短波天波通信鏈路計算模型研究

王 琴， 黃金權

（海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033）

0 引言

遠距離短波通信可用較小的功率實現(xiàn)遠距離乃至全球范圍的通信，其通信設備簡單，抗毀能力強，廣泛應用于政府、氣象、商業(yè)等部門，用以傳送語音、文字、圖像、數(shù)據(jù)等信息[1]，尤其在海軍岸艦通信中應用的最為廣泛。短波天波電離層反射信道是一種時變的色散信道，其工作頻率是不能任意選擇的，必須經(jīng)過通信鏈路計算，確定在一定時空條件下的工作頻率，對通信覆蓋區(qū)域內(nèi)的場強進行預估，使通信雙方做到心中有數(shù)，提高通信系統(tǒng)對現(xiàn)代通信電子戰(zhàn)的快速反應能力。

目前對于短波天波通信鏈路的計算大都局限于獨立考慮天線性能和電波傳播性能，如文獻[2-3]均使用了射線追蹤法計算了短波在電離層的傳播；在工程實踐中，大多是根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)對通信范圍、可通區(qū)域作定量估計，而沒有建立完備的短波通信鏈路計算的一體化模型，基于此考慮，結合短波天線輻射特性和短波天波傳播特性設計實現(xiàn)了一個完整的短波天波通信鏈路計算模型，大大簡化了短波通信工程中天線和通信臺站的設計過程。

1 短波天波電離層反射信道

1.1 電離層簡介

電離層是地球高空大氣層的一部分，來自太陽的輻射使得電離層中部分氣體電離，整體呈現(xiàn)等離子體的弱游離狀態(tài)，因此，能夠吸收或反射一定頻段內(nèi)的電波。由于太陽輻射隨一天中的不同時刻、季節(jié)、太陽黑子、不同地理位置的變化而變化，且是不規(guī)則的，因此電離層對電波的反射情況也是隨之不規(guī)則變化的，進而造成了特定通信區(qū)域短波天波通信信道的隨機變化特性。

1.2 太陽黑子的影響

在影響太陽輻射的若干因素中，太陽黑子對上部大氣層的電離強度影響較大，因此很大程度上影響了短波天線通信性能。太陽黑子數(shù)目（SSNs）增加時，太陽輻射的能量增強，各層電子密度增加，特別是 F2層受太陽活動影響最大。黑子數(shù)目每年都在變化，但基本上是以 11年為周期。太陽黑子的計算一般使用沃耳夫一百多年前發(fā)明的蘇黎世太陽黑子數(shù)[4]來表示。由于每天的太陽黑子數(shù)也會產(chǎn)生急劇變化，為此，要根據(jù)已測得的太陽黑子數(shù)得出按月的平均值。某個月的平均值可根據(jù)以往六個月的測量平均及未來六個月的預期平均求得。

1.3 短波衰落效應

在短波天波傳播過程中，由于多徑干涉、極化面旋轉、電離層變化等原因，使接收點的場強呈現(xiàn)不規(guī)則的變化，出現(xiàn)衰落現(xiàn)象。短波衰落主要有干涉衰落（選擇性衰落）、極化衰落、吸收衰落和電離層反射衰落，除吸收衰落外，可分別通過頻率分集、極化分集、晝夜換頻的方法加以克服。

1.4 短波干擾

短波波段外部噪聲遠大于內(nèi)部噪聲，因此通常只考慮外部噪聲，不考慮接收設備本身產(chǎn)生的噪聲。在短波頻帶內(nèi)，外部噪聲可以分為大氣噪聲、人為噪聲和宇宙噪聲[4]。大氣噪聲除與地區(qū)、季節(jié)、晝夜時間、太陽活動以及氣象條件等因素有關外，還與接收系統(tǒng)的工作頻率和帶寬有關。在工業(yè)區(qū)，人為噪聲可能超過大氣噪聲而成為選擇接收點的決定因素。對于短波通信，太陽噪聲基本上沒有影響。而銀河系噪聲是宇宙噪聲的主要成分，它存在一定的日變化，但起伏較小，可以忽略。

2 短波天波通信鏈路模型設計與實現(xiàn)

短波天波通信鏈路計算是建立在收發(fā)天線的輻射特性已知情況下的，因此一個完備的短波天波通信鏈路計算模型主要包括天線輻射特性計算模型、短波通信電路計算模型、短波天線數(shù)據(jù)庫和通信鏈路地理參數(shù)數(shù)據(jù)庫，其組成框圖如圖1所示。

短波天波通信鏈路計算模型是以現(xiàn)代電磁場數(shù)值計算技術、電波傳播理論及通信鏈路的地理信息參數(shù)為基礎的，計算時可采用適合短波天線計算的數(shù)值計算方法—矩量法及關于短波通信電路的有關計算程序進行。

2.1 短波天線數(shù)據(jù)庫

短波天線數(shù)據(jù)庫中集成了目前廣泛使用的短波天線的類型、幾何參數(shù)及特定情況下的電參數(shù)，如天線的輻射方向圖（包括自由空間、理想地面、干燥地面等不同地面參數(shù)條件）、3 dB波瓣寬度、增益等。短波天線數(shù)據(jù)庫中的信息必須經(jīng)過事先計算，確認無誤后方可允許送入該數(shù)據(jù)庫，且該數(shù)據(jù)庫需根據(jù)當前短波天線技術的更新進行實時更新。用戶通過輸入交互界面可對該數(shù)據(jù)庫中的信息進行天線信息的基本查詢功能。

2.2 通信鏈路地理參數(shù)數(shù)據(jù)庫

通信鏈路地理參數(shù)包括短波傳輸信道的基本參數(shù)，如收、發(fā)信天線的地理位置、大圓路徑中點、磁旋頻率、太陽天頂角、太陽黑子數(shù)、反射地面情況等。將通信鏈路地理參數(shù)信息進行數(shù)字化設計成地理信息數(shù)據(jù)庫，為通信電路計算程序調用。

2.3 天線輻射特性計算模型

對于短波波段的線狀天線，可采用矩量法[5-6]來求解表面電流密度滿足的電磁場積分方程。矩量法的求解方法是：假設天線導線段被分成若干段個小段，選取合適的基函數(shù)，將天線上的電流展開為這些基函數(shù)的和，然后選取合適的檢驗函數(shù)，使在加權意義下方程的余量為零，由此將電場積分方程轉化為一個線性方程組，求解該線性方程組就可得到電流展開系數(shù)，進而求得天線上的分布電流、輸入阻抗以及輻射方向圖等特性。

2.4 短波通信電路計算模型

短波通信電路計算模型的任務是對短波傳輸信道進行仿真，對通信覆蓋區(qū)域場強進行預估。電離層反射信道模型可以模擬出信道的主要特性，并可以人為地改變信道參數(shù)，對研究短波信道特性、短波場強值預測以及測試和提高短波通信設備的性能提供很大的方便。短波電離層反射信道是一種時變的色散信道，它具有時間、頻率、空間三種選擇性衰落，直接影響通信系統(tǒng)的性能。因此需要在不同的時間、頻率、空間范圍內(nèi)給出通信服務區(qū)域內(nèi)場強預測值。具體計算過程中，要想考慮傳播中所有情況下的變化是不可能的，一般進行典型傳輸條件下的計算，以此為設計依據(jù)。短波天波通信鏈路計算步驟如下：

①計算通信鏈路兩個端點的大圓距離；

②求出大圓方向，即發(fā)射天線與接收天線設置的方向；

③求發(fā)射天線和接收天線的最佳仰角，以使電離層反射跳躍的次數(shù)最少；

④預測電離層最高可用頻率(MUF)、最低可用頻率(LUF)和最佳工作頻率(FOT)；

⑤計算接收點場強預測值（即路徑衰減）。

3 短波天波通信鏈路計算實例分析

根據(jù)上述設計方法實現(xiàn)了一短波天波通信鏈路計算模型，使用此模型計算了當使用對數(shù)周期天線作為發(fā)射天線時，武漢至東海某點通信鏈路在一天不同時刻的MUF、LUF、FOT，電離層傳播模式及場強中值計算結果。

圖2是MUF、FOT、LUF的計算結果，在夏季7月份，太陽黑子數(shù)為110條件下，在北京時間上午5時的MUF為15.7 MHz，F(xiàn)OT為12.1 MHz；下午17時的MUF為30.1 MHz，F(xiàn)OT為24.3 MHz。因此，在凌晨和傍晚可作為選頻參考。

圖3是反射模式計算結果，表明該通信鏈路存在2E、2F2和1F2三種反射模式，白天的反射模式為2E，天波在E層進行2跳基本可到達；夜間電離層密度降低，要在F層1跳可以到達；在黎明和黃昏的換頻時間段是以F層2跳模式。

圖4是場強中值計算結果，可見從凌晨8點到夜間22點，具有較強場強中值分布，因此具有較大的工作頻率選擇余地；白天，當選擇的頻率在FOT附近時，有較大的場強中值；16時以后至夜間，在較低頻率點，也具有一定的可選范圍。

4 結語

針對短波天波電離層反射信道的時變色散特性，結合短波天線輻射特性和短波天波傳播特性設計實現(xiàn)了一個完整的短波天波通信鏈路計算模型，并在給定時間和太陽黑子數(shù)等條件下，對遠程艦艇某海域點的短波通信進行了電路計算，并對結果進行了分析。該方法適用于短波天波傳播的通信鏈路計算，在此基礎上還可對通信鏈路的其它性能等進行概率計算。使用該模型進行計算不僅為短波天波通信工程設計提供依據(jù)，還能為建立艦艇短波通信可靠鏈路提供戰(zhàn)術指導，具有重要意義。

[1] 沈琪琪,朱德生.短波通信[M].西安:西安電子科技大學出版社,1989:101-103.

[2] 郭杰,于大鵬,雷雪,等. 基于數(shù)值射線追蹤的短波電離層傳播軌跡研究[J]. 通信技術,2008,41(04):33-35.

[3] 郭杰,于大鵬,雷雪,等. 基于二維解析射線追蹤的短波電離層軌跡研究[J]. 通信技術,2008,41(05):20-22.

[4] 蓋哈德著,魏津,管敘濤,吳岫崢譯. 短波通信線路工程設計[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,1987:81:92.

[5] HARRINGTON R F. Field Computation by Moment Methods[M], New York: Macmillan, 1968:105-110.

[6] BURKE G J. Numerical Electromagnetic Code(Nec2)－Method of Moments[J]. PartⅠ: NEC Program Description Theory. Lawrence Livermore National Laboratory, 1981(10):76-85.