南極科考站的短波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王`罡 胡秉晨 曹紅艷 弓勇義

摘要：利用南極地區(qū)的電離層結(jié)構(gòu)特性以及中山站、泰山站、昆侖站電離層臨界頻率的時(shí)間分布，對(duì)南極地區(qū)短波通信鏈路上的電離層特性進(jìn)行分析，提出采用國(guó)產(chǎn)化短波通信控制系統(tǒng)搭配水平偶極子天線的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行系統(tǒng)通信鏈路和可通頻率等的技術(shù)論證，得到南極地區(qū)的電離層變化情況及系統(tǒng)的可通信率，從而驗(yàn)證南極地區(qū)各考察站之間建設(shè)短波通信系統(tǒng)的可行性問題。

關(guān)鍵詞：南極;電離層;短波通信系統(tǒng);臨界頻率;水平偶極子

中圖分類號(hào)：TN914? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）11-0017-04

The Design of Shortwave Communication System in Antarctic Research Station

WANG Gang1，HU Bing-chen2，CAO Hong-yan1，GONG Yong-yi1

（1.China Research Institute of Radiowave Propagation，Qingdao 266107， China; 2.Polar Research Institute of China， Shanghai 200136， China）

Abstract： Using the structural characteristics of the ionosphere in the Antarctic region and the time distribution of ionospheric critical frequencies at Zhongshan Station， Taishan Station and Kunlun Station， to analyze ionospheric the characteristics on the shortwave communication link in the Antarctic region， and proposed the scheme of using a localized shortwave communication control system with the horizontal dipole antenna， and carried out the technical demonstration of the systematic communication link and the passable frequency， the ionospheric changes in the Antarctic area and communicable rate of the system are obtained. Thus， the feasibility of constructing shortwave communication system between the various research stations in the Antarctic area was verified.

Key words： antarctica; ionosphere; shortwave communication system; critical frequency; horizontal dipole

1 引言

隨著衛(wèi)星通信和網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展，短波作為遠(yuǎn)距離與國(guó)內(nèi)通信的方式逐漸被取代。目前南極中山站通信系統(tǒng)包括短波通信系統(tǒng)、甚高頻通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)，與周邊近距離通信使用甚高頻通信系統(tǒng)，遠(yuǎn)距離通信使用衛(wèi)星通信系統(tǒng)。近些年短波通信技術(shù)有了較大發(fā)展，短波設(shè)備逐漸小型化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化，短波通信系統(tǒng)也能夠滿足中山站與昆侖站、泰山站的遠(yuǎn)距離無(wú)線通信。短波通信系統(tǒng)相比衛(wèi)星通信系統(tǒng)，主要優(yōu)勢(shì)為：

1）短波通信系統(tǒng)設(shè)備組成和架設(shè)簡(jiǎn)單、使用靈活，衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)備組成復(fù)雜;

2）短波通信系統(tǒng)購(gòu)置和使用費(fèi)用極低，衛(wèi)星通信系統(tǒng)費(fèi)用較高。短波通信設(shè)備價(jià)格低廉，安裝成功后，只需極低的維護(hù)費(fèi)用。衛(wèi)星通信設(shè)備價(jià)格較高，后期也需要高昂的使用費(fèi)用;

3）短波通信系統(tǒng)抗毀性強(qiáng)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要依賴衛(wèi)星的正常運(yùn)行。短波通信不需要建立中繼站即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，對(duì)自然災(zāi)害和戰(zhàn)爭(zhēng)的抗毀性能力強(qiáng)。

因此，短波通信系統(tǒng)是中山站與周邊站點(diǎn)的極其合適的輔助通信手段。

2 電離層特性分析

遠(yuǎn)距離短波通信時(shí)發(fā)射的電波必須要經(jīng)過(guò)電離層的反射才能到達(dá)接收設(shè)備，作為短波傳播的中介，電離層對(duì)于通信質(zhì)量的保證有著至關(guān)重要的作用。短波電離層反射信道是一種時(shí)變的色散信道，它的特點(diǎn)是路徑損耗、時(shí)延散布、噪聲和干擾等都是隨頻率、地點(diǎn)、季節(jié)、晝夜而不斷變化。因此，短波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)南極地區(qū)短波通信鏈路上的電離層特征進(jìn)行系統(tǒng)分析，從而對(duì)短波通信系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)功率、短波天線架設(shè)高度和短波天線架設(shè)形式等參數(shù)提供依據(jù)。

2.1 電離層結(jié)構(gòu)特性

由于太陽(yáng)高能電磁輻射、宇宙射線等作用于地球高層大氣，使大氣分子發(fā)生電離，產(chǎn)生大量的自由電子、離子和中性分子，構(gòu)成等離子體區(qū)域，形成電離層，電離層高度大約處于60～1000km。在地球引力的作用下，地球大氣基本上呈現(xiàn)水平分層結(jié)構(gòu)，對(duì)于電離層而言，各區(qū)域的物理和化學(xué)變化與太陽(yáng)輻射、粒子輻射、磁層擾動(dòng)、地球磁場(chǎng)的變化關(guān)系不盡相同，造成在幾個(gè)高度上有電子生成率的極大值，在一定高度以下，電子濃度的分布不可能是重力擴(kuò)散平衡的，人們通常按照電子濃度峰值高度將電離層分為四個(gè)區(qū)域： D區(qū)、E區(qū)、F區(qū)和頂部以上區(qū)域（上電離層）。其中上電離層對(duì)短波通信傳播基本上沒有什么影響，短波通信傳播有影響的電離層模型一般要考慮下部電離層D、E、F區(qū)域，各層的時(shí)間變化主要取決于日照量的太陽(yáng)天頂角關(guān)系。

南極極區(qū)電離層具有典型的電子濃度分層結(jié)構(gòu)、時(shí)間變化特征和區(qū)域變化特征。南極極區(qū)電離層D層只在白天出現(xiàn)，D區(qū)出現(xiàn)冬季異常，即在幾天內(nèi)正午電子濃度異常增加，短波穿越D層會(huì)有嚴(yán)重的衰減，電離層對(duì)電磁波的吸收主要發(fā)生在D區(qū)域，頻率越低，吸收越嚴(yán)重;E區(qū)以上電子濃度夜間較白天約小兩個(gè)多量級(jí);F1層區(qū)只在白天出現(xiàn)，夜間時(shí)F1層和F2層逐漸合并為F層區(qū)域，高緯夜間F2層在凌晨（日出前1～2h或太陽(yáng)天頂角在110度～96度之間）電子濃度出現(xiàn)最小值。F2層出現(xiàn)“冬季異常”現(xiàn)象，即夏季日變化比較平緩，夏季中午電子濃度值較冬季的相應(yīng)值小。

2.2 南極地區(qū)foF2的時(shí)間分布

電離層臨界頻率（foF2）是描述電離層形態(tài)的一個(gè)重要參量，電離層最大電子濃度決定了臨界頻率，它們之間存在如下關(guān)系：[Nm=1.24×104f20]。foF2數(shù)值隨著太陽(yáng)活動(dòng)性的增強(qiáng)而增大，極區(qū)臨界頻率較低。根據(jù)中國(guó)電波傳播研究所長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)以及國(guó)際參考電離層模型（IRI）計(jì)算，圖1至圖3給出了中山站、泰山站、昆侖站，典型年份（太陽(yáng)活動(dòng)低年、中年、高年）、典型月份（一月份、四月份、七月份、十一月份）、不同時(shí)刻（24小時(shí)）foF2的分布情況。

研究表明，對(duì)于F2層臨界頻率foF2，國(guó)際參考電離層模型（IRI）模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)值較符合，夏季和秋季誤差很小，通常主要在夏季保障南極短波通信，因此，IRI模型可以作為南極短波通信鏈路計(jì)算論證的基礎(chǔ)模型。

根據(jù)南極地區(qū)各考察站電離層F層foF2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析得到，一月份和十一月份08：00UT附近foF2出現(xiàn)主極大，相應(yīng)時(shí)間為本地時(shí)間14：00;七月份日變化比較平緩;四月份在本地時(shí)間15：00達(dá)到極大值;foF2值隨著太陽(yáng)活動(dòng)性的增強(qiáng)而增大。

3短波通信系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與論證

3.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

短波通信系統(tǒng)方案分為短波通信發(fā)射機(jī)、短波通信接收機(jī)、短波通信控制器以及天線設(shè)計(jì)4部分組成。其中發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、通信控制器組成短波通信控制系統(tǒng)。

3.1.1 通信控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)射機(jī)采用國(guó)產(chǎn)TGX240-2型1000W短波發(fā)射機(jī)，該發(fā)射機(jī)具有遠(yuǎn)程遙控接口和CAN 總線接口，并具有現(xiàn)場(chǎng)可編程功能。接收機(jī)采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的優(yōu)質(zhì)通信接收機(jī)，頻率范圍10kHz到29.999999MHz。短波通信系統(tǒng)控制器通過(guò)實(shí)時(shí)控制短波接收機(jī)和發(fā)射機(jī)，自動(dòng)建立通信線路，自動(dòng)選擇通信業(yè)務(wù)，自動(dòng)保持通信線路，保證最佳通信質(zhì)量。短波通信接收機(jī)能與短波通信發(fā)射機(jī)、短波通信系統(tǒng)控制器組成短波數(shù)字化通信控制系統(tǒng)。完成自動(dòng)掃描搜索、自動(dòng)選頻、自動(dòng)建立通信線路功能，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通信系統(tǒng)之間的可靠聯(lián)絡(luò)。本系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是內(nèi)置自動(dòng)通信控制模塊、短波數(shù)傳模塊、聲碼話模塊，無(wú)須外接終端即可完成數(shù)據(jù)和聲碼話通信;具有在呼叫信道建鏈以后快速探測(cè)通信信道重新建立通信鏈路的功能;具有對(duì)抗強(qiáng)干擾和惡劣電磁環(huán)境的低速數(shù)據(jù)通信功能和猝發(fā)通信功能;具有無(wú)線轉(zhuǎn)接功能和位置報(bào)告功能。

3.1.2 天線設(shè)計(jì)

短波通信天線采用三線式水平偶極子天線。三線式水平偶極子天線是一種新型寬帶天線，它是基于七十年代折合式短波寬帶天線改進(jìn)而成。天線由吸收電阻、阻抗變換器和三根輻射導(dǎo)線組成，是全頻段短波基站天線，在近中遠(yuǎn)各種距離都能夠保持良好的通信效果。線式水平偶極子天線采用三線偶極結(jié)構(gòu)，輻射效率高，工作頻帶內(nèi)性能均勻，不僅在寬邊方向有強(qiáng)輻射，而且在窄邊方向也有較強(qiáng)輻射，因而對(duì)360°全方向位都能溝通聯(lián)絡(luò)，三線式天線橫拉固定架設(shè)狀態(tài)平穩(wěn)，保證了通信效果的穩(wěn)定。本系統(tǒng)天線面長(zhǎng)度40m，采用架高14m，尾端滑輪安裝在桅桿上，吸收負(fù)載選用碳膜電阻，電阻裝在玻璃鋼筒中，承受功率大于2kW，為南極地區(qū)極端環(huán)境條件，天線中間采用軟拉線固定電饋線的方式防止大風(fēng)造成饋線連接點(diǎn)斷裂等問題。

3.2 系統(tǒng)方案可行性論證

3.2.1 通信鏈路論證

中山站短波電臺(tái)采用發(fā)射功率為1000W，天線增益3dB，采用全球短波通信計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，月份選用一年中典型的1月份、4月份、7月份和11月份的月中值，以中山站到昆侖站通信距離約為1300km為通信距離最大值論證通信鏈路問題。

通信距離1300km，計(jì)算到達(dá)接收端的場(chǎng)強(qiáng)。根據(jù)公式：

[E=107.2+20lgf+Gt+Pt-Lb]? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

可以粗略計(jì)算出到達(dá)接收站的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)。

其中：[Lb=Lbf+Li+Lg+Yp]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

[Lb]——基本傳輸損耗，dB;

[Lbf]——自由空間基本傳輸損耗dB;

[Li]——電離層吸收損耗dB;

[Lg]——地面反射損耗dB;

[Yp]——附加系統(tǒng)損耗dB。

[Lbf=32.44+20lgf+20lgD]，這里工作頻率[f]取10MHz，[D]為有效幾何路徑長(zhǎng)度，以通信距離1300km，電離層反射高度400km，得出[D]為1520km。經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)算，[Lbf]為116.1dB。

[Li]電離層吸收損耗，計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，這里取[Li]為3dB。

[Lg]地面反射損耗，這種損耗只是兩跳以上并經(jīng)由地面反射的傳輸模式才有，通信距離在1300km時(shí)，[Lg]取0dB。

[Yp]附加系統(tǒng)損耗，是為了補(bǔ)償信號(hào)強(qiáng)度隨日起伏而考慮的余量。附加系統(tǒng)損耗的分布是地磁緯度、季節(jié)、本地時(shí)間和路徑長(zhǎng)度的函數(shù)，這里取14 dB。

通過(guò)公式（2）可得基本傳輸損耗為114.7+3+0+14=131.7dB。

根據(jù)[E=107.2+20lgf+Gt+Pt-Lb]

[f]取工作頻率為10MHz，[Gt]發(fā)射天線的增益，這里取天線增益為0dB，[Pt]為電臺(tái)發(fā)射功率125W（20.97dBW），經(jīng)過(guò)計(jì)算得出：

[E=107.2+20lg10+0+20.97-129.7]=16.47[uV/m]

以地面站接收點(diǎn)的天線電長(zhǎng)度為1m計(jì)算，可得接收端的電壓值為16.47[μV]。

而短波電臺(tái)接收靈敏度均在2[μV]左右，因此可以滿足通信距離1300km的要求。

3.2.2 考察站間可通頻率與可通率論證

中山站短波通信系統(tǒng)的通信范圍的預(yù)測(cè)采用國(guó)際電聯(lián)廣泛應(yīng)用的“全球頻率預(yù)測(cè)及場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算軟件”計(jì)算，最佳可通頻率計(jì)算過(guò)程中月份選取了一年中1月份、4月份、7月份、11月份四個(gè)典型月份，時(shí)段選取北京時(shí)間每個(gè)整點(diǎn)，可得出中山站與昆侖站、中山站與泰山站的短波通信頻率范圍。短波通信頻率范圍見表1。

每條通信鏈路上收發(fā)都采用1kW的短波通信系統(tǒng)，且每2MHz頻率范圍內(nèi)短波電臺(tái)可提供至少一個(gè)通信頻率，根據(jù)上述計(jì)算的短波通信頻率范圍則可以得到短波通信系統(tǒng)的可通率見表2。

因此可以滿足南極地區(qū)站區(qū)間通信的基本要求。

4 結(jié)論

本文提出了一種應(yīng)用于我國(guó)南極地區(qū)科學(xué)考察站之間的短波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)電離層特性分析研究及系統(tǒng)可行性論證，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以滿足中山站與昆侖站、泰山站之間的通信要求，通信距離可達(dá)1300km，各站之間的通信率達(dá)到78%-90%，可以滿足南極地區(qū)短波通信需求，對(duì)改善南極考察站區(qū)現(xiàn)有通信條件提供了有力支撐。

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【通聯(lián)編輯：梁書】