短波通信頻率預(yù)測(cè)方法淺析

張 寧，劉天康

（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心烏魯木齊監(jiān)測(cè)站，新疆 烏魯木齊 830054）

I 研究背景

近期，因?yàn)蹩颂m局勢(shì)的升溫，英國(guó)和德國(guó)等國(guó)家，增加或者重啟了針對(duì)烏克蘭地區(qū)的短波廣播發(fā)射計(jì)劃，因電離層屬于變參信道，發(fā)射頻率在不同時(shí)間采用了不同的頻率，以達(dá)到較好的傳播效果[1]。由此可見，短波傳播技術(shù)仍然是一項(xiàng)非常重要的通信技術(shù)，而其發(fā)射頻率的選擇對(duì)傳播效果具有舉足輕重的作用。短波天波通信能夠進(jìn)行洲際通信和全球通信，其通信的距離遠(yuǎn)近與電離層這一充當(dāng)短波反射層的物理結(jié)構(gòu)有關(guān)，進(jìn)而與短波選擇的通信頻率有關(guān)。

短波依靠電離層反射完成遠(yuǎn)距離通信，電離層作為變參信道，其對(duì)短波傳播的影響在不同條件下（如時(shí)間、地理位置等）具有不同的效果，要想獲得較好的短波傳播效果，就要首先對(duì)短波傳播的頻率進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，也就是在掌握電離層的特性基礎(chǔ)上采用一些科學(xué)方法對(duì)通信頻率進(jìn)行預(yù)測(cè)。另一方面，短波通信頻率的預(yù)測(cè)，是短波通信工程中必須要考慮和做好的一項(xiàng)重要工作，無(wú)線電監(jiān)測(cè)工作也要基于對(duì)短波通信的科學(xué)技術(shù)的掌握開展相關(guān)監(jiān)測(cè)工作。因此，本文針對(duì)短波通信的頻率預(yù)測(cè)展開介紹，可為短波國(guó)際廣播的監(jiān)測(cè)工作提供技術(shù)指導(dǎo)[2][3]。本文僅針對(duì)短波天波通信頻率開展討論和介紹。

2 天波通信

短波通信是波長(zhǎng)在100～10 m之間，頻率范圍為3～30 MHz的一種無(wú)線電通信技術(shù)，又稱為高頻（HF）通信，在實(shí)際應(yīng)用中，短波通信的使用頻率范圍可以擴(kuò)展為1.5～30 MHz。如圖1所示，短波信號(hào)除了能夠通過(guò)地波傳播實(shí)現(xiàn)視距范圍內(nèi)的近距離信號(hào)傳輸，還可以經(jīng)過(guò)電離層反射進(jìn)行天波傳播實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸。一般將電離層分為D層、E層、和F層三層，D層距離地面最近，一般在50～100 km左右的高空，短波信號(hào)經(jīng)過(guò)D層時(shí)，受D層電子濃度的影響，會(huì)直接穿透過(guò)去。在穿過(guò)D層時(shí)，與D層的電子相互作用，會(huì)使短波信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生衰減，而且頻率越低的短波信號(hào)衰減越明顯。E層在D層的上方，一般位于100～120 km處，白天E層的最大電子密度處于110 km處，且基本不變。E層同時(shí)存在電離和捕獲兩種現(xiàn)象，且夜間可以認(rèn)為沒有電離，故可以認(rèn)為夜晚的E層比白天高，反射距離也就更遠(yuǎn)。此外，E層中還有Es層，也稱為偶發(fā)E層，其本質(zhì)是一些強(qiáng)烈電離形成的小的云團(tuán)。偶發(fā)E層持續(xù)時(shí)間在數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)不等，且夏季一般比冬季出現(xiàn)次數(shù)更多，持續(xù)時(shí)間也更長(zhǎng)。F層是短波信號(hào)反射的主要位置，它在白天分為F1和F2兩個(gè)層，夜間則合并為一個(gè)層。其中，F(xiàn)1層一般位于170～220 km處；F2層一般位于220～450 km處。由于F層高度的原因，它是能使短波信號(hào)反射后到達(dá)最遠(yuǎn)距離的反射層[4]。

圖1 短波傳播及電離層示意圖

短波傳播對(duì)于不同的通信距離需求，選擇不同的工作頻率使接收端信噪比在滿足條件的情況下通信距離發(fā)揮到最佳水平是至關(guān)重要的。短波無(wú)線電臺(tái)站可以使用較小的發(fā)射功率，不依賴任何地面系統(tǒng)利用天波路徑獨(dú)自建立數(shù)百千米甚至數(shù)千千米的通信聯(lián)系，這是短波天波通信有別于其他通信方式的突出優(yōu)勢(shì)。但是電離層隨晝夜、季節(jié)和年度等變化而變化，使得天波傳播存在一定的不穩(wěn)定性，所以，合理選擇通信頻率才能充分利用天波傳播的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳播。

3 天波傳播路徑基本參數(shù)

對(duì)于天波傳播方式而言，不同的天線仰角、不同的通信距離以及電離層的變化均會(huì)導(dǎo)致天波傳播特性的變化，因此要選擇最佳的短波信號(hào)天波傳播的通信頻率，就要研究天波傳播的主要路徑，要確定信號(hào)通過(guò)幾次反射到達(dá)接收端，首先需要確定收發(fā)端之間的大圓距離，然后根據(jù)短波信號(hào)的最大跳距判斷主路徑的最小跳數(shù)，從而確定短波信號(hào)在電離層的反射點(diǎn)位置以及短波信號(hào)經(jīng)過(guò)的路徑。

3.1 大圓距離

大圓距離指的是從球面上的一點(diǎn)A出發(fā)到達(dá)球面上另一點(diǎn)B所經(jīng)過(guò)的最短路徑長(zhǎng)度。一般來(lái)說(shuō)，球面上任意兩點(diǎn)都可以與球心確定唯一的大圓，稱為黎曼圓，而在這個(gè)大圓上連接這兩點(diǎn)的較短的一條弧的長(zhǎng)度就是大圓距離。如圖2所示，假設(shè)發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)的經(jīng)緯度分別為和，且經(jīng)度，緯度，則收發(fā)點(diǎn)間的地心角可表示為

圖2 大圓距離示意圖

從而可以得到收發(fā)點(diǎn)之間的大圓距離為

3.2 控制點(diǎn)位置

短波信號(hào)在經(jīng)電離層反射傳播時(shí)，在電離層上有一個(gè)等效的反射點(diǎn)，又稱為控制點(diǎn)。根據(jù)天波傳播的跳數(shù)，將整個(gè)短波通信路徑分為若干段，每一段都是一個(gè)一跳的傳播路徑，分別確定各段對(duì)應(yīng)的收發(fā)端經(jīng)緯度坐標(biāo)，然后結(jié)合短波信號(hào)在電離層的反射模式，從而確定短波通信的各個(gè)控制點(diǎn)。短波信號(hào)在電離層的反射并不像鏡面反射一樣有一個(gè)明確的反射點(diǎn)，因此反射點(diǎn)位置不一定處于中點(diǎn)處，根據(jù)路徑長(zhǎng)度和反射層，文獻(xiàn)[4]給出了用于確定基本MUF（最大可用頻率）、E層屏蔽、射線路徑鏡面反射高度和電離層吸收控制點(diǎn)的位置。本文只列出用于確定基本MUF和相關(guān)電子回轉(zhuǎn)頻率的控制點(diǎn)位置，如表1所示[4]。

表1 用于確定基本MUF和相關(guān)電子回轉(zhuǎn)頻率的控制點(diǎn)位置

表1中，M為路徑中間點(diǎn)；T為發(fā)射點(diǎn)位置；R為接收點(diǎn)位置；dmax為在路徑中間控制點(diǎn)計(jì)算出的F2模的最大跳躍長(zhǎng)度；d0為最低階模的跳躍長(zhǎng)度。

3.3 最大跳距及仰角

在確定天波傳播方式的最小跳數(shù)時(shí)，通常根據(jù)收發(fā)端的大圓距離D與跳距的最大值的比值進(jìn)行計(jì)算，可表示為

由圖2所示的幾何關(guān)系，跳距 可表示為

其中，可進(jìn)一步表示為

式中各變量可進(jìn)一步表示為

其中，

對(duì)于式（17）相關(guān)變量有如下表達(dá)式：

4 天波頻率選擇

由于電離層的高度及電子密度主要隨日照強(qiáng)弱晝夜變化，因此工作頻率的選擇是影響通信質(zhì)量的關(guān)鍵性問題。在天波傳播中，最大可用頻率（MUF）分為基本MUF和工作MUF，基本MUF為僅考慮電離層特性而建立模型推導(dǎo)得到的MUF。若信號(hào)的頻率高于MUF，電離層對(duì)短波信號(hào)將只有吸收作用而沒有反射作用；若信號(hào)頻率低于MUF，電離層吸收作用太強(qiáng)而反射作用過(guò)弱，不能保證必需的信噪比，故信號(hào)工作頻率選擇十分重要。

4.1 E層基本最大可用頻率

基本MUF與臨界頻率以及入射角的正割成比例關(guān)系，因此臨界頻率越高，垂直角度越大，MUF越大。所以可以根據(jù)相應(yīng)的電離層臨界頻率和一個(gè)對(duì)應(yīng)跳躍長(zhǎng)度的因子估算各種傳播模式的基本最高可用頻率。

基于1944—1973年間55個(gè)電離層臺(tái)站所有公開的數(shù)據(jù)，E層臨界頻率由式（19）給出：

（4）D為每日時(shí)間因子，表達(dá)式為

因此根據(jù)基本MUF與臨界頻率的關(guān)系可以得到

4.2 F1層基本最大可用頻率

實(shí)際上，在短波天波傳播方式中，主要由E層和F2層實(shí)現(xiàn)電離層反射進(jìn)行信號(hào)傳播，本文仍給出F1層的基本最大可用頻率的計(jì)算方法。與E層相似，可以利用F1層的臨界頻率來(lái)計(jì)算基本可用頻率?；?954—1966年間在南北兩個(gè)半球39個(gè)電離層臺(tái)站記錄的數(shù)據(jù)，臨界頻率由式（27）給出：

F1層的最大可用頻率用臨界頻率由式（30）表示：

式中，F(xiàn)層傳播因子MF1為，其中，

此處的大圓Ｄ距離特指2000～3400 km范圍內(nèi)的大圓距離（km）。

4.3 F2層基本最大可用頻率

F層是短波信號(hào)反射的主要位置，它在白天分為F1和F2兩個(gè)層，夜間則合并為一個(gè)層。其中，F(xiàn)1層一般位于170～220 km處；F2層一般位于220～450 km處。由于F2層高度的原因，它是能使短波信號(hào)反射后到達(dá)最遠(yuǎn)距離的反射層，所以需要在考慮不同路徑距離的情況下進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)F2層反射通信時(shí)，在某個(gè)通信路徑距離D下有可能通過(guò)一次電離層反射即可完成通信，也可能需要通過(guò)多跳實(shí)現(xiàn)通信，但是利用合適的跳距，該通信路徑距離D下一定存在跳數(shù)最少的傳播路徑，把跳數(shù)最少的傳播路徑稱為最低階模（不一定是一跳），其他的稱為高階模。

一個(gè) 跳模的F2層的基本MUF，根據(jù)模的各跳長(zhǎng)度和最低可能階的距離比例因數(shù)來(lái)計(jì)算。為了計(jì)算和，最大跳距在控制點(diǎn)進(jìn)行重新計(jì)算，并且可以超過(guò)4 000 km。

同樣可選擇表1中兩個(gè)控制點(diǎn)計(jì)算的較低值。

4.4 最佳工作頻率

實(shí)際中，有時(shí)短波頻率高于基本MUF時(shí)仍可保持可靠的通信，是由于理論模型的固有誤差以及沒有考慮到的因素導(dǎo)致的。實(shí)際的MUF稱為工作，對(duì)于E模，工作MUF等于基本MUF。對(duì)于F2模，由基本MUF與比例因子的乘積進(jìn)行估計(jì)：

ITU-R REC P.1240建議書中給出了不同季節(jié)和天線的比例因子參考值[6]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)短波通信頻率預(yù)測(cè)方法的探究，介紹了短波通信頻率預(yù)測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)，以及電離層作為變參信道的處理方法。討論了電離層各層中的短波最大可用頻率及其估算方法，為科學(xué)選取短波通聯(lián)頻率提供技術(shù)指導(dǎo)。電離層作為變參信道，還需對(duì)其進(jìn)行深入研究，以使短波通聯(lián)頻率的預(yù)測(cè)越來(lái)越準(zhǔn)確?！?/p>