基于斜向探測的短波廣播覆蓋區(qū)分析方法

王 璞，姬生云，王 健

（中國電波傳播研究所，山東青島 266107）

基于斜向探測的短波廣播覆蓋區(qū)分析方法

王 璞，姬生云，王 健

（中國電波傳播研究所，山東青島 266107）

提出了基于斜向探測數(shù)據(jù)進行短波廣播覆蓋區(qū)分析的一種實用方法。該方法以斜向探測的MUF及其時延數(shù)據(jù)為基礎，利用基于射線理論的反演方法和等比加權的重構方法進行電離層參數(shù)分析，最后利用短波傳播預測方法實現(xiàn)了短波廣播鏈路的場強預測和覆蓋區(qū)分析。通過仿真實例驗證了方法的可行性，這對短波廣播系統(tǒng)的規(guī)劃設計、性能分析有重要參考意義。

斜向探測；短波廣播；覆蓋區(qū)

0 引 言

短波廣播以其傳播距離遠、覆蓋區(qū)廣的特點，一直是重要的廣播技術手段。短波廣播覆蓋區(qū)分析是應用規(guī)劃、建站選址和性能評估等的重要依據(jù)，其目的在于使廣播能夠獲得盡可能好的效果［1］。國際電聯(lián)（ITU）給出了基于參考電離層進行短波傳播預測方法［2］，美國、德國等國家結合本土的廣播推出了VOACAP、WPLOTF等專業(yè)的分析工具［3］.電離層作為短波天波傳播主要影響因素，其中E層臨界頻率（foE）、F2層臨界頻率（foF2）和3 000 km傳播因子（M（3000）F2）是最關鍵的參量，也是影響廣播傳播特性和覆蓋區(qū)分析重要參數(shù)［2，4］。上述分析工具多應用國際參考電離層等作為支撐，對電離層的實時變化特性考慮不足。

近年，基于斜向探測的電離層反演［5～7］和電離層參數(shù)重構方法［8～10］逐漸成熟起來，并在短波通信頻率預報等方面取得了相關的應用［6，7］。受此啟示，基于電離斜向探測數(shù)據(jù)反演得到的電離層實時特性參數(shù)，確定了一種基于實時信息的短波廣播鏈路場強和覆蓋區(qū)分析方法，目的是融合電離層實時探測信息，提高短波廣播覆蓋特性分析精度，為廣播臺站性能分析、規(guī)劃建站等提供技術支撐。

1 廣播覆蓋區(qū)分析模型

基于斜向探測網(wǎng)進行的短波廣播覆蓋區(qū)分析的思路是：在原始斜向探測數(shù)據(jù)基礎上利用反演方法獲取探測鏈路中心的電離層參數(shù)后，利用區(qū)域重構方法便可獲取傳播鏈路控制點的電離層參數(shù)，進而實現(xiàn)廣播鏈路場強預測和覆蓋區(qū)分析。

分析流程如下。

a）利用所要分析的廣播鏈路收發(fā)站點的位置信息計算其控制點位置；

b）利用廣播鏈路控制點位置信息讀取斜向探測參數(shù)數(shù)據(jù)庫中相關站點的斜向探測電離層數(shù)據(jù)；

c）利用斜向探測所得最高可用頻率（MUF）及其時延數(shù)據(jù)反演得出控制點處的臨界頻率；

d）基于探測鏈路反演所得的電離層參數(shù)，利用區(qū)域重構方法分析短波廣播鏈路的電離層參數(shù)；

e）計算廣播鏈路的接收場強；

f）重復a）～e）過程，計算廣播臺站周邊各點的接收場強，并以此構建廣播臺站覆蓋區(qū)。

1.1 電離層參數(shù)分析

基于射線傳播理論，單跳傳播條件下根據(jù)E層和F2層基本 MUF及對應時延反演 foE、foF2和M（3000）F2的表達式為［5～7］

式中，foE為路徑控制點處的E層臨界頻率；fE（d）MUF為鏈路E層基本MUF；d為傳播路徑距離；ME為轉換因子。

式中，foF2分別為路徑控制點處的F2層臨界頻率；fF2（d）MUF分別為鏈路F2層基本MUF；d為傳播路徑距離，MF2為轉換因子。

其中

式中，τ為基本MUF對應的時延；a0為地球半徑；d為傳播距離；c為光速。

在斜向探測圖中，基本MUF即為高角模和低角模的交匯點，所以，基本 MUF也稱交匯頻率（JF）［11］，根據(jù)E層和F2層基本MUF及對應時延即可反演得到foE、foF2和M（3000）F2。

在探測鏈路反演所得的電離層參數(shù)基礎上，利用區(qū)域重構方法可得廣播鏈路的電離層參數(shù)，常用的方法包括等比加權方法［6］、距離倒數(shù)加權重構方法［8］、地理位置加權更新參考電離層模型重構方法［8，9］和改進克里格方法［8，10，12］等。為簡化工程量，在此選用等比加權方法［6］。

式中，fo為預報鏈路控制點處電離層參數(shù)（foE、foF2和M（3000）F2）等效觀測值；fm利用中國參考電離層計算得到的預報鏈路控制點處臨界頻率；N為探測鏈路數(shù)；fon為利用反演方法計算得到探測鏈路控制點處電離層等效觀測值；fmn為利用中國參考電離層計算得到的探測鏈路控制點處電離層參數(shù)。

1.2 鏈路接收場強計算

對于短波天波單跳傳播，其場強的計算方法［2］為

式中，Ets為傳播模式場強中值兩個強的E層模式與三個強的F2層模式的場強中值的合成場強；Etw為單個模式接收場強，其表達式為

式中，Pt為發(fā)射功率；Gt為所在發(fā)射方位和仰角天線增益；p′為天波射線斜距；Lm為高于MUF的損耗；Lg為反射中點的合成地反射損耗；Lh為極光區(qū)和其它信號損耗因子；Li為電離層吸收損耗。

1.3 廣播覆蓋區(qū)分析

根據(jù)廣播分級的可接收場強［1］利用格網(wǎng)等值線追蹤算法［13，14］，計算短波廣播分級區(qū)域邊界，對每個單元格網(wǎng)進行內(nèi)插等值點；根據(jù)相關定理判斷連接等值點，并對生成的等值點按生成順序編號，并采用雙向鏈表方式存儲；通過等值點表中相鄰兩個等值點的編號，建立了等值線點的聯(lián)系；提取等值線，并對線頭、線尾外每個點的相鄰兩點編號進行優(yōu)化處理。由此，得到短波廣播分級覆蓋區(qū)。

2 仿真分析

依據(jù)上節(jié)所述理論，以北京廣播臺為例，以實際工作參數(shù)為依據(jù)，見表1。針對太陽活動高年、低年，冬、夏兩季節(jié)對廣播覆蓋特性進行仿真。

表1 廣播臺工作參數(shù)

表中，HR 2／2／0.5型中饋雙極子天線和HQ 1／0.5型直角扇形天線在對應工作頻率的歸一化方向圖如圖1所示。

圖1 廣播臺天線歸一化方向圖

在此選取2008年1月和7月代表太陽活動低年的冬、夏兩季典型值，選取2013年1月和7月分析代表太陽活動高年的冬、夏兩季典型值。仿真過程如下：

a）以廣播臺位置（λt，θt）為中心，以經(jīng)緯度20°為半徑，在正東、正南、正西、正北四個方位分別計算邊界位置點（λl，θl），構建一個類矩形區(qū)域，即覆蓋分析區(qū)域。邊界位置點的計算方法為

其中，

式中，β為廣播臺對接收點方位角；Re為地球半徑。

b）將分析區(qū)域劃柵格化，分為若干矩形網(wǎng)格，所有的網(wǎng)格中心即為分析區(qū)域所計算的接收點。利用所要分析的廣播鏈路收發(fā)站點的位置信息計算其控制點位置。

c）利用廣播鏈路控制點位置信息讀取斜向探測參數(shù)數(shù)據(jù)庫中相關站點的斜向探測電離層數(shù)據(jù)，在此，讀取了青島－北京、新鄉(xiāng)－北京、長春－北京、西安－北京四條鏈路的實時觀測數(shù)據(jù)。

d）根據(jù)1.1節(jié)所述方法，利用斜向探測所得最高可用頻率（MUF）及其時延數(shù)據(jù)反演得出控制點處的臨界頻率。基于探測鏈路反演所得的電離層參數(shù)，利用區(qū)域重構方法分析短波廣播鏈路的電離層參數(shù)。

e）根據(jù)1.2節(jié)所述方法，逐點計算各廣播鏈路的接收柵格點處的場強，并據(jù)此構造等值線圖。

上述太陽活動高年、低年、冬夏兩季兩天線的分別在白天和夜間的場強覆蓋特性，如圖2和圖3所示。其中圖中等值線所標數(shù)據(jù)為場強值，單位為dBμV／m。

從圖2可以看出，在冬季，太陽高年要大于太陽低年的覆蓋區(qū)，夏季的情況也了類似；在太陽活動相同的年份，夏季的覆蓋能力優(yōu)于冬季；原因在于天波傳播和電離層的狀態(tài)變化緊密結合，夏季電離層的活躍程度要高于冬季，太陽活動高年高于低年，進一步影響了短波廣播傳播衰減變化上。同時，從圖2可以看出，短波廣播電臺在東北角的覆蓋要明顯優(yōu)于其他方向，西南角的覆蓋能力次之，在東南角和西北角的覆蓋較差，緣于天線指向主要在東北方向，此點驗證了短波廣播電臺初始設計。

在正午12：00，取發(fā)射頻率為10 MHz，針對太陽活動高年、低年，冬夏兩季節(jié)的場強覆蓋特性進行仿真分析，如圖3所示。從圖3可以看出，夏季高于冬季，太陽活動高年的覆蓋能力要優(yōu)于太陽活動低年。由于HR 2／2／0.5在水平面上近似為全向天線，所以，廣播臺覆蓋特性在各方位上基本均衡。

圖3 HQ 1／0.5天線白天覆蓋分析

綜合分析可以看出，在天線增益相同的情況下，定向天線能夠提高對某個方向的覆蓋能力，而全向天線則更側重于對周邊區(qū)域的均衡覆蓋。這類分析結果可用于短波廣播臺站的建設、天線設計等方面。

3 結 語

隨著廣播業(yè)務的發(fā)展，短波廣播的建設也進入高速發(fā)展的階段，已經(jīng)脫離了憑借經(jīng)驗進行系統(tǒng)規(guī)劃、設計、評估的模式。本文基于電離層斜向探測數(shù)據(jù)，結合短波廣播電臺的應用，利用電波傳播模型，仿真了不同太陽活動期、不同季節(jié)、不同時段的覆蓋特性。仿真結果表明，在夏季短波廣播臺的覆蓋能力優(yōu)于冬季，太陽活動高年優(yōu)于活動低年，定向天線實現(xiàn)了對特定方向的覆蓋。上述研究可為廣播電臺規(guī)劃、建設和性能評估提供技術基礎［15，16］。

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王 璞（1981—），工程師，研究方向為電離層斜向探測；

wangpu22s＠126.com

姬生云（1981—），高級工程師，研究方向為電離層短期預報和頻譜感知數(shù)據(jù)融合；

王 ?。?979—），高級工程師，研究方向為工程電波傳播和電磁頻譜管理。

Analyzing M ethod for Short-wave Broadcasting Coverage Based on Oblique Sounding System

WANG Pu，JISheng+yun，WANG Jian
（China Research Institute of Radiowave Propagation，Shandong Qingdao 266107，China）

An analyzingmethod for broadcasting coverage based on oblique sounding system based on ob+ lique sounder is presented，which is featured by following characteristics：first，the critical frequency at the broadcasting circuitmidpoint is inversed from the oblique sounding data a based on simple empirical method；second，the critical frequency is reconstructed by geometric proportion weighted method；third，field strength of broadcasting circuit is calculated and the coverage is analyzed.By the simulation and a+ nalysis，the practicability of themethod is validated.It provides the important basis for design and per+ formance evaluation of short+wave broadcasting system.

oblique sounding；short+wave broadcast；coverage

TN934

：A

：1673+5692（2014）06+624+05

10.3969／j.issn.1673+5692.2014.06.014

2014+07+28

2014+09+11

電子信息系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境效應國家重點實驗室基金（CEMEE2014K0101A）