地球电离层对短波通信的影响分析

2020-01-01孙建民张添淇张立峰赵广立

数字通信世界 2020年2期

孙建民，张添淇，张立峰，赵广立

（1.31411部队，铁岭 112602；2.61932部队，北京 100071）

0 引言

最初的无线电传播方式就是短波，第一条短波通信线路于1924年在德国的瑙恩和阿根廷的布宜诺斯艾利斯之间建立[1]。由于短波通信依靠地球电离层就可实现概率通信，且电离层难以干扰或摧毁，因此短波通信始终是应急通信的重要手段，也是军事通信的保底手段。近年来，欧美先进国家在短波技术开发上持续投入资金，各短波厂家都在努力研发新的技术和产品，短波通信技术在频率优选、降噪、抗干扰、增加功能、智能化、数字化等方面获得了长足进步。电离层对短波通信起着决定性作用，对其特性原理和影响程度进行分析，将促进短波通信技术的发展和推广。

1 短波通信特点

1.1 传播方式

短波的波长为100米～10米，频率为3-30MHz。短波的基本传播途径分为地波和天波：

（1）地波传播是指无线电波沿大地与空气分界面传播。无线电波传播效果主要取决于传输介质电导特性，海面介质电导特性对于无线最为有利，短波信号可以沿海面传播距离约1，000千米左右；陆地介质电导特性不如海面，电波传播衰耗较大，不同的陆地表面介质对电波传播衰耗也不同，潮湿土壤地面衰耗小，干燥沙石地面衰耗大，短波信号沿地面传播距离约20～30千米左右。地波传播的优点是不需要经常改变工作频率，缺点是需要考虑障碍物的阻挡效应。

（2）天波传播是指无线电波由天线发出后，经电离层反射回地面，又由地面反射回电离层，往返多次，最终达到远距离传播目，天波传播是短波通信的主要传播途径。短波通信第一跳的最短天波传播距离约为80～100千米左右，且不受地面障碍物阻挡[2]。天波的缺点是传播链路很不稳定，在传播过程中，受路径衰耗、时间延迟、大气噪声、多径效应、电离层衰落等影响，会使短波信号弱化和畸变，影响通信效果。

1.2 短波通信的优势

（1）抗毁性高。目前常用的有线网络和无线网络，基本都依赖中心枢钮站或中继基站，若因战争或自然灾害造成瘫痪，网络性能将大幅下降，甚至完全失效。由于电离层的不可摧毁特性，短波通信是惟一不受中心枢钮站或中继基站制约的远程通信手段，每个短波通信台站既可做主站也可做从站，其中一部分受损对全网正常工作影响较小。

（2）覆盖范围大。超短波、微波等通信方式均属视距传播，受地球曲率和地面障碍物的影响，一般只能传播几千米至几十千米，即使借助中继基站增加传播距离，但在覆盖范围内存有大量通信盲区。短波通信可以利用多次反射，传播至上万千米，通过控制传播跳数，有效缩小通信盲区。

（3）建设成本低。短波通信不需要建设复杂的中心枢钮站和大量的中继基站，建设成本低、周期短、见效快。与卫星、手持电话等收费系统相比，短波的运营成本几乎为零。

1.3 短波通信的不足

（1）选频用频复杂。短波传播方式以天波传播为主，地球电离层的高度和电离浓度随地区、季节、时间、太阳黑子活动等因素的变化而变化，这种特性决定了短波通信工作频率也应随之改变，不能使用固定工作频率，需根据不同季节、不同通信方向、不同天馈系统选择工作频率。

（2）干扰因素多。由于电离层特性、多路径传播、地面环境噪声等因素，尤其是地面工业化进程的加速，低频电器使用越来越多，增加了短波信号中的噪声干扰。噪声消除技术是短波通信的重点课题之一，近年来随着数字信号处理技术及硬件水平的提升，出现了一些噪声消除的好方法。

（3）使用感不高。短波通信设备多是单工通信，不如手机、卫星电话使用方便。虽有少数厂家生产双工短波设备，但造价高，使用效果不理想，并未普及。

（4）容量速率较低。受使用频段和调制体制限制，短波通信的带宽较窄，在传输数据信号时速率较低，不适合传输图像、视频等业务，在民用市场竞争力较弱。

2 电离层组成

距离地面约50～2，000千米高空的空气很少流动，由于太阳紫外线照射，使大气中的氮分子、氧分子、氮原子、氧原子电离，产生正离子和电子，形成电离层。由于气体分子本身重量和受到紫外线照射强度的不同，电离层具有不同电离浓度的分层，各层的中部电离浓度最大，各层之间没有明显的分界线。对短波通信产生影响的是：D层、E层、F1层、F2层[3]。

（1）D层：高度60～80千米，电离浓度最小，白天存在，晚上消失，中午电离浓度最大。D层不易反射电波，可吸收低频电波，电离浓度大时，可反射2～9MHz的电波。

（2）E层：高度100～120千米，电离浓度也较小，白天电离浓度增加，晚上相应减少。E层可以反射中频电波，在一些特定条件下，也可反射高频电波。

（3）F层，分为F1和F2。F1层：高度150～200千米，中午电离浓度最大，入夜后很快消失；F2层：高度200～400千米，下午电离浓度最大，入夜逐渐减少，黎明前最小。夏季以及部分春秋季的白天，F1层和F2层同时存在，且F2层的浓度大。到了夜晚，F1和F2合并为F2层，高度上升。F2层反射能力最强，是短波进行远距离通信的主要条件。

3 影响分析

3.1 电离层的折射和反射

电离层可看成具有一定介电常数的媒质，电波进入电离层会发生折射和反射。折射和反射的程度与电离浓度大小及电波的工作频率有关。电离浓度随距地高度呈不均匀分布，距地高度越高电离浓度越大，折射角越高、反射能力越强；电波工作频率越低越容易被反射，长波、中波、短波可以被反射，超短波、微波一般情况下只能穿透电离层而不能返回地面。短波传播条件：一是电离层的每一层可利用极限法划分为多个薄层，每一薄层的电离浓度可认为是均匀恒定的。电波通过每一薄层时发生折射，折射角依次加大；二是当电波达到电离层的某一薄层时，该薄层的电离浓度值恰使折射角达到最大值；三是然后，电波从该薄层向地面反射，折射角逐渐减小；四是当工作频率一定时，电波的入射角越大，则被电离层反射的概率越大；五是当入射角小于一定值时，由于不能满足折射条件，电波将穿透电离层不再返回地面[4]；六是电波在折射、反射过程中极化方向会发生旋转，短波信号接收电平会出现周期性起伏的衰落现象。

3.2 电离层的吸收

电波传播穿越电离层时，电离层中的正离子和电子互相碰撞，消耗能量，发生能量吸收，吸收程度同样与电离浓度大小及电波的工作频率有关。电离浓度越大、电波工作频率越低，吸收作用越大，反之则低。一般规律是；白天比夜间吸收大，夏季比冬季吸收大。当吸收作用大到一定程度时，电波信号接收信噪比将不能满足短波接收机最低解调门限要求，导致通信中断。

3.3 核爆附加电离区的影响

核爆炸产生的各种电离辐射向上到达高层大气中，产生很强的附加电离（主要发生在D、E层），从而引起大气中的电子数浓度在较长时间内、较大范围里大幅增加，形成附加电离区。当短波信号通过附加电离区时，电磁场会激励附加电离区中的自由电子，波场能量转换成电子动能，而电子与中性分子及离子的碰撞会将电子动能转换成其他形式的能量，产生一系列电离层效应，如能量吸收、闪烁、折射、散射、多普勒频移和极化旋转等。电离层效应的影响程度随着频率增加而减弱，且大多数影响是与频率的平方成反比。天波传播在电离浓度为105个/cm3的地方反射增强。有资料显示，当量为1万吨，爆炸高度为60千米的核弹，瞬发核辐射产生的电离浓度峰值为1，010个/cm3，作用范围最大可至1，000千米，持续时间1小时左右；缓发核辐射产生的电离浓度在105～106个/cm3，持续时间3～4小时以上。美国于1962年7月9日在约翰斯顿岛进行的“海星计划（Starf ish）”，爆炸高度为400千米，当量为140万吨，对太平洋地区的短波通信中断达几十分钟[5]。

鉴于附加电离区对短波通信的影响，美国正在加紧开展相关研究，以便收获军事优势，体现在以下方面：一是美军正在研究利用低成本的“立方体”微型卫星，通过在高空释放大量电离气体，提升电离层反射短波信号的概率。二是宾夕法尼亚州德雷塞尔大学和通用科学公司计划通过将金属加热至其沸点以上从而使其蒸发，使金属与大气中的氧气发生相互作用产生离子体，提升电离层反射短波信号的概率。三是尼格联合企业和马里兰大学计划精确地控制引爆一枚小型炸弹，形成等离子体云团，提升电离层反射短波信号的概率。