基于VOACAP的中長期短波通信鏈路選頻規(guī)劃

杜澤海 王波

（中國人民武裝警察部隊海警學院 浙江省寧波市 315800）

天波傳播是短波傳播的主要模式，經(jīng)電離層反射而實現(xiàn)遠距離通信，故易受到電離層衰落、多徑時延等因素的影響，而電離層參數(shù)又隨著季節(jié)、時間、地理位置、太陽活動性等因素的變化而變化，導致天波傳播較強的不穩(wěn)定性和不確定性。為了獲取較高的短波傳播電路可靠度，先期組織估算預測和仿真分析十分必要。VOACAP程序是ITS HF Propagation(美國電科協(xié)會高頻傳播模型)中的一個電路計算子程序，它通過利用電離層參數(shù)構(gòu)建電離層路徑，并使用設定路徑的性能參數(shù)，估算得到短波通信節(jié)點使用不同工作頻率進行通信的最大可用頻率、場強中值、可靠度、信噪比、信號功率等參數(shù)的點對點圖表和面覆蓋地圖。也就是說，利用該程序可以直接仿真得到從一個短波發(fā)信點到接收點的各類參數(shù)的可視化圖表，同時可以得到一個短波發(fā)信點或者接收點的各類參數(shù)在世界地圖上的覆蓋情況。這一功能雖主要用于中長期規(guī)律性預測，但對預測、規(guī)劃天波通信鏈路仍具有較強的參考意義。

1 VOACAP程序概述

ITS高頻傳播模型是NTIA/ITS開發(fā)的高頻鏈路規(guī)劃軟件，構(gòu)建了基于近40年巨量實際傳播數(shù)據(jù)的短波信道函數(shù)和模型，內(nèi)部具備多種天線設計模塊和電路計算模塊，可進行短波鏈路規(guī)劃、傳播覆蓋以及天線設計的仿真分析，并輸出可視化圖表、地圖等，目前已被許多國際短波廣播機構(gòu)和業(yè)余無線電愛好者使用，并實際運用于部分軍事領域。作為ITS模型的電路計算子程序，VOACAP是基于美國之音研發(fā)的最早版本IONCAP改進的，主要可以實現(xiàn)3個基礎功能，一是利用VOACAP Point-to-Point模塊，仿真預測點對點短波鏈路情況，輸出傳播鏈路關鍵參數(shù)圖表；二是利用VOAAREA模塊，仿真預測既定發(fā)信臺的傳播覆蓋性能，輸出傳播覆蓋地圖；三是利用VOAAREA INVERSE模塊，預測短波監(jiān)測設備或監(jiān)測網(wǎng)的接收范圍，輸出接收覆蓋地圖。通過這3個基礎功能，我們可以實現(xiàn)傳播地域間的最佳位置配置、天線實際性能對比優(yōu)化，以及可視化預測傳播或接收的最佳可通頻段（頻率）等關鍵參數(shù)信息和傳播覆蓋能力，進而實現(xiàn)短波鏈路建設的基礎規(guī)劃預測。本文目前僅使用VOACAP Point-to-Point模塊，對短波通信鏈路建設中的選頻問題進行仿真分析。

2 短波無線電廣播選頻預測仿真

VOACAP程序基于用戶參數(shù)調(diào)整，通過調(diào)用程序內(nèi)部相關函數(shù)、模塊而進行仿真分析，主要調(diào)用七個部分：輸入?yún)?shù)、路徑計算、天線參數(shù)、電離層參數(shù)、最大可用頻率、系統(tǒng)性能參數(shù)和參數(shù)輸出。一般情況下，選擇最佳短波通信頻率的依據(jù)主要包括兩個方面：一是長期通聯(lián)狀態(tài)下積累的可通歷史數(shù)據(jù)，其具有很高的參考價值；二是結(jié)合VOACAP計算的短波預測結(jié)果，預測發(fā)射機與接收機間短波信道的可用頻率中長期變化趨勢。本文以我國國家級電臺CNR7（中央人民廣播電臺粵港澳大灣區(qū)之聲）為例，進行最佳頻率選擇的預測仿真。CNR7廣播是由喀什對106度方向向華中、華南以500kW功率發(fā)射或由北京對175度方向向華南以100Kw功率發(fā)射的，其發(fā)射時間和發(fā)射頻率為：0455-0800時采用7.345MHz，0455-0900時采用9.745 MHz，0800-1900時采用為15.550 MHz，0900-次日0202時采用為13.770 MHz，1900-次日0205時采用7.345 MHz，上述均為北京時間（UTC+8）。相較于因為季節(jié)原因，每年進行兩次換頻的國際廣播，國內(nèi)廣播頻率基本上常年維持不變。本文以0800-1900時（UTC時間0000-1100）、頻率15.550 MHz的中央人民廣播電臺發(fā)射、香港地區(qū)接收廣播為例，基于VOACAP Point-to-Point，調(diào)用上述七個內(nèi)部模塊進行仿真預測。

2.1 輸入?yún)?shù)設置及天線性能仿真

如圖1所示設置輸入?yún)?shù)。發(fā)射機位置為39.54N，116.21E，接收機位置假設為18.20N，109.60E，發(fā)射天線選擇廣泛用于我國國內(nèi)短波廣播領域、覆蓋距離在2000公里情形的HR4/4/0.5型短波寬頻段幕形天線（輸出功率100Kw，天線主波束175度，天線代碼CCIR.003），其具備大功率、高增益、寬頻段等諸多優(yōu)點；接收天線是常用的短波鞭狀天線（天線代碼SWWHIP.VOA）；通信系統(tǒng)信噪比采用默認設置73dB。通過登錄太陽活動預報中心網(wǎng)站，查詢太陽黑子相對數(shù)平滑月均值為66（2022年3月）。圖1顯示了2022年3月北京-香港短波鏈路的參數(shù)輸入數(shù)據(jù)。圖2、圖3則分別顯示了HR4/4/0.5幕形天線的輻射角（9度時增益達到21.2dBi）及寬方向圖，可見，優(yōu)良的天線性能保證了華南地區(qū)的廣播接收質(zhì)量。

圖1：2022年3月北京-香港短波鏈路的參數(shù)輸入數(shù)據(jù)

圖2：HR2/4/0.5短波寬頻段幕形天線在15.55MHz時的輻射角

圖3：HR2/4/0.5短波寬頻段幕形天線的寬方向圖

2.2 模型計算及關鍵參數(shù)輸出

通過從RUN菜單中選擇Circuit，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)計算預測。部分計算結(jié)果（某個小時內(nèi)）如圖4所示，最右側(cè)為所有輸出參數(shù)，左側(cè)數(shù)值為在各已設置頻率數(shù)值下的參數(shù)計算結(jié)果。

圖4：2022年3月某日1430-1530時（0630-0730 UTC）輸出參數(shù)示例

2.3 最佳頻率選擇

為了實現(xiàn)最佳頻率預測，這里主要選取與MUF（最大可用頻率）和SNR（信噪比）有關的參數(shù)及其計算結(jié)果。

根據(jù)電離層傳播理論，對于一定電子密度分布的電離層和一定的收發(fā)距離，能反射折回地面的電波有一個最大值，即MUF。要確保兩個位置之間的通信盡可能順利，則要使用的頻率通常選擇低于預測的MUF頻率，通常最佳工作頻率是MUF頻率的80-90%。例如，如果計算出的MUF為10MHz，則可以在 8-9 MHz 附近找到最佳頻率。在VOACAP中，MUF是一個純統(tǒng)計概念，即給定模式、月份、太陽黑子和小時的既定鏈路的中值頻率，其與圖4中結(jié)果參數(shù) MUFday密切相關。某個小時 MUFday的值表示該月中系統(tǒng)設置頻率低于具有計算上最可靠傳播模式（即具有最高概率達到所需SNR值的傳播模式）的MUF頻率的天數(shù)百分比，即圖4中頻率欄中顯示的傳播模式和結(jié)果參數(shù)計算值始終屬于最可能的傳播模式。例如，在圖4輸出參數(shù)示例中，15.55MHz頻率對應的MUFday參數(shù)值為“1.00”（一個比例值，即100%），意味著在3月份整個月份中的每日1430-1530時（0630-0730 UTC），頻率15.55MHz始終低于MUF，電波始終不會穿出電離層。這為我們仿真預測固定頻率的可用時間區(qū)間提供了依據(jù)。2022年3月MUFday參數(shù)預測的可視化圖，如圖5所示。

圖5：2022年3月MUFday參數(shù)預測的可視化圖

此外，有效的傳播質(zhì)量必須滿足一定的接收信噪比要求，在利用VOACAP評估頻率的優(yōu)劣（即可用性）時，最佳傳播頻率的選擇是通過檢查系統(tǒng)設置頻率的SNR估計分布來完成的。圖4計算結(jié)果中，主要有2個信噪比結(jié)果，即SNRxx和SNR。SNRxx表示在使用某個系統(tǒng)設置頻率傳播時，在該月中預計能達到某個信噪比數(shù)值的天數(shù)比例（xx表示一種置信水平），例如在使用15.55MHz傳播時，SNRxx值為82，代表3月份82% 的日子預計會達到系統(tǒng)要求的信噪比73dB，即25天左右；而圖4中參數(shù)SNR則代表預計某個系統(tǒng)設置頻率在該月50%的天數(shù)（即15天）上達到的dB值，例如在使用15.55MHz傳播時，SNR值為92，代表3月份有15天的信噪比可以達到92dB。因此，在15.55MHz這個頻率上，幾乎整個3月份的通聯(lián)質(zhì)量都是比較良好的。2022年3月SNRxx參數(shù)和SNR參數(shù)預測的可視化圖，如圖6、圖7所示。

圖6：2022年3月SNRxx參數(shù)預測的可視化圖

圖7：2022年3月SNR參數(shù)預測的可視化圖

然而，15.55MHz雖然具備良好的傳播質(zhì)量，并不能說明就是最佳頻率。通過查閱除圖4以外的完整計算數(shù)據(jù)，17MHz、19MHz和21MHz等頻率都具有良好的SNRxx和SNR值。但需要注意的是，對于短波通信來說，頻率越高，鏈路的MUFday參數(shù)值就越低，在這種情況下，即使 SNR 和 SNRxx讀數(shù)良好，只要電離層稍有變化，電波就會穿出電離層而不折回，傳輸鏈路穩(wěn)定性就會大大降低。因此，選擇15.55MHz頻率作為常用傳播頻率則成為相對合理的最佳選擇。

3 結(jié)束語

VOACAP模型的優(yōu)勢在于它使用電離層參數(shù)的世界地圖來構(gòu)建電離層路徑，并使用特定路徑的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來評估傳播系統(tǒng)性能因素，具有良好的性能分析能力。經(jīng)過美國之音使用專業(yè)短波監(jiān)測器進行的測試表明，VOACAP的預測非常準確，基本上可以達到或超過90%的預測可靠性；本文通過研究CNR7廣播實例的最佳頻率選擇問題，也基本驗證了其用于中長期短波通信鏈路規(guī)劃的準確性和合理性。但仍需指出的是，仿真預測的可靠性，源于用戶對系統(tǒng)建模和參數(shù)設置的仔細程度以及電離層、地磁條件與本月假設情況的接近程度，同時，設計的天線方向圖要合理地代表實際天線，且假設所需的信噪比可以接受，才可以實現(xiàn)較好的中長期或某個月的預測可靠性。