短波天波通信場(chǎng)強(qiáng)估算方法與模型*

李雪紅,李法忠，韓　龍,陳立軍

(1.海軍大連艦艇學(xué)院 訓(xùn)練部，遼寧 大連 116018；2.北海艦隊(duì)司令部軍訓(xùn)處，山東 青島 266071；3.裝備研究院信息 裝備系，北京 101400；4.92474部隊(duì)64分隊(duì)，海南 三亞 572018)

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短波天波通信場(chǎng)強(qiáng)估算方法與模型*

李雪紅1,李法忠2，韓龍3,陳立軍4

(1.海軍大連艦艇學(xué)院 訓(xùn)練部，遼寧 大連 116018；2.北海艦隊(duì)司令部軍訓(xùn)處，山東 青島 266071；3.裝備研究院信息 裝備系，北京 101400；4.92474部隊(duì)64分隊(duì)，海南 三亞 572018)

摘要：目前短波天波通信場(chǎng)強(qiáng)估算的研究仍然集中在對(duì)傳輸損耗的估算，而實(shí)際天波場(chǎng)強(qiáng)的估算還包括電波傳播距離計(jì)算、天線方位水平方位角和水平方位增益等多個(gè)方面的內(nèi)容。基于此，本研究以無線電傳播理論為基礎(chǔ)，結(jié)合已有的短波天波傳播損耗計(jì)算模型、球面幾何與天線理論，建立了一套短波天波通信場(chǎng)強(qiáng)估算的方法與模型。該模型能夠?qū)Χ滩ㄍㄐ判堋⒍滩ㄍㄐ鸥蓴_能力以及短波通信干擾效能進(jìn)行評(píng)估，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：天波；場(chǎng)強(qiáng)；傳播損耗；天線增益

0引言

天波通信具有傳播距離遠(yuǎn)，傳輸損耗小，通信質(zhì)量不受收發(fā)雙方間地質(zhì)類型的影響等優(yōu)點(diǎn)，因此成為短波通信的主要傳播途徑。短波天波場(chǎng)強(qiáng)的估算是短波通信效能評(píng)估、短波通信干擾能力估算和短波通信干擾效能評(píng)估的重要指標(biāo)和基礎(chǔ)。目前，針對(duì)短波天波通信場(chǎng)強(qiáng)的估算，大部分資料的研究重點(diǎn)均集中在天波傳播損耗的計(jì)算[1-2]；而天波場(chǎng)強(qiáng)的估算涉及到傳播距離、發(fā)射天線和接收天線方向性、傳播損耗等因素[3]。基于此，從無線電傳播理論出發(fā)，結(jié)合工程估算中的近似的經(jīng)驗(yàn)公式，從以上幾個(gè)方面研究并給出短波天波通信場(chǎng)強(qiáng)的估算方法與模型，一定程度上彌補(bǔ)了現(xiàn)有方法的不足，具有十分重要的意義。

1短波天波通信的特點(diǎn)

天波通信指通信電波以一定發(fā)射仰角進(jìn)入高空電離層，經(jīng)反射到達(dá)地面接收機(jī)處的通信方式。天波通信傳播距離遠(yuǎn)，經(jīng)電離層多次反射時(shí)甚至可以實(shí)現(xiàn)全球通信，電波傳播不受收發(fā)雙方間地質(zhì)狀況的影響，傳播損耗小，因此成為短波通信的主要傳播途徑。但天波通信受電離層狀態(tài)影響大，電離層狀態(tài)與太陽活動(dòng)密切相關(guān)，不同時(shí)間、地點(diǎn)、季節(jié)、晝夜的電離層特性變化較大，導(dǎo)致天波通信信道呈現(xiàn)隨機(jī)的不規(guī)則變化，為典型的隨參信道；因此天波場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)僅對(duì)確定位置、季節(jié)等因素的短時(shí)間內(nèi)有效，無法繪制供長期使用的圖表。

2短波天波通信場(chǎng)強(qiáng)估算的方法與模型

短波天波通信場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算公式為[1,4]：

E=137.2+20lgf+10lgP-Lb

(1)

式中，P為發(fā)射功率；G為天線增益，包括接收天線在發(fā)射天線水平方位上的增益和發(fā)射天線在接收天線水平方位上的增益，即G=GTR(φ1)+GRT(φ2)；Lb為傳播損耗，包括由自由空間傳輸損耗Lfr、電離層吸收損耗、地面反射損耗Lg和系統(tǒng)額外損耗Yp四部分，即：

Lb=Lfr+Li+Lg+Yp

(2)

式中，自由空間損耗Lfr和電離層吸收損耗Li與傳播距離等因素有關(guān)。

下面分別給出式(1)中各個(gè)分量的確定方法與模型。

2.1電波傳播距離

天波傳播如圖1所示，傳播距離有兩種，一為沿地球表面的傳播距離，稱為大圓距離；另一為電波由地面進(jìn)入高空電離層，經(jīng)反射到達(dá)地面所經(jīng)過的距離，稱為電波傳播路徑上的距離、斜射距離或斜距[3]，下面分別給出這兩種距離的計(jì)算方法。

圖1　天波傳播示意

(1)大圓距離。由球面三角的余弦定理可以得到地球上任意兩點(diǎn)間的大圓距離D為：

D=2πR*c/3600

(3)

c=arccos(sinAlatsinBlat+cosAlatcosBlatcosAlong-Blong)

(4)

式中，R為地球平均半徑，通常取6 370 km，c為收發(fā)端之間的弧度，Alat、Along、Blat、Blong分別為收發(fā)端的經(jīng)緯度，東經(jīng)、北緯取正，西經(jīng)、南緯取負(fù)。

(2)斜射距離。它與電波傳輸模式、反射次數(shù)、入射角、大圓距離和電離層高度等因素有關(guān)，由幾何關(guān)系得到一次反射時(shí)的斜射距離為[5]：

(5)

(6)

(7)

式中，r為經(jīng)電離層一次反射的斜射距離，Δ為發(fā)射仰角，φ為電波入射角，h為反射點(diǎn)所在電離層高度，E層反射時(shí)通常取110 km，F(xiàn)1層在白天存在，高度170～220 km，F(xiàn)2層高度225～450 km。

2.2發(fā)射天線與接收天線相互偏離最大增益方向的角度

天波通信中，總假定通信發(fā)射方天線對(duì)準(zhǔn)接收方，通信接收天線對(duì)準(zhǔn)發(fā)射方，實(shí)際上由于天波通信距離遠(yuǎn)，發(fā)射和接收天線很難相互對(duì)準(zhǔn)，而是成一定角度，稱為方位角，它是指發(fā)射方與接收方所在的大圓弧線與子午線正北方向的夾角，以順時(shí)針方向計(jì)算[3]。其計(jì)算公式為：

α=900-Blat

(8)

γ=900-Alat

(9)

β=Blong-Along

(10)

c=arccos(cosαcosγ+sinαsinγcosβ)

(11)

φ1=arcsin(sinαsinβ/sinc)

(12)

φ2=arcsin(sinγsinβ/sinc)

(13)

式中，Alat、Along、Blat、Blong分別為收發(fā)端的經(jīng)緯度，φ1為接收端B處在發(fā)射端A天線的方位角，φ2為發(fā)射端A處在接收端B天線的方位角。

2.3天線水平方位增益

有向天線能夠?qū)⑻炀€輻射的功率集中在主要通信方向，減小其他方向上信號(hào)功率。以發(fā)射天線為雙極天線和接收天線為對(duì)數(shù)周期天線為例。

(1)發(fā)射天線水平方位增益。雙極天線方位增益與天線參數(shù)等因素密切相關(guān)，方向圖計(jì)算復(fù)雜，限于篇幅，只給出頻率12 MHz(波長λ=25 m)、振子長度λ/2、相位常數(shù)β=2π/λ時(shí)的低架雙極天線水平方位增益為：

(14)

式中，φ為與天線最大增益方向(φ=00)的角度，φ∈[0,π]。雙極天線水平方位增益如圖2所示，最大增益出現(xiàn)在0°與180°方位上，其值為4，方位角從0°～180°變化時(shí)，方位增益由最大逐漸減小至0后再增大至最大值4。

(2)接收天線水平方位增益。對(duì)數(shù)周期天線水平方位增益為：

G(φ)=Gmaxcos2n(φ/2)

(15)

式中，Gmax為天線最大增益，n為天線形。

圖2　低架雙極天線水平方位增益

圖3　對(duì)數(shù)周期天線水平方位增益

狀參數(shù)， 為水平方位角。若天線最大增益 ，取形狀參數(shù) 。其水平方位增益如圖3所示。可以看出，對(duì)數(shù)周期天線水平方位增益從0°時(shí)的最大逐漸減小至180°時(shí)的最小值0。

2.4傳播損耗

天波傳播損耗Lb主要由自由空間傳輸損耗Lfr、電離層吸收損耗、地面反射損耗Lg和系統(tǒng)額外損耗Yp四部分組成[2]，即：

Lb=Lfr+Li+Lg+Yp

(1)自由空間傳輸損耗。電波在自由空間中傳播時(shí)并沒有真正的能量損失，傳播損耗只由電波在傳播過程中隨著傳播距離的增大，電波能量分布的球面積增大，單位球面上電波能量減小而導(dǎo)致的[6]，因此也稱為傳播路徑損耗，其計(jì)算公式為：

Lfr=32.45+20lgf+20lgr

(16)

式中，f為電波頻率，r為電波傳播的路徑距離，即式(5)中的斜射距離。

(2)電離層吸收損耗。電離層吸收損耗有非偏移吸收和偏移吸收兩種，而偏移吸收一般都小于1 dB，忽略不計(jì)；非偏移吸收的計(jì)算非常復(fù)雜，實(shí)際中用半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

(17)

式中，n為跳數(shù)，f為電波頻率，fH磁旋頻數(shù)，取1.2～1.5 MHz，θ0為電波入射角，Ij為電離層吸收系數(shù)，按下式計(jì)算求得：

(18)

首先，根據(jù)發(fā)射端和接收端的位置在地圖上大致標(biāo)繪出反射點(diǎn)的經(jīng)緯度，通常取發(fā)射和接收點(diǎn)連線的中點(diǎn)位置；然后按下式計(jì)算[4-5]：

χ=arccos[sinψFsinSSP+cosψFcosSSPcos(SSL-λF)]

(19)

式中，ψF為反射點(diǎn)經(jīng)度，λF為反射點(diǎn)緯度，SSL為地球上太陽直射點(diǎn)所在位置的經(jīng)度，SSP為太陽直射點(diǎn)的緯度，式中：

SSL=15×Tg-180

(20)

式中，Tg為世界時(shí)。SSP由式(21)和表1確定，表中，太陽直射點(diǎn)的緯度一年中每月取一個(gè)平均值。

(21)

電波入射角θ0計(jì)算公式為：

(22)

式中,h為電離層的高度。

表1　太陽直射點(diǎn)緯度(SSP)

(3)地面反射損耗。天波多跳傳播模式下，電波經(jīng)電離層反射回地面，再經(jīng)地面反射回電離層時(shí)產(chǎn)生的損耗稱為地面反射損耗，若電波僅一跳，則無該項(xiàng)損耗。地面反射損耗的大小與電波極化方式、工作頻率、仰角及地面地質(zhì)類型有關(guān)，通常海面反射時(shí)每次反射取1 dB，陸地反射時(shí)每次反射取4 dB。

(4)系統(tǒng)額外損耗。除上述三種損耗外的其他損耗統(tǒng)稱為系統(tǒng)額外損耗除，如電離層球面聚焦、多徑干涉、極化損耗及其他尚未明確的損耗，這是一項(xiàng)不穩(wěn)定的參數(shù)，與地磁緯度，季節(jié)、本地時(shí)間、路徑長度等因素有關(guān)，準(zhǔn)確計(jì)算其值非常困難，實(shí)際應(yīng)用中也無必要，在中緯度地區(qū)，系統(tǒng)額外損耗可近似認(rèn)為是本地時(shí)間的函數(shù)，具體關(guān)系如表2所示。

表2　系統(tǒng)額外損耗的經(jīng)驗(yàn)值

將以上各分量代入式(1)即可得到接收天線輸出端的天波場(chǎng)強(qiáng)。

2.5天波場(chǎng)強(qiáng)估算的不精確性分析

天波傳播存在衰落現(xiàn)象，它是一種接收機(jī)端天波信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的一種突然的無規(guī)則變化，衰落時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度可有幾十至上百倍的短時(shí)變化，衰落周期可有幾十秒至小于一秒的差異[6]。這主要是由多徑效應(yīng)造成的，即發(fā)射天線輻射的電波經(jīng)不同途徑、以一定的時(shí)間差先后到達(dá)接收端后干涉，使接收信號(hào)的幅度呈現(xiàn)出無規(guī)則差異，如圖4所示。

圖4　衰落現(xiàn)象示意

由衰落現(xiàn)象造成的接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)幅度的瞬時(shí)變化服從瑞利分布，達(dá)到或超過一定場(chǎng)強(qiáng)值的時(shí)間百分?jǐn)?shù)可由下式得到：

(23)

式中,t為接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)不小于場(chǎng)強(qiáng)E值的百分?jǐn)?shù)，E50為場(chǎng)強(qiáng)中值，即接收?qǐng)鰪?qiáng)在50%時(shí)間上不小于其值的場(chǎng)強(qiáng)值，它等于無衰落影響時(shí)場(chǎng)強(qiáng)平均值的0.83倍，上述估算得到的場(chǎng)強(qiáng)值即為場(chǎng)強(qiáng)中值。

圖5　電離層衰落分布

圖5給出了存在衰落現(xiàn)象時(shí)接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)瞬時(shí)值的統(tǒng)計(jì)分布曲線，可以看出，90%的時(shí)間上場(chǎng)強(qiáng)值相當(dāng)于中值的0.39倍，即在場(chǎng)強(qiáng)中值以下8.2 dB，對(duì)應(yīng)于10%的時(shí)間上的場(chǎng)強(qiáng)值等于中值的1.8倍，即大于場(chǎng)強(qiáng)中值5.1 dB。而對(duì)應(yīng)于99.3%時(shí)間的場(chǎng)強(qiáng)值要比場(chǎng)強(qiáng)中值低20 dB。為了提高估算結(jié)果有效的百分比，實(shí)際中通常在估算的到的場(chǎng)強(qiáng)中值基礎(chǔ)上加上一定的衰減余量，如表3所示[5]。

表3　通信場(chǎng)強(qiáng)所加衰減余量

3結(jié)語

場(chǎng)強(qiáng)估算是無線電通信相關(guān)計(jì)算的重要基礎(chǔ)。以無線電傳播理論等為基礎(chǔ)，根據(jù)短波天波傳播場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算的一般公式，研究給出了程序化的估算模型與方法，詳細(xì)說明了估算模型中有關(guān)參數(shù)的確定方法、選取原則及模型，并依據(jù)天波傳播的特點(diǎn)分析了天波場(chǎng)強(qiáng)估算的不精確性，給出了提高估算結(jié)果可靠性的方法，為天波通信的相關(guān)估算提供了清晰的思路和完整實(shí)用的方法與模型。

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Method and Models of Field Strength Calculation in HF Sky-Wave Communication

LI Xue-hong1, LI Fa-zhong2, HAN Long3, CHEN Li-jun4

(1. Training Department, Dalian Navy Academy, Dalian Liaoning 116018,China;2. North Sea Fleet Military Office, Qingdao Shandong 266071,China;3. Department of Information Equipment,Academy of Equipment,Beijing 101400,China;4. Sub-unit 64,Unit 92474 of PLA, Sanya Hainan 572018,China)

Abstract：Field strength estimation of HF sky-wave involves the calculation of radio wave propagation distance, horizontal azimuth, horizontal azimuth gain and others, while currently most studies are merely focused on the estimation of transmission loss. In light of this, based on radio propagation theory, and in combination with the existing propagation-loss calculation model of HF sky-wave, spherics and antenna theory, a set of method and model for field strength estimation of HF sky-wave is established. This model could effectively evaluate HF communication effectiveness, HF communication interference ability and jamming capability, and this is of fairly great application value.

Key words：sky-wave; field strength; propagation loss; antenna gain

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.04.007

*收稿日期：2015-11-08；修回日期：2016-02-16Received date:2015-11-08；Revised date：2016-02-16

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.11374001)

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China(No.11374001)

中圖分類號(hào)：TN911

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-0802(2016)04-0418-05

作者簡(jiǎn)介：

李雪紅(1970—)，女，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)檐浖こ蹋?/p>

李法忠(1964—)，男，學(xué)士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榕炁谖淦魇褂茫?/p>

韓龍(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹＼娡ㄐ畔到y(tǒng)分析與應(yīng)用；

陳立軍(1987—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹＼娡ㄐ畔到y(tǒng)分析與應(yīng)用；