張光域，范榮雙，張恒璟

一種與GIS結(jié)合的短波應(yīng)急臺(tái)站可用性預(yù)測(cè)方法

張光域1,2，范榮雙2，張恒璟1

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000；2. 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100036）

針對(duì)某地區(qū)緊急情況出現(xiàn)時(shí)，無(wú)法確定當(dāng)前周?chē)鷳?yīng)急短波廣播臺(tái)站可用性問(wèn)題，提出一種以地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)的短波二維可視化應(yīng)急預(yù)警模塊，并與短波可靠性預(yù)測(cè)計(jì)算模型組合應(yīng)用。以廣電總局監(jiān)管中心提供的測(cè)試數(shù)據(jù)作為對(duì)象，利用短波鏈路可靠性（BCR）鏈路預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)出目標(biāo)應(yīng)急點(diǎn)范圍的所有臺(tái)站的BCR及信噪比（S/N）值，在地圖上可視化顯示，并對(duì)所有時(shí)段中所有臺(tái)站的BCR及S/N值分類(lèi)整合、分別形成折線(xiàn)圖；對(duì)目標(biāo)時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)分別設(shè)定閾值通道，并對(duì)可用臺(tái)站的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行分析。最終根據(jù)極差極值確定當(dāng)前時(shí)段的滿(mǎn)足信噪比及可靠性的最低要求的可用臺(tái)站信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能成功地對(duì)應(yīng)急地區(qū)的短波廣播信號(hào)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，獲得特定時(shí)間、特定地點(diǎn)的可接收到的臺(tái)站信息，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域短波廣播的可靠性檢驗(yàn)及應(yīng)急需求。

地理信息系統(tǒng)；應(yīng)急廣播；可靠性預(yù)測(cè)；短波廣播；信噪比

0 引言

廣播是一種傳播迅速、覆蓋范圍廣的通訊手段，在新中國(guó)的發(fā)展歷程已有80余年，最早可追溯到1940年在延安建立的新華廣播電臺(tái)[1]80。到21世紀(jì)初，我國(guó)絕大部分區(qū)域都可以接收到廣播信號(hào)。隨著科技的進(jìn)步，如今網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為主流娛樂(lè)和傳媒手段，已代替廣播的位置，但是在應(yīng)急預(yù)警領(lǐng)域，廣播一直起到了至關(guān)重要的作用。以2013年雅安地震為例：地震發(fā)生時(shí)，電視、網(wǎng)絡(luò)已大多無(wú)法使用，而廣播仍然可以正常運(yùn)作，隨即中央發(fā)出特定頻率的定向應(yīng)急廣播，災(zāi)區(qū)群眾通過(guò)收聽(tīng)這些廣播進(jìn)行搶險(xiǎn)救援[2]103。因而，我國(guó)對(duì)國(guó)家應(yīng)急廣播體系的建立一直保持高度關(guān)注，2018年，國(guó)家應(yīng)急廣播中心主任高南軍在中國(guó)國(guó)際廣播電視信息網(wǎng)絡(luò)（China Content Broadcasting Network, CNBN）公共服務(wù)論壇上提出，到2020年，我國(guó)將建成災(zāi)情應(yīng)急廣播體系，這種廣播體系分為中央、省、市、縣四級(jí)，且具有信息共享迅速，責(zé)任分工明確，對(duì)災(zāi)情救援快速到達(dá)，應(yīng)急信息傳遞安全的特點(diǎn)[3]13。

在世界上，美國(guó)、日本等國(guó)在應(yīng)急廣播方面一直處于領(lǐng)先地位，他們把廣播當(dāng)作國(guó)家應(yīng)急體系中最重要的信息窗口，并以此為基礎(chǔ)，搭建了覆蓋全國(guó)的應(yīng)急廣播系統(tǒng)。從1963年開(kāi)始，美國(guó)便著手將境內(nèi)的廣播電臺(tái)、有線(xiàn)電視及衛(wèi)星廣播連接起來(lái)，形成了一套巨大的應(yīng)急信息傳輸廣播系統(tǒng)。日本因?yàn)槠洫?dú)特的地理位置，為應(yīng)對(duì)頻發(fā)的地震等災(zāi)害，從1985年起就建成了災(zāi)害應(yīng)急警報(bào)系統(tǒng)（emergency alert system, EAS)[4]61。我國(guó)也是一個(gè)自然災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，搭建我國(guó)自己的應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義與深遠(yuǎn)的歷史意義。

在地理信息系統(tǒng)（geographic information system, GIS）應(yīng)急預(yù)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)建成以前，我國(guó)的地面廣播電視覆蓋規(guī)劃處于模擬階段，這一階段被稱(chēng)為“粗放式”規(guī)劃[5]130，盡管場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)可以采用國(guó)際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union, ITU）頒布的ITU-RP.370建議書(shū)中規(guī)定的方法，但地形的影響則要通過(guò)實(shí)地考察，并用經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的方法加以評(píng)估，導(dǎo)致場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性不足，從而使頻率指配、干擾分析、覆蓋區(qū)計(jì)算等覆蓋規(guī)劃建設(shè)的重要內(nèi)容，缺乏應(yīng)有的科學(xué)性，由此可見(jiàn)，我國(guó)應(yīng)用到應(yīng)急廣播分析上的方法并不成熟。相對(duì)于我國(guó)“粗放式”的規(guī)劃方法，美國(guó)數(shù)字電視覆蓋規(guī)劃、頻率指配等則使用地理間隔法[6]36，美國(guó)使用的地理間隔法雖較我國(guó)原有的“粗放式”規(guī)劃更優(yōu)秀，但在計(jì)算時(shí)存在冗余步驟，效率低、使用復(fù)雜，應(yīng)急應(yīng)用時(shí)還需要做大量的其他工作。本文所建的GIS應(yīng)急預(yù)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，則包含了多種波長(zhǎng)模塊的應(yīng)用窗口，可以提供二維、三維一體化的信息系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)范圍覆蓋預(yù)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)分析預(yù)測(cè)等功能，該應(yīng)急預(yù)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)采用更為專(zhuān)業(yè)的模型方法，因此具有較高的準(zhǔn)確性，也便于提高應(yīng)急使用效率。

GIS應(yīng)急預(yù)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)具有多波段廣播類(lèi)型，應(yīng)急廣播頻率為3~30 MHz的短波[7]55。該短波頻率具有信號(hào)覆蓋面積廣，接收設(shè)備普及率高的特點(diǎn)，相比較其他通訊手段，該短波頻率可以在傳達(dá)應(yīng)急指令中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。雖然當(dāng)今科技發(fā)達(dá)，但如遇臺(tái)風(fēng)、洪水、地震等自然災(zāi)害時(shí)，可能導(dǎo)致受災(zāi)地區(qū)斷水?dāng)嚯?，電視及電?huà)傳輸線(xiàn)路損壞，這些高科技通訊設(shè)備此時(shí)常常無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在這種特殊時(shí)期，短波廣播依然可以持續(xù)工作，因此，短波廣播是應(yīng)急工作的最佳選擇。

本文的GIS應(yīng)急預(yù)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)兼顧了GIS數(shù)據(jù)庫(kù)及短波廣播計(jì)算模型的綜合功能[8]157,即以GIS數(shù)據(jù)庫(kù)、二維數(shù)字地圖為基礎(chǔ)，建立應(yīng)急預(yù)警平臺(tái)系統(tǒng)。按照國(guó)際電信聯(lián)盟廣播第533號(hào)建議書(shū)（ITU-R P.533-12）中信噪比（signal-to-noise ratio,SNR或S/N）、國(guó)際電信聯(lián)盟廣播第842號(hào)建議書(shū)（ITU-RP.842-4）中短波鏈路可靠性（basic circuit reliability, BCR）預(yù)測(cè)模型，來(lái)進(jìn)行可用性預(yù)測(cè)，根據(jù)應(yīng)急需求設(shè)定閾值通道，由此篩選出最優(yōu)應(yīng)急臺(tái)站及其相關(guān)信息。

1 GIS地圖與應(yīng)急預(yù)測(cè)系統(tǒng)

GIS技術(shù)可以在廣播可用性預(yù)測(cè)過(guò)程中提供位置信息，同時(shí)也可以為使用者提供更加直觀的視覺(jué)體驗(yàn)。同時(shí)，GIS技術(shù)可以對(duì)電波傳播有重要影響的地理信息進(jìn)行數(shù)字化，這些地理信息包括地形高度及地表覆蓋等。這些地理信息可以為應(yīng)急廣播的高效化播出提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[9]。文獻(xiàn)[10]指出，在未來(lái)應(yīng)急廣播技術(shù)發(fā)展中，GIS及各類(lèi)綜合預(yù)警指揮系統(tǒng)，將會(huì)極大地提升應(yīng)急廣播的穩(wěn)定性及適應(yīng)性。

廣播數(shù)據(jù)使用時(shí)一直存在一些問(wèn)題，GIS與應(yīng)急廣播相結(jié)合，將使其得到解決。應(yīng)急廣播的接收機(jī)大多設(shè)置在非開(kāi)闊平緩的區(qū)域，其分布也不均勻，并且電波的傳播路徑多種多樣，因而環(huán)境對(duì)電波傳播產(chǎn)生的干擾也是多種多樣的[11]74,[12]106。而應(yīng)急廣播站已存在多年，導(dǎo)致臺(tái)站相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源十分復(fù)雜，這種復(fù)雜來(lái)源的數(shù)據(jù)使得數(shù)據(jù)形式、精度等方面差異明顯。故無(wú)法簡(jiǎn)單地利用計(jì)算機(jī)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解算研究，廣播計(jì)算模型也無(wú)法直接批量處理這些數(shù)據(jù)[13]5,[14]193。GIS為解決上述問(wèn)題，首先使臺(tái)站管理數(shù)據(jù)模型對(duì)發(fā)射機(jī)、臺(tái)站、天饋系統(tǒng)等對(duì)象進(jìn)行管理；然后對(duì)這些對(duì)象的層次關(guān)系進(jìn)行梳理分類(lèi)；最后利用分類(lèi)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行批計(jì)算等。例如，可以將經(jīng)緯度、海拔高度、臺(tái)名、臺(tái)址等信息歸類(lèi)到臺(tái)站信息之下[15]119。GIS以這種面向?qū)ο蟮呐_(tái)站數(shù)據(jù)模型去管理臺(tái)站、發(fā)射機(jī)、天饋系統(tǒng)等對(duì)象，可以有效地提升數(shù)據(jù)維護(hù)的一致性，當(dāng)提取數(shù)據(jù)時(shí)，操作可以做到簡(jiǎn)單化，可以明顯提高工作效率。

由于GIS能夠高效率使用及合理管理廣播數(shù)據(jù)，因此平臺(tái)可以提供多層次多維度的計(jì)算分析結(jié)果，利用空間數(shù)據(jù)及非空間數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)包括臺(tái)站選址、場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算、干擾分析、地形分析及人口覆蓋分析等功能[16]99。系統(tǒng)建立GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)信息進(jìn)行分類(lèi)，以方便在地圖獲取數(shù)據(jù)后，通過(guò)后端返回并從數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)取相關(guān)功能所需的數(shù)據(jù)。應(yīng)用這些數(shù)據(jù)信息,本論文開(kāi)發(fā)了應(yīng)急功能平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中國(guó)全疆域任意地點(diǎn)短波廣播信號(hào)的應(yīng)急預(yù)測(cè)，保證在任意時(shí)刻、任意地點(diǎn)發(fā)生緊急情況時(shí)，事發(fā)地周邊可用的臺(tái)站，皆可接收中央統(tǒng)一調(diào)度的短波廣播信號(hào)。同時(shí)，為了提升計(jì)算的準(zhǔn)確性，本平臺(tái)導(dǎo)入了國(guó)家廣播電視總局提供的大比例尺地圖、GIS遙感數(shù)據(jù)等其他數(shù)據(jù)源[17]88。這種大比例尺地圖雖然具有清晰度高的優(yōu)勢(shì)，卻也存在圖像體積大，加載時(shí)間消耗過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，為了解決這個(gè)問(wèn)題，GIS電子地圖采用特有的柵格化地圖模型，即將大塊電子地圖進(jìn)行分塊處理，這樣處理的好處是：一方面在計(jì)算時(shí)，可以大幅度提高計(jì)算速度，減少計(jì)算機(jī)內(nèi)存消耗；另一方面也可以縮短真實(shí)地形圖的載入時(shí)間，保證展示的流暢度[18]57。

平臺(tái)不僅僅對(duì)廣播數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)可以對(duì)被分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。本平臺(tái)充分利用GIS平臺(tái)的地理信息輔助展示及分析功能，研發(fā)了基于GIS空間特性的事件展示模塊，充分考慮了在多種復(fù)雜的情況下發(fā)生自然災(zāi)害、外部侵?jǐn)_、技術(shù)故障等事件后，除了能在地圖中直觀展示事件發(fā)生的地點(diǎn)，還能通過(guò)利用GIS的空間特性進(jìn)一步展示事件相關(guān)內(nèi)容，例如包括地址、聯(lián)系人、電話(huà)等相關(guān)信息在內(nèi)的事發(fā)單位信息，實(shí)現(xiàn)屬性信息和地理信息的交互，便于對(duì)事件進(jìn)行分析和應(yīng)對(duì)，這使得應(yīng)急處理可以更加全面、更加完善。

2 短波應(yīng)急預(yù)測(cè)方法

2.1 與GIS結(jié)合的應(yīng)急預(yù)測(cè)方法

利用GIS地圖服務(wù)提供的位置信息及視覺(jué)展示功能，可以為操作提供直觀的使用界面，使使用者對(duì)臺(tái)站位置信息和應(yīng)急地區(qū)的地形狀態(tài)一目了然，也為應(yīng)急指揮的判斷提供了便利。

在數(shù)據(jù)處理方面，主要是分為數(shù)據(jù)處理及源數(shù)據(jù)獲取。利用短波電路性能預(yù)測(cè)模型及信噪比預(yù)測(cè)模型對(duì)源數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：首先計(jì)算每個(gè)模的場(chǎng)強(qiáng)值及頻率值，通過(guò)每個(gè)模的頻率值計(jì)算總信號(hào)頻率值；然后計(jì)算信噪比中值、信噪比上十分位差及下十分位差；最后利用規(guī)定信噪比值與上述計(jì)算值，計(jì)算得出鏈路可靠性值。將計(jì)算出的信噪比及鏈路可靠性值，以分時(shí)段折線(xiàn)圖的形式繪出圖形，供使用者直接查看，這樣使用者就可以直接觀察臺(tái)站信號(hào)的優(yōu)劣。結(jié)合GIS地圖數(shù)據(jù)及臺(tái)站數(shù)據(jù)計(jì)算所需參考值，對(duì)參考值設(shè)定閾值，通過(guò)通道分析的方法確定其極值與極差，判斷其對(duì)應(yīng)臺(tái)站信號(hào)的穩(wěn)定性及強(qiáng)度，評(píng)估其可用性是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。源數(shù)據(jù)分為三大類(lèi)：即地圖數(shù)據(jù)、天線(xiàn)數(shù)據(jù)及臺(tái)站數(shù)據(jù)。地圖數(shù)據(jù)是指地圖上的圖像及位置等，利用基于阿爾克GIS服務(wù)器（ArcGIS Server）的緩存機(jī)制，提前建立地圖瓦片，以提升二維GIS網(wǎng)絡(luò)中的影像及矢量數(shù)據(jù)的顯示速度。這種機(jī)制存儲(chǔ)的地圖數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以作為廣播應(yīng)急可視化功能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。天線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)及臺(tái)站數(shù)據(jù)庫(kù)屬于專(zhuān)題數(shù)據(jù)庫(kù)，主要包括發(fā)射臺(tái)站、監(jiān)測(cè)臺(tái)站、地球站、管理單位、播出單位等相關(guān)屬性數(shù)據(jù)。主要來(lái)源分為前期采集的調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、已有臺(tái)站模型等數(shù)據(jù)。計(jì)算模塊主要分為前端與后端兩部分：前端為頁(yè)面、參數(shù)整合及參數(shù)調(diào)取；后端為模型計(jì)算部分，利用數(shù)據(jù)庫(kù)獲取的計(jì)算參數(shù)及對(duì)應(yīng)功能的模型，對(duì)源數(shù)據(jù)進(jìn)行批處理后，以數(shù)據(jù)或圖像的形式呈現(xiàn)至前端。

數(shù)據(jù)處理方法，不以場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度是否達(dá)到可用性指標(biāo)作為依據(jù)，而是首先采用信噪比值，分析臺(tái)站噪聲是否干擾了臺(tái)站正常信號(hào)的傳播；然后采用鏈路可靠性，判斷信號(hào)本身的穩(wěn)定性及可用性。與將場(chǎng)強(qiáng)作為唯一依據(jù)相比，這種方法在考慮了臺(tái)站自身噪聲的同時(shí)，又將與多臺(tái)站的優(yōu)劣對(duì)比作為參考，這樣可以多維度地保證應(yīng)急臺(tái)站處于正常可用的狀態(tài)。

應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)工作模塊的整體框架如圖1所示，其中虛線(xiàn)框內(nèi)的為后臺(tái)計(jì)算模塊。

圖1 預(yù)測(cè)功能流程框架

2.2 應(yīng)急預(yù)測(cè)方法所用模型

短波廣播的可用性與中波及調(diào)頻電視數(shù)字電視的可用性預(yù)測(cè)方法不同，并不只依賴(lài)于場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值的預(yù)測(cè)，而是需要利用BCR及信噪比進(jìn)行信號(hào)可用性預(yù)測(cè)。ITU-R P.533-12號(hào)建議書(shū)為短波電路性能預(yù)測(cè)模型，ITU-RP.842-4建議書(shū)為高頻（high frequency, HF）無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)可靠性和兼容性計(jì)算模型。后續(xù)章節(jié)將描述其計(jì)算模型。

2.2.1 短波信噪比（S/N）

廣播信號(hào)輸出過(guò)程中，必然會(huì)在輸出可用信號(hào)的同時(shí)輸出噪聲，噪聲是除有意義信號(hào)之外的所有無(wú)規(guī)則信號(hào)，而且這些無(wú)規(guī)則信號(hào)有極高的穩(wěn)定性。

2.2.1.1 信噪比中值

可以將信噪比作為判斷輸出信號(hào)質(zhì)量的指標(biāo)，信噪比是指輸出廣播信號(hào)的有效功率與輸出噪聲的有效功率之間的比值，信噪比值越高，表明廣播信號(hào)的質(zhì)量越優(yōu)。

在短波帶寬內(nèi)，可得信噪比的中值S/N為

式中：S/N是廣播信號(hào)信噪比，單位為dB；P為可用接收機(jī)功率中值,單位為W；F為規(guī)定頻率處合成的外部噪聲因子；為帶寬，單位為Hz。

2.2.1.2 其他時(shí)間的信噪比

在90%的時(shí)間內(nèi)，超過(guò)信噪比中值的計(jì)算公式為

式中：S/N50為信噪比的中值；S/N90為該信號(hào)90%時(shí)間內(nèi)，超過(guò)S/N50的信噪比值；S為每時(shí)場(chǎng)強(qiáng)中值、可用信號(hào)的十分位偏差下限，單位為dB；S每日份場(chǎng)強(qiáng)中值、可用信號(hào)的十分位偏差下限，單位為dB；N是每月份場(chǎng)強(qiáng)中值、信號(hào)噪聲的十分位偏差下限，單位為dB。對(duì)于其他時(shí)間百分比，可由ITU-R P.1057建議書(shū)給出的關(guān)于某種對(duì)數(shù)正態(tài)分布的資料獲取。

2.2.2 基本電路可靠性（BCR）

短波廣播的BCR是由ITU-R P.842建議書(shū)規(guī)定的，可靠性就是滿(mǎn)足規(guī)定的性能準(zhǔn)則（即規(guī)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%，說(shuō)明廣播信號(hào)越優(yōu)秀。通過(guò)頻率、信噪比值、預(yù)設(shè)信噪比計(jì)算出BCR。

基本電磁波鏈路（簡(jiǎn)稱(chēng)電路）可靠性的計(jì)算步驟包括：1）求可用接收機(jī)有用信號(hào)功率的中間值（第1步）；2）求信噪比中間值（第2步和第3步）；3）計(jì)算信噪比的上十分位差（第4—6步）；4）計(jì)算信噪比的下十分位差（第7—9步）；5）根據(jù)需求定義信噪比（第10步）；6）估算BCR。

步驟1：求可用接收機(jī)有用信號(hào)功率的中間值P，其方法為ITU-R P.533建議書(shū)第6段預(yù)測(cè)P的方法。對(duì)長(zhǎng)度在7000 km內(nèi)的距離，無(wú)損耗接收天線(xiàn)的相應(yīng)可用信號(hào)功率P的公式為

式中：E為場(chǎng)強(qiáng)，用ITU-R P.533第5.2節(jié)的方法計(jì)算；為滿(mǎn)足此需求，專(zhuān)門(mén)在界面右上角設(shè)計(jì)了應(yīng)急功能方便操作功能；為頻率,單位為MHz，的計(jì)算方法為

式中：P及P的單位為dB·W；為模的個(gè)數(shù)。

步驟2：從ITU-R P.372建議書(shū)中分別獲取大氣噪聲的噪聲系數(shù)中間值FaA，人為噪聲的噪聲系數(shù)中間值FaM，銀河噪聲的噪聲系數(shù)中間值FaG。

步驟3：求帶寬產(chǎn)生的信噪比中間值S/N為

式中：FaA、FaM及FaG的單位為dB。

步驟4：針對(duì)不同功率及地磁緯度，由根據(jù)表1、表2，獲取每日信號(hào)上十分位差DuSd；每時(shí)信號(hào)的下時(shí)十分位差DuSh，模型設(shè)定為5，單位為dB。

表1 地磁緯度小于60°的可用接收機(jī)功率月中間值的上下十分位差

表2 地磁緯度大于等于60°的可用接收機(jī)功率月中間值的上下十分位（UD）差

步驟5：根據(jù)ITU-R P.372建議書(shū)相關(guān)部分，計(jì)算大氣噪聲下十分位差DlA和人為噪聲下時(shí)分位差DlM，銀河噪聲下時(shí)分位差DlG設(shè)定為2 dB。

步驟6：計(jì)算產(chǎn)生的信噪比（dB）的上十分位差DuSN為

式中：DuSd代表信號(hào)上時(shí)分位差，單位為dB；DuSh為信號(hào)下時(shí)分位差，單位為dB。

步驟7：針對(duì)不同功率及地磁緯度，由表1、表2，獲取每日信號(hào)下十分位差DlSd；每時(shí)信號(hào)的下十分位差DlSh，模型設(shè)定為8，單位為dB。

步驟8：通過(guò)ITU-R P.372建議書(shū)，獲取大氣噪聲的上十分位差DUA及人為噪聲的上十分位差DuM，銀河噪聲的上十分位差DuG設(shè)定為2dB。

步驟9：計(jì)算產(chǎn)生的信噪比的下十分位差DlSN為

式中：DlSd為每日信號(hào)下十分位差，單位為dB；DlSh為每時(shí)信號(hào)下十分位差，單位為dB。

步驟10：用戶(hù)自定義一個(gè)要求的信噪比S/Nr。

步驟11：計(jì)算BCR值。當(dāng)（S/N）>（S/Nr）時(shí)，BCR為

結(jié)果為計(jì)算值或100，取二者中的最小值。

當(dāng)（S/N）<（S/Nr）時(shí)，BCR為

結(jié)果為計(jì)算值或0，取二者中的最大值。

3 短波應(yīng)急預(yù)測(cè)應(yīng)用

短波廣播應(yīng)急預(yù)警功能是指在某地區(qū)某時(shí)間出現(xiàn)緊急情況，即使附近臺(tái)站出現(xiàn)了故障無(wú)法使用時(shí)，可以第一時(shí)間獲取可用的應(yīng)急臺(tái)站信息，以解決無(wú)臺(tái)站可用問(wèn)題。開(kāi)始時(shí)的系統(tǒng)界面概況如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)界面概況

打開(kāi)應(yīng)急預(yù)警相關(guān)功能頁(yè)面后，首先設(shè)置時(shí)間及模型參數(shù)，并從提供的臺(tái)站中，選取希望參與應(yīng)急分析的臺(tái)站，每一次點(diǎn)選不同臺(tái)站后，可以實(shí)時(shí)顯示臺(tái)站的部分參數(shù)，每個(gè)臺(tái)站只可以選擇一次，臺(tái)站選擇界面如圖3所示，圖4為模型參數(shù)顯示界面。

圖3 預(yù)測(cè)分析界面與測(cè)試臺(tái)站顯示

圖4 模型參數(shù)設(shè)置

接著，從地圖底圖數(shù)據(jù)點(diǎn)上選目標(biāo)點(diǎn)，系統(tǒng)允許用戶(hù)在地圖上點(diǎn)選或者利用坐標(biāo)自定義輸入應(yīng)急點(diǎn)，應(yīng)急點(diǎn)選取界面如圖5所示。

圖5 應(yīng)急點(diǎn)選取

此操作自動(dòng)獲取目標(biāo)點(diǎn)的二維坐標(biāo)信息，坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳到前端接口，然后傳送至后端路由，依據(jù)坐標(biāo)信息及臺(tái)站選擇信息，查找對(duì)應(yīng)功能的臺(tái)站地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，從臺(tái)站數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)取所有相關(guān)臺(tái)站數(shù)據(jù)、目標(biāo)點(diǎn)與臺(tái)站之間的距離等相關(guān)數(shù)據(jù)。

最后點(diǎn)擊確定按鈕開(kāi)始計(jì)算，將前兩步獲取的數(shù)據(jù)，輸入前端編寫(xiě)的預(yù)測(cè)模型程序后，依照模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)，每一個(gè)臺(tái)站分別由后端天線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)取用于BCR計(jì)算的天線(xiàn)參數(shù)，進(jìn)行分時(shí)段計(jì)算，獲得每一臺(tái)站預(yù)測(cè)出的當(dāng)日24時(shí)的S/N及BCR的值，并以折線(xiàn)圖的方式將結(jié)果顯示出來(lái)。將所有計(jì)算臺(tái)站的折線(xiàn)圖輸出到一張圖表上，在設(shè)定閾值后，篩選出所需時(shí)間段符合BCR及S/N的臺(tái)站信息。計(jì)算完成后，在顯示器的地圖上顯示應(yīng)急點(diǎn)與臺(tái)站間的鏈路狀態(tài)，示意圖如圖6所示。

圖6 應(yīng)急點(diǎn)選取與周邊臺(tái)站示意

地圖界面右側(cè)呈現(xiàn)經(jīng)過(guò)匯總整理的SNR及BCR直線(xiàn)圖，如圖7，圖8所示。

圖7 應(yīng)急SNR結(jié)果折線(xiàn)

圖8 應(yīng)急BCR結(jié)果折線(xiàn)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行信號(hào)可靠性及穩(wěn)定性分析，獲得最優(yōu)臺(tái)站次序，所得結(jié)果臺(tái)站即為應(yīng)急區(qū)域突發(fā)緊急情況的時(shí)間段可接受到的最優(yōu)臺(tái)站。測(cè)試選取應(yīng)急地點(diǎn)（北京），應(yīng)急時(shí)間為5月11日6時(shí)至12時(shí)，臺(tái)站為722臺(tái)、684臺(tái)、515臺(tái)、694臺(tái)，設(shè)定BCR的閾值為40.000%，SNR閾值為40.000 dB，其結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3中數(shù)據(jù)及閾值要求, 在BCR值中，684臺(tái)6時(shí)的BCR值小于40，不滿(mǎn)足需求，需要淘汰；694臺(tái)12時(shí)的BCR值也小于40，不滿(mǎn)足需求，需要淘汰；722臺(tái)及515臺(tái)的所有BCR值，均滿(mǎn)足需求。在SNR值中，515臺(tái)6時(shí)的數(shù)據(jù)小于40，不滿(mǎn)足閾值要求，需要淘汰；722臺(tái)符合了所有要求，為使結(jié)果更嚴(yán)謹(jǐn)進(jìn)一步分析表中數(shù)據(jù)計(jì)算極差、極值，結(jié)果如表4所示。

表3 BCR及SNR實(shí)驗(yàn)值

表4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表4的值分析得知，4臺(tái)站的BCR平均值及SNR平均值都是722臺(tái)最高，意味著722臺(tái)信號(hào)平均強(qiáng)度最高且符合閾值要求，不過(guò)值得一提的是，515臺(tái)的BCR及SNR極差是所有4個(gè)臺(tái)站最低的，且根據(jù)折線(xiàn)圖得知，臺(tái)站的信號(hào)強(qiáng)度走勢(shì)大致相同，這說(shuō)明515臺(tái)站的信號(hào)強(qiáng)度變化幅度最小，穩(wěn)定性極佳，但因?yàn)槠?時(shí)的SNR值不滿(mǎn)足閾值，因此，除6時(shí)外都可以使用。722臺(tái)站是滿(mǎn)足規(guī)定時(shí)間內(nèi)應(yīng)急條件需求的臺(tái)站，但建議與515臺(tái)站共同使用，因?yàn)槌?時(shí)以外，515臺(tái)站也滿(mǎn)足需求且其信號(hào)穩(wěn)定性更佳。

本文計(jì)算方法有一定局限性也存在一些問(wèn)題。首先，BCR及S/N 兩種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都由場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)計(jì)算得來(lái)，這導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)本身準(zhǔn)確性受場(chǎng)強(qiáng)準(zhǔn)確性的直接影響，因此需要控制場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算準(zhǔn)確性。其次，本文使用數(shù)據(jù)為經(jīng)過(guò)加密偏移的測(cè)試數(shù)據(jù)，避免了涉密問(wèn)題，但加密偏移數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)有偏差，不能反應(yīng)真實(shí)的臺(tái)站狀態(tài)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)有一定干擾效果。最后，本文計(jì)算的是國(guó)內(nèi)的臺(tái)站與應(yīng)急地區(qū)的鏈路可靠性，而國(guó)內(nèi)最遠(yuǎn)兩地距離為5 414 km，因此不存在大于7 000 km的情況，但若為世界范圍內(nèi)進(jìn)行可靠性計(jì)算，本方法模型并不完全適用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于短波覆蓋范圍廣，但隨時(shí)間變化信號(hào)線(xiàn)強(qiáng)度變化幅度大的特點(diǎn)，建立了以GIS地圖數(shù)據(jù)及臺(tái)站相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)的應(yīng)急預(yù)警模塊，在GIS預(yù)警平臺(tái)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了以S/N及BCR的計(jì)算結(jié)果為依據(jù)的分時(shí)段廣播應(yīng)急臺(tái)站可用性的預(yù)測(cè)功能，能夠在對(duì)給定閾值分析的結(jié)果后，選出符合需求的臺(tái)站，通過(guò)計(jì)算進(jìn)一步確定可用臺(tái)站或某些臺(tái)站的可用時(shí)間段。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在事故區(qū)域出現(xiàn)緊急事件需要應(yīng)急指令、卻基本斷絕與外界的主動(dòng)溝通能力時(shí)，能第一時(shí)間選擇事故區(qū)域周邊的可用臺(tái)站，恢復(fù)受災(zāi)區(qū)域的廣播通訊，達(dá)到信息傳遞下達(dá)、統(tǒng)一部署抗災(zāi)的目的。若分析結(jié)果出現(xiàn)某一時(shí)段、某一區(qū)域無(wú)可用的臺(tái)站時(shí)，這時(shí)就需要考慮是否添加更多備選臺(tái)站進(jìn)行計(jì)算分析，或者選擇此時(shí)段可用、但其余時(shí)段不可用的臺(tái)站同步播報(bào)。后續(xù)研究，可以將預(yù)測(cè)受災(zāi)范圍擴(kuò)展為可選擇的區(qū)域范圍，對(duì)區(qū)域內(nèi)自動(dòng)篩選所有運(yùn)行中的應(yīng)急廣播臺(tái)站，進(jìn)行可用性分析選擇。

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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

張光域，范榮雙，張恒璟. 一種與GIS結(jié)合的短波應(yīng)急臺(tái)站可用性預(yù)測(cè)方法[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 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

遼寧省教育廳遼寧省高等學(xué)?；究蒲许?xiàng)目（LJ2017QL008）；遼寧工程技術(shù)大學(xué)博士啟動(dòng)基金（13-1120）。

張光域（1995—），男，遼寧大連人，碩士研究生，研究方向?yàn)榇蟮販y(cè)量，地理信息系統(tǒng)。

范榮雙（1975—），男，北京人，博士，研究員，研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)、廣播電視覆蓋網(wǎng)規(guī)劃、移動(dòng)GIS。