短波天波傳播損耗預(yù)測的計算機仿真

攸 陽,李書杰,姜志勇

(海軍司令部通信部,北京100841)

0 引言

短波傳播的基本方式有地波傳播和天波傳播2種。受傳輸距離的限制,短波傳播主要還是靠天波來實現(xiàn)的。天波就是指從電離層反射或散射后回到地球表面的無線電波。天波傳播電離層反射信道屬于時變色散信道,具有時間、頻率和空間3種選擇性的衰落,其模型主要是基于實測與經(jīng)驗(或修正經(jīng)驗)的統(tǒng)計預(yù)測模型。

國外相關(guān)機構(gòu)開發(fā)了幾種預(yù)測軟件,如IONCAP、ICEPAC和PropMan等,但其核心技術(shù)是不公開的,目前國內(nèi)在短波工程上仍沿用的是以查圖查表手工計算為主的方法。本文利用CCIR模型,結(jié)合我國環(huán)境特點及地理信息,利用Matlab與數(shù)據(jù)庫的聯(lián)合編程技術(shù),實現(xiàn)了短波傳播路徑損耗預(yù)測的全程計算機化。

1 預(yù)測模型選擇

為了能夠?qū)Χ滩▊鞑ゾ€路進行預(yù)測和計算,國際電信聯(lián)盟無線電通信大會(ITU-R)即原無線電咨詢委員會(CCIR)曾先后提出了3個獨立的估算短波天波場強的方法,即基于報告252、報告252補編和報告894的方法。本論文中采用的方法主要基于報告894方法。報告894方法包括2部分:頻率預(yù)測部分和場強計算部分。頻率預(yù)測部分是根據(jù)國際電信聯(lián)盟提供的Oslo系數(shù),利用數(shù)字圖法求出電離層特性參數(shù)f0F2和m(3000)F2,以此得到相應(yīng)的E層和F層各模式的基本最高可用頻率(MUF)和路徑的工作可用頻率(FOT);場強計算部分則考慮了各種傳輸損耗以及多徑效應(yīng),計算了接收區(qū)內(nèi)信號的中值場強。盡管信號是由中值和瞬時值聯(lián)合表征的,在短波通信體系中,接收信號存在著嚴(yán)重的衰落,場強的瞬時值會隨著時間和空間的延續(xù)而快速起伏,這對于欲了解短波通信長時間穩(wěn)定的場強情況,是不具備預(yù)測意義的,只有中值場強是一個唯一有效的表征量。在通常意義下,場強預(yù)測即指的是信號場強中值的預(yù)測。

根據(jù)CCIR的預(yù)測模型,短波天波傳播過程中的傳輸損耗主要分成5個部分:自由空間基本傳輸損耗Lbf;電離層的吸收損耗Li;地球表面的反射損耗Lm;頻率高于基本MUF傳播的損耗Lg;額外系統(tǒng)損耗Yp。

2 計算機實現(xiàn)

計算機實現(xiàn)主要包括數(shù)據(jù)庫的建立和計算程序的編寫2個步驟。

2.1 數(shù)據(jù)庫的建立

路徑損耗預(yù)測的計算機實現(xiàn)首先須具備數(shù)字化的地理信息與傳播參數(shù)。在無現(xiàn)成的基本參數(shù)圖表資料情況下,要通過計算來獲得;若有現(xiàn)成的基本參數(shù)圖表資料,可將其數(shù)字化。這些參數(shù)包括收發(fā)信地理位置、大圓路徑中點、磁旋頻率、太陽天頂角、太陽黑子數(shù)和反射地面情況等。最后獲得的數(shù)據(jù)要做成數(shù)據(jù)庫,以便為系統(tǒng)調(diào)用。在本文中,數(shù)據(jù)庫采用Acess制作。

獲取數(shù)字化的資料是計算機處理的前提和基礎(chǔ),也是本文中要解決的一個重要問題。目前的有關(guān)短波電波傳播的參數(shù)數(shù)據(jù)都是記錄在紙上的一些曲線圖或者圖紙,要對這些資料重新處理,首先就要進行數(shù)字化。采取的辦法是對圖紙的掃描圖像進行數(shù)字交互式采樣,求出曲線上的坐標(biāo)點。然后,在計算機上對數(shù)據(jù)曲線進行插值和曲線擬合,可恢復(fù)出原來的數(shù)字化的曲線,并達到很高的精度。在交互式采樣中,有多種程序設(shè)計工具選擇,Matlab工具箱提供了豐富的圖像輸入、處理及輸出函數(shù),非常適合用于圖紙的數(shù)字化。

2.2 計算程序的編寫

計算程序是計算機實現(xiàn)的核心部分。通過程序調(diào)用數(shù)據(jù)庫,按照短波天波傳播的數(shù)學(xué)模型及算法,以Matlab語言為開發(fā)平臺,在機上完成損耗的預(yù)測及場強的估算,并輸出結(jié)果。其中的關(guān)鍵技術(shù)為:①覆蓋區(qū)域的網(wǎng)格化:要進行區(qū)域內(nèi)的參數(shù)數(shù)據(jù)預(yù)處理和損耗及場強的計算,必須要將區(qū)域分成網(wǎng)格、逐點量化、數(shù)據(jù)逐個處理,這些都主要依靠Matlab強大的的矩陣運算和數(shù)據(jù)處理功能完成;②輸出結(jié)果的可視化:由Matlab語言強大的圖形繪制功能所支撐。計算出區(qū)域內(nèi)所有點的場強值,進而畫出等值線分布圖等結(jié)果。

3 仿真結(jié)果

為說明算法的可靠性,給出了對一條固定通路和多接收點場強分布的仿真結(jié)果。

3.1 對一條固定通路的仿真

以北京-武漢短波通路為例,對一條基本參數(shù)已給出的固定通路進行計算。路徑基本參數(shù)為:通信時間為1月12:00(正午);太陽黑子數(shù)0;大圓路徑中點(115.1°E,34.0°N),太陽天頂角 55°,磁旋頻率1.32MHz。輸入功率26 dB(相對于1W),發(fā)射天線增益15 dBi。

經(jīng)計算,北京-武漢間大圓路徑距離為1 051 km,因此傳播模式為1E及1F。E層模式仰角9.6°,F2層模式仰角28.3°,可以看出,采用 1E模式傳播時,輻射仰角很小,此時必須采用具有小角度輻射方向性的天線,具體對于短波天線,最好的辦法就是采用架高天線,或者將天線假設(shè)在向前傾斜的山坡上,以降低仰角。自由空間基本傳輸損耗Lbf與工作頻率和大圓距離有關(guān),Lbf與工作頻率的關(guān)系如圖1所示,總的Lbf應(yīng)由E層模式和F2層模式疊加?？梢钥闯?自由空間基本傳輸損耗是隨著頻率的增高而增高的。

圖1 自由空間基本傳輸損耗

電離層的吸收損耗與工作頻率的關(guān)系如圖2所示,可以看出,電離層的吸收損耗是隨著頻率的增加而減小的。資料表明,除高仰角外,一跳F層模式的穿透吸收常小于1 dB,因此對于F層的穿透吸收未做考慮。本方法中也未考慮反射吸收的影響,因為它僅在有限的反射區(qū)域附近才顯得重要,而這是也是一種傳輸模式很快的轉(zhuǎn)到另一種傳輸模式的時候。由于本路徑內(nèi)電波傳播只有一跳,因而無地面的反射損耗。

接收點場強中值結(jié)果如圖3所示。其中場強中值的計算結(jié)果做如下處理:如存在2個以上傳播模式的場強時,應(yīng)選最大的一個做為接收天線輸入端的場強。因此,在上述計算中,應(yīng)選1E模式作為到達接收天線輸入端的場強。

圖2 電離層吸收損耗

圖3 接收場強中值

3.2 多接收點場強分布的仿真

在實際通信工作中,對給定區(qū)域內(nèi)每個接收點的場強中值進行估算,是一項非常耗時且費力的工作,且結(jié)果不夠清晰、直觀。但用常規(guī)方法要完全分析和整理這些數(shù)據(jù),尋找出相應(yīng)的場強變化規(guī)律是十分困難的,實現(xiàn)計算結(jié)果的可視化成為關(guān)鍵的因素。利用Matlab數(shù)據(jù)可視化技術(shù),對短波線路計算結(jié)果進行可視化處理,可以得到給定天線覆蓋區(qū)域每點場強大小的預(yù)測值。

基本參數(shù)設(shè)置為:雙極天線作為發(fā)射天線;架設(shè)高度12 m,單臂長 10 m;工作頻率 15 MHz;時間為1月10:00;太陽黑子數(shù)100;輸入功率 1.6 kW;饋線損耗1.2 dB,輻射效率80%,發(fā)射天線位置是東經(jīng)116.4°,北緯 39.9°(北京);最大輻射對正北的指向是0°(天線最大輻射方向?qū)χ?。為直觀起見,本文選擇了輸出圖形為二維等值線圖形,如圖4所示。

圖4 天線覆蓋區(qū)場強中值

3.3 檢驗

實際情況中,由于電離層和氣象等不可估計的影響,電波傳播會出現(xiàn)各種變化,與預(yù)測值可能有一定的差距。受實驗條件的限制,本文尚不具備能夠進行場強實際測量的條件,但可以將仿真輸出的結(jié)果與專家經(jīng)驗計算數(shù)據(jù)相比較,比較結(jié)果可信度較高能夠滿足工程計算和仿真的需要。

4 結(jié)束語

本文對短波天波傳播損耗預(yù)測的全計算機化處理軟件,可以為短波通信臺站最優(yōu)化設(shè)計、通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及通信的決策支持、宏觀管理提供有力的依據(jù)。對于其他波段,仍可參照本論文的思想方法進行建模和仿真。

進一步的工作可以考慮:①如條件允許,應(yīng)在實測的基礎(chǔ)上對模型進行相應(yīng)的改進;②精算精度仍有提高的余地,如將覆蓋區(qū)域網(wǎng)格化更細(xì),考慮更多的電波損耗等(但過高的精度已無必要,因為短波信道本身就是隨參信道,隨機性變化通常比較大)。將以上因素考慮進去,將為今后的短波通信工作提供更加完美的仿真與計算環(huán)境。

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