一種基于三維地圖的大功率臺站開場測試系統及方法與流程
本發明涉及射頻測量技術領域，具體為一種基于三維地圖的大功率臺站開場測試系統及方法。
背景技術：
對大功率無線電臺站進行測試時，通常采用傳導連接進行測試，即通過射頻電纜將被測發射機射頻輸出口與測試設備進行傳導連接，這種方法需要協調臺站管理單位使被測臺站停止工作，拆除被測臺站的天線，將被臺站射頻輸出端口接入測試設備，然后開啟被測臺站進行測試，因此需要在測試前就需要進行多方協調，難以達成。另外對于一些搭建在高塔上的大功率臺站，亦難以實現傳導連接測試，因此近年來業內興起開場測試，即測試設備通過接收天線通過開場的方式測量，這種測量方式的最為關鍵的技術是如何準確計算電磁波的空間傳播損耗。申請號為cn201510152746.9的發明專利申請書公開了一種開闊地面環境下模擬電視臺站發射功率輻射測試系統，之所以該技術方案只適用于開闊地面環境測試，是因為該方案中計算電磁波空間損耗采用的是經驗公式，無法適應復雜的地理環境，因為在復雜地理環境下，電磁波傳播損耗的影響因素太多，尤其是多徑效應對空間損耗的影響特別大，因而經驗公式計算空間損耗的誤差較大,不能滿足復雜地理環境下的開場測試要求。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種基于三維地圖的大功率臺站開場測試系統及方法，以解決上述背景技術中提出的對于一些搭建在高塔上的大功率臺站，亦難以實現傳導連接測試，在復雜地理環境下，電磁波傳播損耗的影響因素太多，尤其是多徑效應對空間損耗的影響特別大，因而經驗公式計算空間損耗的誤差較大的問題。
為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種基于三維地圖的大功率臺站開場測試系統，其中，該基于三維地圖的大功率臺站開場測試系統包括空間傳播損耗分析模塊和接收端模塊以及發射機估算模塊；所述接收端模塊包括頻譜儀，接收天線，所述接收天線包括方向性天線。所述接收天線用于接收復雜地理環境下發射機發射的電磁波并轉換為電信號，傳送給頻譜儀；所述頻譜儀根據該電信號計算入射到接收天線的峰值功率得到接收端場強值pr；所述空間傳播損耗分析模塊包括：結合三維地圖采用鏡像法找出所有可能存在的有效反射點，并得出所有有效的反射路徑，遍歷所有的可視路徑，假定發射源的發射場強，遍歷計算每條路徑到接收點處的場強，計算出每條路徑到達接收點處的場強的矢量疊加，得到接收點的總場強，從而計算出發射點到接收點的空間損耗lspace；所述發射機估算模塊根據下列公式計算被測發射機的功率pt：pt＝pr-gr+lspace-gt；(gr為接收天線增益；gt為發射端的天線增益)。
優選的，其中，所述可視路徑包括直射路徑及反射路徑。
優選的，其中，所述鏡像法找出反射點包括：設置發射層，反射層和鏡像層，假設發射點位于空間平面中的發射層，反射點位于空間平面的反射層，那么必有鏡像層的鏡像點位于與發射層和反射層相平行的空間層面，發射點相對于反射面的鏡像點與接收點間連線與反射面的焦點，該點即為反射點實際位置。
本發明的另一個目的是提供一種基于三維地圖的大功率臺站開場測試系統的測試方法，其中，該基于三維地圖的大功率臺站開場測試系統的測試方法的通過空間傳播損耗分析模塊和接收端模塊以及發射機估算模塊進行測試計算出被測發射機的功率，具體步驟如下：
s1：發射端模塊，確定發射端的天線增益gt：實際使用的臺站都不會是一個在任意方向的增益都均勻的理想發射點源，因此需要考慮天線增益的不圓度，通過查詢臺站的天線數據得到天線的最大增益方向，再根據發射點和接收點之前的位置關系計算出接收點與天線的最大增益方向的夾角，所述的夾角包括水平方向和垂直方向夾角，然后根據天線出廠的增益數據進行修正，得到接收點方向的天線增益gt；
s2：空間傳播損耗分析模塊，計算空間傳播損耗：結合三維地圖，通過鏡像法找出所有可能存在的有效反射點，從而得出所有有效的反射路徑，遍歷直射路徑和所有反射路徑，假定發射源的發射場強，遍歷計算每條路徑到接收點處的場強，計算出每條路徑到達接收點處的場強的矢量疊加，得到接收點的總場強，從而計算出發射點到接收點的空間損耗lspace；
s3：接收端模塊，確定接收天線增益gr：接收天線是已知參數天線，計算時補償接收天線的饋線損耗，計算出接收天線增益gr；
s4：發射機估算模塊：根據以上計算值進行計算被測發射機的功率pt。
進一步，所述步驟s1中發射端的天線增益gt根據下列公式計算：gt＝ltant-ltcable；ltant為發射端天線的實際增益；ltcable為發射臺站饋線損耗。
進一步，所述步驟s2中空間傳播損耗分析模塊根據下列公式計算：
進一步，所述步驟s3中接收端的天線接收口的場強值根據下列公式計算：
psys＝pr-lrant+lrcable，pr為接收場強值；lrant為接收天線的增益；lrcable為
接收天線的饋線損耗。
進一步，所述步驟s4中被測發射機的功率計算式為：pt＝psys+lspace-gt。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：該基于三維地圖的大功率臺站開場測試系統，能更加精確計算出發射點到測試點之前的空間損耗，能夠適應復雜地理環境的開場測試。
附圖說明
圖1為本發明基于三維地圖的大功率臺站開場測試的系統框圖；
圖2為本發明鏡像法尋找建筑物表面的反射點示意圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
請參閱圖1-2，為了解決上述背景技術中提出的滿足復雜地理環境下的開場測試要求，本發明提供如下技術方案：一種基于三維地圖的大功率臺站開場測試系統，其中，該基于三維地圖的大功率臺站開場測試系統包括空間傳播損耗分析模塊2和接收端模塊3以及發射機估算模塊4。本發明中復雜地理環境是相對于現有技術中開闊地面環境而言，包括但不限于發射點到接收點存在建筑物阻擋的環境。
所述接收端模塊3包括頻譜儀，接收天線，所述接收天線包括方向性天線。所述接收天線用于接收復雜地理環境下發射機發射的電磁波并轉換為電信號，傳送給頻譜儀；所述頻譜儀根據該電信號計算入射到接收天線的峰值功率得到接收端場強值pr；所述空間傳播損耗分析模塊2包括：結合三維地圖采用鏡像法找出所有可能存在的有效反射點，并得出所有有效的反射路徑，遍歷所有的可視路徑，假定發射源的發射場強，遍歷計算每條路徑到接收點處的場強，計算出每條路徑到達接收點處的場強的矢量疊加，得到接收點的總場強，從而計算出發射點到接收點的空間損耗lspace；所述發射機估算模塊4根據下列公式計算被測發射機的功率pt：pt＝pr-gr+lspace-gt；式中：gr為接收天線增益；gt為發射端的天線增益。
優選的，其中，所述可視路徑包括直射路徑及反射路徑。
優選的，其中，所述鏡像法找出反射點包括：設置發射層，反射層和鏡像層，假設發射點位于空間平面中的發射層，反射點位于空間平面的反射層，那么必有鏡像層的鏡像點位于與發射層和反射層相平行的空間層面，發射點相對于反射面的鏡像點與接收點間連線與反射面的焦點，該點即為反射點實際位置。
參考圖1-2，本發明的開場測試的關鍵過程主要是確定發射端的天線增益為gt、空間損耗為lspace和接收端天線增益為gr，假設接收端場強值為pr,則被測發射機的功率pt＝pr-gr+lspace-gt。
為了獲取到準確的發射機發射功率，本發明需要進行一系列的反推過程。根據一系列的理論及實際工作的論證，本發明將整個測試系統分為四大主要部分，分別為發射端模塊1，空間傳播損耗分析模塊2和接收端模塊3以及發射機估算模塊4。
具體如下：
接收端模塊3：
為了得到準確的測量結果，本發明需要首先獲取準確的接收天線入射點場強值(或功率值)。
接收端主設備可以選用安捷倫頻譜儀，作為實驗室設備，確保了信號接收的準確度。獲取了頻譜儀射頻端口的接收端場強值(或功率值)，記錄為pr，本發明需要考慮饋線損耗及天線增益對系統所帶來的影響。饋線損耗利用頻譜儀的天饋線校準功能進行校準，發射臺站饋線損耗定義為lrcable；接收天線選用具有詳細天線增益說明的方向性天線(定向天線)，覆蓋從300mhz到1ghz的頻率范圍，其增益定義為lrant。那么，將天線接收口的場強值(或功率值)定義為pantr和接收端天線增益定義為gr，可以計算為：
gr＝lrant-lrcable；
psys＝pr-lrant+lrcable(1)。
空間傳播損耗分析模塊2：
電磁波在空間中傳播，具有光的特性，同樣具備反射、折射、繞射、散射及透射等情況。射線跟蹤是一種被廣泛用于移動通信和個人通信環境中的預測無線電波傳播特性的技術，可以用來辨認出多徑信道中收發之間所有可能的射線路徑。一旦所有可能的射線被辨認出后，就可根據電波傳播理論來計算每條射線的幅度、相位、延遲和極化，然后結合天線方向圖和系統帶寬就可得到接收點的所有射線的相干合成結果。
為了應用射線跟蹤法，需要三維地圖數據，所述三維地圖數據是先將地表按照一定分辨率(例如以1m2)將地表數據(有建筑物的把建筑物當成地表)進行離散化得到一系列點，然后采集每個點的海拔和gps信息所得到的數據集合。
對于空間傳播路徑,本發明主要考慮發射點與接收點間的可視路徑，無線電波經建筑物透射后幾乎不能對系統增益提供貢獻，所以本發明主要考慮的是直射路徑及反射路徑。
因空間傳播損耗值主要是計算發射點到接收點之間信號強度的差值，這個值不隨系統發射功率的變化而變化，所以本發明在這里可以任意假設系統發射場強值為et。
直射路徑上，接收點的場強值e可根據公式(2)得出：
其中，d為接收點到發射點間距離，k為相位參數，λ為波長
k＝2π/λ(3)
對于反射路徑上的信號，本發明需要首先確定反射路徑的長度，反射點的位置信息，本發明結合三維地圖采用鏡像法尋找建筑物表面的反射點，如圖2所示。
首先假設發射點位于空間平面中的發射層，反射點位于空間平面的反射層，那么必有鏡像點位于與發射層、反射層相平行的空間層面。假設發射點坐標為(xt,yt,zt)，鏡像點坐標為(xm,ym,zm)，a、b、c三點為反射面上已知的三個坐標點(xa,ya,za)(xb,yb,zb)(xc,yc,zc)換算后的平面方程參數：
a＝(yb-ya)(zc-za)-(zb-za)(yc-ya)(4)
b＝(zb-za)(xc-xa)-(xb-xa)(zc-za)(5)
c＝(xb-xa)(yc-ya)-(yb-ya)(xc-xa)(6)
以反射層建立坐標系，可以根據最初的假設得到各層公式：
鏡像層公式：a·x+b·y+c·z+d2＝0(7)
反射層公式：a·x+b·y+c·z+d＝0(8)
發射層公式：a·x+b·y+c·z+d1＝0(9)
因坐標系以反射面建立，固d＝0。將發射點坐標帶入公式(7)(9)，可以得到：
d1＝-(axt+byt+czt)(10)
d2＝d+(d-d1)(11)
則根據幾何公式可知通過反射點至鏡像點的直線必定滿足：
將此公式帶入公式(8)可得：
則有
將公式(4)，(5)，(6)，(13)，(14)聯立可得出鏡像點坐標(xm,ym,zm)。
同理，為了求取反射平面上反射點實際的位置，需要獲取發射點相對于反射面的鏡像點與接收點間連線與反射面的焦點，該點即為反射點實際位置。假設反射層表達式為公式(8)，a，b，c的求取同公式(4)，(5)，(6)，其中：
d＝-(axa+bya+cza)(15)
假設接收點坐標為(xr,yr,zr)，反射面與反射線交點為(x,y,z)，令
將公式(16)帶入公式(4)可得：
將公式(16)依次求解，可以得到反射面上交點坐標為：
將公式(17)帶入公式(18)即可得到反射面與反射線交點坐標。
獲取反射點交點坐標后，反射線的距離信息便可得知，接收點場強值可以根據以下公式獲得：
e(rx)⊥與e(rx)//分別代表電磁波通過反射路徑傳播到接收點后，垂直極化方式和水平極化方式的接收場強值。因為水平極化和垂直極化在空間場是相互正交的，所以接收點反射場強的計算只需要考慮其一。
r⊥，r//分別表示垂直及水平方向反射系數，可根據以下公式獲得：
a(s2)是反射線距離比系數：
a(s2)＝s1/(s1+s2)(21)
其中s1為接收點到反射點間距離，s2為發射點到反射點間距離。
假定發射源是一個垂直極化信號，則接收點總場強可以依據(2)，(19)可以得出接收點總場強值，定義為etotal：
etotal＝e(rx)⊥+et-elos(22)
同理假定發射源是一個水平極化信號，則接收點總場強可以依據水平極化的場強值
根據場強衰減計算公式，可以得到空間場損耗，定義為lspace(db)為：
經過一系列對比測試，采用經驗模型在復雜的城市環境下，估算出的空間損耗誤差可達15db，而采用本發明提供的方法可使空間損耗估算誤差縮小到3db以內。
與現有技術相比，空間傳播損耗分析模塊采用鏡像法找出所有可能存在的有效反射點，從而得出所有有效的反射路徑，遍歷直射路徑和所有反射路徑，假定發射源的發射場強，遍歷計算每條路徑到接收點處的場強，計算出每條路徑到達接收點處的場強的矢量疊加，得到接收點的總場強，從而計算出發射點到接收點的空間損耗能更加精確計算出發射點到測試點之前的空間損耗，可以更加精確的計算出空間損耗，能夠適應復雜地理環境的開場測試
發射端模塊1：
由以上兩部分本發明已經可以推算到發射天線發射口的eirp值，為了進一步確認發射端發射機功率，本發明需要獲取發射端的相關數據，包括發射端饋線損耗及發射天線增益。合法臺站的發射天線指標可以通過各類臺站的標準進行查詢，本發明需要考慮的主要是水平方向上的不圓度，發射天線的實際增益定義為ltant；同時根據發射點和接收點之前的位置關系計算出接收點與天線的最大增益方向的夾角，所述的夾角包括水平方向和垂直方向夾角，由于實際測試位置的不同，通常無法在理想的位置進行測試，因此根據實際位置與最大增益方向的夾角的偏差，根據天線出廠的增益數據進行修正通過查表進行補償。發射臺站饋管衰減根據不同的饋管類型及發射天線高度進行計算，饋管類型及對應衰減可按照需要在系統內進行查表運算，定義為ltcable。那么，發射端所提供的總增益：
gt＝ltant-ltcable(24)。
發射機估算模塊4，計算被發射臺站發射機功率pt：
經過對接收端，空間傳播損耗及發射端的一系列計算，本發明可以根據公式(1)(9)(10)可以得出，發射臺站發射機功率定義為pt：
pt＝psys+lsapce-gt(25)；
即pt＝pr-gr+lspace-gt(26)。
需要說明的是，本發明的步驟s1，步驟s2，步驟s3是獨立的模塊，其順序進行交換和組合也是本發明保護的范圍。
盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型。
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