短波傳播預(yù)測精度提升策略研究

薛浩軍

內(nèi)蒙古自治區(qū)廣播電視傳輸發(fā)射中心610臺 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010050

引 言

短波通信以其遠(yuǎn)距離通信、良好的機(jī)動性能、抗毀性強(qiáng)及同時(shí)具備多種通信能力的特點(diǎn)在戰(zhàn)術(shù)通信、生產(chǎn)領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域等得到廣泛的應(yīng)用。但是，短波天波是指經(jīng)電離層反射而傳播的波，亦稱“電離層波”。電離層（Ionosphere）是地球大氣的一個(gè)電離區(qū)域，是受太陽高能輻射以及宇宙線的激勵(lì)而電離的大氣高層。60 千米以上的整個(gè)地球大氣層都處于部分電離或完全電離的狀態(tài)，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。一年四季乃至每時(shí)每刻太陽照射的強(qiáng)弱都在變化，因此各地電離層的情況各有所異，使通過天波傳播的信道屬于時(shí)變色散信道，其信道特征是隨著晝夜、季節(jié)、經(jīng)緯度、太陽黑子數(shù)等多種因素的變化而不斷變化的，這使得短波傳播場強(qiáng)覆蓋預(yù)測比其它波段電波傳播更為復(fù)雜。為了更好的提高短波傳播的預(yù)測精度，本文對現(xiàn)有短波預(yù)測模型進(jìn)行了研究，分析現(xiàn)有模型存在的問題和影響短波天波傳播的關(guān)鍵因素，提出預(yù)測精度提升策略。

1 現(xiàn)有模型及問題

1.1 現(xiàn)有短波傳播預(yù)測模型

現(xiàn)有短波傳播預(yù)測模型分為兩類：通信頻率預(yù)測模型和通信性能預(yù)測模型。

1.1.1 通信頻率預(yù)測模型

因短波主要是靠電離層傳播，電離層為時(shí)變系統(tǒng)，不同的電離層參數(shù)對不同頻率信號的吸收和發(fā)射也不同，所以可以利用短波傳播的頻率也會隨時(shí)間發(fā)生變化，因此需要對短波可用頻率進(jìn)行預(yù)測。短波可用頻率描述如表1 所示。

表1 短波可用頻率描述

某軟件的指定年份和月份的24 小時(shí)短波頻率預(yù)測結(jié)果如圖1 所示。

圖1 某軟件指定年份和月份的24 小時(shí)短波頻率預(yù)測結(jié)果示例

從圖中可以看出，最大可用頻率隨小時(shí)發(fā)生變化。在實(shí)際的短波鏈路規(guī)劃中，須選擇LUF 和OPMUF 之間的頻率進(jìn)行天波通信，一般選在OptMUF，以保證通信質(zhì)量。在ITU-R P.533-13 及相關(guān)的ITU 建議書中，OptMUF 計(jì)算公式如下：

其中：

F1和ROP是與季節(jié)有關(guān)的兩個(gè)參量。fH為300 公里高度控制點(diǎn)處的電子回轉(zhuǎn)頻率。

由上面公式可知，最優(yōu)工作頻率與季節(jié)、電子回轉(zhuǎn)頻率、電離層的兩個(gè)參數(shù)foF2 和M（3000）F2 密切相關(guān)。其中foF2為F2 層臨界頻率，M（3000）F2為傳輸因子，表示距離當(dāng)前位置3000 公里處最大可用頻率與foF2 的比值。

1.1.2 通信性能預(yù)測模型

通信性能預(yù)測模型主要是基于收發(fā)臺站、頻率參數(shù)預(yù)測無線電波的信號強(qiáng)度情況。短波傳播場強(qiáng)預(yù)測公式如下：

其中：

f 為頻率（MHz）

Li為n 跳模的電離層吸收損耗。Lm為頻率超過“MUF”之上的損耗。

Lg為地面反射損耗之和。Lh為考慮極光和其它信號損耗的因子。

Lz為其它天波傳播的影響。

從上述公式可知，短波天波傳播通信性能預(yù)測與電離層的參數(shù)、太陽活動（包括太陽磁暴、太陽黑子等）等密切相關(guān)，并且依賴于BMUF 的值，所以與foF2 和M（3000）F2 也密切相關(guān)。

1.2 現(xiàn)有模型存在問題

從1.1 節(jié)現(xiàn)有短波傳播預(yù)測模型可以看出，頻率預(yù)測和傳播性能預(yù)測都與電離層參數(shù)、太陽活動參數(shù)、地磁參數(shù)、季節(jié)參數(shù)、位置參數(shù)等相關(guān)，并且這些參數(shù)使用的是歷史底層數(shù)據(jù)通過中長期的電離層參數(shù)預(yù)測而來，不能反映短期電離層參數(shù)變化的影響。然而電離層、太陽活動和地磁活動可能會隨時(shí)間發(fā)生短時(shí)的變化，造成依賴于長期統(tǒng)計(jì)的電離層參數(shù)預(yù)測的頻率和信號強(qiáng)度已經(jīng)與實(shí)際嚴(yán)重不符，使短波通信鏈路信號質(zhì)量明顯下降。

2 預(yù)測精度提升策略

從第1 章分析可知，影響預(yù)測精度的因素包括電離層參數(shù)、太陽活動和地磁參數(shù)等，準(zhǔn)確的預(yù)測電離層參數(shù)是提高短波天波傳播預(yù)測精度的一個(gè)關(guān)鍵策略。同時(shí)針對特定鏈路的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，進(jìn)行短波傳播性能的預(yù)測?？蓮膬蓚€(gè)方面對預(yù)測精度進(jìn)行提升：

（1）基于區(qū)域內(nèi)垂直探測站的測試數(shù)據(jù)，結(jié)合BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和克里金插值算法對區(qū)域進(jìn)行電離層的短時(shí)預(yù)測。

（2）針對特定的鏈路，基于長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，對短波的天波傳播特性直接進(jìn)行預(yù)測。

2.1 區(qū)域電離層短時(shí)預(yù)測模型

電離層短期預(yù)報(bào)是指時(shí)間尺度為小時(shí)和天的電離層天氣變化的預(yù)報(bào)。從長期預(yù)報(bào)向短期預(yù)報(bào)和實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)發(fā)展，從電離層寧靜狀態(tài)向電離層暴時(shí)狀態(tài)發(fā)展。

區(qū)域電離層短時(shí)預(yù)測模型分為兩步：

（1）針對垂直探測站位置進(jìn)行單站的短期預(yù)報(bào)。

（2）基于電離層參數(shù)的時(shí)間和空間連續(xù)性，基于某種方法重構(gòu)區(qū)域上的電離層參數(shù)數(shù)值整體流程框圖如圖2 所示。

圖2 區(qū)域電離層短時(shí)預(yù)測流程框圖

2.1.1 單站短時(shí)預(yù)報(bào)建模

從流程框圖可以看出，單站短時(shí)預(yù)報(bào)建模包括輸入輸出參量選擇、機(jī)器學(xué)習(xí)方法選擇和模型建立三部分。

（1）輸入輸出參量選擇

根據(jù)大量的嘗試后，最后選擇了時(shí)間參量、季節(jié)參量、其它參量（太陽黑子、地磁擾動強(qiáng)度指數(shù)ap等）、測量位置等。

輸出參量系統(tǒng)選擇以foF2 為例，所以選擇foF2為輸出參量。

（2）機(jī)器學(xué)習(xí)方法選擇

輸出和輸入?yún)?shù)之間的關(guān)系為非線性，而BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠很好解決非線性問題，有研究表明當(dāng)隱藏層數(shù)達(dá)到兩層以上時(shí)，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)對所有非連續(xù)函數(shù)的擬合。

（3）模型建立

大量測試數(shù)據(jù)經(jīng)過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)后建立單站短時(shí)預(yù)報(bào)模型，模型輸出為下一時(shí)刻foF2值。

2.1.2 區(qū)域電離層重構(gòu)

在單站短期預(yù)報(bào)模型的基礎(chǔ)上，首先對站點(diǎn)位置進(jìn)行電離層參數(shù)短期預(yù)測，然后基于電離層參量的時(shí)間相關(guān)性和空間相關(guān)性，對指定區(qū)域利用擬合或插值的方法進(jìn)行電離層重構(gòu)。如圖3 為電離層foF2 參數(shù)區(qū)域重構(gòu)后的一個(gè)示例。

圖3 foF2（MHz）參數(shù)區(qū)域重構(gòu)示例

（1）利用2.1.1 建立的單站預(yù)報(bào)模型，結(jié)合季節(jié)參數(shù)、時(shí)間參數(shù)、太陽活動參數(shù)以及位置參數(shù)等，預(yù)測下一時(shí)刻該站位置處的foF2。

（2）區(qū)域電離層重構(gòu)

有研究表明電離層參數(shù)存在時(shí)間相關(guān)性和空間相關(guān)性，因此本文選擇了插值算法，即基于多個(gè)站點(diǎn)的電離層參數(shù)預(yù)報(bào)值對區(qū)域電離層信息進(jìn)行重構(gòu)。

在克里金插值算法中，權(quán)重不僅取決于測量點(diǎn)之間的距離、預(yù)測位置，還取決于基于測量點(diǎn)的整體空間分布。與其它幾種常見的空間差值算法相比，克里金法具有最優(yōu)、線性、無偏內(nèi)插的優(yōu)點(diǎn)，所以本文選擇克里金插值算法來重構(gòu)區(qū)域內(nèi)的電離層參數(shù)信息。

2.1.3 數(shù)據(jù)選擇和誤差分析

為了便于驗(yàn)證系統(tǒng)中區(qū)域預(yù)測算法的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)選取區(qū)域內(nèi)多數(shù)垂直探測站指定時(shí)段的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，留下部分探測站作為驗(yàn)證樣本，驗(yàn)證樣本和訓(xùn)練樣本獨(dú)立，從而檢驗(yàn)更具代表性。

誤差分析通過預(yù)報(bào)的絕對誤差和均方根誤差RMS 表征預(yù)測模型的好壞。

2.2 短波傳播性能預(yù)測模型

短波的天波傳播特性與電離層參數(shù)、太陽活動等因素密切相關(guān)，但其關(guān)系又難以用數(shù)學(xué)公式準(zhǔn)確表述。如果能夠測量得到這些因素，并得到大量的測量數(shù)據(jù)集，就可以嘗試使用大數(shù)據(jù)分析的機(jī)器學(xué)習(xí)方法對傳播模型特性進(jìn)行研究和建模開發(fā)。

在測量過程中應(yīng)盡可能多地包括對傳播特性造成影響的參數(shù)，并且各參數(shù)必須覆蓋全面，如頻率從2MHz-30MHz，日時(shí)間覆蓋0-24 小時(shí)，覆蓋四季等。當(dāng)各類屬性參數(shù)齊全，并且存在各個(gè)分段數(shù)值時(shí)，將這些參數(shù)用于機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以建立更為精確的針對特定鏈路的短波性能預(yù)測。

2.2.1 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的短波輸入輸出參量選擇

短波在天波傳播過程中，傳輸損耗會受到很多相關(guān)因素的影響。本系統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法中將電離層當(dāng)做黑盒，不關(guān)心電離層參數(shù)的具體情況，直接選擇收發(fā)站位置、高度、頻率、時(shí)間、季節(jié)、太陽黑子觀測值、地磁擾動強(qiáng)度指數(shù)ap、發(fā)射功率等做為輸入?yún)⒘?，接收功率作為輸出參量，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)建立短波性能預(yù)測模型。

2.2.2 數(shù)據(jù)選擇和誤差分析

本文使用的數(shù)據(jù)集為特定鏈路的長期測量數(shù)據(jù)集。對數(shù)據(jù)集做如下處理：對數(shù)據(jù)集隨機(jī)抽取80%作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，剩余20%作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)集，即二八原則。使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)集對機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行訓(xùn)練，使用驗(yàn)證數(shù)據(jù)集對訓(xùn)練好的模型進(jìn)行測試，通過計(jì)算獲得相應(yīng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，如絕對誤差平均值、均方根誤差等，用于評價(jià)模型的準(zhǔn)確程度。表2 為一組數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

表2 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的傳播性能預(yù)測模型與傳統(tǒng)模型對比

3 總 結(jié)

本文通過對現(xiàn)有短波預(yù)測模型的分析，獲取了影響短波傳播性能的因素，然后從兩個(gè)方面提高預(yù)測精度：

（1）建立準(zhǔn)確的電離層短時(shí)預(yù)測模型，獲取更加準(zhǔn)確的電離層參數(shù)；

（2）屏蔽電離層的因素，直接基于大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)建立可測參量和輸出（功率）之間的預(yù)測模型；

通過驗(yàn)證可知基于大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)建立的模型較傳統(tǒng)模型有更高的預(yù)測精度。本文所做的研究可以提高短波的預(yù)測精度，為短波網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和優(yōu)化提供支持。