廣播電視無線覆蓋場強預測系統(tǒng)設計要點

廣播電視無線覆蓋場強預測系統(tǒng)設計要點

 

文/劉婷婷

 

本文主要是在廣播電視無線覆蓋基礎知識上，通過研宄ITU-R P.1546建議書，從中提煉計算模型，并且融合GIS技術(shù)，借助Google Maps API 開發(fā)平臺，設計并且開發(fā)出基于 ITU-RR1546 建議書的廣播電視無線覆蓋場強預測模型軟件系統(tǒng)。在無線覆蓋場強預測工作中將 Google Maps API引入，這樣，既避免了大型GIS系統(tǒng)昂貴的成本問題，還使得界面顯示變得更加簡單直接，并且，將枯燥繁瑣的數(shù)學計算隱藏到背后，大大的方便了使用者，用戶體驗也隨之提升。

 

【關(guān)鍵詞】廣播電視無線  覆蓋場強 預測 設計

 

目前來說，廣播電視無線的發(fā)射頻段主要使用的是VHF(米波)以及UHF(分米波)，頻率在 48.5MHz~791.25MHz 區(qū)間，屬于廣電專用的發(fā)射頻段。無線電波的主要傳播方式是依靠直線傳播的空間波進行的，然而，在實際的傳播路徑中，該波容易受到地形等因素影響，如山峰、湖泊、森林等。天氣現(xiàn)象，四季交替，甚至一天內(nèi)早晚的溫差，都會對無線電波的傳播帶來影響，從而帶來電波散射、繞射作用等；接收端接收到的信號是來自多條路徑的，而且，在另一方面有時候會出現(xiàn)延時、相位差等原因引起的快衰落，信號場強中值變化引起的慢衰落，移動接收時“多普勒效應”導致的頻率偏移等問題。總而言之，各種各樣的因素使得電波場強變化極為復雜，這給廣播電視無線發(fā)射覆蓋場強的預測帶來諸多不便，使得有效的覆蓋區(qū)域、覆蓋面積、覆蓋人口很難進行準確的掌握，這就會直接影響到廣播電視無線覆蓋工作的規(guī)劃以及建設。

 

Google Maps API 作為業(yè)界成熟的 WEB GIS 產(chǎn)品，它具有豐富的應用接口，用戶可以通過使用 java script 腳本語言，進行編程，從而使大多數(shù)的應用需求得到滿足，在本文中，主要對 Google Maps API 的以下功能進行了介紹：在 GIS 地圖上做標記、GIS 地圖的導航和鷹眼功能、圖層類型的切換、海拔數(shù)據(jù)的讀取等。軟件內(nèi) Google Maps API 的功能應用，主要表現(xiàn)在以下方面：①通過保存在本地數(shù)據(jù)庫中的臺站經(jīng)度以及緯度信息，可通過調(diào)用Google Maps API 接口，在地圖上顯示臺站標記，該操作是Google Maps API的Marker操作；②當完成覆蓋計算后，以臺站為中心點，在周邊 360 度各個方向上，例如每隔 5 度的方向上計算覆蓋點，那么就一共需要計算出72個點，然后將 72 個點依次序連接，最后所形成一個多邊形，將這個多邊形送至地圖上顯示即為所需覆蓋圖，這是 Google Maps API 的 Polygon 操作。

 

1 Google Maps API開發(fā)平臺簡介

 

該開發(fā)平臺是美國 Google 公司為廣大開發(fā)者提供的 Maps 的編程 API，在該平臺內(nèi)，嵌入了 iframe 的展現(xiàn)形式，他能在許多互聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)中都能使用。而且這個平臺能在開發(fā)者不建立自己的地圖服務器的前提之下，將谷歌地圖數(shù)據(jù)嵌入到自己的應用系統(tǒng)之中，但是在開發(fā)的時候，開發(fā)者需要使用標準的 java腳本進行程序的開發(fā)。開發(fā)者經(jīng)過編程開發(fā)出來的結(jié)果，與標準的谷歌地圖在使用上并無區(qū)別，而且，還能借助谷歌地圖的數(shù)據(jù)為使用其開發(fā)結(jié)果的人們提高相應的位置服務。在開發(fā)中，開發(fā)者能在基于交通、物流、社交、等許多功能上做出來許多應用。該平臺的最新版本為Google Maps java script API v3.9，在每天生成的地圖的加載低于 25000 次時，用戶可以免費使用。目前為止，該平臺主要提供以下功能： 

 

（1）在地圖上對地理坐標等信息做出標記。

 

（2）可以對交通圖、衛(wèi)星圖、地形圖等幾個圖層間進行切換。

 

（3）可以根據(jù)需要對地圖進行縮放以及拖動。

 

（4）可以獲取所需要的地理位置的海拔高度。

 

（5）可以根據(jù)需要查看街景地圖。

 

谷 歌 地 圖 還 具 有 TERRAIN、ROADMAP、HYBIRD、SATELLITE 等 圖 形顯示模式，其中，第一種顯示模型為3D地形，比較直觀，是系統(tǒng)默認的顯示模式。

 

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計

 

在設計本系統(tǒng)時，所采用的軟件開發(fā)應用平 臺 是 Delphi 2010+java script+SQL Server，本系統(tǒng)的設計是綜合了廣播電視無線覆蓋技術(shù)、JAVA、數(shù)據(jù)庫、地理信息系統(tǒng)以及Delphi 等各個領域的相關(guān)知識，是一個跨學科的綜合型應用。在系統(tǒng)的設計時，首先考慮到的是用戶的操作和體驗，所以基于此，系統(tǒng)的結(jié)果為 C/S 結(jié)構(gòu)，同時該系統(tǒng)的核心便是ITU-R P.1546 建議書。該系統(tǒng)的功能關(guān)系如圖1。

 

根據(jù)圖 1，明顯可以看出，數(shù)據(jù)提高的源頭，就是臺站的基本信息，數(shù)據(jù)的容器就是數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行加工的是預測模型，最后產(chǎn)品的展示平臺就是Google Maps。

 

在該系統(tǒng)的功能上，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

 

（1）可以對站臺基本信息進行管理，這些基本信息主要是經(jīng)緯度以及海拔高度等。

 

（2）完成對場強覆蓋預測的計算，這個功能主要是通過建立預測模型實現(xiàn)的。

 

（3）滿足 ITU-R P.1546 建議書中對場強覆蓋預測模型的要求，這一點是通過對Google Maps 基本功能控制，最后拓展其 GIS功能而實現(xiàn)的。該系統(tǒng)的設計具有層次分明、各個小模塊之間的功能界定十分明確，整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向十分清晰明了。在該系統(tǒng)的操作界面設置方面，采用在界面左側(cè)放置TreeView控件的方式實現(xiàn)，而在系統(tǒng)的右側(cè)，則防止了Google Maps，整個控件的層次十分清楚，共有地市、縣級、發(fā)射臺站、發(fā)射機一共四個節(jié)點，結(jié)構(gòu)分明；使用鼠標對目標地點進行雙擊可以實現(xiàn)對目標區(qū)域的縮放，按住鼠標左鍵可以實現(xiàn)對地圖的拖動，操作簡單便捷。

 

3 系統(tǒng)的模塊設計

 

3.1 臺站管理模塊的設計

 

模塊的功能是主要實現(xiàn)對無線發(fā)射臺站的基礎數(shù)據(jù)的管理，本省境內(nèi)一共有 400 多座各類廣播電視發(fā)射臺站，而且這個數(shù)字還在逐年遞增，在每個臺站上，還配備了多部工作頻率不同的發(fā)射機，現(xiàn)在，在該系統(tǒng)中引入了臺站的管理功能，這樣一來就實現(xiàn)了對臺站管理的GIS的可視化操作，這為多部發(fā)射機無線覆蓋圖的生成打下了基礎，可以實現(xiàn)對全省范圍內(nèi)的曲線覆蓋預測圖的繪制。

 

這個模塊在功能上主要包括了臺站類型、臺站的基本信息、臺站主要負責人的姓名以及聯(lián)系方式、站臺的經(jīng)緯度、站臺的海拔高度以及臺站內(nèi)發(fā)射機的管理等各個方面的功能，在結(jié)構(gòu)設計上，系統(tǒng)用戶可通過此模塊的使用完成對站臺的信息的添加或者編輯。無線發(fā)射臺的類型一般有調(diào)頻發(fā)射臺、電視發(fā)射臺、中波發(fā)射臺等 3 類，一般的臺站只能發(fā)射單一類型的節(jié)目，但是還有另一些發(fā)射臺可以發(fā)射兩種以及兩種以上類型的節(jié)目，這種情況下，就要根據(jù)發(fā)射機的工作參數(shù)來確定發(fā)射站臺的類型。

 

臺站的基本信息僅僅是儲存在系統(tǒng)里，為了方便查詢。而臺站的地理信息參數(shù)等是技術(shù)參數(shù)，如臺站的經(jīng)緯度、海拔高度等，這些參數(shù)參與了題圖的顯示以及預測圖的計算生成，某臺站的經(jīng)緯度以及海拔高度可以在系統(tǒng)內(nèi)輸入中，便可以實現(xiàn)對另一種信息的查詢，二者可以互相驗證。

 

發(fā)射機信息的管理功能，主要是可以實現(xiàn)對該臺站下各發(fā)射機、天線以及同軸饋管工作參數(shù)的統(tǒng)一管理。在這個部分，發(fā)射機的參數(shù)，尤其是天饋線參數(shù)信息是進行場強覆蓋預測計算的主要以來參數(shù)，這些參數(shù)主要有天線類型、極化方式、方向性、天線增益、饋線長度、饋線損耗等。參數(shù)中，饋線長度、饋線的類型等參數(shù)與饋線的損耗相關(guān)，這些參數(shù)都決定著饋線的損耗的大小，表 1 為常用的天線增益表；其中天線的類型、方向性與極化方式與增益相關(guān)。

 

3.2 GIS操作模塊設計

 

本系統(tǒng)在設計時采用的平臺為 Google Maps API平臺，這個平臺具有許多編程接口，在設計時可以通過 JavaScrip 腳本語言，最終可以實現(xiàn)大多數(shù)的功能應用，以下功能將在本文中得到體現(xiàn)：（1）在地圖上做個性化的標記，比如地圖上的點以及地圖上的多邊形都可以是用戶標記的對象；（2）用戶可以對交通圖、衛(wèi)星圖、地形圖進行圖層間的切換；（3）雙擊地圖可以實現(xiàn)對該點的縮放，按住鼠標不放可以實現(xiàn)對地圖的拖動；（4）可以獲取坐標位置的海拔高度。

 

除此之外，如果用戶還有其他的更多的要求，那么就要通過 Google Maps API 的二次編程開發(fā)，實現(xiàn)其他功能的拓展，如鼠標光標在地圖上時，就顯示該點的經(jīng)緯度以及海拔高度等等更加高級的附加功能。

 

但是，Google Maps 在更加深刻的 GIS 功能的分析和操作上并沒有優(yōu)勢，遠遠沒有專業(yè)的GIS平臺等操作以及分析功能強大豐富。在該系統(tǒng)中，為了達到滿足ITU-RP. 1546建議書的要求，要在具體系統(tǒng)最終具體實現(xiàn)進一步擴充Google Maps API的GIS計算功能，舉例說，可以在已知某個點的經(jīng)緯度的情況下，計算求解在某個方向、距離該點一定距離的另一點的經(jīng)緯度。

 

在該系統(tǒng)啟動時，可以設定經(jīng)緯度的限定值，這樣一來，系統(tǒng)就自動不加載輸入經(jīng)緯度之外的地圖。當?shù)貓D成功加載后，使用者可以通過移動鼠標、拖拉實現(xiàn)對地圖的漫游，可以通過滾輪混著界面上的“+”、“-”符號對地圖進行縮放，在地圖為達到最大程度時，還可以雙擊鼠標對地圖進行放大。如需要對圖層的切換，可以點擊鼠標的右鍵，或者通過菜單選項實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)設置好的幾種圖層的切換，

 

3.3 覆蓋計算模塊的設計

 

覆蓋預測計算模型在 ITU-R P.1546 建議書（下稱“建議書”）中有明確的描述，本文主要是在理解上述建議書的基礎之上，再結(jié)合廣播電視無線覆蓋的實際工作，實現(xiàn)從模型到程序代碼的轉(zhuǎn)換，并且使其做最后可以在相關(guān)地圖平臺上顯示出來。簡而言之，就是要實現(xiàn)建議書以及Google Maps API 的綜合應用。在建議書中，需要輸入的計算參數(shù)一共多達 11 個，在本文中，設定幾個參數(shù)作 為 常 量， 其 中 Path= 陸 地，Time=50%，Location=50%。為了行文方便，在本文中將不再對其他參數(shù)對場強預測值的影響。本文的核心就是場強覆蓋的計算部分，這個部分也是軟件功能可以實現(xiàn)的關(guān)鍵所在，該系統(tǒng)的主要功能就是從數(shù)據(jù)庫中獲取臺站信息表中的位置信息；從發(fā)射機信息參數(shù)表中獲取功率、天線增益、饋線損耗等參數(shù)；通過Google Maps API 獲取發(fā)射點周圍地形的地理信息數(shù)據(jù)；最終將這些信息全部送入建議書中提取出來的場強計算模型中，逐點對以發(fā)射點為中心的 360°范圍內(nèi)能都達到預定覆蓋場強邊界值得各個點，最終會形成一個閉合的曲線，并在 Google Maps 地圖上將形成的覆蓋圖顯示出來。

 

在計算覆蓋場強中，一般用到以下兩種方法：

 

3.3.1射線法

 

該方法計算中，以發(fā)射點為中心點，在具體給定的方向上做射線一條，然后沿著該射線找出來滿足覆蓋場強條件的所有邊界點。在實際的計算中，一般都有計算精度的要求，所以在計算時，可以設置每隔 10°或者每隔 5°做出多條射線出來，之后沿著每條射線分別找出滿足符合條件的邊界點，最后一步，將這些點連接起來，形成一個閉合的曲線，這個圖形就是要求的場強覆蓋區(qū)域。

 

3.3.2 柵格數(shù)據(jù)計算法

 

該計算是基于柵格數(shù)據(jù)的，原理是利用柵格數(shù)據(jù)為矩形陣列的特點，在該計算方式中，適宜無線臺站為中心的，做出一個長度為 2 倍服務距離的正方形，然后，將該正方形分成許多小的方格，這些方格的大小業(yè)余所要求的計算的精度有關(guān)系，一般來所，取 100m、500m等，在計算時，分別要計算每隔小方格中心點的覆蓋場強預測值，并且，將這個結(jié)果作為整個小方格的取值，完成計算后，將所有小方格進行分類，分類的依據(jù)就是場強預測值的不同，然后對小方格進行填充顏色，得到不同場強預測值的效果圖，這樣顯示出來的結(jié)果就極為直觀。但是這個方法有個缺點，就是計算量太大，在實際的操作中需要更強大的算法對其進行實現(xiàn)。

 

在本文中，選擇了第一種計算方法，也就是射線法，計算精度是去方位角上每5°的間隔，最終生成的圖形中，一共有72條射線。

 

3.4 輔助工具模塊的設計

 

建議書中所提供的預測模型與臺站上周邊的地形關(guān)系很大，所以在進行計算時，經(jīng)常需要海量的海拔高度數(shù)據(jù)，同時為了避開Google Maps 的免費使用的加載上限次數(shù)，還要避開在線獲取海拔高度數(shù)據(jù)的時間延遲，使得系統(tǒng)的響應時間得到進一步的提升，在該模塊的設計時，采用了一個站臺在注冊之后，首先要在系統(tǒng)的輔助工具菜單項下進行操作，主動抓取周邊的海拔高度數(shù)據(jù)，并且將這些數(shù)據(jù)存儲在本地的數(shù)據(jù)庫中。這種做法的優(yōu)點是可以提高計算時的速度，而且在另一個方面避開了 Google Maps 的數(shù)據(jù)流量限制；但是該方式的缺點是在臺站建站之后，需要花一定的時間進行對其周邊海拔高度把數(shù)據(jù)的抓取，并不能立即實現(xiàn)計算。所以該部分功能要通過輔助工具進行實現(xiàn)。這個模塊主要有臺站 h1 數(shù)據(jù)查核、獲取臺站周邊海拔信息兩個部分組成。關(guān)于臺站 h1 數(shù)據(jù)核查中，主要考慮的是陸地的傳播路徑，當d ≥ 15km是，就有      h1=heff                 d ≥ 15km其中，heff 為發(fā)射天線的有效高度，一般定義為從發(fā)射天線到接收天線方向上 3-15km,超出地表面平均地形高度之上的天線高度，單位是 m。該功能主要是計算臺站周邊 360°范圍內(nèi)heff的值，當新增加臺站后，首先要進行此項操作，計算并且將結(jié)果保存在本地的數(shù)據(jù)庫中。

 

關(guān)于站臺周邊的海拔高度數(shù)據(jù)。這個模塊也是主動對臺站周邊 360°范圍內(nèi)一定距離的臺站的海拔高度數(shù)據(jù)，距離間隔為 1km，在抓取成功后，也是講所得的結(jié)果保存在本地的數(shù)據(jù)庫中。可以在以后進行計算式調(diào)用計算。

 

4 功能的實現(xiàn)

 

4.1 系統(tǒng)開發(fā)平臺的搭建

 

在進行系統(tǒng)開發(fā)平臺的搭建時，軟件系統(tǒng)開發(fā)平臺為 Windows 2007，Google Maps API V3， SQL Server 2010；開發(fā)工具選用 Delphi 2010，腳本語言為java script。

 

首先需要在 Delphi 2010 中安裝第三方控件 EmbeddedWB，EmbeddedWB 實際上是一個開源共享的瀏覽器的掛件，是由 BSALSA組織開發(fā)的，其實只是在 Webbrowser 控件的基礎之上進行二次開發(fā)，實現(xiàn)功能的能力相對說較為強大。限于篇幅，這里就不在對 Delphi 2010中EmbeddedWB的安裝方法進行贅述了。

 

4.2 覆蓋預測計算

 

在進行廣播電視無線覆蓋場強的預測計算時，需要在界面中輸入覆蓋計算參數(shù)，參數(shù)有“覆蓋場強”、 “發(fā)射功率”、 “天線增益”、“饋線損耗”等需要輸入界面，最后這四項參數(shù)可以將覆蓋邊界的門限場強值進行計算，計算公式為：

 

覆蓋邊界門限場強值 Elimit= 覆蓋場強 -（log（發(fā)射功率）+天線增益- 饋線損耗）。本系統(tǒng)中，使用了射線法計算覆蓋場強，也即是說要尋找每條從臺站出發(fā)的射線上場強值與門限場強值最為接近的點，為了家少計算的量，可以依照經(jīng)驗預先設置一個距離值，然后根據(jù)該點的計算值以及邊界門限場強值的差對距離值進行調(diào)整，一直到找出來與邊界門限場強值Elimit最為接近的距離值。

 

再進行計算之前，還需要先將 ITU-R 第三研究組提供下載的場強預測計算表格轉(zhuǎn)換，并且導入本地的 SQL 數(shù)據(jù)庫中，并且需要將表格命名為 tFieldStrength 2。

 

可定義函數(shù) FunGetFSFromTable 來讀取tFieldStrength 表中的數(shù)據(jù)，函數(shù)格式聲明為：Function FunGetFSFromTable： 其 中 tmpFreq為頻率f的參數(shù)，tmpDistance為距離參數(shù)d的參數(shù)，tmpAveHeight為天線有效高度h1參數(shù)。

 

5 結(jié)束語

 

我國在 2007 年，有廣電總局以及測繪科學研究院聯(lián)合開發(fā)了一套廣播電視無線覆蓋場強的網(wǎng)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了覆蓋范圍預測、基本的干擾計算和分析的功能，但是可供使用的范圍很窄，衛(wèi)星影像地圖的分辨率也較低，做出的圖并不理想。本文在在廣播電視無線覆蓋基提煉計算模型，融合 GIS 技術(shù)，借助 Google Maps API幵發(fā)平臺，開發(fā)基于ITU-RR1546建議書的廣播電視無線覆蓋場強預測模型軟件系統(tǒng)。希望為我國的廣播電視無線覆蓋場強預測事業(yè)做出貢獻。

 

參考文獻

 

[1]許紅英.廣播電視無線覆蓋場強預測研究[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2013(05).

 

[2]白慧東.廣播電視無線覆蓋區(qū)域地理化綜合信息軟件研究[J].西部廣播電視 ,2012(12).

 

[3]韓健，李青元，朱華華.基于GIS的農(nóng)村廣播電視無線覆蓋工程管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].測繪與空間地理信息 ,2009(05).

 

[4]李曉飛，夏士苗.廣播電視無線覆蓋區(qū)域地理化綜合信息處理軟件的開發(fā)與應用[J]. 廣播與電視技術(shù)，2007(6).

 

[5]楊學哲.廣播電視數(shù)字化檢測車總體設計與實現(xiàn) [J]. 廣播與電視技術(shù) ,2009(5).

 

[6]曹斌.廣播電視無線發(fā)射臺遠程自動化監(jiān)測系統(tǒng)介紹 [J]. 視聽 ,2008(5).

 

[7]唐東興.廣播電視覆蓋網(wǎng)管理技術(shù)初探[J]. 魅力中國 ,2009(5).

 

[8]馮喜增，吳必.地理信息系統(tǒng)（GIS）在廣播電視覆蓋網(wǎng)中的應用[J].廣播與電視技術(shù)，1996(10).

 

[9]范榮雙.基于GIS的廣播電視覆蓋網(wǎng)管理技術(shù)研究 [J]. 測繪科學 ,2007(7).

 

[10]余朝雄.淺談廣播定時覆蓋網(wǎng)規(guī)劃管理技術(shù) [J]. 無線互聯(lián)科技 ,2012(9).

 

[11]姚志恒.地理信息系統(tǒng)的廣播電視覆蓋網(wǎng)管理技術(shù) [J]. 西部廣播電視 ,2013(12).

 

作者簡介

 

劉婷婷（1980-），女，土家族，湖南省長沙市人。現(xiàn)為湖南廣播電視臺覆蓋傳輸中心助理工程師。研究方向為電子工程。

 

作者單位

 

湖南廣播電視臺覆蓋傳輸中心　湖南省長沙市　410003