電離層衰落特性分析

郭曉彤, 王 嚴(yán), 陳 馨, 華彩成

(中國電波傳播研究所青島分所，山東 青島 266071)

0 引 言

目前短波電子信息裝備無論是論證設(shè)計(jì)的仿真試驗(yàn)還是研制試驗(yàn)，關(guān)于電離層信道環(huán)境還存在以下兩個(gè)問題：1)在利用已有國產(chǎn)短波信道仿真軟件或是仿真器開展內(nèi)場仿真試驗(yàn)時(shí)，一般不考慮信道衰落特性或是自定義選擇衰落服從的分布特性，因此，無法保證仿真電離層信道環(huán)境和真實(shí)電離層信道環(huán)境的一致性，導(dǎo)致裝備對多場景短波電離層環(huán)境下試驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)不足，從而不能準(zhǔn)確、有效地評估短波電子信息裝備在實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下的作戰(zhàn)效能；2)多場景短波電離層信道衰落模型、基于場景特征的電離層衰落特性預(yù)測等相應(yīng)短波信道仿真技術(shù)缺乏。綜上所述，亟需開展多場景短波電離層信道仿真技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)短波電子信息裝備在不同作戰(zhàn)時(shí)間短波電離層信道多種衰落的自動(dòng)關(guān)聯(lián)。

文獻(xiàn)[1]在20世紀(jì)30年代的時(shí)期發(fā)起了對電離層傳播信號(hào)衰落特性的研究，并取得了業(yè)內(nèi)較為認(rèn)可的成果；隨后，文獻(xiàn)[2-4]也開始對基于垂測鏈路數(shù)據(jù)的電離層衰落特征參數(shù)規(guī)律進(jìn)行研究；在20世紀(jì)60年代中期至80年代中期，文獻(xiàn)[5]結(jié)合短波授時(shí)臺(tái)信號(hào)及國際通信電臺(tái)信號(hào)，在不同的鏈路上(大圓距離不同)開展了短波信道時(shí)間選擇性衰落測試實(shí)驗(yàn)，獲取了初步的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其結(jié)果反映出電離層整體的特性，對研究起到了推動(dòng)作用。隨后，文獻(xiàn)[6]在1995年對電離層傳播的混合模式下短波一跳天波多普勒頻移和展寬進(jìn)行了討論研究；進(jìn)入到21世紀(jì)以來，文獻(xiàn)[7-9]也對采集到的區(qū)域電離層數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得到了電離層各個(gè)模式電波信號(hào)的衰落特性，同時(shí)得到的成果對一直以來的傳播衰落特性研究具有重大的推動(dòng)，其研究成果表明1 000 km 左右單程電路單跳模式的時(shí)域信號(hào)幅度衰落不是瑞利分布形態(tài)和正態(tài)分布形態(tài)，同時(shí)頻域信號(hào)幅度衰落則滿足正態(tài)分布，但受計(jì)算工具的限制其統(tǒng)計(jì)的分布類型過于單一。

1 短波斜向電離層定頻試驗(yàn)

1.1 開展試驗(yàn)

電離層是一種時(shí)變特性的介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)隨時(shí)間不斷的變化。項(xiàng)目組前期對試驗(yàn)方案進(jìn)行了調(diào)研和整理，收集了多條斜向鏈路的電離層傳播模式信息，并進(jìn)行了電離層變化分析討論。在試驗(yàn)過程中，首先，設(shè)備先進(jìn)行斜測鏈路上的掃頻探測，各頻率逐一進(jìn)行探測掃描，以獲取鏈路上的電離層傳播模式信息；然后，開展定頻探測試驗(yàn)，輸出為經(jīng)匹配濾波器處理之后的探測結(jié)果，鏈路的掃頻探測數(shù)據(jù)可為定頻探測頻譜上傳播模式的識(shí)別提供重要參考。試驗(yàn)過程中的固定頻率探測數(shù)據(jù)不僅可以提供固定頻點(diǎn)不同傳播模式的頻譜信息，還可以提供不同傳播模式的幅度和相位信息。

探測信號(hào)采用線性調(diào)頻連續(xù)波，一種是信號(hào)帶寬40 kHz，探測脈沖重復(fù)周期50 ms，試驗(yàn)系統(tǒng)在1 min 的前25.6 s工作，共獲取512個(gè)探測脈沖信號(hào)；另一種是信號(hào)帶寬40 kHz，探測脈沖重復(fù)周期50 ms，試驗(yàn)探測系統(tǒng)在1 min的前12.8 s工作，這樣可以獲取256個(gè)脈沖信號(hào)。探測脈沖經(jīng)匹配濾波后就可以輸出探測結(jié)果。

所開展的短波斜向電離層定頻探測試驗(yàn)，探測時(shí)間覆蓋冬季、春季、夏季、秋季4個(gè)季節(jié)，涵蓋日出、上午、下午、日落、夜間5個(gè)時(shí)段，試驗(yàn)數(shù)據(jù)量約2.5 TB。

1.2 探測數(shù)據(jù)預(yù)處理

探測數(shù)據(jù)預(yù)處理流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)預(yù)處理流程

首先，采用信道時(shí)域特征參量統(tǒng)計(jì)方法，自適應(yīng)識(shí)別強(qiáng)干擾信道；基于中值歸一化算法思想，采用修正均值濾波方法抑制弱干擾信道；采用電離圖與單個(gè)信道統(tǒng)計(jì)方法，為各不同類型的電離圖自適應(yīng)生成濾波門限值，濾除底噪聲；將形態(tài)學(xué)算子和連通域思想與噪聲分布特性有效結(jié)合，濾除電離圖中彌散的不同尺度連通域噪聲，從而形成干凈的預(yù)處理后的電離圖。

然后，對每個(gè)信道的回波信號(hào)進(jìn)行群距離特征化，對抑制干擾和噪聲后的電離圖數(shù)據(jù)進(jìn)行模式分離、描跡細(xì)化。

最后，對描跡細(xì)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行模式描跡識(shí)別，并對識(shí)別出的描跡進(jìn)行平滑處理、描跡提取。

對于定頻短波斜向電波傳播數(shù)據(jù)，通過背景噪聲消除、散粒噪聲消除，得到干凈的譜圖；根據(jù)譜圖能量分布，選出能量最強(qiáng)的信號(hào)作為典型值，結(jié)果如圖2所示。

圖2 典型信號(hào)選取

保存選定信號(hào)的幅度、相位、頻率等信息，為開展多場景短波電離層信號(hào)衰落統(tǒng)計(jì)特性分析、建模方法研究以及構(gòu)建衰落模型提供數(shù)據(jù)支持。

2 衰落特性統(tǒng)計(jì)分析

2.1 電波傳播衰落特性統(tǒng)計(jì)

利用預(yù)處理后選取的典型信號(hào)，提取其幅度隨時(shí)間變化信息。

首先，對幅度信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分布擬合(包括Weibull分布、Logistic分布、Rice分布、T分布、Inverse Gaussian分布、Nakagami分布、Gamma分布)；然后，采用最大似然估計(jì)、基于統(tǒng)計(jì)直方圖估計(jì)等方法，確定信號(hào)的幅度分布類型及各分布類型的對應(yīng)參數(shù)。具體處理流程框圖如圖3所示。

圖3 電波信號(hào)衰落特性統(tǒng)計(jì)分析框圖

圖4給出了2020年1月15日在中國中緯度地區(qū)測得的1 000 km大圓距離上，探測頻率為12.3 MHz的信號(hào)幅度隨時(shí)間的變化曲線。由于是對探測脈沖直接提取信號(hào)幅度，因此，稱其為時(shí)域信號(hào)幅度。通過頻譜分析，求取每個(gè)模式頻域信號(hào)最強(qiáng)點(diǎn)所在的位置，在該距離門上提取出其時(shí)域信號(hào)幅度。受外部環(huán)境的影響，探測頻率不同，噪聲基底也不同。在多數(shù)情況下，噪聲基底在5 dB左右。

圖4 斜向探測路徑上的信號(hào)幅度衰落特征

圖5為一次探測(256×6個(gè)脈沖)的概率累積分布圖。圖6檢驗(yàn)了測量數(shù)據(jù)組與各種概率分布類型的匹配程度，判斷測量信號(hào)幅度最接近的分布類型。

圖5 幅度概率累積分布圖

對比不同擬合方式的方差值，選出方差值最小的分布即為該幅度的最佳擬合分布。表1為圖6中各分布類型的方差及最大似然函數(shù)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。最終選擇Weibull分布(方差最小值：0.117 5，絕對值最小值：-8 717.63)為該組數(shù)據(jù)的最佳匹配分布類型。對于存在多種累積概率分布擬合類型效果相近的情況，增加比較概率分布直方圖的擬合分布情況，選出最佳擬合分布類型。

圖6 不同分布擬合情況

表1 不同擬合方式方差統(tǒng)計(jì)

2.2 衰落特性與時(shí)間場景關(guān)聯(lián)

按照2.1中的流程，對不同時(shí)間的共4 800組數(shù)據(jù)進(jìn)行電離層衰落特性分析，與時(shí)間場景特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)，完成場景與衰落特性的自動(dòng)匹配。

各季節(jié)的電離層衰落特性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖7所示。各時(shí)段的電離層衰落特性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖8所示。

圖7 各季節(jié)的電離層衰落特性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

圖8 各時(shí)段的電離層衰落特性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

根據(jù)已有電波傳播數(shù)據(jù)多條鏈路的季節(jié)、時(shí)段及最佳分布類型等情況，建立場景特征分類準(zhǔn)則，分類準(zhǔn)則包括：季節(jié)(春季、夏季、秋季、冬季)、時(shí)間(日出、上午、下午、日落、夜間)、分布類型(Weibull、Logistic、Rice、T、Inverse Gaussian、Nakagami、Gamma)；然后，對于不同分類準(zhǔn)則依次進(jìn)行特性種類聚類，得到場景特征與衰落特性的關(guān)聯(lián)模型。時(shí)間場景與衰落特性的匹配模型如表2～表5所示。

表2 時(shí)間場景與衰落特性的匹配模型(春季)

表3 時(shí)間場景與衰落特性的匹配模型(夏季)

表4 時(shí)間場景與衰落特性的匹配模型(秋季)

表5 時(shí)間場景與衰落特性的匹配模型(冬季)

根據(jù)圖7、圖8及表1的時(shí)間場景與電離層衰落類型關(guān)聯(lián)模型，電離層衰落特性軟件輸出界面如圖9所示，輸入為季節(jié)，時(shí)段；輸出各分布類型的概率分布及各分布類型的累計(jì)概率分布圖形。

圖9 關(guān)聯(lián)模型輸出界面

3 結(jié) 語

開展了不同時(shí)間場景短波電離層信號(hào)衰落統(tǒng)計(jì)特性分析及場景關(guān)聯(lián)研究，給出了時(shí)間場景與電離層衰落的關(guān)聯(lián)模型，具備不同時(shí)間場景下短波電子信息裝備電離層信道衰落的仿真能力，對短波電子裝備有一定的實(shí)用性。

后續(xù)將對各種衰落模型進(jìn)行仿真構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)從信道衰落模擬到信號(hào)的加載及應(yīng)用驗(yàn)證。