長河二號導航系統通信潛能分析?

（91469部隊 北京 100841）

1 引言

長河二號是我國的大型遠程岸基無線電導航系統，為我國周邊海域和沿海地區提供導航定位服務［1～2］。目前我國的北斗衛星定位、導航、授時系統已經初步建成，已經能夠為我國疆土及周邊地區提供高精度、高可靠的定位、導航、授時服務［3～5］。將來全部建成后能夠實現全球范圍的定位、導航、授時服務。在此情況下，我國的長河二號遠程岸基無線電導航系統已經退為北斗衛星系統的備用手段，實際利用率低。本論文針對以上現狀，研究如何對其進行有效的利用，使其繼續發揮效能，探討長河二號系統用于通信的可行性和方法。

2 長河二號用于通信可行性分析

由于長河二號仍作為衛星導航的備份，對長河二號導航系統進行通信擴展，需要兼顧臺站本身的導航功能?？紤]只在導航臺停止導航服務期間將導航發射機及發射天線等設備用于通信，即導航與通信功能分時實現。在改作通信應用時技術設備的改動不宜過大，以便需要時能夠方便而快速地改回導航服務。因此，賦予長河二號通信功能的原則是要保證發射臺技術設備在導航體制和通信體制之間較為快速方便地轉換。

國際電信聯盟規定90kHz～110kHz頻段在第三區主要用于導航，其次用于固定業務。我國無線電管理機構規90kHz～95kHz用于固定業務、水上移動業務和無線電導航，95kHz～110kHz主要用于無線電導航，其次用于固定業務。根據公開的技術文獻資料，長河二號導航系統工作載頻為100kHz，因此，欲利用長河二號進行通信，工作頻率應該偏離100kHz較好，可以選擇 86kHz～90kHz和 110kHz～112kHz這兩個頻段用于通信。長河二號設備稍偏離100kHz工作頻率，需要解決三個問題：一是要提供通信載波的頻率源，其次是要使HCG產生相應頻率的半周電流，再次是保證發射系統在這些頻率的調諧和匹配。

20世紀美國空軍應用100kHz左右低頻地波建設了全國應急通信網（GWEN）。100kHz左右的低頻地波傳播穩定，抗干擾能力強，通信比較可靠，而且可以把信息發送到地下很深的接收點。應用長河二號設備在100kHz左右通信，可實現從岸上的指揮機關往水面艦艇、潛艇等單元發送信息。

3 長河二號通信潛能分析

低頻電磁波與甚低頻電磁波一樣，事實上是在地面和電離層形成的波導內傳播的。但是，用波導理論導出的地面上垂直電偶極子的電磁場公式，不適用于計算低頻電磁波。這是因為對于低頻頻段，用波導模式理論計算，需要計算的模式數量較多，計算繁瑣。對于甚低頻頻段，用波導模式理論一般只需要計算2～3個模式（1階模、2階模、3階模）就能滿足要求，在遠距離上只需要計算一個模式（1階模），因此用波導模式理論進行計算。在低頻頻段，一般用地波和天波疊加理論計算接收點電磁場。所謂地波，是指假定電離層不存在時求出的地面上的電磁場；而天波是指由電離層反射的電磁場，它由不同反射次數的反射波組成，一般取1～2跳反射波就足夠。低頻電磁場用地波和天波合成觀點解釋符合實際，且計算比較方便。

長河二號應用脈沖信號，天、地波可以用到達接收點的時間差分開，可以只應用地波定位。在通信中一般應用連續波調制，天、地波不能分開，相互干擾，因此要分別計算地波和天波的場強的幅度和相位，以估計天、地波干擾的范圍和程度，以及地波通信和天波通信的距離。

3.1 傳播衰減

計算100kHz電磁波在海水中衰減，對于低頻電磁波，地面上的垂直電場遠大于傳播方向的水平電場。根據近似邊界條件，地面上水平電場與垂直電場之間的關系［4］是

電磁波是從地面垂直往下傳播的。地面下水平電場遠大于垂直電場，某一深度z處的水平電場可以表示為

k1為地面下介質（海水或地層）的波數，

波數中的虛數部分稱為衰減系數，實數部分稱為傳播常數。式（2）的衰減系數單位為N/m，如衰減系數單位改成dB/m，則海面下z米處的水平電場幅度：

此處β為以dB/m為單位的電波衰減系數。

對于海水，一般取 εr=80，σ=4.1?(Ω·m ) ，100kHz電波的β=10.9146dB/m。對于陸地，如取取 εr=10，σ=0.001，1?(Ω·m )，則 β=0.1676dB/m 。

3.2 混合路徑參數

長波傳輸到海上的實際的傳播路徑是包含陸地和海洋兩段的混合路徑。在工程應用中，混合路徑的繞射衰減因子可以用Millington經驗公式計算［6～7］。對于n段的路徑，該公式表示為

式中dn為每段路徑的長度，Δn為每段路徑的規格化表面阻抗，W是相應路徑的繞射衰減因子。對于兩段路徑可以表示為［8～9］

式中d=d1+d2是路徑總長度。

以一個數值計算例子進行說明。設100kHz的傳播路徑為1000km，其中300km為陸地，其電導率為0.001( )

Ω·m ，相當于規格化表面阻抗為0.074467ej0.75488；700km為海面，其電導率為4()·m ，相當于規格化表面阻抗為0.0011785ej0.78534?？捎嬎愠隼@射衰減大致數據如表1。運算后得300km陸地和700km海面混合路徑的繞射衰減等于0.129（-17.8dB）。這表明300km電導率差的陸地與700km海面組成的混合路徑的繞射衰減比1000km純海面路徑的繞射衰減大70%（約大4dB）。

表1 海面和陸地不同長度路徑的繞射衰減值

陸地繞射衰減因子0.35 0.103 0.054距離（km）300 700 1000海面繞射衰減因子0.75 0.31 0.22

3.3 發射功率估計

在地波和天波強度接近的區域，合成電場有可能變得很小，使通信不穩定。這個通信不穩定區域不能用加大發信機功率加以解決。夏季白天天波幅度小，海面上天、地波幅度接近的區域大致出現在1200km附近。在1000km附近地波場強大致是天波場強的三倍，天波的干擾大致可以忽略［10］。

現在估算發信機的功率，所需發信機功率與信道帶寬有關，也與需要的信噪比有關。下面針對100Hz和1000Hz兩種信道帶寬，假定9dB信噪比，估算發信機功率。由信噪比的定義，可以導出需要的信號場強的計算公式為

上式中En為大氣噪聲電場譜密度V/m/Hz，單位dB；SNR為需要的信噪比，單位dB；B為信道帶寬，單位Hz。在南海海域90%時間的全年平均噪聲電場譜密度等于-116.96dB這樣［5］，對于100Hz帶寬，需要的場強為-87.9dB，也就是40.272 μV/m ；對于1000Hz帶寬，需要-77.9dB，也就是127.35μV/m 。

需要的輻射功率（kW）可以由下式換算：

式中Er為需要的場強，E1r為1kW輻射功率產生的場強?？梢圆榈剑?］，1kW輻射功率在海面上1000km處大致產生70μV/m場強。由式（10）算得100Hz帶寬需要約330W輻射功率，1000Hz帶寬需要約3.3kW輻射功率。如果天線效率約為70%，則需要的發信機功率相應為470W和4.7kW。考慮到海面電路必然是混合電路，衰減大于純海面電路［11～12］，因此發信機的功率應留有余量。對于100Hz帶寬的低速通信，發信機功率不應低于1kW，對于1000Hz帶寬的中速通信，發信機功率選用10kW。

4 結語

本論文針對長河二號導航系統利用率低的現狀，研究如何對其進行有效的利用，使其繼續發揮效能，探討長河二號系統用于通信的可行性和方法。并根據地波場強和天波場強隨距離的變化，估計了地波通信的最遠距離和需要的功率基礎，為改造導航系統用于通信提供理論依據。經計算，通信功能可以達到的具體能力的能力指標：對水面艦艇可以實現600km～1000km的地波通信，發送100Hz帶寬數據，需要發射機功率約1kW；發送1000Hz帶寬的中速通信，需要發信機功率10kW。