基于三维抛物方程的无线电环境地图构建方法研究

摘要

随着科技的发展和进步，无论军事、民用角度，还是全球、局部方面，人们对于所处环境位置信息的感知，愈发成为不可或缺的一部分。通过分析三维环境下的电波传播特性，构造无线电环境地图(Radio Environment Map, REM)，实现电磁环境可视化，能够更高效地完成频谱监测、基站部署和网络优化等工作。　　无线电环境地图可通过逐点采样法构建和传播预测法构建，逐点采样法通过对网格点逐个采样，在多次采样平均后构建地图。传播预测法在对部分网格点采样后，通过空间插值法构建地图，采样数据和空间插值方法对精度有关键的影响，后者在保证较高精度的同时，能够大大缩短建立无线电环境地图的时间和成本。　　抛物方程(Parabolic Equation, PE)是由波动方程推导而来的，属于电波传播分析方法中的确定性模型。PE在研究电波传播过程中，考虑了电波的折射和绕射，这一特点能准确分析电磁波在不规则地形和空间不均匀情况的传播特性；同时，在求解对流层大区域复杂环境的电波传播问题时，采用分步傅里叶变换(Split-step Fourier Transform, SSFT)后，可以极大的提高计算速度。　　因此，利用抛物方程方法，在保证较高精度的同时，可以快速、高效的构建无线电环境地图。本文利用空间插值算法，构造基于三维抛物方程的无线电环境地图主要工作如下：　　第一，实现了抛物方程求解场在三维环境下的可视化。首先，提取三维数字地球软件的影像、高程数据，利用地形屏蔽法，建立了三维抛物方程求解电波传播的环境模型；然后，通过三维抛物方程提取了不同观察面的空间场；最后，利用图层原理，对空间计算场实现三维真实环境下的可视化。　　第二，分析了多种类型的克里金插值方法、不同权重系数的反距离加权法和几种基于Delaunay三角形的空间插值算法，得出了几种适合构建本文无线电环境地图的空间插值方法。　　第三，利用空间插值方法，对无线电环境地图性能进行分析。首先，参考地理学中地形起伏度概念，确定大区域无线电地图构建的最佳采样单元；然后，分析了最佳采样单元构建REM内的最小采样点数；最后，以RMSE、MAE、时间和拟合曲面为衡量标准，分析了四种典型单元下空间插值方法的REM性能，得到指数模型普通克里金法能以最高精度、最优拟合效果实现基于三维抛物方程的无线电环境地图构建。同时该方法能够以更快的时间、更少的资源和较高的精度实现局部区域抛物方程的细网格剖分。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.3 论文的主要工作与结构安排

第2章 三维抛物方程的基本理论

2.1三维抛物方程的建立

2.2 三维抛物方程的求解

2.3 三维抛物方程初始场的设置

2.4 三维抛物方程吸收边界条件

2.5 本章小结

第3章 空间插值算法原理及其性能分析

3.1 克里金插值法

3.1.1 克里金法原理

3.1.2 克里金法求解

3.1.3 实例性能分析

3.2 反距离加权插值法

3.2.1反距离权重法原理

3.2.2反距离权重法权重系数分析

3.3 其他插值方法

3.4 插值精度衡量指标

3.5 本章小结

第4章 三维电磁环境的构建及可视化研究

4.1传播环境模型的构建方法

4.1.1 数字地图数据提取

4.1.2 不规则地形处理

4.1.3 传播环境计算区域设置

4.2 三维电磁环境地图可视化研究

4.2.1 真实地理环境构建方法

4.2.2 三维电磁场分布可视化研究

4.3 本章小结

第5章 基于空间插值的无线电环境地图构建方法

5.1 最佳采样单元的确定

5.2 最小采样点数的选择

5.3 空间插值法性能分析

5.3.1 插值误差与时间对比

5.3.2 插值拟合程度对比

5.4 无线电环境地图构建的实例分析

5.5 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及承担的科研项目