短波天波通信链路计算模型研究

王 琴， 黄金权

（海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033）

0 引言

远距离短波通信可用较小的功率实现远距离乃至全球范围的通信，其通信设备简单，抗毁能力强，广泛应用于政府、气象、商业等部门，用以传送语音、文字、图像、数据等信息[1]，尤其在海军岸舰通信中应用的最为广泛。短波天波电离层反射信道是一种时变的色散信道，其工作频率是不能任意选择的，必须经过通信链路计算，确定在一定时空条件下的工作频率，对通信覆盖区域内的场强进行预估，使通信双方做到心中有数，提高通信系统对现代通信电子战的快速反应能力。

目前对于短波天波通信链路的计算大都局限于独立考虑天线性能和电波传播性能，如文献[2-3]均使用了射线追踪法计算了短波在电离层的传播；在工程实践中，大多是根据经验数据对通信范围、可通区域作定量估计，而没有建立完备的短波通信链路计算的一体化模型，基于此考虑，结合短波天线辐射特性和短波天波传播特性设计实现了一个完整的短波天波通信链路计算模型，大大简化了短波通信工程中天线和通信台站的设计过程。

1 短波天波电离层反射信道

1.1 电离层简介

电离层是地球高空大气层的一部分，来自太阳的辐射使得电离层中部分气体电离，整体呈现等离子体的弱游离状态，因此，能够吸收或反射一定频段内的电波。由于太阳辐射随一天中的不同时刻、季节、太阳黑子、不同地理位置的变化而变化，且是不规则的，因此电离层对电波的反射情况也是随之不规则变化的，进而造成了特定通信区域短波天波通信信道的随机变化特性。

1.2 太阳黑子的影响

在影响太阳辐射的若干因素中，太阳黑子对上部大气层的电离强度影响较大，因此很大程度上影响了短波天线通信性能。太阳黑子数目（SSNs）增加时，太阳辐射的能量增强，各层电子密度增加，特别是 F2层受太阳活动影响最大。黑子数目每年都在变化，但基本上是以 11年为周期。太阳黑子的计算一般使用沃耳夫一百多年前发明的苏黎世太阳黑子数[4]来表示。由于每天的太阳黑子数也会产生急剧变化，为此，要根据已测得的太阳黑子数得出按月的平均值。某个月的平均值可根据以往六个月的测量平均及未来六个月的预期平均求得。

1.3 短波衰落效应

在短波天波传播过程中，由于多径干涉、极化面旋转、电离层变化等原因，使接收点的场强呈现不规则的变化，出现衰落现象。短波衰落主要有干涉衰落（选择性衰落）、极化衰落、吸收衰落和电离层反射衰落，除吸收衰落外，可分别通过频率分集、极化分集、昼夜换频的方法加以克服。

1.4 短波干扰

短波波段外部噪声远大于内部噪声，因此通常只考虑外部噪声，不考虑接收设备本身产生的噪声。在短波频带内，外部噪声可以分为大气噪声、人为噪声和宇宙噪声[4]。大气噪声除与地区、季节、昼夜时间、太阳活动以及气象条件等因素有关外，还与接收系统的工作频率和带宽有关。在工业区，人为噪声可能超过大气噪声而成为选择接收点的决定因素。对于短波通信，太阳噪声基本上没有影响。而银河系噪声是宇宙噪声的主要成分，它存在一定的日变化，但起伏较小，可以忽略。

2 短波天波通信链路模型设计与实现

短波天波通信链路计算是建立在收发天线的辐射特性已知情况下的，因此一个完备的短波天波通信链路计算模型主要包括天线辐射特性计算模型、短波通信电路计算模型、短波天线数据库和通信链路地理参数数据库，其组成框图如图1所示。

短波天波通信链路计算模型是以现代电磁场数值计算技术、电波传播理论及通信链路的地理信息参数为基础的，计算时可采用适合短波天线计算的数值计算方法—矩量法及关于短波通信电路的有关计算程序进行。

2.1 短波天线数据库

短波天线数据库中集成了目前广泛使用的短波天线的类型、几何参数及特定情况下的电参数，如天线的辐射方向图（包括自由空间、理想地面、干燥地面等不同地面参数条件）、3 dB波瓣宽度、增益等。短波天线数据库中的信息必须经过事先计算，确认无误后方可允许送入该数据库，且该数据库需根据当前短波天线技术的更新进行实时更新。用户通过输入交互界面可对该数据库中的信息进行天线信息的基本查询功能。

2.2 通信链路地理参数数据库

通信链路地理参数包括短波传输信道的基本参数，如收、发信天线的地理位置、大圆路径中点、磁旋频率、太阳天顶角、太阳黑子数、反射地面情况等。将通信链路地理参数信息进行数字化设计成地理信息数据库，为通信电路计算程序调用。

2.3 天线辐射特性计算模型

对于短波波段的线状天线，可采用矩量法[5-6]来求解表面电流密度满足的电磁场积分方程。矩量法的求解方法是：假设天线导线段被分成若干段个小段，选取合适的基函数，将天线上的电流展开为这些基函数的和，然后选取合适的检验函数，使在加权意义下方程的余量为零，由此将电场积分方程转化为一个线性方程组，求解该线性方程组就可得到电流展开系数，进而求得天线上的分布电流、输入阻抗以及辐射方向图等特性。

2.4 短波通信电路计算模型

短波通信电路计算模型的任务是对短波传输信道进行仿真，对通信覆盖区域场强进行预估。电离层反射信道模型可以模拟出信道的主要特性，并可以人为地改变信道参数，对研究短波信道特性、短波场强值预测以及测试和提高短波通信设备的性能提供很大的方便。短波电离层反射信道是一种时变的色散信道，它具有时间、频率、空间三种选择性衰落，直接影响通信系统的性能。因此需要在不同的时间、频率、空间范围内给出通信服务区域内场强预测值。具体计算过程中，要想考虑传播中所有情况下的变化是不可能的，一般进行典型传输条件下的计算，以此为设计依据。短波天波通信链路计算步骤如下：

①计算通信链路两个端点的大圆距离；

②求出大圆方向，即发射天线与接收天线设置的方向；

③求发射天线和接收天线的最佳仰角，以使电离层反射跳跃的次数最少；

④预测电离层最高可用频率(MUF)、最低可用频率(LUF)和最佳工作频率(FOT)；

⑤计算接收点场强预测值（即路径衰减）。

3 短波天波通信链路计算实例分析

根据上述设计方法实现了一短波天波通信链路计算模型，使用此模型计算了当使用对数周期天线作为发射天线时，武汉至东海某点通信链路在一天不同时刻的MUF、LUF、FOT，电离层传播模式及场强中值计算结果。

图2是MUF、FOT、LUF的计算结果，在夏季7月份，太阳黑子数为110条件下，在北京时间上午5时的MUF为15.7 MHz，FOT为12.1 MHz；下午17时的MUF为30.1 MHz，FOT为24.3 MHz。因此，在凌晨和傍晚可作为选频参考。

图3是反射模式计算结果，表明该通信链路存在2E、2F2和1F2三种反射模式，白天的反射模式为2E，天波在E层进行2跳基本可到达；夜间电离层密度降低，要在F层1跳可以到达；在黎明和黄昏的换频时间段是以F层2跳模式。

图4是场强中值计算结果，可见从凌晨8点到夜间22点，具有较强场强中值分布，因此具有较大的工作频率选择余地；白天，当选择的频率在FOT附近时，有较大的场强中值；16时以后至夜间，在较低频率点，也具有一定的可选范围。

4 结语

针对短波天波电离层反射信道的时变色散特性，结合短波天线辐射特性和短波天波传播特性设计实现了一个完整的短波天波通信链路计算模型，并在给定时间和太阳黑子数等条件下，对远程舰艇某海域点的短波通信进行了电路计算，并对结果进行了分析。该方法适用于短波天波传播的通信链路计算，在此基础上还可对通信链路的其它性能等进行概率计算。使用该模型进行计算不仅为短波天波通信工程设计提供依据，还能为建立舰艇短波通信可靠链路提供战术指导，具有重要意义。

[1] 沈琪琪,朱德生.短波通信[M].西安:西安电子科技大学出版社,1989:101-103.

[2] 郭杰,于大鹏,雷雪,等. 基于数值射线追踪的短波电离层传播轨迹研究[J]. 通信技术,2008,41(04):33-35.

[3] 郭杰,于大鹏,雷雪,等. 基于二维解析射线追踪的短波电离层轨迹研究[J]. 通信技术,2008,41(05):20-22.

[4] 盖哈德著,魏津,管叙涛,吴岫峥译. 短波通信线路工程设计[M]. 北京：电子工业出版社,1987:81:92.

[5] HARRINGTON R F. Field Computation by Moment Methods[M], New York: Macmillan, 1968:105-110.

[6] BURKE G J. Numerical Electromagnetic Code(Nec2)－Method of Moments[J]. PartⅠ: NEC Program Description Theory. Lawrence Livermore National Laboratory, 1981(10):76-85.