海上短波遠(yuǎn)程通信鏈路仿真預(yù)測＊

彭鋒華 周學(xué)軍

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院通信工程系 武漢 430033）

1 引言

短波通信具有機(jī)動靈活、傳輸媒介電離層不易被摧毀、成本低等特點(diǎn)，在如今通信發(fā)達(dá)的時代，其仍然被廣泛應(yīng)用于海上通信之中。為了保障海上短波通信能夠?qū)崟r暢通，則有必要對短波臺站通信覆蓋能力進(jìn)行仿真計(jì)算。

由于短波天波傳輸是時變色散信道，其信道特性隨頻率、地點(diǎn)、季節(jié)、晝夜的變化而不斷變化的。這使得短波的通信質(zhì)量受自然因素的變化相對其他波段都要復(fù)雜的多［1，9］，因此其鏈路計(jì)算不能簡單地應(yīng)用電波傳播模式的方法。本文通過對電離層通信分析及美國短波傳播分析軟件包（ITS HF Propagation）中的ICECAP AREA模型計(jì)算短波發(fā)信天線的場強(qiáng)覆蓋，在信號的信噪比滿足一定的要求下，若場強(qiáng)中值大于一個以上接收機(jī)的最低門限值，就能達(dá)到一定的可通率［2～3，7］。

2 模型建立及參數(shù)設(shè)定

海上短波遠(yuǎn)程通信時，一般其采用天波傳播方式，即通過電離層反射傳播的方式，根據(jù)傳播距離的不同，其傳輸模式可能有多種，表1中列出了在不同通信距離時，可能存在的傳播模式［4，6］。

表1 不同距離可能存在的傳播模式

下面假設(shè)一個短波電離層反射通信系統(tǒng)模型：其中電離層基本傳播損耗Lp主要考慮自由空間傳播損耗、電離層吸收損耗、多跳地面反射損耗和額外系統(tǒng)損耗這四項(xiàng)［1，11］。

圖1 電離層反射模型

自由空間損耗可由式（1）計(jì)算得出

f為短波的頻率，單位MHz，r為電波傳播的距離，單位為km，一般和發(fā)射天線的仰角，電離層的高度有關(guān)。

電離層吸收損耗的理論計(jì)算非常復(fù)雜，采用半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，通常和電子磁旋頻率、太陽黑子數(shù)等因素有關(guān)。多跳地面反射損耗和電波的極化、頻率、射線仰角及地面參數(shù)有關(guān)，可用簡單的近似方法來估算，一般來說水面反射損耗每次取1dB，陸地反射損耗取4dB。額外系統(tǒng)損耗是指除以上三種損耗以外的其它所有原因引起的損耗，如偏移吸收、極化耦合損耗、電離層聚焦等引起的天波傳播損耗，通常與地磁的緯度、季節(jié)、本地時間和傳播距離有關(guān)。

下面對模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，假設(shè)艦艇在海面上的一點(diǎn)向陸上發(fā)信，陸上共分布8個不同地點(diǎn)的接收臺站，由于艦艇空間的限制，假設(shè)艦載短波天線采用10m鞭狀天線，發(fā)射功率為1kW，地面參數(shù)為海水（介電常數(shù)ε＝80，電導(dǎo)率σ＝5），噪聲為－145dBW／Hz，在北緯7°，東經(jīng)110°向岸上接收電臺發(fā)信。由于短波天波傳輸時信道特性隨頻率、地點(diǎn)、季節(jié)、晝夜的變化而不斷變化的，所以選擇在不同的月份（一月份和七月份）、不同的太陽黑子數(shù)（10、60、110）、不同時間（當(dāng)?shù)貢r間正午12點(diǎn)和午夜12點(diǎn)）、不同工作頻率（3MHz～30MHz）用ICECAP AREA模型進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)3～30MHz各種情況下各接收點(diǎn)的場強(qiáng)及信噪比。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 MUF仿真結(jié)果

由于短波是一種時變色散信道，其信道特性隨頻率的變化而不斷變化的，因此短波天波通信中，工作頻率不能任意選擇，否則不能建立可靠地通信。例如工作頻率選的太高，高于MUF時，電波就可能穿出電離層，而不能到達(dá)預(yù)定的接收地點(diǎn)；工作頻率選的太低，則有可能電波能量的大部分甚至全部被電離層所吸收，使得通信質(zhì)量下降，甚至通信中斷。因此我們首先在通信前進(jìn)行頻率預(yù)測，確定通信電路的MUF。圖3、4是一月份太陽黑子數(shù)為60時，午夜（UT＝16）和正午（UT＝4）時最高可用頻率圖及七月份太陽黑子數(shù)為60時，午夜（UT＝16）和正午（UT＝4）時最高可用頻率圖。

圖2 一月份午夜最高可用頻率預(yù)測

圖3 一月份正午最高可用頻率預(yù)測

圖4 七月份午夜最高可用頻率預(yù)測

3.2 場強(qiáng)仿真結(jié)果

根據(jù)ICECAP模型預(yù)測的艦載鞭狀天線的場強(qiáng)分布，統(tǒng)計(jì)能夠接受到信號的電臺的個數(shù)。在本文假設(shè)接收天線的有效高度為10m，則短波接收機(jī)在通常的靈敏度10dB時其場強(qiáng)門限值為－20dBu／m。在本文中接收點(diǎn)場強(qiáng)中值為0dBu／m，留有一些余量。圖6、7分別表示正午和午夜，3～30MHz頻率范圍內(nèi)各接收機(jī)能夠收到艦船發(fā)射信號的個數(shù)。

圖5 七月份正午最高可用頻率預(yù)測

3.3 信噪比仿真結(jié)果

現(xiàn)役短波電臺一般要求信噪比達(dá)到10dB，信道帶寬取3kHz，則相應(yīng)得信噪比為10＋10log3000≈45dB／Hz［4］。表1是太陽黑子數(shù)為60時，正午采用15MHz，午夜采用8MHz時，各接收點(diǎn)的信噪比，其中1～8表示8個接收臺站。

3.4 結(jié)果分析

從圖6、圖7中可以看出選擇不同的參數(shù)，接收臺站的個數(shù)有所變化，在日頻15MHz、夜頻8MHz左右的頻段接收臺站達(dá)到規(guī)定的場強(qiáng)的個數(shù)最多，并且小于圖2～5預(yù)測的最高可用頻率，因此取其為工作頻率［5］，并且從表2中可以看出在15MHz和8MHz左右8個接收點(diǎn)的信噪比大多數(shù)都大于45dB／Hz，因此本文對海上短波遠(yuǎn)程通信鏈路預(yù)測仿真是符合實(shí)際情況，能滿足一定的可通率。

圖6 正午頻率—接收電臺個數(shù)的關(guān)系圖

圖7 午夜頻率—接收電臺個數(shù)的關(guān)系圖

表2 各接收點(diǎn)的信噪比

4 結(jié)語

本文采用ICECAP AREA模型，對最高可用頻率、場強(qiáng)及信噪比進(jìn)行預(yù)測分析，仿真模擬了海上短波遠(yuǎn)程通信過程，并進(jìn)行了一定的分析。在本文中艦船是采用定點(diǎn)發(fā)信，在實(shí)際過程應(yīng)根據(jù)艦船的活動區(qū)域，合理選擇多個發(fā)信點(diǎn)，綜合分析海上短波遠(yuǎn)程通信過程，這些將是下一步研究的工作。

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