炮兵某型通信系统抗太阳活动干扰对策分析*

陈开余 罗小辉 周克胜

(解放军炮兵学院 合肥 230031)

1 引言

该型通信系统的传播方式有两种(图1所示):线路1是地波传播,其传播距离一般不超过100km;线路2是天波传播,是指电波经高空电离层反射而到达地面接受点的一种传播方式,其传播距离可达数百千米或上千千米。

图1 电波的传播过程

天波传播方式受到太阳活动干扰,本文将对昼夜变化、季节交替、太阳黑子和耀斑等现象影响进行分析,并提出相应对策。

2 夜间通信频率应低于白天通信频率

昼夜交替会引起电离层的变化。白天太阳升起时,剧烈的太阳辐射使大气中的氧原子和氮原子失去电子,形成离子,进而形成电离层。电离层又分为4个离子层(图2所示),分别是D层、E层、F1层和F2层。

图2 电离层的分层

D层为吸收层,可以吸收电磁波,频率越低,吸收作用越强,D层出现在太阳升起而消失于太阳落下之后,在地球上空约70km处。E层出现在太阳升起时,在中午电离达到最大值,而后逐渐减小,E层在地球上空约100km处。F1层只在白天存在,在地球上空约180km处。F2层为反射层,在地球上空 250～400km处,主要出现在白天,日落之后并不完全消失,夜间,残留电离仍允许传输短波段,能够传输的频率比白天可用频率低很多。

电离层对电波传播的影响很大。该通信系统中天波通信频率的选取,绝对不能超过电路的最高可用频率(MUF,当收、发电波间的距离一定时,能够使接收点落入跳距以外的可用频率的上限称为收、发信机之间路径上的最高可用频率),应在电路的最佳工作频率(OWF,一般为0.85MUF左右)附近选择。

确定最大可用频率可以借助于光学中的折射定律(图3所示)的方法确定。虽然电离层中的电子密度是不均匀的,但我们可以把电离层看作是由m个具有不同电子密度的薄层组成的,而每一层中电子密度是均匀的,电磁波在电离层中的传播可以借助光学的折射定律来分析。

图3 电波在电离层中传播

由下至上分别是 N1,N2…Nm,且 0＜N1＜N2…＜Nm,根据光的折射定律可知:

式中:n分别是指折射系数,θ分别是指入射角和折射角。

在实际应用中n0=1,由式(1)可知:

我们把电离层分为m个均匀薄层,故电离层m层的折射系数为:

在极限条件下,入射线被全部反射,此时的电波频率就是 fMUF(最大可用频率)。当 sinθm=sinθ0/nm大于1时,发生全反射,发生全反射的条件是 sinθm=1 。

由式(5)可知,若 θ0一定,则 fMUF越高,要求Nm越大。当电离层最大电子密度Nmax小于该值时,电磁波不能被反射回来,而约穿透电离层。同理,若 fMUF一定,则 θ0越小,反射条件要求 Nm越大。当入射角θ0为 0°时,能反射回地面的电磁波的最高频率fp是电子密度为Nm的电离层所对应的fMUF的最低值,fp也叫电离层的临界频率。

当Nm=Nmax时有:

因此,临界频率:

由上式可知:电离层的临界频率 fp只与电离层的最大电子密度Nmax有关。

在白天太阳升起后,D层将会吸收较低频率的电波,而E层、F1层和F2层反射电波的能力增强,由式(7)可知:电离层的临界频率 fp最着增大。

在夜晚太阳落下以后,D层、E层、F1层消失,但是F2层在日落之后并不消失,由于其电子浓度较低,复合速度减慢以及黑暗数小时仍有粒子辐射,故残留电离仍然存在。在夜间没有了D层的吸收,残留电离允许传输较低频率的电波。由式(7)可知:电离层的临界频率随着减小。

由此可知:白天电离层的临界频率 fp比晚上高。

图4 MUF(最大可用频率)与时间的关系

图4也说明这点。图中曲线是典型的电波远距离24小时电离层最高可用频率(MUF)的曲线,直线为通信过程中实际选择的工作频率图中可知,下午的最高可用频率达到30MHz以上,而夜间最高可用频率最低只有8MHz左右。说明式(7)正确。

如果夜间仍然使用白天的频率,其结果是电离层不足以反射电波,电波将传出电离层,造成通信中断。因此,在夜间使用该型通信系统,其工作频率要低于白天的工作频率。

3 夏冬两季通信频率应低于春秋两季的频率

地球四季交替变化是由于地球公转形成的(图5所示)。除去太阳黑子和耀斑等因素,可把太阳对外辐射看作是恒定值。地球接收到太阳的电磁辐射与地日距离相关,地日距离越近,辐射越强,电离层离子浓度越大;地日距离越远,辐射越弱,电离层离子浓度越小。

图5 地球公转轨迹

r1和r3分别表示地球处于春秋两季时与太阳之间的距离。r2和r4分别表示地球处于夏冬两季时与太阳之间的距离。

图5可知:r2＜r1＜r0,r2＜r3＜r0。在近日点,地球受到太阳的电磁辐射最强,但随着地球夏季温度显著升高,根据PV=CT可知,地球电离层的体积将会显著增大,从而导致夏季电离层中离子密度反而减小了,即:

在春秋两季电离层允许通过的临界频率fp要比夏冬两季高。因此,必须根据季节变化更换工作频率,春秋两季工作频率的频率要高于夏冬两季。

4 太阳电磁辐射活动增强时应避免使用该型通信系统

太阳电磁辐射活动增强的表现主要是太阳黑子和耀斑。太阳黑子是太阳表面出现的相对较暗的斑点,由于黑子温度相对较低,所以会形成暗淡色的黑斑,通常太阳表面黑子的生存时间不长,平均时间为24小时左右,少数大规模的黑子可长达数月之久。太阳黑子的活动周期有明显的周期,大爆发一个周期大约为11年。太阳耀斑发生的时候一般分三次冲击波,在不同的时候将对地球造成不同的影响,第一次冲击波来自x射线和无线电波等电磁波,大约8分钟后到达地球,会立即对面对太阳地区的通信造成影响;第二次冲击波来自速度较慢的太阳质子流,会在几十分钟到几个小时内到达地球,由于受地球磁场的影响,那些质子流影响高纬度地区的电离层,影响跨越极区的通信;第三次冲击波来自速度更慢的带电离子,大约一天以上才能到达地球,会干扰全球的电离层,影响全球范围内的通信。

太阳地磁辐射活动增强会产生大量的离子流,对电离层产生剧烈的影响。据式(7)可知:电磁辐射使得电离层的临界频率 fp增强,同时,D层对电波会产生强烈的吸收作用,甚至会导致通信中断。

因此,在太阳电磁辐射活动增强等太阳活动高峰期,应尽量避免使用该型通信系统进行通信。

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