短波天波传播损耗预测的计算机仿真

2010-06-14李书杰姜志勇

无线电工程 2010年1期

攸阳,李书杰,姜志勇

(海军司令部通信部,北京100841)

0 引言

短波传播的基本方式有地波传播和天波传播2种。受传输距离的限制,短波传播主要还是靠天波来实现的。天波就是指从电离层反射或散射后回到地球表面的无线电波。天波传播电离层反射信道属于时变色散信道,具有时间、频率和空间3种选择性的衰落,其模型主要是基于实测与经验(或修正经验)的统计预测模型。

国外相关机构开发了几种预测软件,如IONCAP、ICEPAC和PropMan等,但其核心技术是不公开的,目前国内在短波工程上仍沿用的是以查图查表手工计算为主的方法。本文利用CCIR模型,结合我国环境特点及地理信息,利用Matlab与数据库的联合编程技术,实现了短波传播路径损耗预测的全程计算机化。

1 预测模型选择

为了能够对短波传播线路进行预测和计算,国际电信联盟无线电通信大会(ITU-R)即原无线电咨询委员会(CCIR)曾先后提出了3个独立的估算短波天波场强的方法,即基于报告252、报告252补编和报告894的方法。本论文中采用的方法主要基于报告894方法。报告894方法包括2部分:频率预测部分和场强计算部分。频率预测部分是根据国际电信联盟提供的Oslo系数,利用数字图法求出电离层特性参数f0F2和m(3000)F2,以此得到相应的E层和F层各模式的基本最高可用频率(MUF)和路径的工作可用频率(FOT);场强计算部分则考虑了各种传输损耗以及多径效应,计算了接收区内信号的中值场强。尽管信号是由中值和瞬时值联合表征的,在短波通信体系中,接收信号存在着严重的衰落,场强的瞬时值会随着时间和空间的延续而快速起伏,这对于欲了解短波通信长时间稳定的场强情况,是不具备预测意义的,只有中值场强是一个唯一有效的表征量。在通常意义下,场强预测即指的是信号场强中值的预测。

根据CCIR的预测模型,短波天波传播过程中的传输损耗主要分成5个部分:自由空间基本传输损耗Lbf;电离层的吸收损耗Li;地球表面的反射损耗Lm;频率高于基本MUF传播的损耗Lg;额外系统损耗Yp。

2 计算机实现

计算机实现主要包括数据库的建立和计算程序的编写2个步骤。

2.1 数据库的建立

路径损耗预测的计算机实现首先须具备数字化的地理信息与传播参数。在无现成的基本参数图表资料情况下,要通过计算来获得;若有现成的基本参数图表资料,可将其数字化。这些参数包括收发信地理位置、大圆路径中点、磁旋频率、太阳天顶角、太阳黑子数和反射地面情况等。最后获得的数据要做成数据库,以便为系统调用。在本文中,数据库采用Acess制作。

获取数字化的资料是计算机处理的前提和基础,也是本文中要解决的一个重要问题。目前的有关短波电波传播的参数数据都是记录在纸上的一些曲线图或者图纸,要对这些资料重新处理,首先就要进行数字化。采取的办法是对图纸的扫描图像进行数字交互式采样,求出曲线上的坐标点。然后,在计算机上对数据曲线进行插值和曲线拟合,可恢复出原来的数字化的曲线,并达到很高的精度。在交互式采样中,有多种程序设计工具选择,Matlab工具箱提供了丰富的图像输入、处理及输出函数,非常适合用于图纸的数字化。

2.2 计算程序的编写

计算程序是计算机实现的核心部分。通过程序调用数据库,按照短波天波传播的数学模型及算法,以Matlab语言为开发平台,在机上完成损耗的预测及场强的估算,并输出结果。其中的关键技术为:①覆盖区域的网格化:要进行区域内的参数数据预处理和损耗及场强的计算,必须要将区域分成网格、逐点量化、数据逐个处理,这些都主要依靠Matlab强大的的矩阵运算和数据处理功能完成;②输出结果的可视化:由Matlab语言强大的图形绘制功能所支撑。计算出区域内所有点的场强值,进而画出等值线分布图等结果。

3 仿真结果

为说明算法的可靠性,给出了对一条固定通路和多接收点场强分布的仿真结果。

3.1 对一条固定通路的仿真

以北京-武汉短波通路为例,对一条基本参数已给出的固定通路进行计算。路径基本参数为:通信时间为1月12:00(正午);太阳黑子数0;大圆路径中点(115.1°E,34.0°N),太阳天顶角 55°,磁旋频率1.32MHz。输入功率26 dB(相对于1W),发射天线增益15 dBi。

经计算,北京-武汉间大圆路径距离为1 051 km,因此传播模式为1E及1F。E层模式仰角9.6°,F2层模式仰角28.3°,可以看出,采用 1E模式传播时,辐射仰角很小,此时必须采用具有小角度辐射方向性的天线,具体对于短波天线,最好的办法就是采用架高天线,或者将天线假设在向前倾斜的山坡上,以降低仰角。自由空间基本传输损耗Lbf与工作频率和大圆距离有关,Lbf与工作频率的关系如图1所示,总的Lbf应由E层模式和F2层模式叠加。可以看出,自由空间基本传输损耗是随着频率的增高而增高的。

图1 自由空间基本传输损耗

电离层的吸收损耗与工作频率的关系如图2所示,可以看出,电离层的吸收损耗是随着频率的增加而减小的。资料表明,除高仰角外,一跳F层模式的穿透吸收常小于1 dB,因此对于F层的穿透吸收未做考虑。本方法中也未考虑反射吸收的影响,因为它仅在有限的反射区域附近才显得重要,而这是也是一种传输模式很快的转到另一种传输模式的时候。由于本路径内电波传播只有一跳,因而无地面的反射损耗。

接收点场强中值结果如图3所示。其中场强中值的计算结果做如下处理:如存在2个以上传播模式的场强时,应选最大的一个做为接收天线输入端的场强。因此,在上述计算中,应选1E模式作为到达接收天线输入端的场强。

图2 电离层吸收损耗

图3 接收场强中值

3.2 多接收点场强分布的仿真

在实际通信工作中,对给定区域内每个接收点的场强中值进行估算,是一项非常耗时且费力的工作,且结果不够清晰、直观。但用常规方法要完全分析和整理这些数据,寻找出相应的场强变化规律是十分困难的,实现计算结果的可视化成为关键的因素。利用Matlab数据可视化技术,对短波线路计算结果进行可视化处理,可以得到给定天线覆盖区域每点场强大小的预测值。

基本参数设置为:双极天线作为发射天线;架设高度12 m,单臂长 10 m;工作频率 15 MHz;时间为1月10:00;太阳黑子数100;输入功率 1.6 kW;馈线损耗1.2 dB,辐射效率80%,发射天线位置是东经116.4°,北纬 39.9°(北京);最大辐射对正北的指向是0°(天线最大辐射方向对着正北)。为直观起见,本文选择了输出图形为二维等值线图形,如图4所示。