阅读说明：本技术 一种基于gis系统的流星余迹链路规划与预测方法 (Meteor trail link planning and predicting method based on GIS (geographic information System) ) 是由 王旭 钟亚 宋晓倩 肖永剑 于晓磊 宋建明 于 2019-09-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于GIS(Geographic Information System)系统的流星余迹链路规划与预测方法,属于通信技术领域。流星余迹信道模型的构建过程相对复杂,同时流星现象的出现具有很强的地域性,传统的流星余迹链路分析方法依赖于图上作业的人工预测,工作量大、预测效率低且结果准确度差。为解决以上问题,我们以GIS平台为依托,结合具体高程数据对规划的流星余迹链路通信质量进行分析预测,完全由程序实现,高效、可靠、便捷。本发明充分考虑实际地形环境给链路开通带来的影响,使流星余迹站点选址与链路规划的精确性大幅提高,特别适用于复杂地形环境下流星余迹通信系统设计阶段的通信站址选择和链路规划预测。(the invention discloses a meteor trail link planning and predicting method based on a GIS (geographic Information System), belonging to the technical field of communication. The construction process of the meteor trail channel model is relatively complex, simultaneously, the occurrence of meteor phenomenon has strong regionality, the traditional meteor trail link analysis method depends on manual prediction of operation on a graph, the workload is large, the prediction efficiency is low, and the result accuracy is poor. In order to solve the problems, a GIS platform is used as a support, and the communication quality of a planned meteor trail link is analyzed and predicted by combining specific elevation data, so that the method is completely realized by a program, and is efficient, reliable and convenient. The method fully considers the influence of the actual terrain environment on link opening, greatly improves the accuracy of site selection of the meteor trail station and link planning, and is particularly suitable for communication site selection and link planning prediction in the design stage of the meteor trail communication system in the complex terrain environment.)

一种基于GIS系统的流星余迹链路规划与预测方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及基于GIS(Geographic Information System)系统的流星余迹链路规划与预测方法，特别适用于复杂地形环境下流星余迹通信系统设计阶段的通信站址选择和链路规划预测。

背景技术

流星余迹通信属于远距离突发通信方式，在30-50MHz频率范围内可实现单跳通信距离为500-2000km的可靠信息传输。作为最低限度应急通信的重要通信手段，流星余迹通信被广泛应用于国防军事领域战略应急通信系统与民用领域气象数据采集、水文监测、灾情报告等应急通信保障方面。

由于流星余迹信道模型的构建过程相对复杂，同时流星现象的出现具有较强的地域性，流星余迹链路的通信质量与地形、地貌等地理信息紧密相关，因此，流星余迹链路的预估具有较大的计算难度。而传统的流星余迹链路分析方法均依赖于图上作业的人工预测，在选定站址完成链路预算后，需通过实地勘测才可最终确定，存在工作量大、预测效率低且结果准确度差等问题。

发明内容

本发明为改善传统流星余迹链路规划方法准确性差、计算效率低等不足，综合考虑实际地形环境给链路开通带来的影响，提出一种基于GIS系统的流星余迹链路规划与预测方法。本发明以GIS平台为依托，结合具体高程数据对规划的流星余迹链路通信质量进行分析预测，具有准确性高、计算效率高、操作便捷、可视化效果好等优点，能够为流星余迹链路的部署与开通提供可靠的辅助决策支持。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种基于GIS系统的流星余迹链路规划与预测方法，包括以下步骤：

(1)加载电子地图后，根据GIS系统提供的地理信息数据，选取流星余迹链路的发送端和接收端站点，并为站点配备流星余迹通信设备,在电子地图上将选取的两个站点的图标结对连接起来，以完成建链；

(2)根据选取站点的地理位置信息和流星余迹通信设备的工作频率参数，利用球面几何公式，计算两个站点间的大圆距离和流星余迹高度；

(3)获取发送端和接收端站点的高程信息，结合计算出的大圆距离和流星余迹高度，分别对发送端和接收端站点的天线仰角进行估算，依据仰角约束范围，判断链路是否满足通信要求，若满足，则执行步骤(4)；否则，判定链路不可通；

(4)根据估算出的发送端和接收端站点的天线仰角，按照实际工程经验公式，分别计算发送端和接收端站点的天线架高，并将发送端和接收端站点的天线架高分别与站点所配备的流星余迹通信设备的天线架高范围进行对比，判断链路是否满足通信要求，若满足，则执行步骤(5)；否则，判定链路不可通；

(5)根据发送端站点和接收端站点的经纬度信息，对链路剖面的高程值进行数据采样，并根据发送端和接收端站点的天线仰角和天线架高推算出流星余迹交点位置；利用链路剖面的高程值以及流星余迹交点位置进行链路高程剖面图的绘制显示，判断链路是否有遮挡情况，若存在遮挡，则获取遮挡点位置信息，在剖面图上完成标绘，并判定链路不可通；否则，执行步骤(6)；

(6)根据链路高程剖面图，按照流星余迹接收信号功率的计算公式，计算出流星余迹链路的接收功率，进而预测出链路的通断状态；

完成基于GIS系统的流星余迹链路的规划与预测。

其中，所述的步骤(1)具体包括以下步骤：

(101)在GIS系统中，选择指定电子地图文件，打开电子地图并加载地理信息数据；

(102)在电子地图上分别选取发送端站点和接收端站点位置；

(103)从流星余迹通信设备库中选取流星余迹通信设备，依次为发送端站点和接收端站点配备流星余迹通信设备；

(104)在电子地图上选择发送端站点和接收端站点的图标进行连接，完成流星余迹链路的初步规划。

其中，步骤(5)具体包括以下步骤：

(501)根据发送端站点和接收端站点的经纬度信息，在GIS系统上对链路剖面的高程值进行数据采样；

(502)利用球面几何公式，对链路剖面上各采样值进行球面变换；

(503)根据天线仰角和天线架高，推算出流星余迹交点位置；

(504)利用流星余迹交点位置以及球面变换后的链路剖面上各采样值，进行链路高程剖面图的绘制显示，包括地平面、采样高程值、余迹交点以及电波传播路径的图上标绘；

(505)根据入射路径、反射路径、天线仰角以及余迹交点位置的几何关系，计算链路是否有遮挡情况，若存在遮挡，则获取遮挡点位置信息，在剖面图上完成标绘，并判定链路不可通；否则，执行步骤(6)。

本发明相比背景技术的优点在于：

1.本发明依托GIS系统提供的高程数据，充分考虑到地形地貌等地理因素的影响，使流星余迹站点选址与链路规划的精确性大幅提高；

2.相比于传统人工图上作业的预测方法，本发明的链路规划过程完全由程序实现，无需人工参与计算，更为高效、可靠、便捷；

3.本发明可实现链路高程剖面的可视化，使链路分析更加直观；

4.本发明在预测链路通信质量时，可提供链路不可通因素的快速定位，使链路规划参数的调整更有针对性、更具合理性。

附图说明

图1是本发明实施的软件实现流程图；

图2是本发明建立流星余迹链路的流程图；

图3是本发明流星余迹链路高程剖面的几何关系示意图；

图4是本发明的链路通信质量预测结果与实际试验数据对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明的软件实现流程图，一种基于GIS系统的流星余迹链路规划与预测方法，具体包括以下步骤：

(1)加载电子地图后，根据GIS系统提供的地理信息数据，选取流星余迹链路的发送端站点和接收端站点，并为站点配备合适的流星余迹通信设备。在电子地图上将选取的两个站点的图标结对连接起来，以完成建链。

如图2所示，为建立流星余迹链路的具体流程，包括以下步骤：

(101)在GIS系统中，选择指定电子地图文件，打开地图并加载地理信息数据，以中国地图为例完成地图文件加载。

(102)在电子地图上分别选取发送端站点、接收端站点位置，可通过输入具体的经纬度信息对站点进行精准定位。

站点的位置信息包括经度、纬度、海拔高度，其中，经度、纬度的输入方式包括三种，分别为度、度分、度分秒格式，而海拔高度的数值根据输入的经纬度信息自动获取并显示。实施例中分别选取酒泉、石家庄作为发送端站点、接收端站点。

(103)从现有流星余迹通信设备库中选取合适型号的通信设备，依次为发送端站点、接收端站点配备流星余迹通信设备。

流星余迹通信设备库中包括多种型号的设备，设备站型分为四种，分别为固定主站、车载主站、箱式主站与便携从站。设备相关参数共六项，分别为设备型号、天线架高、天线个数、设备站型、发射功率、发射频率。本实施例中，在该步骤为发送站点酒泉配备固定主站站型的流星余迹设备，为接收站点石家庄配备车载主站站型设备。

(104)在电子地图上选择发送端站点、接收端站点的图标进行连接操作，完成流星余迹链路的初步规划。

(2)根据站点的地理位置信息、工作频率等参数，利用球面几何公式，计算得到两个站点间的大圆距离、流星余迹高度等几何参数。

具体公式为

h＝124-17lg f

其中，h为流星余迹高度，f为流星余迹通信设备的工作频率(此处取发送端工作频率与接收端工作频率的平均值)。

(3)获取发送、接收站点的高程信息，结合计算出的大圆距离、余迹高度等参数，分别对发送端和接收端站点的天线仰角进行估算。依据仰角约束范围，判断链路是否满足通信要求，若满足，则进入步骤(4)继续执行；否则，判定链路不可通。实施例中酒泉-石家庄链路的天线仰角为5.2°，在仰角约束范围内，满足通信要求。

(4)根据计算出的天线仰角，按照实际工程经验公式，获取发送端和接收端站点的天线架高，并将其与站点所配备设备的天线架高范围进行对比，判断链路是否满足通信要求，若满足，则进入步骤(5)继续执行；否则，判定链路不可通。

实际工程经验公式具体为

其中，θ为计算出的天线仰角，f为工作频率，λ为波长。

(5)获取到链路各项几何参数后，通过对链路剖面进行采样，从GIS系统读取各采样点高程信息，完成链路高程剖面计算分析与可视化展示。

图3为流星余迹链路高程剖面的几何关系示意图。链路高程剖面分析的具体实现包括以下步骤：

(501)根据发送、接收站点的经纬度信息，从GIS系统上对链路剖面的高程值进行数据采样；

(502)利用球面几何公式，对剖面上各采样值进行球面变换；

(503)根据天线仰角、天线架高等参数，推算出余迹交点位置；

(504)结合剖面采样点的高程数据集，完成链路高程剖面图的绘制显示，包括地平面、采样高程值、余迹交点、电波传播路径等元素的图上标绘；

(505)根据入射路径、反射路径、天线仰角、余迹交点位置等参数的几何关系，计算链路是否有遮挡情况。若存在遮挡，则获取遮挡点位置信息，在剖面图上完成标绘，并判定链路不可通；否则，进入步骤(6)继续执行。

在本实施例中，计算出余迹交点位置为距发送站点658km处95.496km高空，链路的电波传播路径上未出现遮挡情况。

(6)结合链路高程剖面图，按照流星余迹接收信号功率的计算公式，计算出流星余迹链路的接收功率参数，进而预测出链路的通断状态。所述的流星余迹接收信号功率的计算公式，具体为

其中，P_R为接收功率，P_T为发射功率，R_T、R_R分别为流星余迹到发送端、接收端之间的距离，q为电子线密度，f为工作频率。

实施例中链路计算出的接收信号功率高于设备接收门限与环境底噪，满足通信要求，因此，预测出该链路的通断状态为可通。

执行完上述六个步骤，即可完成基于GIS的流星余迹链路的规划与预测。

本发明的方法已使用C#语言完成软件编程实现，并经过多次试验验证，方法的规划预测功能可通过图4所示的数据对比图进行进一步证明。由图4分析可知，对于链路1、链路2的天线架高、天线仰角、链路通断结果等参数，工程试验中实测数据与本发明方法的计算结果所得数值均基本相同。综上所述，本发明提出的基于GIS系统的流星余迹链路规划与预测方法具有良好的实用性，可为流星余迹站点部署选址、链路规划开通提供高效可靠的辅助决策支持。