短波無盲區(qū)通信技術(shù)及其應(yīng)用*

崔宇明,韋 勇,唐光亮

(1.中國(guó)人民解放軍78605部隊(duì),四川成都610031;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川成都610041)

短波無盲區(qū)通信技術(shù)及其應(yīng)用*

崔宇明1,韋 勇1,唐光亮2

(1.中國(guó)人民解放軍78605部隊(duì),四川成都610031;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川成都610041)

分析了短波通信盲區(qū)由于短波地波傳播距離有限,而短波天波一跳傳播距離較遠(yuǎn)的形成機(jī)理,針對(duì)盲區(qū)形成機(jī)理分析了解決短波通信盲區(qū)的方法即擴(kuò)大地波傳播距離與縮短天波一跳傳播距離。介紹了一種解決短波通信盲區(qū)的近垂直入射天波(NVIS)技術(shù),并通過對(duì)NVIS通信的覆蓋距離、通信頻段、傳播損耗的計(jì)算分析,總結(jié)了NVIS通信距離覆蓋范圍有限、通信頻段低、信號(hào)覆蓋均勻的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上,通過作者參與的實(shí)際項(xiàng)目試驗(yàn)驗(yàn)證了短波NVIS通信的可靠性及通信質(zhì)量,最后分析了短波NVIS通信在“山中通”、“動(dòng)中通”和“大區(qū)域組網(wǎng)”方面應(yīng)用的可行性。

短波 無盲區(qū) 近垂直入射天波

0 引 言

短波通信無需基礎(chǔ)設(shè)施即可實(shí)現(xiàn)中、遠(yuǎn)距離甚至全球通信,且由于其天波傳播信道具有不可摧毀性,因此短波通信在軍事應(yīng)用中具有重要意義。但短波通信存在盲區(qū)、可靠性差、帶寬窄等缺點(diǎn)。

短波無盲區(qū)通信技術(shù)的發(fā)展解決了短波通信盲區(qū)問題,且由于短波無盲區(qū)通信覆蓋范圍內(nèi)信號(hào)均勻,克服了短波通信可靠性差的缺點(diǎn),具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

1 短波通信盲區(qū)形成原因及解決方法

(1)短波通信盲區(qū)產(chǎn)生機(jī)理

短波電波傳播,基本上可以分為地波和天波2種傳播模式。短波電波傳播方式如圖1所示。

圖1 短波電波傳播示意Fig.1 Schematic diagram of propagation wave

由圖1可知,天線輻射出來的電磁波,在地波和天波第1跳傳輸距離之間,存在一個(gè)通信盲區(qū)。根據(jù)不同地況,盲區(qū)距離也有所差異,大約在十幾公里至100公里之間,而這段距離是特定通信非常重要的區(qū)域,如抗震抗洪、森林防火、戰(zhàn)術(shù)通信等,也是超短波等通信手段難以覆蓋的距離,因此解決短波盲區(qū)通信是很多用戶的迫切需求。

地波傳播距離與地面電導(dǎo)率有直接關(guān)系,電導(dǎo)率越高,地波傳播越遠(yuǎn),但由于地波傳播損耗很大,很難達(dá)到數(shù)十公里以上。天波第1跳傳播距離則與短波天線的輻射仰角有關(guān),仰角越高,則跳距越短,因此可以認(rèn)為短波通信盲區(qū)主要是短波天線的“輻射仰角盲區(qū)”造成的。

(2)短波通信盲區(qū)的解決方法

既然短波通信盲區(qū)是由于短波地波傳播距離太近和天波第1跳傳播距離太遠(yuǎn)造成的,那么解決短波盲區(qū)通信的方法要么是擴(kuò)大地波傳播距離,要么是縮短天波第1跳傳播距離[1]。

擴(kuò)大地波傳播距離的方法是增大電臺(tái)發(fā)射功率和提高天線增益,但由于地波傳播損耗很大,且受地形地貌影響,一方面是效果難以預(yù)測(cè),另一方面成本太高。所以,解決短波通信盲區(qū)基本上都采用縮短天波第1跳傳播距離的方法,也就是盡量提高短波天線的輻射仰角。

近垂直入射天波(NVIS,Near Vertical Incidence SkyWave)技術(shù)就是一種短波高仰角天波傳播技術(shù),用于解決短波通信盲區(qū)問題。具有NVIS傳播輻射特征的天線,稱為NVIS天線,其主瓣在90角方向上,在高仰角范圍比較均勻的向電離層輻射電磁波,其典型傳播模式如圖2所示。

如圖2所示,NVIS天波傳播通過高仰角輻射和電離層反射,能夠?qū)崿F(xiàn)短波無盲區(qū)通信。

圖2 NVIS傳播示意Fig.2 Schematic diagram of NVIS communication

2 NVIS通信的主要特點(diǎn)分析

(1)NVIS通信覆蓋距離有限

短波天波傳播是通過電離層折射和反射進(jìn)行傳播的,電離層從低到高依次分為D、E、F1、F2四層。D層距離地表60～90 km,E層距離地表90～150 km,白天時(shí),F1層大約距離地表150～250 km, F2層距離地表250～500 km。夜間則F1層和F2層失去明顯界限,合并為距離地表250～350 km的F層。短波天波傳輸主要依靠F層(白天主要依靠F2層),因?yàn)镕層的空氣密度非常小,電離分子的重組過程非常慢,白天電離程度很高,夜間衰減得很緩慢。因此,通常在計(jì)算短波NVIS通信覆蓋距離時(shí),按照電離層反射高度250～450 km來計(jì)算。短波NVIS天線輻射仰角與通信覆蓋距離的關(guān)系如圖3所示。

圖3 NVIS電波傳播距離與輻射仰角關(guān)系Fig.3 Relationship of NVIS wave propagation distance and radiation angle

由圖3可見,60°仰角傳播距離在300～500 km之間,所以通常認(rèn)為NVIS覆蓋距離在400 km以內(nèi)。

(2)NVIS通信頻段低并且頻段比較固定

電離層臨界頻率是電波垂直入射電離層時(shí)(θ= 0),能從電離層反射的最高頻率:

其中,Nemax為電離層電子密度最大值。

電離層最高可用頻率是在實(shí)際通信中能被電離層反射回地面的電波的最高頻率:

其中,θ為電波斜射入電離層的角度(垂直入射時(shí)θ=0°)。

由于NVIS的入射仰角高,通常為60°～90°仰角(對(duì)應(yīng)θ值為0°～30°),所以sec(θ)的值在1～1.15之間變化,也即NVIS最高可用頻率一般在fv～1.2fv之間。再考慮到NVIS通信的覆蓋范圍一般在400 km以內(nèi),電離層電子濃度差異不大,也即在NVIS覆蓋范圍內(nèi)fMUF變化不大,因此則短波無盲區(qū)通信的可通頻段相對(duì)比較固定。

根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟CCITT的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),在太陽黑子最大年,F層臨界頻率最高10 MHz左右,在太陽黑子最小年最高5 MHz左右[2]。再考慮到最佳可用頻率及不同仰角關(guān)系,推薦使用頻率范圍在白天一般為4～10 MHz,夜晚一般為2～5 MHz。根據(jù)筆者試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),短波NVIS通信選頻遠(yuǎn)比短波遠(yuǎn)程通信選頻容易,在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)甚至只需要一個(gè)頻率即可實(shí)現(xiàn)可靠的無盲區(qū)通信。

(3)NVIS信號(hào)覆蓋均勻、通信可靠性高

電波在天波傳播過程中所引起的傳播損耗Lb包括自由空間傳輸損耗Lf,電離層吸收損耗La,地面反射損耗Lg和附加損耗Y等。

可以看出,傳播損耗是工作頻率、傳播模式、通信距離、通信地點(diǎn)和時(shí)間的函數(shù)。其中,自由空間傳輸損耗為:

其中,f為電波頻率(MHz);d為有效傳播距離(km)。

(2)改進(jìn)變化環(huán)節(jié)的控制方式和控制力度；①細(xì)化管理流程，分別從礦、科、隊(duì)三級(jí)進(jìn)行分類，對(duì)照變化環(huán)節(jié)性質(zhì)覆蓋率達(dá)到100%；②細(xì)化了組織程序，分別從時(shí)間、到位人員、組織措施均作了具體要求；③細(xì)化了獎(jiǎng)懲標(biāo)準(zhǔn)，分步制定獎(jiǎng)懲標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)獎(jiǎng)懲平衡，突出正向激勵(lì)；④建立變化環(huán)節(jié)目標(biāo)化考核制度。

電離層吸收損耗La主要發(fā)生在D層,與電波傳播路徑中的電子濃度N、碰撞率v、地磁場(chǎng)強(qiáng)度以及電波頻率等因素有關(guān),而上述參數(shù)難以準(zhǔn)確估計(jì),工程計(jì)算中常采用半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測(cè)。

其中,φ為在100 km高處的入射角;f為工作頻率(MHz);fH為在100 km高處的磁旋頻率(MHz);I為吸收指數(shù);n為路徑的跳數(shù)。查圖計(jì)算,本例的吸收損耗取為L(zhǎng)a=15.2 dB[3]。

地面反射損耗Lg指電離層反射回到地面的電波,再由地面反射時(shí)發(fā)生的損耗,由于短波無盲區(qū)通信不考慮多跳反射情況,因此地面反射損耗可以不計(jì)。

附加損耗Y指上述以外的其它各項(xiàng)損耗,如電離層的散焦效應(yīng)、Es層附加損耗、電波極化損耗等。附加損耗一般定量計(jì)算比較困難,通常采用大量電路實(shí)測(cè)綜合估計(jì)值,參考相關(guān)資料和工程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),一般附加損耗取值5 dB左右,本例取5 dB[4]。

如果以工作頻率為5 MHz,在電離層450 km高度反射,覆蓋400 km為最大傳輸距離,以電離層250 km高度反射,垂直反射覆蓋本地為最近距離,則短波無盲區(qū)通信的傳播損耗最大值和最小值分別為:

如圖4所示NVIS電波傳播最大和最小路徑示意。

圖4 NVIS電波傳播最大和最小路徑示意Fig.4 NVIS wave maximum and minimum path diagram

可見,NVIS通信在覆蓋范圍內(nèi)傳播損耗相差很小,最大值和最小值相差在6 dB以內(nèi),基本可以認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的均勻覆蓋。因此,在NVIS覆蓋范圍內(nèi),通信可靠性較高。

3 NVIS通信試驗(yàn)

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 experimental data

試驗(yàn)結(jié)果表明,短波NVIS通信基本能夠?qū)崿F(xiàn)全天24小時(shí)可通。

4 NVIS通信應(yīng)用

(1)“山中通”和“動(dòng)中通”應(yīng)用

由短波NVIS通信的傳播特性可知,近垂直入射電離層反射克服了山體阻擋,能夠?qū)崿F(xiàn)“山中通”,筆者在通信試驗(yàn)中多次進(jìn)行“山中通”試驗(yàn),通信效果良好。同時(shí),大量試驗(yàn)表明,在100 km/h移動(dòng)速度條件下短波無盲區(qū)通信話音質(zhì)量能夠達(dá)到3級(jí)以上。

(2)大區(qū)域短波通信組網(wǎng)應(yīng)用

由于短波無盲區(qū)通信在覆蓋范圍內(nèi)信號(hào)比較均勻,克服了短波天波傳播的不穩(wěn)定性,為短波大區(qū)域組網(wǎng)應(yīng)用提供了條件,無需衛(wèi)星和升空平臺(tái)等基礎(chǔ)設(shè)施就可以在較大范圍(0～400 km)組成一個(gè)數(shù)百用戶規(guī)模的短波網(wǎng)絡(luò),具有其他通信手段難以比擬的優(yōu)越性[5]。

5 結(jié) 語

本文通過計(jì)算分析了NVIS通信與傳統(tǒng)短波天波傳播通信相比具有無通信盲區(qū)、可靠性高和通信頻率低的特點(diǎn),并在實(shí)際NVIS通信試驗(yàn)中得到了印證。一方面,NVIS由于近垂直入射電離層反射克服了山體阻擋,能夠?qū)崿F(xiàn)“山中通”和“動(dòng)中通”,另一方面,NVIS通信克服了傳統(tǒng)短波天波傳播的不穩(wěn)定性,且其覆蓋范圍又超過了視距(LOS),具備了短波“大區(qū)域組網(wǎng)”的基礎(chǔ),建議進(jìn)一步研究短波NVIS組網(wǎng)的MAC層以及網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)。

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CUI Yu-ming(1977-),male,B.Sci., senior engineer,mainly engaged in communication and information system.

韋 勇(1977—),男,學(xué)士,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng);

WEI Yong(1977-),male,B.Sci.,senior engineer,mainly engaged in communication and information system.

唐光亮(1969—),男,碩士,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)闊o線通信。

TANG Guang-liang(1969-),male,M.Sci.,senior engineer,mainly engaged in wireless network.

HF Non-Blind-Area Communication Technology and Its Application

CUI Yu-ming1,WEI Yong1,TANG Guang-liang2
(1.Unit 78605 of PLA,Chengdu Sichuan,610031,China;2.No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

This paper analyzes the shortwave communication blind area caused by limited wave propagation distance,and the formation mechanism of HF hop-propagation distance.According to the formation mechanism of the blind area,a solution for HF communication blind area is proposed,namely,to extend the ground-wave propagation distance while shorten the sky-wave propagation distance of a jump.A solution for short-wave communication blind area called near vertical incidence sky wave(NVIS)technology is also described.Through calculation and analysis of NVIS communication coverage distance,communication frequency,and propagation loss,the characteristics of NVIS communication are summarized,including limited distance coverage,low communication frequency band,and balanced signal coverage.On this basis,the reliability and quality of short-wave NVIS communication is verified in the test of practical project,and finally the feasibility of short-wave NVIS communication in“communication in mountain area”,“communication in motion”and“l(fā)arge-area networking”is also analyzed in this paper.

HF;non-blind area;NVIS

TN011

A

1002-0802(2014)10-1135-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.10.006

崔宇明(1974—),男,學(xué)士,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng);

2014-08-14;

2014-09-14 Received date：2014-08-14;Revised date：2014-09-14