短波大气噪声的数值计算方法

胡绘斌， 陈建忠

（①总参第六十三研究所，江苏 南京 210007；②中国人民解放军94860部队，江苏 南京 210018）

0 引言

在设计短波通信线路方案、评估短波通信质量或分析短波超视距雷达的噪声环境时，自然界的噪声尤其是大气无线电噪声（简称大气噪声）是计算接收信噪比必须要考虑的因素。大气噪声主要由雷电引起，其传播受电离层影响很大，其强度随频率、时间、季节、地理位置及气候的改变而变化。因此，在工程应用中通常都是以统计形式取其季时段中值来进行计算。

当前，工程上计算大气噪声的主要方法和依据是CCIR322报告及ITU P.372-8推荐书所提供的一套全球大气噪声分布图，通过人工查图的方式估算出大气噪声计算公式中的各种参数[1-2]，这种方法的计算效率显然极其低下且容易出错。因此，实现大气噪声的编程计算一直是工程上需要解决的问题。当前，关于这个问题的研究文献所见甚少，文献[3]简单地给出了短波大气噪声若干系数的计算公式，没有给出详细的计算过程和结果。

根据美国国家电信和信息管理局（NTIA）85-173报告所提供的大量数据[4]，采用傅里叶正弦级数和多项式插值的数值方法来计算任意地点、季节和时间段内的大气噪声中值，并开发出相应的计算程序，极大地提高了大气噪声的计算效率和准确度，具有重要的工程应用价值。

1 大气噪声的工程计算方法

大气噪声功率nP（dBW）的计算公式为[1]：

式(1)中，B为接收机的有效噪声带宽，单位为Hz；aF为天线接收的有效大气噪声系数，单位为dB，是计算大气噪声的关键所在，aF可表示为：

其中，Fam为 Fa的时区中值，表示在50%的时间范围内 Fa不大于 Fam，随频率变化而变化； Du为 Fa上十分值和 Fam的差值，表示在90%的时间范围内 Fa不大于 Fam+Du；σFam和σDu分别为 Fam和 Du的标准偏差，反映了 Fam和 Du随机变化的情况。式（2）计算所得的 Fa，实际是指90%的时间内可能出现的有效天线噪声系数的最大值。文献[5]给出了上述各参数的详细推导过程。

以人工查图方式计算大气噪声时主要是根据地点、季节和时间从全球大气噪声分布图上估算出Fam、Du、σFam和σDu的值后再代入式（2）进行计算。全球大气噪声分布图是用统一的标准仪器（参考天线是一个理想导电面上的短垂直单极子），在全球建立的27个观测站测量的大气噪声数据基础上，考虑长期气象、气候及雷电活动规律，于世界地图上绘制的 Fam等值线分布图，由四个季节、六个时间段（从零时起每四小时为一个时间段），共72张算图组成，每3张图为一组，分别为 Fam（1MHz）的全球分布图、 Fam的频率分布图和Du、σFam和σDu等参数的频率分布图，反映一个季节、一个时间段内的大气噪声状况，其中，Fam（1MHz）表示“以1 MHz为参考频率的有效天线噪声系数中值”，用于估算 Fam，实现Fam（1MHz）的数值计算是计算大气噪声的基础和关键。

2 Fa m （1 M Hz） 的数值计算方法

根据NTIA 85-173报告所提供的大量数据,采用傅里叶正弦级数和多项式插值相结合的方法来计算 Fam（1MHz）,即：

式中：

图1显示了用该方法计算的秋季23时全球 Fam（1MHz）等值线分布图，与 ITU P.372-8推荐书所提供的同时段Fam（1MHz）全球分布图（包含了地球大陆轮廓线）[6]相比，二者相当吻合，精度完全可以满足工程应用要求。

3 有效大气噪声系数 amF 的数值计算方法

对于实际工作的短波频率 f （ M H z）来说，通过式（6）计算接收天线的有效噪声系数 Fam：

图1 计算的全球Fa m （1 M Hz ） 等值线分布图

式中， Ai（z） = Bi,1+ Bi,2z ，z为任意地点、季节和时间的为NTIA Report 85-173提供的系数，与季节和时间段相对应，共计336个。

按上述方法，以0.1 MHz为间隔计算了1.0～30 MHz共291个频点在12月（冬季）3时（时区1）不同Fam（1MHz）所对应的 Fam值，如图2所示。为便于和ITU P.372-8推荐书所提供的 Fam值比较，图2中 Fam＜ 1 0dB的部分曲线未予显示，二者是相当吻合的。

图2 计算的 amF 值

4 uD、Famσ和Duσ的数值计算方法

Du、σFam和σDu采用以下多项式计算：

式（7）中， lgx f= ，iA为NTIA Report 85-173提供的系数，与季节和时间段相对应，三种参数的iA系数共有360个。

按上述方法，同样计算了频率从1.0～30 MHz共291个频点在3月（春季）15时（时区4）的uD、Famσ和Duσ值分布，如图3所示，和ITU P.372-8推荐书所提供的同时间三种参数的计算值相比，二者同样相当吻合，精度完全可以满足工程应用要求。

图3 计算的三种参数值

5 短波大气噪声的数值计算流程

根据以上计算过程，给出短波大气噪声的计算流程如图4所示。

图4 短波大气噪声的数值计算流程

6 结语

采用数值方法实现了短波大气噪声主要参数的程序计算，计算结果表明了该方法的正确性。这种方法大大提高了传统人工查图法估算短波大气噪声的计算效率，在短波远距离通信线路设计、短波通信质量评估及短波超视距雷达环境噪声计算等工程上具有显著的应用价值。

[1] 焦培南,张忠治.雷达环境与电播传播特性[M].北京：电子工业出版社,2007： 320-398.

[2] 曲贵成,王睿.大气噪声条件下海上短波通信可通性研究[J].舰船电子工程,2009,29(01)：92-95.

[3] 黄崇敬,杨祖萍.短波通信性能评估计算机高级编程算法概要[C]. 中国：中国通信学会,2008： 767-777.

[4] SPAULDING A D, WASHBURN J S. Atmospheric Radio Noise： Worldwide Levels and Other Characteristics[R].USA：NTIA,1985.

[5] LAWRENCE D C. CCIR Report 322： Noise Variation Parameters[R].Geneva： ITU,1995.

[6] ITU Radiocommunication Assembly. ITU Report 372-8： Radio Noise[R]. Geneva： ITU, 2003.