韓向兵 黃泳文(河南南陽(yáng)中波轉(zhuǎn)播臺(tái),河南南陽(yáng) 473000)

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廣播電視覆蓋地理信息系統(tǒng)中波場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算及分析

王長(zhǎng)悅 韓向兵 黃泳文
(河南南陽(yáng)中波轉(zhuǎn)播臺(tái),河南南陽(yáng) 473000)

【摘 要】地理信息系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,方便人們對(duì)于空間的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。影響中波廣播的播出效果的諸多因素中,最主要的因素是有效場(chǎng)強(qiáng)的覆蓋大小。通過(guò)將地理信息系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)引入廣播電視覆蓋的計(jì)算中,可以直觀的觀察到廣播覆蓋效果的好壞,從而在發(fā)射臺(tái)址的選擇、覆蓋效果的優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)效益的提升等方面提供良好的技術(shù)參考。本文闡述了地理信息系統(tǒng)在廣播電視覆蓋方面的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)中波傳播的方式和影響因素分析,探索在地理信息系統(tǒng)中中波場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算模型建立和公式的運(yùn)用,分析場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算中各因素的影響結(jié)果,提出簡(jiǎn)化的運(yùn)算模型,在簡(jiǎn)化的運(yùn)算模型下進(jìn)行平差,從而達(dá)到簡(jiǎn)化計(jì)算的目的。最后總結(jié)在場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算過(guò)程中誤差產(chǎn)生的原因,提出消除誤差的方法。

【關(guān)鍵詞】地理信息系統(tǒng) 中波 覆蓋 場(chǎng)強(qiáng) 地波 天波 計(jì)算

1 概述

GIS是地理信息系統(tǒng) Geographic Information System的英文縮寫(xiě)，是集計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理學(xué)、信息學(xué)、管理學(xué)于一體的新型科學(xué)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。它對(duì)空間的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處理，并將分析處理后的結(jié)果以電子地圖的形式展現(xiàn)出來(lái)，以便人們進(jìn)行管理和決策。

廣播電視覆蓋地理信息系統(tǒng)包含許多基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，主要有地理信息數(shù)據(jù)、臺(tái)站信息數(shù)據(jù)、綜合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。地理信息系統(tǒng)中包含空間坐標(biāo)、自然環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造、大地電導(dǎo)率等信息，臺(tái)站信息系統(tǒng)包括發(fā)射機(jī)功率、頻率、天線高度、相鄰臺(tái)站等信息，綜合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包含行政區(qū)劃、電磁環(huán)境、覆蓋統(tǒng)計(jì)、人口密度和結(jié)構(gòu)等信息。

2 GIS在廣播電視覆蓋中的應(yīng)用

廣播電視覆蓋管理的目的是以電磁波傳播的理論為基礎(chǔ)，保證播出質(zhì)量，減少功率損耗，提高覆蓋效率。地理信息系統(tǒng)通過(guò)將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)引入廣播電視覆蓋的計(jì)算中，通過(guò)調(diào)用空間要素對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析、統(tǒng)計(jì)、制作，建立直觀的圖形模型和分析圖表，供管理者進(jìn)行管理和決策。其中對(duì)于場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算和覆蓋區(qū)域的繪制是整個(gè)廣播電視覆蓋地理系信息的基礎(chǔ)。精確的場(chǎng)強(qiáng)和覆蓋區(qū)域的計(jì)算，可以進(jìn)行受眾人口的統(tǒng)計(jì)、臨近臺(tái)站的互擾、發(fā)射臺(tái)址的擬選、發(fā)射效果的評(píng)估和發(fā)射功率的優(yōu)選等各項(xiàng)功能的開(kāi)發(fā)。

3 中波傳播方式和影響因素

中波以地波和天波兩種方式傳播。沿地面?zhèn)鞑サ牡夭〞?huì)受到衰減，通常叫做地?fù)p耗。這種損耗主要來(lái)自兩個(gè)方面:一是傳播過(guò)程中由于電波的擴(kuò)散引起的自然衰減；二是由于地面存在電導(dǎo)率而導(dǎo)致的損耗，其大小與電波的頻率、傳播距離和地面性質(zhì)相關(guān)。電導(dǎo)率和介電系數(shù)是影響中波傳播的特定因素，我國(guó)也繪制了大地電導(dǎo)率數(shù)字地圖用于地理系信息的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。另外，中波電波在起伏較大的地面上傳播時(shí)又會(huì)產(chǎn)生散射，使能量轉(zhuǎn)移，而且波長(zhǎng)越短散射現(xiàn)象越嚴(yán)重，這是波的特性決定的?？看髿怆婋x層反射傳播的天波，白天受到電離層的D層強(qiáng)烈吸收基本上不能反射，夜間D層消失后經(jīng)E層反射到地面。天波場(chǎng)強(qiáng)是不穩(wěn)定的，同時(shí)傳播的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)地波傳播。

4 中波地波傳播的計(jì)算方法

地波傳播根據(jù)嚴(yán)格的繞射理論公式計(jì)算，依據(jù)特定的地導(dǎo)系數(shù)，在距離r(公里)處的場(chǎng)強(qiáng)可以這樣計(jì)算:

E(r)=E0(r)+P+G (分貝)

式中:E(r)—在距離r處的場(chǎng)強(qiáng)值(分貝)

P—發(fā)射機(jī)功率 (千瓦)

G—天線增益

E0(r)為相應(yīng)的不同土壤地導(dǎo)系數(shù)下的傳播曲線上查得的數(shù)據(jù)。天線增益對(duì)于不同高度的垂直天線，增益G可以通過(guò)圖形查出。

中波地波傳播的場(chǎng)強(qiáng)大小主要由地導(dǎo)系數(shù)、發(fā)射機(jī)功率、天線增益、天線距離決定。通過(guò)比較不同的傳播曲線發(fā)現(xiàn)，海洋的電導(dǎo)率最大，傳播曲線在有效接收范圍內(nèi)比較平直，傳播距離遠(yuǎn)，場(chǎng)強(qiáng)隨距離的衰減小，曲線的斜率??；電導(dǎo)率較大的陸地(濕地，平原等)，傳播曲線在有效接收范圍內(nèi)也比較直，但傳播距離比海洋近；場(chǎng)強(qiáng)隨距離的衰減稍小，曲線的斜率較?。浑妼?dǎo)率較小的陸地(沙漠，荒山等)，傳播曲線在有效接收范圍內(nèi)較直，傳播距離近，場(chǎng)強(qiáng)隨距離的衰減大，曲線的斜率大。整體來(lái)看，在各種單一地質(zhì)條件下，場(chǎng)強(qiáng)大小隨距離的增加呈接近線性的減小。

根據(jù)傳播曲線的特點(diǎn)，在計(jì)算中，傳播曲線在可用場(chǎng)強(qiáng)范圍之內(nèi)曲線比較平穩(wěn)，場(chǎng)強(qiáng)和距離的關(guān)系接近線性關(guān)系。如果沒(méi)有出現(xiàn)繞射損耗過(guò)大引起的場(chǎng)強(qiáng)大的衰減，場(chǎng)強(qiáng)和距離的關(guān)系曲線可以簡(jiǎn)化成直線進(jìn)行計(jì)算，能夠大大簡(jiǎn)化運(yùn)算，在海量的坐標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)算中節(jié)省時(shí)間。

通過(guò)地理數(shù)據(jù)、臺(tái)站數(shù)據(jù)和傳播運(yùn)算模型，可以在電子地圖上對(duì)場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行逐像素的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果記錄入場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)庫(kù)，在電子地圖上模擬出覆蓋結(jié)果圖，能夠直觀的觀察場(chǎng)強(qiáng)的分布情況。

5 地波傳播復(fù)合傳播路徑的計(jì)算方法

如果發(fā)射塔與某一待測(cè)點(diǎn)之間的地理情況比較復(fù)雜，是由幾段不同電導(dǎo)率的路徑組成，假定整個(gè)路徑由S1、S2、S3……等各段組成，每段長(zhǎng)度分別為d1、d2、d3……，其電導(dǎo)率和介電常數(shù)分別為σ1ε1、σ2ε2、σ3ε3……。

通過(guò)此公式可以看到，需要在傳播曲線上找到多組數(shù)據(jù)，傳播曲線是不規(guī)則的曲線，運(yùn)用信息系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算需要輸入大量的數(shù)據(jù)。因此需要對(duì)傳播曲線進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，假定場(chǎng)強(qiáng)和距離的關(guān)系是線性關(guān)系，運(yùn)算就簡(jiǎn)單多了，對(duì)每一條傳播曲線線性化，線性化后的曲線與X坐標(biāo)軸的斜率就是運(yùn)算模型的唯一參數(shù)，通過(guò)電子地圖自身的坐標(biāo)計(jì)算路徑長(zhǎng)度，放進(jìn)運(yùn)算模型中即可算出最終的場(chǎng)強(qiáng)值。

6 天波傳播的運(yùn)算

中波傳播撤了地波傳播外，還存在天波傳播。在白天由于大氣層D層的強(qiáng)烈吸收，中波難以依靠電離層進(jìn)行反射傳播。日落以后，C層消失，E層電離度下降，高度上升，中波的吸收急劇減少，電離層能夠?qū)χ胁ㄟM(jìn)行反射傳播，傳播到很遠(yuǎn)的地方。天波傳播的計(jì)算同地波傳播的方法相同。

天波傳播史反射傳播，與大地的導(dǎo)電率無(wú)關(guān)，通過(guò)天波傳播曲線可以計(jì)算出某地天波傳播的場(chǎng)強(qiáng)。天波傳播曲線在有效接收范圍內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)和距離也可看做線性關(guān)系，天線增益數(shù)值在距離600KM以外可以視作常量，在50-500KM區(qū)間也可看做隨距離呈線性變換，運(yùn)用簡(jiǎn)化的運(yùn)算模型可計(jì)算出天波傳播的場(chǎng)強(qiáng)。

7 誤差及修正

在計(jì)算各坐標(biāo)點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，需要調(diào)用各點(diǎn)的大地電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，在大地電導(dǎo)率電子地圖上，判斷該點(diǎn)在哪個(gè)電導(dǎo)率區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域的電導(dǎo)率即為該坐標(biāo)點(diǎn)的電導(dǎo)率值。數(shù)字地圖提供地理信息數(shù)據(jù)，大地電導(dǎo)率電子地圖提供電導(dǎo)率和介電常數(shù)，通過(guò)引入發(fā)射機(jī)及天線數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)定的運(yùn)算模型，可以對(duì)電子地圖各個(gè)像素點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算，生成的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)繪制成場(chǎng)強(qiáng)覆蓋效果圖。

通過(guò)簡(jiǎn)化的運(yùn)算模型具有運(yùn)算簡(jiǎn)便，靈活，不易出錯(cuò)的優(yōu)點(diǎn)，其運(yùn)算的結(jié)果和實(shí)測(cè)的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值會(huì)存在一定的誤差。

首先，引入的大地電導(dǎo)率數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)曲線存在一定的誤差，信息系統(tǒng)在運(yùn)算時(shí)，將不同大地電導(dǎo)率和介電常數(shù)下的場(chǎng)強(qiáng)曲線進(jìn)行了線性化處理，簡(jiǎn)化運(yùn)算過(guò)程，模擬出不同頻率下的場(chǎng)強(qiáng)衰減因數(shù)，此衰減因數(shù)會(huì)產(chǎn)生誤差。兩者相疊加，通過(guò)信息系統(tǒng)計(jì)算出的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值和實(shí)測(cè)數(shù)值的差值需要進(jìn)行平差處理。

其次，地理信息系統(tǒng)中對(duì)于特殊的地形地貌區(qū)域，大型設(shè)施，水庫(kù)，湖泊對(duì)場(chǎng)強(qiáng)和覆蓋區(qū)域的影響因素需要考慮。相對(duì)高度接近和大于中波波長(zhǎng)的高山對(duì)中波傳播的散射影響很大，在起伏不定的地形區(qū)域內(nèi)，中波地波傳播場(chǎng)強(qiáng)會(huì)有很大的衰減；變電站附近的存在復(fù)雜強(qiáng)大電磁輻射場(chǎng)，對(duì)中波的傳播形成干擾，直接影響周圍中波覆蓋的效果；在土壤濕度相對(duì)較大的水庫(kù)、湖泊、濕地環(huán)境下，中波傳播的損耗小，效果好于其他區(qū)域，傳播覆蓋區(qū)域更大。

通過(guò)對(duì)普遍存在的運(yùn)算誤差和特殊地理環(huán)境產(chǎn)生的誤差的糾正，處理后的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)與真實(shí)數(shù)據(jù)基本吻合。

8 結(jié)語(yǔ)

地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)于廣播電視覆蓋工程建設(shè)起到了極大的推動(dòng)作用，場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算和覆蓋區(qū)域的繪制是基礎(chǔ)，大量的信息采集和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)都服務(wù)于此，同時(shí)很多信息也是建立也是在此基礎(chǔ)之上。做好場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算和覆蓋區(qū)域繪制需要建立一個(gè)科學(xué)的、合理的統(tǒng)計(jì)和運(yùn)算模式，尋找一個(gè)好的計(jì)算方法和模型往往能起到事半功倍的效果，希望本文能起到拋磚引玉的效果。

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