CN107171744A - 一种基于三维地图的大功率台站开场测试***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了射频测量技术领域的一种基于三维地图的大功率台站开场测试***，包括空间传播损耗分析模块和接收端模块以及发射机估算模块所述接收端模块包括频谱仪，接收天线，所述空间传播损耗分析模块包括采用镜像法最终得出发射点到接收点的空间损耗Lspace；开场测试的过程要确定发射端的天线增益Gt和接收端天线增益Gr，假设接收端测得功率为Pr，则所述发射机估算模块计算出被测发射机的功率Pt＝Pr‑Gr+Lspace‑Gt，该基于三维地图的大功率台站开场测试***，能更加精确计算出发射点到测试点之前的空间损耗，能够适应复杂地理环境的开场测试。

Description

一种基于三维地图的大功率台站开场测试***及方法
技术领域
本发明涉及射频测量技术领域，具体为一种基于三维地图的大功率台站开场测试***及方法。
背景技术
对大功率无线电台站进行测试时，通常采用传导连接进行测试，即通过射频电缆将被测发射机射频输出口与测试设备进行传导连接，这种方法需要协调台站管理单位使被测台站停止工作，拆除被测台站的天线，将被台站射频输出端口接入测试设备，然后开启被测台站进行测试，因此需要在测试前就需要进行多方协调，难以达成。另外对于一些搭建在高塔上的大功率台站，亦难以实现传导连接测试，因此近年来业内兴起开场测试，即测试设备通过接收天线通过开场的方式测量，这种测量方式的最为关键的技术是如何准确计算电磁波的空间传播损耗。申请号为CN201510152746.9的发明专利申请书公开了一种开阔地面环境下模拟电视台站发射功率辐射测试***，之所以该技术方案只适用于开阔地面环境测试，是因为该方案中计算电磁波空间损耗采用的是经验公式，无法适应复杂的地理环境，因为在复杂地理环境下，电磁波传播损耗的影响因素太多，尤其是多径效应对空间损耗的影响特别大，因而经验公式计算空间损耗的误差较大,不能满足复杂地理环境下的开场测试要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于三维地图的大功率台站开场测试***及方法，以解决上述背景技术中提出的对于一些搭建在高塔上的大功率台站，亦难以实现传导连接测试，在复杂地理环境下，电磁波传播损耗的影响因素太多，尤其是多径效应对空间损耗的影响特别大，因而经验公式计算空间损耗的误差较大的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于三维地图的大功率台站开场测试***，其中，该基于三维地图的大功率台站开场测试***包括空间传播损耗分析模块和接收端模块以及发射机估算模块；所述接收端模块包括频谱仪，接收天线，所述接收天线包括方向性天线。所述接收天线用于接收复杂地理环境下发射机发射的电磁波并转换为电信号，传送给频谱仪；所述频谱仪根据该电信号计算入射到接收天线的峰值功率得到接收端场强值Pr；所述空间传播损耗分析模块包括：结合三维地图采用镜像法找出所有可能存在的有效反射点，并得出所有有效的反射路径，遍历所有的可视路径，假定发射源的发射场强，遍历计算每条路径到接收点处的场强，计算出每条路径到达接收点处的场强的矢量叠加，得到接收点的总场强，从而计算出发射点到接收点的空间损耗Lspace；所述发射机估算模块根据下列公式计算被测发射机的功率Pt：Pt＝Pr-Gr+Lspace-Gt；(Gr为接收天线增益；Gt为发射端的天线增益)。
优选的，其中，所述可视路径包括直射路径及反射路径。
优选的，其中，所述镜像法找出反射点包括：设置发射层，反射层和镜像层，假设发射点位于空间平面中的发射层，反射点位于空间平面的反射层，那么必有镜像层的镜像点位于与发射层和反射层相平行的空间层面，发射点相对于反射面的镜像点与接收点间连线与反射面的焦点，该点即为反射点实际位置。
本发明的另一个目的是提供一种基于三维地图的大功率台站开场测试***的测试方法，其中，该基于三维地图的大功率台站开场测试***的测试方法的通过空间传播损耗分析模块和接收端模块以及发射机估算模块进行测试计算出被测发射机的功率，具体步骤如下：
S1：发射端模块，确定发射端的天线增益Gt：实际使用的台站都不会是一个在任意方向的增益都均匀的理想发射点源，因此需要考虑天线增益的不圆度，通过查询台站的天线数据得到天线的最大增益方向，再根据发射点和接收点之前的位置关系计算出接收点与天线的最大增益方向的夹角，所述的夹角包括水平方向和垂直方向夹角，然后根据天线出厂的增益数据进行修正，得到接收点方向的天线增益Gt；
S2：空间传播损耗分析模块，计算空间传播损耗：结合三维地图，通过镜像法找出所有可能存在的有效反射点，从而得出所有有效的反射路径，遍历直射路径和所有反射路径，假定发射源的发射场强，遍历计算每条路径到接收点处的场强，计算出每条路径到达接收点处的场强的矢量叠加，得到接收点的总场强，从而计算出发射点到接收点的空间损耗Lspace；
S3：接收端模块，确定接收天线增益Gr：接收天线是已知参数天线，计算时补偿接收天线的馈线损耗，计算出接收天线增益Gr；
S4：发射机估算模块：根据以上计算值进行计算被测发射机的功率Pt。
进一步，所述步骤S1中发射端的天线增益Gt根据下列公式计算：Gt＝Ltant-Ltcable；Ltant为发射端天线的实际增益；Ltcable为发射台站馈线损耗。
进一步，所述步骤S2中空间传播损耗分析模块根据下列公式计算：
Etotal为接收点的总场强值；λ为波长；Et为任意假设***发射场强值。
进一步，所述步骤S3中接收端的天线接收口的场强值根据下列公式计算：
Psys＝Pr-Lrant+Lrcable，Pr为接收场强值；Lrant为接收天线的增益；Lrcable为
接收天线的馈线损耗。
进一步，所述步骤S4中被测发射机的功率计算式为：Pt＝Psys+Lspace-Gt。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该基于三维地图的大功率台站开场测试***，能更加精确计算出发射点到测试点之前的空间损耗，能够适应复杂地理环境的开场测试。
附图说明
图1为本发明基于三维地图的大功率台站开场测试的***框图；
图2为本发明镜像法寻找建筑物表面的反射点示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，为了解决上述背景技术中提出的满足复杂地理环境下的开场测试要求，本发明提供如下技术方案：一种基于三维地图的大功率台站开场测试***，其中，该基于三维地图的大功率台站开场测试***包括空间传播损耗分析模块2和接收端模块3以及发射机估算模块4。本发明中复杂地理环境是相对于现有技术中开阔地面环境而言，包括但不限于发射点到接收点存在建筑物阻挡的环境。
所述接收端模块3包括频谱仪，接收天线，所述接收天线包括方向性天线。所述接收天线用于接收复杂地理环境下发射机发射的电磁波并转换为电信号，传送给频谱仪；所述频谱仪根据该电信号计算入射到接收天线的峰值功率得到接收端场强值Pr；所述空间传播损耗分析模块2包括：结合三维地图采用镜像法找出所有可能存在的有效反射点，并得出所有有效的反射路径，遍历所有的可视路径，假定发射源的发射场强，遍历计算每条路径到接收点处的场强，计算出每条路径到达接收点处的场强的矢量叠加，得到接收点的总场强，从而计算出发射点到接收点的空间损耗Lspace；所述发射机估算模块4根据下列公式计算被测发射机的功率Pt：Pt＝Pr-Gr+Lspace-Gt；式中：Gr为接收天线增益；Gt为发射端的天线增益。
优选的，其中，所述可视路径包括直射路径及反射路径。
优选的，其中，所述镜像法找出反射点包括：设置发射层，反射层和镜像层，假设发射点位于空间平面中的发射层，反射点位于空间平面的反射层，那么必有镜像层的镜像点位于与发射层和反射层相平行的空间层面，发射点相对于反射面的镜像点与接收点间连线与反射面的焦点，该点即为反射点实际位置。
参考图1-2，本发明的开场测试的关键过程主要是确定发射端的天线增益为Gt、空间损耗为Lspace和接收端天线增益为Gr，假设接收端场强值为Pr,则被测发射机的功率Pt＝Pr-Gr+Lspace-Gt。
为了获取到准确的发射机发射功率，本发明需要进行一系列的反推过程。根据一系列的理论及实际工作的论证，本发明将整个测试***分为四大主要部分，分别为发射端模块1，空间传播损耗分析模块2和接收端模块3以及发射机估算模块4。
具体如下：
接收端模块3：
为了得到准确的测量结果，本发明需要首先获取准确的接收天线入射点场强值(或功率值)。
接收端主设备可以选用安捷伦频谱仪，作为实验室设备，确保了信号接收的准确度。获取了频谱仪射频端口的接收端场强值(或功率值)，记录为Pr，本发明需要考虑馈线损耗及天线增益对***所带来的影响。馈线损耗利用频谱仪的天馈线校准功能进行校准，发射台站馈线损耗定义为Lrcable；接收天线选用具有详细天线增益说明的方向性天线(定向天线)，覆盖从300MHz到1GHz的频率范围，其增益定义为Lrant。那么，将天线接收口的场强值(或功率值)定义为Pantr和接收端天线增益定义为Gr，可以计算为：
Gr＝Lrant-Lrcable；
Psys＝Pr-Lrant+Lrcable (1)。
空间传播损耗分析模块2：
电磁波在空间中传播，具有光的特性，同样具备反射、折射、绕射、散射及透射等情况。射线跟踪是一种被广泛用于移动通信和个人通信环境中的预测无线电波传播特性的技术，可以用来辨认出多径信道中收发之间所有可能的射线路径。一旦所有可能的射线被辨认出后，就可根据电波传播理论来计算每条射线的幅度、相位、延迟和极化，然后结合天线方向图和***带宽就可得到接收点的所有射线的相干合成结果。
为了应用射线跟踪法，需要三维地图数据，所述三维地图数据是先将地表按照一定分辨率(例如以1m2)将地表数据(有建筑物的把建筑物当成地表)进行离散化得到一系列点，然后采集每个点的海拔和GPS信息所得到的数据集合。
对于空间传播路径,本发明主要考虑发射点与接收点间的可视路径，无线电波经建筑物透射后几乎不能对***增益提供贡献，所以本发明主要考虑的是直射路径及反射路径。
因空间传播损耗值主要是计算发射点到接收点之间信号强度的差值，这个值不随***发射功率的变化而变化，所以本发明在这里可以任意假设***发射场强值为Et。
直射路径上，接收点的场强值E可根据公式(2)得出：
其中，d为接收点到发射点间距离，k为相位参数，λ为波长
k＝2π/λ (3)
对于反射路径上的信号，本发明需要首先确定反射路径的长度，反射点的位置信息，本发明结合三维地图采用镜像法寻找建筑物表面的反射点，如图2所示。
首先假设发射点位于空间平面中的发射层，反射点位于空间平面的反射层，那么必有镜像点位于与发射层、反射层相平行的空间层面。假设发射点坐标为(Xt,Yt,Zt)，镜像点坐标为(Xm,Ym,Zm)，A、B、C三点为反射面上已知的三个坐标点(Xa,Ya,Za)(Xb,Yb,Zb)(Xc,Yc,Zc)换算后的平面方程参数：
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)
以反射层建立坐标系，可以根据最初的假设得到各层公式：
镜像层公式：A·x+B·y+C·z+D2＝0 (7)
反射层公式：A·x+B·y+C·z+D＝0 (8)
发射层公式：A·x+B·y+C·z+D1＝0 (9)
因坐标系以反射面建立，固D＝0。将发射点坐标带入公式(7)(9)，可以得到：
D1＝-(Axt+Byt+Czt) (10)
D2＝D+(D-D1) (11)
则根据几何公式可知通过反射点至镜像点的直线必定满足：
将此公式带入公式(8)可得：
则有
将公式(4)，(5)，(6)，(13)，(14)联立可得出镜像点坐标(Xm,Ym,Zm)。
同理，为了求取反射平面上反射点实际的位置，需要获取发射点相对于反射面的镜像点与接收点间连线与反射面的焦点，该点即为反射点实际位置。假设反射层表达式为公式(8)，A，B，C的求取同公式(4)，(5)，(6)，其中：
D＝-(Axa+Bya+Cza) (15)
假设接收点坐标为(Xr,Yr,Zr)，反射面与反射线交点为(X,Y,Z)，令
将公式(16)带入公式(4)可得：
将公式(16)依次求解，可以得到反射面上交点坐标为：
将公式(17)带入公式(18)即可得到反射面与反射线交点坐标。
获取反射点交点坐标后，反射线的距离信息便可得知，接收点场强值可以根据以下公式获得：
E(Rx)⊥与E(Rx)//分别代表电磁波通过反射路径传播到接收点后，垂直极化方式和水平极化方式的接收场强值。因为水平极化和垂直极化在空间场是相互正交的，所以接收点反射场强的计算只需要考虑其一。
分别代表垂直和水平极化的场强值，需根据发射源极化方式确认使用垂直极化的公式或是水平极化的公式。
R⊥，R//分别表示垂直及水平方向反射系数，可根据以下公式获得：
A(s2)是反射线距离比系数：
A(s2)＝s1/(s1+s2) (21)
其中S1为接收点到反射点间距离，S2为发射点到反射点间距离。
是电波从反射点到接收点间反射线路径上的相位偏移。
假定发射源是一个垂直极化信号，则接收点总场强可以依据(2)，(19)可以得出接收点总场强值，定义为Etotal：
Etotal＝E(Rx)⊥+Et-Elos (22)
同理假定发射源是一个水平极化信号，则接收点总场强可以依据水平极化的场强值确定接收点总场强值Etotal。
根据场强衰减计算公式，可以得到空间场损耗，定义为Lspace(dB)为：
经过一系列对比测试，采用经验模型在复杂的城市环境下，估算出的空间损耗误差可达15dB，而采用本发明提供的方法可使空间损耗估算误差缩小到3dB以内。
与现有技术相比，空间传播损耗分析模块采用镜像法找出所有可能存在的有效反射点，从而得出所有有效的反射路径，遍历直射路径和所有反射路径，假定发射源的发射场强，遍历计算每条路径到接收点处的场强，计算出每条路径到达接收点处的场强的矢量叠加，得到接收点的总场强，从而计算出发射点到接收点的空间损耗能更加精确计算出发射点到测试点之前的空间损耗，可以更加精确的计算出空间损耗，能够适应复杂地理环境的开场测试
发射端模块1：
由以上两部分本发明已经可以推算到发射天线发射口的EIRP值，为了进一步确认发射端发射机功率，本发明需要获取发射端的相关数据，包括发射端馈线损耗及发射天线增益。合法台站的发射天线指标可以通过各类台站的标准进行查询，本发明需要考虑的主要是水平方向上的不圆度，发射天线的实际增益定义为Ltant；同时根据发射点和接收点之前的位置关系计算出接收点与天线的最大增益方向的夹角，所述的夹角包括水平方向和垂直方向夹角，由于实际测试位置的不同，通常无法在理想的位置进行测试，因此根据实际位置与最大增益方向的夹角的偏差，根据天线出厂的增益数据进行修正通过查表进行补偿。发射台站馈管衰减根据不同的馈管类型及发射天线高度进行计算，馈管类型及对应衰减可按照需要在***内进行查表运算，定义为Ltcable。那么，发射端所提供的总增益：
Gt＝Ltant-Ltcable (24)。
发射机估算模块4，计算被发射台站发射机功率Pt：
经过对接收端，空间传播损耗及发射端的一系列计算，本发明可以根据公式(1)(9)(10)可以得出，发射台站发射机功率定义为Pt：
Pt＝Psys+Lsapce-Gt (25)；
即Pt＝Pr-Gr+Lspace-Gt (26)。
需要说明的是，本发明的步骤S1，步骤S2，步骤S3是独立的模块，其顺序进行交换和组合也是本发明保护的范围。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于三维地图的大功率台站开场测试***，其特征在于，该基于三维地图的大功率台站开场测试***包括空间传播损耗分析模块和接收端模块以及发射机估算模块；
所述接收端模块包括频谱仪，接收天线，所述接收天线包括方向性天线，所述接收天线用于接收复杂地理环境下发射机发射的电磁波并转换为电信号，传送给频谱仪，所述频谱仪根据该电信号计算入射到接收天线的峰值功率得到接收端场强值Pr；所述空间传播损耗分析模块包括：结合三维地图采用镜像法找出所有可能存在的有效反射点，并得出所有有效的反射路径，遍历所有的可视路径，假定发射源的发射场强，遍历计算每条路径到接收点处的场强，计算出每条路径到达接收点处的场强的矢量叠加，得到接收点的总场强，从而计算出发射点到接收点的空间损耗Lspace；
所述发射机估算模块根据下列公式计算被测发射机的功率Pt：
Pt＝Pr-Gr+Lspace-Gt；
式中：
Gr为接收天线增益；
Gt为发射端的天线增益。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维地图的大功率台站开场测试***，其特征在于，所述可视路径包括直射路径及反射路径。
3.根据权利要求2所述的一种基于三维地图的大功率台站开场测试***，其特征在于，所述镜像法找出反射点包括：设置发射层，反射层和镜像层，假设发射点位于空间平面中的发射层，反射点位于空间平面的反射层，那么必有镜像层的镜像点位于与发射层和反射层相平行的空间层面，发射点相对于反射面的镜像点与接收点间连线与反射面的焦点，该点即为反射点实际位置。
4.一种基于三维地图的大功率台站开场测试***的测试方法，其特征在于，该基于三维地图的大功率台站开场测试***的测试方法的通过空间传播损耗分析模块和接收端模块以及发射机估算模块进行测试计算出被测发射机的功率，具体步骤如下：
S1：发射端模块，确定发射端的天线增益Gt：实际使用的台站都不会是一个在任意方向的增益都均匀的理想发射点源，因此需要考虑天线增益的不圆度，通过查询台站的天线数据得到天线的最大增益方向，再根据发射点和接收点之前的位置关系计算出接收点与天线的最大增益方向的夹角，所述的夹角包括水平方向和垂直方向夹角，然后根据天线出厂的增益数据进行修正，得到接收点方向的天线增益Gt；
S2：空间传播损耗分析模块，计算空间传播损耗：结合三维地图，通过镜像法找出所有可能存在的有效反射点，从而得出所有有效的反射路径，遍历直射路径和所有反射路径，假定发射源的发射场强，遍历计算每条路径到接收点处的场强，计算出每条路径到达接收点处的场强的矢量叠加，得到接收点的总场强，从而计算出发射点到接收点的空间损耗Lspace；
S3：接收端模块，确定接收天线增益Gr：接收天线是已知参数天线，计算时补偿接收天线的馈线损耗，计算出接收天线增益Gr；
S4：发射机估算模块：根据以上计算值进行计算被测发射机的功率Pt。
5.根据权利要求4所述的一种基于三维地图的大功率台站开场测试***的测试方法，其特征在于：
所述步骤S1中发射端的天线增益Gt根据下列公式计算：
Gt＝Ltant-Ltcable；
Ltant为发射端天线的实际增益；
Ltcable为发射台站馈线损耗。
6.根据权利要求5所述的一种基于三维地图的大功率台站开场测试***的测试方法，其特征在于：所述步骤S2中空间传播损耗分析模块根据下列公式计算：
<mrow> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>p</mi> <mi>a</mi> <mi>c</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mn>20</mn> <mi>lg</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mfrac> <mi>&amp;lambda;</mi> <mrow> <mn>4</mn> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>o</mi> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <mo>|</mo> </mrow> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>E</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>|</mo> </mrow> </mfrac> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
Etotal为接收点的总场强值；
λ为波长；
Et为任意假设***发射场强值。
7.根据权利要求6所述的一种基于三维地图的大功率台站开场测试***的测试方法，其特征在于：所述步骤S3中接收端的天线接收口的场强值根据下列公式计算：
Psys＝Pr-Lrant+Lrcable
Pr为接收端场强值；
Lrant为接收天线的增益；
Lrcable为接收天线的馈线损耗。
8.根据权利要求7所述的一种基于三维地图的大功率台站开场测试***的测试方法，其特征在于：
所述步骤S4中被测发射机的功率根据下列公式计算：Pt＝Psys+Lspace-Gt。
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