短波天波頻率的預(yù)測與分析

彭忠寶，劉昊容

（國家無線電監(jiān)測中心深圳監(jiān)測站，深圳　518120）

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短波天波頻率的預(yù)測與分析

彭忠寶，劉昊容

（國家無線電監(jiān)測中心深圳監(jiān)測站，深圳518120）

摘要：短波通信由于具有建設(shè)成本低、通信距離遠(yuǎn)和抗毀能力強(qiáng)等特點，是唯一不受網(wǎng)絡(luò)樞紐和中繼制約的遠(yuǎn)程通信手段，特別在發(fā)生戰(zhàn)爭或重大突發(fā)自然災(zāi)害等緊急情況可發(fā)揮其重要的作用。短波天波鏈路的預(yù)測在設(shè)計高質(zhì)量短波通信鏈路的工作中顯得尤為重要。本文介紹了短波天波傳播預(yù)測的不同方法，利用短波仿真軟件ITS對天波鏈路的頻率進(jìn)行預(yù)測和仿真，然后利用通信電臺進(jìn)行預(yù)測的驗證與分析。

關(guān)鍵詞：天波通信；頻率預(yù)測；ITS

1　引言

短波通信指的是利用頻率為3～30MHz，波長在100～10m的電磁波進(jìn)行無線電通信。短波設(shè)備架設(shè)方便、成本低廉，主要利用天波經(jīng)電離層反射，無需建立中繼站即可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，由于電離層的不可摧毀特性，因此，短波通信相比衛(wèi)星通信具有極強(qiáng)的抗毀能力。由于電離層會隨著太陽活動的變化而變化，短波通信的天波傳播質(zhì)量隨著季節(jié)、氣候、晝夜不同而表現(xiàn)極不穩(wěn)定；而且短波業(yè)務(wù)密集，頻譜非常擁擠，信道間相互干擾嚴(yán)重，特別在發(fā)生戰(zhàn)爭或重大突發(fā)自然災(zāi)害等緊急情況下，如何快速有效地搭建起高質(zhì)量的短波通信鏈路，成為短波通信研究的突出問題。

短波的天波鏈路能否保證可靠通信，主要取決于通信信道的干擾和電離層的電波傳播問題兩個因素。本文基于電離層的傳播特性，利用短波仿真規(guī)劃軟件ITS來進(jìn)行預(yù)測仿真和分析，這對于以后應(yīng)急通信中合理選用天波鏈路的可用頻率提供一定參考的依據(jù)。

2　天波鏈路的特性分析

天波鏈路主要是利用電離層反射電磁波進(jìn)行信息傳播，電離層是從離地面約50千米開始一直伸展到約1,000千米高度的地球高層大氣空域，其中存在相當(dāng)多的自由電子和離子，能使無線電波改變傳播速度，發(fā)生折射、反射和散射，產(chǎn)生極化面的旋轉(zhuǎn)并受到不同程度的吸收。電離層一般包括D層、E層、F1層和F2等四個導(dǎo)電層，各層之間沒有明顯的分界線。電離層的活躍程度跟太陽的活動情況有很大關(guān)系，太陽活動頻繁的時候，太陽的射線會使電離程度更高，這樣有利于反射高頻率的信號。電離層的特性、結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律對天波鏈路的通信效果有重大的影響。

短波天波通信的鏈路工作頻率不是任意選擇的，而是該鏈路最低可用頻率LUF（lowest usable frequency）和最高可用頻率MUF（maximum usable frequency）之間的部分，即所謂該電路的工作頻段。MUF與電離層電子密度及電磁波進(jìn)入大氣層的入射角有關(guān)。電子密度越大，MUF值越大；當(dāng)電子密度隨時間（晝夜、季節(jié)、年份）和地理位置等因素變化時，MUF也會隨這些因素而變化。

在實際通信中，通信頻率盡可能地靠近最高可用頻率以獲得最佳的通信效果。最高可用頻率只是個預(yù)報值，它依據(jù)電離層監(jiān)測站所提供的電離層參數(shù)的月中值而確定，選擇電路工作頻率取適當(dāng)留出保護(hù)邊界后的頻率，即最佳工作頻率（FOT），它取0.85MUF，能保護(hù)90%的時間可通率。

3　天波傳播的頻率預(yù)測方法

短波天波傳播的頻率預(yù)測是指在電離層探測歷史資料或?qū)崪y資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)電離層特性參數(shù)的時空變化規(guī)律和通信質(zhì)量與電離層信道參數(shù)的關(guān)系，對滿足天波短信鏈路上工作質(zhì)量要求所作出一種預(yù)先的頻率推斷。

短波天波傳播最大可用頻率的預(yù)測在工程上可分為兩種，一種是手工做圖法，另一種是基于合適的預(yù)測模型下的軟件實現(xiàn)。

3.1手工作圖法

手工做圖法主要是指F2層MUF的預(yù)測，其依據(jù)是全國無線電管理委員會所提高的頻率預(yù)測資料，預(yù)測資料含有太陽黑子數(shù)的滑動平均值為10，100，150三種情況下的288張MUF預(yù)測曲線。要想某兩地間某月24小時的MUF，需要知道的參數(shù)為：該年該月太陽黑子數(shù)的預(yù)測值；通信線路的大圓距離D；反射點的地理位置；發(fā)射點的地方時間和北京時間的時差。

具體步驟如下：

（1）確定某兩地間通信線路的大圓距離。為避免計算，通常用做圖法求大圓距離，即利用同比例的世界地圖和世界大圓線路圖來確定。

（2）確定發(fā)射點的地理位置。當(dāng)通信距離在4000km范圍內(nèi)，利用F2層一次發(fā)射的方式進(jìn)行通信，發(fā)射點是指大圓距離的中點，可在求大圓距離的作圖中確定。

（3）求反射點地方時和北京時的時差。根據(jù)北京時間和地方時間的定義，可得到它們的關(guān)系，即地方時間=北京時間+（某地經(jīng)度-120°）×4分（適用于東經(jīng)地區(qū)）。

（4）求F2層的MUF。根據(jù)所需月份、反射點C的緯度和太陽黑子數(shù)的預(yù)測值，在288張288張MUF預(yù)測曲線。如果太陽黑子數(shù)的預(yù)測值正好等于10、100或150，則只選所需的1張；若在10～100或100～150之間，則選取相鄰2張MUF預(yù)測曲線圖，并采用插值法可求得。

3.2ITS系列軟件

ITS系列軟件（以下簡稱ITS軟件）是美國電信科學(xué)研究所（ITS）開發(fā)的、用于預(yù)測短波頻段通信的免費軟件，它包括ICEPAC，VOACAP，REC533三部分。其中，用于國際范圍的REC533組件主要基于國際電信聯(lián)盟無線通信組給出的ITU-R P.533方法，該傳播預(yù)測方法用于估計頻段在2-30MHz的可靠性和兼容性。

ICEPAC與REC533區(qū)別在電離層預(yù)測模型算法不同，電離層特性參數(shù)的預(yù)測是天波頻率預(yù)測的關(guān)鍵。REC533在預(yù)測電離層特性參數(shù)采用了ITU-R P.1239，而該方法采用的數(shù)據(jù)在中國區(qū)域是基于少數(shù)觀測站的數(shù)據(jù)推得的；而ICEPAC電離層預(yù)測模型所用的算法有CCIR（Consultative Committee of International Radio）和URSI 88 （International Union of Radio Science）兩種算法，而常用的CCIR算法，其電離層數(shù)據(jù)都是通過設(shè)立在全球的多個監(jiān)測站長期獲取的。下面的鏈路預(yù)測將利用ICEPAC電離層預(yù)測模型進(jìn)行預(yù)測仿真。

4　天波鏈路預(yù)測與試驗

現(xiàn)假設(shè)A，B兩城由于某種緊急情況需進(jìn)行短波電臺的通信，A，B兩城地理坐標(biāo)已知，兩城相距1,000千米以上，發(fā)射功率和天線增益等參數(shù)也已知，在這樣的情況下如何快速有效地確定天波鏈路的最佳工作頻率是解決問題的重點，這時若采用手工作圖法，則需要較長的時間和作圖者豐富的操作經(jīng)驗，而用ITS的ICEPAC電離層預(yù)測模型正好可以解決點對點短波通信的預(yù)測問題。

4.1 基于ITS的天波鏈路預(yù)測仿真

假設(shè)A，B城為北京和深圳，北京坐標(biāo)為116.30°E，39.70°N，深圳坐標(biāo)為114.30°E，22.63°N，選定時間為2016年1月，發(fā)射功率為100W，天線增益為5dBi，據(jù)太陽活動預(yù)報中心預(yù)測1月份太陽黑子平滑月均值為54，選擇UTC 0～24小時進(jìn)行可通率80%以上的最佳頻率預(yù)測，其他軟件參數(shù)為缺省值，仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 短波鏈路不同時段的可通率圖

從圖1可以看出，時間可靠度大于80%的頻率都可選為可用頻率，結(jié)合無線電劃分規(guī)定有關(guān)業(yè)務(wù)的劃分，可選取北京和深圳兩地間1月份短波鏈路頻率為02:00～08:00（UTC）21,000kHz。

4.2短波電臺聯(lián)通驗證與分析

深圳監(jiān)測站配備了某公司2050數(shù)字化短波電臺，涵蓋短波陸基、航空、海事所有公司，而且實現(xiàn)了通信功能和狀態(tài)參數(shù)處理的完全軟件化，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 寶麗2050電臺主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)前面仿真的可通率圖，北京時間10時（UTC 02:00）的最佳可用頻率為20.8MHz，結(jié)合無線電劃分規(guī)定，在20MHz附近選取一系列空閑頻點進(jìn)行短波電臺通信試驗。試驗結(jié)果表明根據(jù)仿真選定的頻率可以建立有效的通信鏈路，而且可通率也達(dá)到80%以上，證明該方法得到的可用頻率是可靠、有保障的。

5　結(jié)束語

本文介紹了短波天波鏈路頻率預(yù)測的兩種方法，對于通信位置、發(fā)射功率、天線增益等參數(shù)已知的情況下，利用ITS預(yù)測軟件可快速有效地確定通信的可用頻率，經(jīng)實際測試結(jié)果表明其預(yù)測的結(jié)果是可靠、有保障的。這種預(yù)測方法對于緊急情況短波電臺通信快速確定合理的可用頻率，具有廣泛的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

[1]沈琪琪，朱徳生．短波通信[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001:196-202

[2]王林志，謝紹斌．基于ITS的短波鏈路頻率指配與電磁計算[J]．空軍工程大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006,(3),77-81

Prediction and Analysis of Skywave Frequency

Peng Zhongbao,Liu Haorong
(Shenzhen Radio Monitoring Station，State Radio Monitoring Center,Shenzhen,518120)

Abstract:HF communication is the only communication mode that is not affected by the network hub,because of the characteristics of low construction cost,long communication distance,and anti-interference.HF communication can play an important role in emergency situations,especially in the case of war or natural disasters.Skywave link prediction is a key to design a good shortwave communication link.Firstly,this paper presents the different methods ofskywave propagation prediction.Secondly,the paper presents the frequency prediction and simulation of skywave link based on the ITS prediction program.Lastly,this paper tests and verifies the data using radio communication.

Keywords:skywave communication;frequency prediction;ITS

作者簡介：彭忠寶，碩士研究生，國家無線電監(jiān)測中心深圳監(jiān)測站助理工程師，主要從事短波監(jiān)測工作。主要研究方向為短波監(jiān)測相關(guān)技術(shù)研究。劉昊容，碩士研究生，國家無線電監(jiān)測中心深圳監(jiān)測站助理工程師，主要從事短波監(jiān)測工作，主要研究方向為短波監(jiān)測相關(guān)技術(shù)研究。

中圖分類號：TN926+.2文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A文章編碼：1672-7274（2016）03-0067-03

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.03.019