一種基于飛行試驗(yàn)的短波通信頻率預(yù)測(cè)方法

譚 馨，林 剛

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西西安710089）

0 引言

雖然JIDS和衛(wèi)星通信等新型通信方式不斷涌現(xiàn)，機(jī)載短波通信在遠(yuǎn)距通信中仍占有重要的地位[1]。鑒于試驗(yàn)室仿真和測(cè)試總是難以擺脫紙上談兵的潛在嫌疑，提出運(yùn)用飛行試驗(yàn)實(shí)際對(duì)機(jī)載短波通信進(jìn)行功能和性能的考核，真實(shí)飛行得出的對(duì)短波通信評(píng)估的可信度與實(shí)戰(zhàn)最為接近。合理高效的試飛方法是進(jìn)行飛行試驗(yàn)的基礎(chǔ)，根據(jù)短波通信試飛的技術(shù)特點(diǎn)，提出了一種短波頻率預(yù)測(cè)方法。

在戰(zhàn)爭(zhēng)中，當(dāng)衛(wèi)星被打掉，又超出超短波通信距離時(shí)，短波通信就成為超視距通信的重要甚至是唯一的手段。短波的通信距離主要受到通信頻率的影響[2]。在實(shí)際飛行試驗(yàn)中，需要明確頻率和通信距離之間的關(guān)系。

通過(guò)合理的技術(shù)方法預(yù)先得到被試兩地的優(yōu)勢(shì)通信頻率，直接決定試飛的短波話音、數(shù)據(jù)通信的質(zhì)量以及通信距離。頻率頻率在傳統(tǒng)的試驗(yàn)中，都是憑經(jīng)驗(yàn)選頻率，致使短波通信試驗(yàn)一直效率低下。所以，頻率的選取是機(jī)載短波通信飛行試驗(yàn)和實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用的關(guān)鍵。

1 頻率和通信距離的關(guān)系分析

1.1 電離層對(duì)短波通信距離的影響

短波通信是利用電離層反射實(shí)現(xiàn)的。由于電離層不會(huì)被摧毀，短波通信是其他通信方式不可替代的。對(duì)于無(wú)線電路來(lái)說(shuō)，可以應(yīng)用的頻率不是整個(gè)的短波波段，而僅僅是它的一部分，即所謂的工作頻率。若頻率太高，雖然傳播的吸收損耗小，但電波易穿出電離層，無(wú)法反射至接收點(diǎn);若工作頻率太低，吸收損耗增大，致使無(wú)法保證通信所需的信噪比[3]。

短波傳輸損耗主要是自由空間傳輸損耗Lbf[2]，Lbf是2個(gè)理想的電源天線在自由空間傳播和接收無(wú)線電波時(shí)產(chǎn)生的損耗，短波在傳播路徑上的衰減如式（1）所示，反應(yīng)了短波頻率與通信距離的關(guān)系。

又可表示為:

式中，Lbf為自由空間傳輸損耗;d為通信距離;f為短波頻率;λ為短波波長(zhǎng)。

頻率一定時(shí)，電波主要由2條路徑反射回來(lái)。仰角高波在電離層濃度較大處反射，一跳的距離近;低仰角波在較低處反射，電離層電子濃度小，一跳的傳播距離遠(yuǎn)。不同仰角時(shí)信號(hào)的軌跡如圖1所示。

圖1 不同仰角時(shí)電波的軌跡

1.2 短波的最高可用頻率分析

當(dāng)短波頻率升高時(shí)，圖1中的高仰角和低仰角波的軌跡趨于重合，此時(shí)相應(yīng)的頻率就是這一距離的最高可用頻率fMUF[4]，通信距離和fMUF的關(guān)系如圖2所示。

相應(yīng)通信距離的fMUF由公式（3）表示:

式中，i100=arcsin（0.985cosβ），fMUFE（d）為兩地距離為d的最高可用頻率;fc（E）為E層的臨界頻率。i100為射線入射角，β為初始入射仰角。由圖2可以看出，入射角小最高可用頻率低，最高可用頻率隨入射角增大而升高，，從而傳播路徑越遠(yuǎn)。

圖2 不同通信距離fMUF的晝夜變化

1.3 寂靜區(qū)對(duì)短波通信距離的影響

200km對(duì)于短波通信來(lái)說(shuō)是個(gè)臨界距離:小于200km時(shí)，地波傳播;大于200km時(shí)，天波傳播，這樣就形成了一個(gè)短波通信的寂靜區(qū)[5，6]。如圖3所示，寂靜區(qū)的形成是由于地波衰減較快，傳播距離較近處就無(wú)法接收到地波，而相應(yīng)頻率的電波只能在一定距離外才能收到。

圖3 天線無(wú)方向性時(shí)短波傳播的寂靜區(qū)

由圖3可知，寂靜區(qū)的范圍取決于內(nèi)半徑r1和外半徑r2[7]。當(dāng)頻率升高時(shí)，地波衰減增大，r1就減小。為了使電離層將電波反射回來(lái)，隨著頻率的增高，反射的仰角就要減小，所以r2較大。

2 通信頻率預(yù)測(cè)及試驗(yàn)結(jié)果

頻率是影響通信距離的關(guān)鍵因素，實(shí)現(xiàn)可靠的頻率預(yù)測(cè)對(duì)于提高飛行試驗(yàn)的效率有重要意義[8，9]。將傳統(tǒng)的選頻方法與提出的預(yù)測(cè)方法進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

表1 2種方法優(yōu)劣比較

選用短波通信工作頻率時(shí)，應(yīng)該盡量接近電波能反射回地面的最高可用頻率（MUF），通常選取MUF的80%～90%作為通信頻率[10]。這樣，既避免了當(dāng)電離層變化時(shí)電波穿過(guò)電離層的可能;又防止若頻率取得太高，電波深入反射層使吸收損耗加大。

通過(guò)軟件輔助計(jì)算[11]，將從互聯(lián)網(wǎng)上獲得的，當(dāng)天北京天文臺(tái)發(fā)布的太陽(yáng)輻射通量（Flux）和K指數(shù)（單個(gè)臺(tái)站3小時(shí)內(nèi)地磁擾動(dòng)強(qiáng)度的指數(shù)，稱為3h磁情指數(shù)[12]）及目標(biāo)地的經(jīng)緯度輸入就可以得出一天內(nèi)兩地之間的短波通信適宜頻率。

短波通信是一種遠(yuǎn)距通信方式。試驗(yàn)中將該飛行試驗(yàn)的航路設(shè)計(jì)為閻良到海南陵水。試飛中采用了1000W的短波電臺(tái)作為地面通信終端，假定頻率選擇10MHz，由式（1）得出，信號(hào)在航路上傳播的傳播衰減為117.64dB。由式（2）可得相應(yīng)有效作用距離約為1819.33km。閻良和海南陵水的距離為1828km，與上面分析的通信距離非常接近，滿足航線的距離要求。

在互聯(lián)網(wǎng)上找到12月17日至12月23日這7天的太陽(yáng)輻射通量和地磁指數(shù)K，如表2所示。

表2 太陽(yáng)輻射通量和地磁指數(shù)K

計(jì)算2010年12月20日閻良（N34.64°、E109.24°）和三亞陵水（N18.5°、E109.08°）之間短波電臺(tái)通信時(shí)可用的頻率，計(jì)算結(jié)果如圖4和圖5所示。圖中上方TERMINAL表示地點(diǎn)，Sunrise/Set表示日出/日落時(shí)間，A Bearing to B表示以A點(diǎn)為軸心，B點(diǎn)在逆時(shí)針?lè)较蛏掀x正北方向的角度，SSN是太陽(yáng)黑子數(shù)，F(xiàn)lux是太陽(yáng)輻射通量，K是3小時(shí)磁情指數(shù)，Path Length是兩地距離。

圖4是一天之中各時(shí)段的最高可用頻率?？梢?jiàn)正午之前的最高可用頻率低，正午之后有所升高。在飛行試驗(yàn)中，根據(jù)試驗(yàn)時(shí)間合理地改變所選通信頻率即可;圖5表示了各個(gè)頻率在各個(gè)時(shí)段的可用性百分比，以及在傳播路徑上的信噪比。

對(duì)于圖5的注釋如表3所示。

圖4 12月20日全天各時(shí)段短波通信最高可用頻率fMUF（MHz）

圖5 傳播路徑上各頻率的信噪比和可用性

表3 對(duì)于圖5的注釋

根據(jù)圖5所得結(jié)果，夜間時(shí)段較為適用的頻率比白天要高，最佳頻率在14MHz左右，因?yàn)殡m然14.1MHz和7.1MHz可用性都為A，但14.1MHz的信噪比較高。考慮到試驗(yàn)的氣象和時(shí)段，發(fā)現(xiàn)原定的試驗(yàn)的頻率明顯偏高，將原來(lái)的短波定頻模式下午時(shí)段中的頻率進(jìn)行了修改，如表4所示。修改之后超視距通信效果良好，話音質(zhì)量3級(jí)以上[13]。

表4 對(duì)頻率所做的修改

3 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用短波通信理論研究了短波頻率與通信距離的關(guān)系，分析了影響短波通信距離的因素。又因?yàn)榻鉀Q頻率問(wèn)題的需要，提出了一種預(yù)測(cè)頻率的方法，方法首先確定了相應(yīng)距離和時(shí)刻的最高可用頻率（MUF）;再對(duì)各頻率在一天中不同時(shí)段的可用性百分比以及信噪比進(jìn)行分析，綜合評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)出通信質(zhì)量較好的頻率。并通過(guò)飛行試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法在工程上的可行性。在后續(xù)某型直升機(jī)短波遠(yuǎn)距數(shù)傳試飛和某型預(yù)警機(jī)短波遠(yuǎn)距離通信試飛中有著良好的應(yīng)用。

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