孫春生, 郭航行, 董嚴紅

(1.海軍潛艇學院,山東 青島 26000; 2.解放軍電子工程學院,安徽 合肥 230000)

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短波天波通信頻率預測模型建立與仿真

孫春生1, 郭航行2, 董嚴紅1

(1.海軍潛艇學院,山東 青島 26000; 2.解放軍電子工程學院,安徽 合肥 230000)

與微波通信、衛(wèi)星通信和超短波通信等方式對比,短波通信雖然通信速率相對有限,但具有通信距離遠、設(shè)備簡單、抗毀性強的突出特點,仍然是海上軍事通信的重要手段。但短波通信受到信道數(shù)量、電離層變化、電磁干擾的影響,通信環(huán)境不斷惡化,為了保證短波軍事通信的可靠性,需要通過建立相應(yīng)的數(shù)學模型對頻率預測進行預測,以保證短波通信網(wǎng)絡(luò)的正常運轉(zhuǎn)。針對現(xiàn)有短波通信頻率預測模型計算繁瑣、需要手工查找圖表、不利于計算機實現(xiàn)等缺點,本文在現(xiàn)有短波傳播預測模型的基礎(chǔ)上,引入國際參考地磁場模型,設(shè)計完成了簡潔完整的傳輸損耗計算模型,同時也減少了誤差,能夠方便地用于計算機仿真實現(xiàn)。此模型已在具體仿真系統(tǒng)中運用,使用效果良好,具有較好的工程運用價值。

短波通信; 輔助決策; 軟件設(shè)計

1 引 言

短波通信,也稱為高頻通信,頻率范圍為3MHz至30MHz。雖然微波通信、衛(wèi)星通信和超短波通信具有通信頻帶寬、速率高的優(yōu)點,但短波通信也具有突出的特點:一是短波通信的距離遠,利用電離層反射實現(xiàn)數(shù)千公里的遠程通信。二是短波通信的設(shè)備簡單、體積小,可以在較短時間內(nèi)形成通信能力。三是抗毀性強,無需中繼中心或網(wǎng)絡(luò)管理中心就可保持通信暢通。

要保持短波軍事通信的暢通有效也面臨許多挑戰(zhàn):一是信道數(shù)量有限,頻譜資源緊張。由于單個短波電臺的頻率帶寬至少需要3.7KHz才能避免互擾,整個短波頻率范圍內(nèi)所能容納的通信信道數(shù)量為7700余個,信道資源緊缺。二是通信質(zhì)量受到電離層變化影響。短波遠程通信依靠電離層反射,而電離層是時變色散信道,各個參數(shù)隨時間變化而急劇變動,因此通信的穩(wěn)定性差。三是電磁干擾嚴重。由于全球電子設(shè)備數(shù)量快速增長,所產(chǎn)生的電子干擾噪聲強度也隨著增加,同時各短波無線電臺的發(fā)射功率也不斷增加,產(chǎn)生的干擾日益嚴重。由于短波遠程通信環(huán)境不斷惡化,為了保證短波軍事通信的可靠性,需要通過建立相應(yīng)的數(shù)學模型對頻率預測進行預測,以保證短波通信網(wǎng)絡(luò)的正常運轉(zhuǎn)。文獻[1]為實現(xiàn)實時選頻,利用國家短波探測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)作為預測基礎(chǔ),并且提出建設(shè)短波通信頻率管理系統(tǒng)。文獻[2]對重點分析了短波遠程通信損耗的原因,建立了相關(guān)數(shù)學模型以描述發(fā)射頻率與接收電平的關(guān)系。文獻[3]采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法并結(jié)合混沌理論用于預測短波通信參數(shù),并通過計算機仿真進行了驗證。國際電信聯(lián)盟的ITU-R P.533模型是目前常用的短波通信預測模型,但計算較為繁雜,文獻[4]對該模型進行了分析簡化,并結(jié)合亞太地區(qū)的電波環(huán)境特點對模型進行了“本地化”。文獻[5]利用經(jīng)驗公式建立了短波天波傳輸損耗的計算模型,并通過手工查表獲得太陽黑子、磁旋頻率等參數(shù)數(shù)值依靠獲得。

本文在上述研究成果的基礎(chǔ)上,從作戰(zhàn)實驗的實際需求出發(fā),針對手工查表程序繁瑣、誤差大的情況,引入國際參考地磁場模型用于計算關(guān)鍵參數(shù),建立了短波通信鏈路損耗計算的一體化模型,能夠快速方便的獲得計算結(jié)果,較好的滿足仿真過程中CGF兵力生成和通信效能評估的需求。

2 短波天波通信場強計算模型

在短波通信過程中,其通信的可靠性主要依據(jù)到達接收點的場強Ew進行估算,系統(tǒng)設(shè)備指標和傳輸路徑損耗是影響Ew的主要因素。發(fā)射功率、發(fā)射天線增益和接收天線增益是系統(tǒng)設(shè)備的主要指標,可由系統(tǒng)參數(shù)獲得?；咀杂煽臻g損耗、電離層吸收損耗、地面反射損耗和其它損耗統(tǒng)稱為路徑損耗,需要通過模型預測獲得。

2.1 接收場強(dB(1μV/m))

Ew=136.6+Pt+Gt-Lt

(1)

式中:Pt是發(fā)射功率(dB(1kW));Gt是相對于各向同性天線在特定方位角和仰角上的發(fā)射天線增益;Lt是射線傳播總損耗(dB),可由公式計算得出:

Lt=Lbf+Li+Lz

(2)

其中,Lbf是自由空間中的傳輸損耗,Li為電離層吸收損耗,Lz為額外損耗。

2.2 自由空間傳輸損耗Lbf

自由空間傳輸損耗Lbf(dB)是由于電波離開發(fā)射點后能量在空間發(fā)生擴散而產(chǎn)生的,其計算公式如下:

Lbf=32.45+20lgf+20lgp′

(3)

其中,f為工作頻率(MHz),P′為有效斜距(km),計算公式為

(4)

n為電波反射的跳次,表1列出了根據(jù)發(fā)射點、接收點之間距離可能產(chǎn)生的傳輸模式及跳次。

表1 各種距離可能產(chǎn)生的傳輸模式及跳次Tab.1Transmission modes and jump times of various distances

Δ為電波發(fā)射時與地平線的夾角,參看圖1。計算方法為

Δ=γ-ν=γ-α

(5)

圖1 短波天波反射示意圖Fig.1 Schematic diagram of short wave reflection

其中α為地心半角,d為從發(fā)射端到接收端的大圓距離,可由下列公式計算得出:

(6)

d=111.1988×2α (km)

(7)

x1、y1為發(fā)射端的地理緯度和地理經(jīng)度,x2、y2為接收端的地理緯度和地理經(jīng)度,d為一跳傳播的最大距離。

2.3 吸收損耗Li

電離層吸收損耗Li由非偏移吸收和偏移吸收組成。偏移吸收由于數(shù)值極小(≤1dB)可以忽略不計,主要是指反射區(qū)附近的吸收。非偏移吸收定義為電離層D、E層對無線電波的吸收,計算公式為

(8)

其中,F(χ)=cosp(0.881χ)或0.02,選較大者;fv=fcosi,i為110km高度處的入射角;fZ為電子回轉(zhuǎn)頻率的平均值,約等于100 km高度的地球磁場的垂直分量,可由國際參考地磁場模型計算得出:

(9)

其中:

(10)

φ為地心余緯度(90o減去緯度),Pn,m(cosφ)為Legendre 函數(shù),可由下式得出:

(11)

χj為太陽天頂角或102°中的較小者。天頂角定義為該點地球半徑的延長線與太陽至該地連線的夾角,可由下式得出:

cosχj=sinxsinδx+cosxcosδxcos(δy-y)

(12)

其中,x、y為發(fā)射點的緯度、經(jīng)度;δx為赤緯,δy為赤經(jīng),即太陽直射點的緯度,可取表2中數(shù)值。

表2 各月的赤緯中值Tab.2 Mid latitude of each month

2.4 額外損耗Lz

額外損耗Lz為其他電波能量損耗,由實際測量的天波傳播損耗歷史數(shù)據(jù)推斷得出,可使用表3數(shù)據(jù)進行估算。

表3 額外損耗與時間對照Tab.3 Additional loss versus time control

3 仿真結(jié)果分析

在上述數(shù)學模型的基礎(chǔ)上,編程實現(xiàn)了短波傳播場強和頻率預測模塊。為了驗證數(shù)學模型是否真實可信,我們將計算結(jié)果與美VOACAP高頻通信中長期頻率預報軟件數(shù)據(jù)進行了比對。

假設(shè)發(fā)射機經(jīng)緯度為(23.0N,120.3E),接收機經(jīng)緯度為(29.9N,126.4E),通信時間為2010年5月17日0600至5月(UT),保持設(shè)備性能參數(shù)和地理信息不變,只改變鏈路工作頻率,其場強預測對比結(jié)果如表4所示。

表4 場強預測結(jié)果對照表Tab.4 Results of field strength prediction

從表4中可以看出,兩個軟件預測場強中值基本一致,先增大再變小,并且數(shù)值差距較小。同時,場強預測結(jié)果顯示11MHz至15MHz的短波頻率通信效果較好,說明了使用上述數(shù)學模型預測結(jié)果的準確性較高。

4 結(jié)束語

本文在現(xiàn)有短波傳播預測模型的基礎(chǔ)上,引入國際參考地磁場模型,設(shè)計完成了簡潔完整的傳輸損耗計算模型,避免了手工查表的繁瑣流程,同時也減少了誤差,能夠方便的用于計算機仿真實現(xiàn)。此模型已在具體仿真系統(tǒng)中運用,使用效果良好,具有較好的工程運用價值。

[1] 叢蓉,孫劍平,李愷.頻率管理系統(tǒng)在短波通信中的應(yīng)用研究系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2003,25(10):1236-1238.

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The Simulation of HF Skywave Communication Forecast Model

SUN Chunsheng1, GUO Hanghang2, DONG Yanhong1

(1.Navy Submarine Academy,Qingdao 266000,China;2.Electronic Engineering Institute of PLA,Hefei 230000,China)

Compared with microwave communication,satellite communication and ultrashort wave communication,shortwave communication although relatively limited communication rate,but with prominent characteristics of long distance communication,simple equipment and strong survivability,is still an important means of military communication at sea.Short wave communication is constrained by the number of channels,ionospheric variations and the influence of electromagnetic interference,communication environment is deteriorating.In order to ensure the reliability of HF military communication,the mathematical model to predict the frequency should be established.The existing shortwave communication frequency prediction models need manual search chart,and unsuited to computer.Based on the existing short wave propagation prediction model,using the International Geomagnetic Reference Field Model(IGRF),the simple HF transmission loss calculation model is established.This model has been used in the simulation system,and has good effect,and it has good engineering application value.

HF Communication,aid decision making,software design

孫春生 男(1978-),山東青島人,工程師,碩士,主要研究方向為作戰(zhàn)仿真。

郭航行 男(1979-),陜西西安人,講師,博士,主要研究方向為戰(zhàn)役信息作戰(zhàn)。

TN 925

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