[發明專利]基于三維拋物方程的不規則地形電波傳播因子預測方法

在審

• 申請號: 201710719260.8
• 申請日: 2017-08-21
• 公開（公告）號: CN107545104A
• 公開（公告）日: 2018-01-05
• 發明（設計）人: 郭立新;關曉偉;王亞姣
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06T17/05
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心61205
• 代理人: 韋全生,王品華

技術領域

本發明屬于無線電技術領域，涉及一種電波傳播因子預測方法，具體涉及一種基于三維拋物方程的不規則地形電波傳播因子預測方法，可用于復雜環境下的無線通信和GPS定位等。

背景技術

隨著科學技術的飛速發展，無線通信已經越來越廣泛地應用于軍事、工業、教育等各個領域，給人們帶來的影響是無可爭議的。眾所周知，無線通信系統都是由一段或多段無線電波傳播電路實現的，因此，在無線通信領域中，電波傳播特性的預測一直以來都是研究熱點，獲得人們愈來愈多的關注。在對流層電波傳播中，復雜環境是影響電波傳播特性的主要因素之一。復雜環境中的電波傳播通常表現出反射、折射、繞射和散射等不同的傳播機理，而地形地貌的影響主要表現為直達波與地面反射波的多徑干涉效應，起伏地表對電波的繞射效應等。考慮到地形地貌的幾何形態和物理特征的多樣性，準確預測不規則地形上的電波傳播特性顯得尤為重要。

目前，對對流層中的電波傳播因子的預測均是基于傳播模型實現的，傳播模型可分為兩類：一類是經驗模型，例如Hata模型和COST 231模型，通過對大量實測數據進行擬合，得到擬合公式，快速地給出特定場景下電波傳播特性的統計結果。但是，由于這些模型不考慮傳播環境的具體信息，故預測結果的準確度通常比較低，而且不具有通用性。另一類是建立在電磁波理論的基礎上的理論模型，這種理論模型不僅基礎牢固，還可以充分考慮傳播環境的幾何及形態特征，預測結果更準確，且更具普適性。在理論模型中，拋物方程模型由于能夠快速求解大區域電波傳播問題而被廣泛關注，也逐漸成為準確預測復雜環境下電波傳播特性的重要手段。拋物方程模型從波動方程出發推導出拋物方程，并采用分步傅里葉變換方法對其進行求解，將初始場和邊界條件考慮在內，最終得到傳播因子的預測結果，例如授權公告號為CN 102722618 B，名稱為“一種基于拋物方程的準三維電磁環境模型構建與并行方法”的發明專利，公開了一種基于拋物方程的準三維電磁環境模型構建與并行方法，該方法主要采用切片法，即以天線發射機為中心，按照一定角度將三維空間剖分成單獨的二維切片，把求解復雜的三維電磁環境仿真問題簡化成了二維仿真問題，接下來從天線方向圖出發構建準三維方法的初始場，并對復雜地理環境和大氣結構的復雜環境進行準三維剖分，然后將剖分后的二維切片采用粗粒度的并行計算方法對求解過程進行了加速。該方法不需要進行實際的測量就可以得到空間中的電磁場分布，其計算復雜度大大減少，計算范圍有了較大程度的擴展。但是在該方法中，二維切片之間是獨立的，且二維拋物方程模型由于無法考慮橫向的地形對電波傳播的影響而導致預測精度受限，因此，開展三維不規則地形條件下的三維拋物方程方法的研究十分必要，對復雜環境下的無線通信具有重要價值。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術存在的不足，提出了一種基于三維拋物方程的不規則地形電波傳播因子預測方法，從矢量波動方程出發推導出三維拋物方程，并通過改進的分步傅里葉變換方法對其進行求解，充分考慮橫向地形對電波傳播特性的影響，實現了對三維不規則地形上電波傳播因子的精準預測。

為實現上述目的，本發明采取的技術方案包括如下步驟：

(1)在預測區域內建立直角坐標系，采用數字高程地圖建立三維不規則地形的幾何模型，獲取數字高程地圖建模文件，實現步驟為：

(1a)采用二維非均勻網格對三維不規則地形進行覆蓋，得到包含各網格節點處高度值的三維不規則地形幾何模型；

(1b)按照非規則格網數字高程地圖的文件存儲格式，輸出三維不規則地形幾何模型中各網格節點處的高度值，形成數字高程地圖建模文件；

(2)采用麥克斯韋方程推導出以位函數表示的寬角拋物方程，實現步驟為：

(2a)對麥克斯韋方程進行推導，得到三維波動方程；

(2b)根據三維波動方程中的電場和磁場的場分量，設定位函數電矢位和磁矢位并將其代入三維波動方程，得到由位函數表示的矢量波動方程；

(2c)用ψ^e表示磁矢位的任意直角分量，用ψ^m表示電矢位的任意直角分量，并設定ψ＝ψ^e+ψ^m為任意標量場分量；

(2d)忽略后向傳播，采用Feit-Fleck近似方法計算微分算子，推導出寬角拋物方程：

其中，為偏微分算子，x、y和z分別為直角坐標系的三個分量，i為虛數單位，k₀為自由空間傳播常數，為橫向拉普拉斯算子，n為傳播介質的折射率；