永暑島海域短波通信保障研究

李 引 凡

(重慶通信學院 信息工程系,重慶 400035)

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永暑島海域短波通信保障研究

李 引 凡

(重慶通信學院 信息工程系,重慶 400035)

摘要：介紹了南海海域當前面臨的軍事斗爭的嚴峻性以及短波通信作為戰(zhàn)略通信手段而發(fā)揮作用的必要性；分析了我國境內(nèi)對永暑島海域通信的發(fā)射仰角、最高可用頻率等關鍵參數(shù)的四季分布，并以?？凇⒅貞c和北京三地區(qū)為例，給出了三條鏈路冬夏兩季最高可用頻率的日夜變化規(guī)律；根據(jù)分析的結果，確定了對永暑島海域通信的鏈路中使用的天線類型、最低可用頻率，并對其中兩條鏈路中永暑島海域接收信噪比區(qū)域覆蓋進行了仿真。

關鍵詞：永暑島；短波通信；天線；最高可用頻率

1永暑島地理位置概述

南海，又稱南中國海，海域面積356萬km2，約等于我國渤海、黃海和東?？偯娣e的3倍，其中屬于我國管轄范圍(即“九段線”以內(nèi))的約有210萬km2，包括東沙、中沙、西沙和南沙群島。目前，南海四大群島中，西沙、中沙群島被我國實際控制，東沙群島被我國臺灣控制，而南沙群島的情況則極為復雜：越南非法占據(jù)了南沙西部海域，菲律賓非法占據(jù)了南沙東北部海域，馬來西亞非法占據(jù)了南沙西南部海域。南海爭端的焦點就在南沙群島。

圖1　永暑島地理位置Fig.1　Geographic position of Yongshu Island

南沙群島地處越南金蘭灣和菲律賓蘇比克灣兩大海軍基地之間，整個海域面積82.3萬km2，戰(zhàn)略位置十分重要。在南沙群島中，我國實際控制的只有9個島礁，其中最大的永暑島(原名永暑礁，9°37′N，112°58′E，如圖1所示)面積2.8 km2里(截至2015年4月)，在南海四大群島中僅次于永興島、東沙島、東島和中建島，地理位置優(yōu)越，戰(zhàn)略價值極高，對我國掌控南海作用極大。

近年來，我國與東南亞各國就南沙群島的爭端持續(xù)發(fā)酵，我國在南沙群島海域所面臨的民間沖突和軍事威脅不斷升級。南沙群島遠離我國本土(最南端的曾母暗沙距海南超過1 700 km)，周邊相關利益國家眾多且背景復雜，海上通信主要依賴于衛(wèi)星通信。但衛(wèi)星通信在資源申請與管理不方便、信道資源和波束覆蓋范圍有限，衛(wèi)星裝備在軍事對抗中顯得既昂貴又脆弱。短波通信是利用電離層反射進行的遠距離通信，短波裝備造價便宜、技術成熟、機動性高、抗毀性強，短波報文具有很強的保密性和抗干擾等優(yōu)勢。隨著自適應技術和跳頻技術的引入，自20世紀80年代以來短波通信獲得了長足的發(fā)展，然而短波通信的站點設置、天線運用、頻率功率選擇等對通信性能有很大影響，未來面對高強度軍事沖突時，研究如何利用短波通信保障我方軍事力量在南沙群島海域的通信暢通，具有重大的軍事意義、現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義。

2永暑島海域短波通信仿真分析

美國國家電信信息署(NTIA)和電訊科學學會(ITS)發(fā)布的一種短波通信性能分析軟件(下稱ITS軟件)可對2～30 MHz頻段內(nèi)的信號進行仿真分析[1]，可分析參數(shù)主要包括：最高可用頻率(MUF)、信噪比(SNR)、信號時延/場強/損耗、噪聲功率、電離層實際高度、天線增益與仰角以及可通率(SNR大于門限的時間百分比)、(達到可通率所需的)功率容量、(達到所需可靠度的)服務概率、(達到所需可靠度的)信噪比(SNRxx)等。對上述參數(shù)造成影響的因素眾多，主要包括：發(fā)射機/接收機位置(經(jīng)緯度)、世界時間、太陽黑子數(shù)(SSN)、有效地磁活動指數(shù)(Qe)、天線類型等。現(xiàn)僅重點考慮MUF、SNR、天線增益與仰角等參數(shù)。

2.1發(fā)射仰角

短波通信通過電離層反射一次(跳)或多次(跳)可以達到。理論上，發(fā)射仰角為0°時，短波通信單跳可達的最遠距離約為4 000 km，兩跳可超過7 000 km[2-4]。但在實際應用中，受地理環(huán)境、地形地貌、架設條件和工作頻率等因素的限制，不可能實現(xiàn)0°的最大輻射仰角。根據(jù)分析可知，海口-永暑島鏈路、重慶-永暑島鏈路只需要1跳，仰角分別約為22°和9°；北京-永暑島鏈路需要2跳，仰角約為17°。

圖2　對永暑島通信發(fā)射仰角反向區(qū)域覆蓋Fig.2　Regional back covering range of elevation of Yongshu Island

圖2給出了20××年的3月(春)、6月(夏)、9月(秋)和12月(冬)對永暑島通信的發(fā)射仰角反向區(qū)域覆蓋，其中陰影區(qū)域為仰角小于10°的區(qū)域(令世界時UT=04:00、太陽黑子數(shù)SSN為中等水平50)。從圖2中可以看到，發(fā)射仰角反向區(qū)域覆蓋分布一年四季的差異不明顯：若在距離最近的海南部署發(fā)射機，需要30°左右的仰角；在華南一帶，需要10°～20°左右的仰角；在西南、華中和華東，發(fā)射仰角降至10°以下至3°左右；隨著距離的增加，發(fā)射仰角逐漸減小，在距離更遠的華北、東北、西北和西藏地區(qū)，由于天波需經(jīng)電離層反射兩次到達南海海域，此時發(fā)射仰角又有所起伏。然而，當仰角低于5°時，存在兩方面的問題：由于地面的反射和天線架高的限制，要實現(xiàn)定向天線在低輻射仰角上獲得最大增益存在一定困難，除非天線架設在百余米的高度或高的陡峭的山頂；由于地面吸收，當電波輻射仰角過低時，將產(chǎn)生一定的地面損耗和繞射損失，不利于遠距離通信。

圖3給出了20××年的3月(春)、6月(夏)、9月(秋)和12月(冬)對永暑島通信的MUF反向區(qū)域覆蓋，其中陰影區(qū)域為MUF大于30 MHz的區(qū)域。

圖3　對永暑島通信MUF反向區(qū)域覆蓋Fig.3　MUF reverse regional covering range of Yongshu Island

2.2最高可用頻率

從圖3中可以看到，MUF反向區(qū)域覆蓋分布冬春與夏秋差異明顯，冬春季可以使用更高的頻率(同一鏈路MUF比夏季高3～5 MHz左右)，以夏季為例：若在距離最近的海南部署發(fā)射機，MUF為13～14 MHz左右；在華南一帶，MUF為15～20 MHz左右；若在距離較遠的西南、華中和華東一帶部署，MUF則為20～25 MHz左右；在西藏、青海和華北，MUF則升至25～30 MHz；在距離更遠的西北和東北，由于天波需經(jīng)電離層反射兩次到達南沙群島海域，此時MUF又有所降低。

以北京、重慶、和海口3個地區(qū)為例，分別代表遠、中、近3個地區(qū)對永暑島通信，圖4給出了20××年6月和12月的MUF月度中值0～24時變化，這也是當月選擇最佳工作頻率(FOT)的依據(jù)。

總體上，冬季的MUF日夜變化范圍較大，相比于夏季，白天MUF更高、夜間MUF更低。北京地區(qū)因發(fā)射仰角較低，故MUF偏高；?？诘貐^(qū)因發(fā)射仰角較高，故MUF偏低。

2.3天線選型

對于我國本土至南海的遠距離短波通信而言，應考慮具有低仰角、高增益的大型定向天線，如對數(shù)周期天線、菱形天線等[5-6]。其中，對數(shù)周期天線結構更為復雜，采用硬振子時自重較大，架設難度較大。菱形天線是一種行波天線，具有很強的方向性，它是短波天線中使用最廣泛的天線之一，在短波固定站遠距離通信中常被用作發(fā)射機天線。菱形天線的形式很多，但基本型式是由導線組成一個水平菱形，懸掛在4個支持柱上，由菱形的銳角一端饋電，另一端接與菱形天線的特性阻抗相等的無感電阻。

圖4　對永暑島通信MUF月度中值日夜變化Fig.4　Change between day and night of MUF monthlymean value of the communication on Yongshu Island

圖5給出了一款三線單菱形天線在3～30 MHz范圍內(nèi)的最大輻射仰角和長對角線所在E面最大增益的分布。

圖5　菱形天線最大輻射仰角與最大增益分布Fig.5　Maximum radiation elevation and maximundistribution of rhombic antenna

菱形天線的參數(shù)為：邊長l=70 m，鈍角2φ=130°，鈍角處導線分開的距離d=2 m，終端負載RL=400 Ω，架高h=20 m。從圖中可以看到，當f>10 MHz時，有Δ<20°和Ga>15 dBi；當2021 MHz時，副瓣增益逐漸增大，長對角線所在E面內(nèi)的主瓣增益逐漸減小。同時，菱形天線在設計頻率范圍內(nèi)還具有優(yōu)良的VSWR寬帶性，可以實現(xiàn)無天線調(diào)諧器[7]的免調(diào)諧工作，特別適宜在短波自適應和跳頻狀態(tài)下工作。

2.4鏈路仿真

以?？?、重慶和北京至永暑島通信鏈路為例，在3個地區(qū)部署上述菱形天線，長軸方向朝向永暑島，方位角分別為165.9°、161.7和186.6°，永暑島上接收天線選擇雙極天線，鏈路仿真中的其他參數(shù)SSN取50、有效地磁活動指數(shù)(Qe)取2，噪聲功率取-145 dB。

短波通信選頻時，除了考慮前面所述的MUF外，在兩個特定點之間通過電離層進行有效通信時還存在一個頻率下限。如果有可能從MUF開始工作然后逐漸降低頻率，信號強度會逐漸減小并最終消失在背景噪聲中(信號的吸收隨頻率降低的平方成比例增加)，在接收信號變?yōu)闊o用時對應的頻率點為最低可用頻率(LUF)。顯然，不同的發(fā)射功率對應的LUF不盡相同[8]。

圖6　對永暑島通信LUF月度中值日夜變化Fig.6　LUF monthly change between day and night of monthly mean value ofthe communication on Yongshu Ishand

圖6給出了上述條件下3條鏈路在不同功率等級時20××年6月和12月的LUF月度中值0～24時變化，圖中斷線部分表示收SNR>42 dB的概率小于90%(SNR是指接收機輸出端的信號平均功率與噪聲平均功率的比值)。從圖6可知，功率越高，LUF越低，結合圖2和圖3可知，在LUF頻段中，存在部分2F2傳播模式；同時可知，在高緯度地區(qū)以及夜間時段(尤其冬季夜間)，通信的暢通難以保證。根據(jù)圖3至圖6的結論，令?？?永暑島鏈路和重慶-永暑島鏈路6月的工作頻率分別為15 MHz和21 MHz，發(fā)射功率400 W。圖7給出了上述條件下兩條通信鏈路南海海域的SNR90區(qū)域覆蓋(SNR90指的是1月中有超過90%的天數(shù)可以達到SNR值)。從圖7中可以看到，兩條鏈路中永暑島及周邊海域均獲得了良好的SNR90覆蓋，均達到了60 dB以上，具有良好的通信效果。

圖7　SNR90區(qū)域覆蓋(6月，UT=04:00，SSN=50)Fig.7　SNR90 regional cover

3結語

短波通信鏈路中的電離層季節(jié)變化、日夜變化及電離層暴、電離層突然騷擾等自然因素，天線類型、工作頻率、功率等級及收發(fā)信機經(jīng)緯度等人為因素，對于短波通信的各項指標有著極為復雜的影響。研究各種條件下針對永暑島及周邊海域的通信鏈路與區(qū)域覆蓋，累積數(shù)據(jù)、積累經(jīng)驗，及時形成通信保障力與戰(zhàn)斗力，將為我國在南海海域的軍事斗爭贏得先機。然而，遠程短波通信的難點在于接收來自于艦船的信號，艦載站的客觀條件相比與固定站顯得非常苛刻，艦船上的短波通信裝備發(fā)射功率受限、天線尺寸受限、架設方位角隨艦船航行不斷變化，如何保證此類遠程短波通信的雙向暢通將是進一步研究的重點。

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責任編輯：田靜

Research on HF Communication Guarantee over Yongshu Island Sea Area

LI Yin-fan

(Department of Information Engineering, Chongqing Communication College, Chongqing 400035, China)

Abstract：The severe situations of the military struggle around the south sea of China are introduced at first. The necessities are discussed that HF communications should be used as a strategic communication. Then the distribution of the parameters such as radiation angle and maximum usable frequency (MUF) in the communication link between Yongshu island and other cities are analyzed in the conditions of four seasons. The change rules of MUF in day and night can be got from Haikou, Chongqing and Beijing. So the antenna forms and lowest usable frequencies can be decided for long distance and short distance link. At last the area coverage of signal to noise ratio (SNR) over Yongshu island is simulated.

Key words:Yongshu Island; HF communications; antenna; Maximum Usable Frequency (MUF)

中圖分類號：TN925

文獻標志碼：A

文章編號：1672-058X(2016)02-0040-05

作者簡介：李引凡(1979-), 男, 重慶市人, 講師, 碩士, 從事軍事無線通信技術與裝備研究.

收稿日期：2015-10-11；修回日期：2015-11-28.

doi:10.16055/j.issn.1672-058X.2016.0002.009