一种基于飞行试验的短波通信频点预测方法研究

谭馨 林刚

中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089

引言

机载短波通信作为现代飞机CNI（通信/导航/识别）系统的重要组成部分[1]，在军用和民用航空通信中有着举足轻重的地位。通过飞行试验验证机载短波通信是否满足指标要求是唯一最接近实战的手段，比通常的试验室仿真和测试可信度大大提高。故而设计合理的试飞方法以达到对短波通信系统的性能进行评估至关重要。文中根据短波试飞的需要，提出了一种短波频点预测方法。

短波通信是实现超视距通信的重要手段。短波工作频率是影响通信距离的关键因素[2]。在实际飞行试验中，发现距离越近所需的频点越低，故需要明确频点和作用距离的具体关系。

在理论分析的基础上，使用适宜方法预先确定特定两地的最佳通信频点，直接关系到试飞的话音和数传质量以及作用距离。所以了解一天中相应时段哪些频点是最佳频点就显得尤为重要。在以往的试验中，我们都是凭经验选频点或者沿用前人飞过的频点，可以说是很粗略的选取。如果要在两地之间实现短波通信，需要使用大量的时间来试验大量的频点，从而选出几个效果较好的频点，而短波通信又与时段和电磁环境有很大的关系，经常存在上午选择好的频点下午又无法通信，有时甚至是刚选好就无法通信，致使短波通信试验效率低下。所以，频点的选择是机载短波通信的关键。

1 频点和作用距离的关系分析

1.1 电离层对短波作用距离的影响

短波天波通信是靠电离层反射实现的。对于每一条无线电路来说，可以应用的频率不是整个的短波波段，而仅仅是它的一部分，即所谓该电路的工作频率。若频率太高，虽然电离层的吸收较小，但无线电波容易穿出电离层，不能反射回接收点；若工作频率太低，电离层吸收增大，以致不能保证必须的信噪比[3]。

短波经过电离层传播的传输损耗主要是自由空间的传输损耗[2]， 的定义是两个理想电源天线(收、发天线增益都等于1，发射机到天线和接收机到天线的信号无衰减)在自由空间传输和接收无线电波时产生的损耗，短波信号在传播距离上的衰减情况如式（1）所示，反应了短波频率与作用距离的关系。

又可表示为

式中，Lbf—自由空间传输损耗； d—作用距离； f—短波频率；λ—短波波长。

对于一定的频率，电波一般可以由两条路径反射回来。以高仰角传播的波在电离层电子浓度较大处反射，一跳的传播距离近；以低仰角传播的波在电离层较低部分电子浓度较小处反射，一跳的传播距离远。不同仰角时电波的轨迹如图1所示。

图1 不同仰角时电波的轨迹

1.2 短波的最高可用频率分析

当短波频率逐渐增大时，图1中的高角波与低角波两条轨迹逐渐重合，此时相应的频率称为这一距离的最高可用频率fMUF[4]。通信距离和fMUF的关系如图2所示。

一定通信距离的最高可用频率由式（3）表示:

式中，

fMUFE(d)为地面距离为d的最高可用频率；fc(E)为E层的临界频率。 i100为射线入射角，β为射线初始仰角。可见入射角越大，最高可用频率越高，传播距离越远。

由图2可以看出，对于一定的仰角和同样的电离层状况来说，通信距离近的最高可用频率低，随着频率的增高，电波反射后所到达的距离越远。

图2 不同通信距离fMUF的昼夜变化

1.3 寂静区对短波通信距离的影响

由于当通信距离小于200km时，短波利用地波传播；当大于200km时，利用天波传播，这样就造成了短波通信存在一个寂静区[5]。寂静区的形成是由于在短波传播中，地波衰减很快，在离开发射机不太远的地点就无法接收到地波，而电离层对一定频率的电波反射只能在一定距离以外才能收到。这样就形成了既收不到地波又收不到天波的寂静区。如图3所示。

显然，图3所示的寂静区的大小决定于其内半径r1和外半径r2。当频率增加时，地波衰减增加，r1就减小。为了保证电波能从电离层反射回来，随着频率的增高，反射的仰角应减小，因此r2较大。为了保障300km以内的近距离通信，一般使用较低频率和高射天线(能量大部分向高仰角方向辐射的天线)，以解决寂静区问题。

图3 天线无方向性时短波传播的寂静区

2 通信频点预测及试验结果

鉴于前文分析，频点是影响通信距离的关键因素，实现可靠的频点预测对于提高飞行试验的效率有重要意义[6]，直接关系到试飞的话音和数传质量以及作用距离。所以了解一天中相应时段哪些频点是最佳频点就显得尤为重要。在以往的试飞中，我们都是凭经验选频点或者沿用前人飞过的频点，可以说是很粗略的选取。在地面联试和飞行时需要使用大量的时间来试验大量的频点，从而选出几个效果较好的频点，而短波通信又与时段和电磁环境有很大的关系，经常存在上午联试好的频点正常加载后，下午飞行时又无法通信；有时甚至是刚联试好飞行时就无法通信，致使在试飞中出现无效架次和重复地面联试，浪费人力和财力。

本文通过理论分析和软件辅助计算，可以得到具体某一天各个时段的最佳频点，由于实际情况和理论值有一定的差异，在实际工作中结合联试经验对结果进行修正，给短波通信系统试飞提供了较为可靠的依据。

选用短波通信工作频点时，应尽量接近电波能反射回的最高可用频率(MUF) ，根据实际经验，通常选取最高可用频率的80%～90%作为工作频率[7]。这样，一方面避免了当电离层变化时电波有穿过电离层的可能；另一方面，频率若取得太高，电波深入反射层的距离加大，有时反而使吸收损耗加大。

通过软件辅助计算，输入从互联网上获得的当日北京天文台发布的太阳辐射通量和K指数(单个台站三小时内地磁扰动强度的指数，称为三小时磁情指数)及目标地的经纬度就可以算出两地之间一天内的短波通信建议频点。

飞机在试飞中要转场海南，计划在转场中进行短波电台远距离试飞。试飞中保障的地面电台为1000W，假设频点选择10MHz，由式（1）可得，信号在信道传播中的传播衰减值变为117.64 dB。由式（2）得到对应的有效通信距离约为1819.33km。阎良和海南三亚的距离为1828km，与前文2.1中分析的作用距离非常接近，满足航线选择的距离要求。

在互联网上找到9月11日至9月18日这8天的太阳辐射通量和地磁指数K，如表1所示。

表1 太阳辐射通量和地磁指数K

下面来计算2009年9月15日阎良(N34.64°、E109.24°) 和三亚 (N18.5°、E109. 08°) 之间短波电台通信时可用的频点，计算结果见图4和图5。

图4 9月15日全天各时段短波通信最高可用频率

图4是一天之中每个时段的最高可用频点。可见上午时段的最高可用频率低，下午时段有所升高。在飞行试验中，需要根据试验时间合理的改变所选通信频点；图5表示了各个频点在各个时段的可用性百分数以及传播过程中的信噪比。

图5 传播路径上各频点的信噪比和可用性

图5中，A代表可用性是75%～100%；B代表可用性是50%～75%；C代表可用性是25%～50%；D代表可用性是1%～25%。根据图5所得结果，一天之中一直适用的频点是6MHz-12MHz之间，白天时段较为适用的频点是3MHz-12MHz，其中3.6MHz和7.1MHz左右的适用性是A，即75%～100%；夜间时段较为适用的频点是6MHz-15MHz，比白天相对要高一些，最佳频点在14MHz左右，因为14.1MHz和7.1MHz虽然可用性都是A，但是14.1MHz的信噪比要高。

考虑到当天的天气和做试验的时间情况，我们发现原来任务单上的频点明显偏高，所以对原来的短波定频模式下午时段中的不适合频点进行了修改，如表2所示：

表2 对频点所做的修改

修改之后效果良好，话音质量4级以上。

3 结束语

本文应用短波通信理论分析了短波频率与通信距离的关系，以及对短波通信距离的影响因素。又因为解决频点问题的需要，提出了一种预测频点的方法，方法首先确定一定距离下相应时刻的最高可用频率；再对各频点在各时段的可用性百分数以及传播过程中的信噪比进行分析，综合比对预测出通信质量较好的频点。并通过试验证明了该方法的可行性。在后续某型直升机短波远距离数据通信试飞和其他型号短波通信试飞中有着良好的应用。

[1]江学明，徐武军，白永生.现代飞机CNI系统飞行试验技术.飞行试验，2004；20（1）：9-14

[2]张瑜，高霞.低空目标电波折射距离误差的简便算法.现代雷达，1999；21（3）：29-34

[3]李崇.浅谈低空大气层对电波传播的影响.中国水运，2007；6：87

[4]张瑜. 电磁波空间传播. 西安：西安电子科技大学出版社，2007：151-163

[5]江长荫，王被德. 机载与星载雷达的电波传播大气折射修正. 中国科学，2001；31(1) ：19-27

[6]Paulo H. Iscold Andrade de Oliveira，Frederico Mol A. S.Development of Light Aircraft Flight Test Equipment. AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference and Exhibit 21-24 August 2006, Colorado. AIAA 2006-6004

[7]姚彦茹, 袁冬 , 赵大勇.短波自适应跳频通信抗干扰技术研究.信息技术，2006；6：92-94