天波傳輸模型在短波模擬電臺(tái)訓(xùn)練系統(tǒng)中的應(yīng)用

丁岳峰，張 哲，曾 研，馬雪嬌

（1.南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，江蘇 南京 210000；2.南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094）

0 引言

短波模擬電臺(tái)訓(xùn)練系統(tǒng)作為一種對(duì)真實(shí)電臺(tái)產(chǎn)品的仿真，可解決短波電臺(tái)操作訓(xùn)練中存在的電臺(tái)數(shù)量不足、訓(xùn)練損耗、脫離真實(shí)通信環(huán)境等問(wèn)題。隨著近幾年在短波電臺(tái)產(chǎn)品上的不斷投入，電臺(tái)功能不斷增多，生產(chǎn)成本也在不斷提高，電臺(tái)訓(xùn)練模擬仿真軟件成為各通信設(shè)備廠家研發(fā)的熱點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)在通信設(shè)備訓(xùn)練軟件方面有了很大的進(jìn)展。為實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備訓(xùn)練軟件，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。石志強(qiáng)，張占軍等[1]學(xué)者提出了局域網(wǎng)內(nèi)基于C/S模型的坦克車(chē)載電臺(tái)模擬仿真通信訓(xùn)練系統(tǒng)。牟健等[2]學(xué)者在局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種基于SIP語(yǔ)音通信協(xié)議的模擬電臺(tái)語(yǔ)音通信系統(tǒng)。但上述通信設(shè)備訓(xùn)練軟件的研發(fā)都是以用戶界面、操作邏輯以及通信功能的仿真為主，忽略了真實(shí)短波傳輸過(guò)程中環(huán)境對(duì)通信效果的影響，造成用戶在使用電臺(tái)訓(xùn)練仿真軟件過(guò)程中體驗(yàn)差，忽視了各種因素所導(dǎo)致的電臺(tái)通信效果差、通不上等問(wèn)題，失去了電臺(tái)操作環(huán)境的真實(shí)性。

為此，本文在傳統(tǒng)訓(xùn)練軟件的基礎(chǔ)上，在短波電臺(tái)天波傳輸鏈路模擬算法中引入收/發(fā)信機(jī)性能、天線性能、電臺(tái)位置信息、時(shí)間信息等多種變量，研究各變量對(duì)通信質(zhì)量的影響，并將其應(yīng)用于短波模擬電臺(tái)訓(xùn)練系統(tǒng)中。先對(duì)天波傳輸模型設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，再對(duì)模擬天波傳輸功能進(jìn)行研究，最后將天波傳輸模型應(yīng)用于短波模擬電臺(tái)訓(xùn)練系統(tǒng)中，使短波模擬電臺(tái)訓(xùn)練系統(tǒng)更貼近實(shí)際使用。

1 波傳輸模型設(shè)計(jì)

短波通常是指波長(zhǎng)在10-100m，頻率在3-30MHz的電磁波。短波傳輸主要分為地波傳輸和天波傳輸，利用地波傳輸，損耗較大，通常用于近距離短波通信，而天波傳輸損耗小且傳輸距離遠(yuǎn)，因此天波傳輸是短波通信的主要傳輸方法。天波傳輸是指電磁波斜射電離層，經(jīng)過(guò)電離層的反射將電磁波傳回地面的傳輸方式。經(jīng)電離層與地面的多次反射，電磁波可傳至上千千米。天波傳輸雖然比地波傳輸受到傳輸損耗小，但易受太陽(yáng)離子濃度、發(fā)射角、跳數(shù)、電磁環(huán)境等多種因素的影響。

本文針對(duì)短波模擬電臺(tái)訓(xùn)練系統(tǒng)，旨在對(duì)天波鏈路進(jìn)行模擬，讓使用者對(duì)收/發(fā)信機(jī)性能、天線性能、電臺(tái)位置信息、時(shí)間信息等多種常見(jiàn)變量對(duì)短波通信效果的影響產(chǎn)生直觀感受，同時(shí)確保模型仿真結(jié)果與真實(shí)情況接近。本文對(duì)天波傳輸模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，采用一跳天波傳輸模型，根據(jù)短波信道傳輸理論，構(gòu)建并簡(jiǎn)化天波傳輸（一跳）模型如圖1所示。圖中，L表示兩地距離；R表示地球半徑；D表示電離層距地球高度；α表示兩點(diǎn)夾角；θ表示電離層入射角；β表示發(fā)射仰角。

圖1 天波傳輸模型

2 模擬天波傳輸功能設(shè)計(jì)

短波通信頻率是短波通信過(guò)程中最關(guān)鍵的指標(biāo)之一。頻率選擇過(guò)大，電磁波將穿透電離層無(wú)法傳回地面，反之頻率選擇過(guò)小，則電磁波會(huì)被強(qiáng)烈吸收，因此，選擇合適的頻率對(duì)短波通信至關(guān)重要。人們通常將最大可用頻率至最小可用頻率的可用頻率范圍稱(chēng)為“頻率窗”。

本文將用戶選擇的通信頻率與根據(jù)天波傳輸模型計(jì)算得到的“頻率窗”相結(jié)合，通過(guò)在信號(hào)中混入噪聲的方式，使用戶在使用過(guò)程中對(duì)各變量對(duì)通信質(zhì)量的影響有一個(gè)直觀的感受。

2.1 最大可用頻率

短波通信主要是通過(guò)電離層反射實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)短波頻率過(guò)高時(shí)，電磁波將穿透電離層，造成無(wú)法通信的情況。該頻率上限稱(chēng)為最高可用頻率[3]。

天波傳輸?shù)淖畲罂捎妙l率fmuf可表示為

式中，θ表示電離層入射角，Nmax表示電離層最大電子濃度。根據(jù)圖1的天波模型可得

將式（2）代入式（1）可得最高可用頻率fmuf

式中，電離層距地高度D；電離層入射角θ；電離層最大電子濃度Nmax受電離層影響，與當(dāng)前時(shí)間段有關(guān)，電離層入射角θ、兩地距離L與兩地經(jīng)緯度有關(guān)。

2.2 最低可用頻率

短波在天波傳輸過(guò)程中，經(jīng)過(guò)電離層吸收、環(huán)境損耗、饋線損耗等能量損耗后，到達(dá)接收機(jī)端的電磁波能量可能達(dá)不到接收機(jī)的靈敏度或信噪比無(wú)法滿足要求，從而影響正常通信。通常把滿足通信條件的頻率下限稱(chēng)為最低可用頻率[4]。

在自由空間條件下，接收機(jī)的輸入電平為

式中，PR為接收機(jī)輸入電平；PT為發(fā)射機(jī)的發(fā)射電平；GT為發(fā)射天線的增益；GR為接收天線的增益；Lf為饋線損耗；Lo為基本損耗，可表示為

式中，f為發(fā)射頻率；E為傳播路徑長(zhǎng)度。傳播路徑長(zhǎng)度根據(jù)天波傳輸模型，由當(dāng)前時(shí)間和經(jīng)緯度坐標(biāo)計(jì)算得到。

將式（5）代入式（4）中，當(dāng)滿足PR>KR即接收機(jī)輸入電平大于接收及靈敏度時(shí)，可計(jì)算得到最低可用頻率。其中，接收機(jī)輸入電平、發(fā)射機(jī)的發(fā)射電平、收發(fā)天線的增益、接收及靈敏度等變量在用戶進(jìn)行電臺(tái)、天線型號(hào)選擇時(shí)設(shè)置完成。

2.3 最佳可用頻率

在實(shí)際通信過(guò)程中，考慮到電磁波會(huì)穿透電離層，一般不會(huì)選擇最大可用頻率為通信頻率。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，白天時(shí)反射的電離層通常為E層，夜間通常為F層，因此，白天時(shí)最佳可用頻率fopt一般設(shè)置為最大可用頻率

夜間電離層較薄，夜間的最佳可用頻率一般設(shè)置為0.85倍的最大可用頻率，即

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)組成

短波模擬電臺(tái)訓(xùn)練系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器（C/S）模式，主要包含仿真電臺(tái)終端和服務(wù)器端。系統(tǒng)通過(guò)TCP/IP、UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真電臺(tái)終端接入狀態(tài)、話音通信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊目刂?。系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

3.2 功能實(shí)現(xiàn)

在短波模擬電臺(tái)訓(xùn)練系統(tǒng)基礎(chǔ)上，添加模擬天波鏈路功能。用戶在仿真電臺(tái)終端對(duì)各自經(jīng)緯度、當(dāng)前時(shí)間、電臺(tái)型號(hào)、天線型號(hào)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成后，通過(guò)網(wǎng)口傳至服務(wù)器。當(dāng)兩臺(tái)仿真電臺(tái)終端進(jìn)行通話業(yè)務(wù)時(shí)，將設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到當(dāng)前兩部仿真電臺(tái)終端可用通信頻率范圍。根據(jù)用戶所選的頻率，通過(guò)對(duì)話音信號(hào)進(jìn)行噪聲混疊，影響通信質(zhì)量。若未設(shè)置電臺(tái)和環(huán)境參數(shù)，則默認(rèn)在理想狀態(tài)下通信。在話音功能下，模擬天波功能具體實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 模擬天波模擬功能下話音通信流程

模擬天波功能參數(shù)設(shè)置成功后，軟件界面如圖4所示。

圖4 模擬天波功能參數(shù)設(shè)置軟件界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本文立足于傳統(tǒng)短波電臺(tái)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)，模擬真實(shí)環(huán)境，將短波天波傳輸過(guò)程中受到的影響因素帶入天波傳輸模型。待通信雙方進(jìn)行參數(shù)交互后，計(jì)算出當(dāng)前通信環(huán)境下的“頻率窗”，并將計(jì)算出的頻率范圍與雙方所選頻率進(jìn)行比較，并反映在通話質(zhì)量上。經(jīng)過(guò)測(cè)試得出應(yīng)用本文所提出的天波傳輸模型算法，計(jì)算所得頻率范圍結(jié)果與常用經(jīng)驗(yàn)數(shù)值較為接近，符合實(shí)際規(guī)律。天波傳輸模型的引入可以使用戶體驗(yàn)更為真實(shí)，用戶可以通過(guò)短波模擬電臺(tái)訓(xùn)練系統(tǒng)了解各型天線、電臺(tái)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等對(duì)“頻率窗”的影響，對(duì)用戶在實(shí)操下的選頻具有一定的指導(dǎo)意義。