ITU-R P.434计算F2层基本最高可用频率与实测值的比较

班盼盼 黄昌理 孙树计 刘玉梅

(中国电波传播研究所 电波环境特性及模化 技术国家级重点实验室，山东 青岛 266107)

引 言

短波信号经由电离层传播时存在一个MUF (最高可用频率)。在确定时间，短波通信的收发端之间仅计及电波靠电离层折射反射传播的最高频率，称为基本MUF.靠F层传播的基本MUF称为F层基本MUF[1].电离层F2层对短波通信起主要作用，其特性随昼夜、季节、太阳活动周期、地理位置等的复杂变化，给准确预测短波传播频率带来很大挑战。

短波传播频率预测是短波通信电路性能预测的前提，这方面已有诸多的研究工作[2-4]，其中具有代表性的是电信联盟无线电通信组提出的ITU-RP.434方法[5]。该方法能对短波通信电路的MUF进行长期预测，即预测MUF的月中值。该方法在中国地区的适用性目前尚未见报道。

利用中国电波传播研究所电离层斜向探测网得到的F2层基本MUF月中值数据(MUFmeas)，与ITU-R P.434方法计算的F2层基本MUF(MUFitu)进行了比较，分析了ITU-R P.434方法在中国地区的适用性。该结果对短波通信的选频等具有一定的指导意义。

1 数据和分析方法

根据ITU-R P.434建议，某条通信电路的F2层基本MUF的计算公式为

(1)

式中：

Cd= 0.74-0.591Z-0.424Z2-0.090Z3+

0.088Z4+0.181Z5+0.096Z6

Z= 1-2d/dmax

dmax= 4780+(12610+2140/x2-49720/x4+

688900/x6)(1/B-0.303)

B=M(3000)F2-0.124+

{[M(3000)F2]2-4}·

x=foF2/foE或x=2，取两者中的大者；d=D/n0，km，D为收发点之间的大圆距离，n0为跳数；C3000为D=3 000时的Cd值；fH为300 km高度处的电子磁旋频率，MHz.一般情况下，短波通信电路距离小于4 000 km，电波传播一跳模式的MUF可由式(1)计算得到。

所用的实测F2层基本MUF数据来自中国电波传播研究所电离层斜向探测网[6]，该网的20多条斜测电路从2008年起开始运行，覆盖了我国从南到北、从东到西的大部分区域，为短波通信的选频和电离层变化特性的研究提供了数据支撑。由于数据积累的时间长度有限，特别是缺乏太阳活动低年的数据，因此，我们选取了处于太阳活动上升年的2011年1月和7月覆盖不同纬度地区具有代表性的10条观测电路。这些电路的收发站经纬度和大圆距离如表1所示。所选取的10条电路代表了不同的电路距离(500～1 600 km)、不同走向(东西向、南北向)、不同地区(中纬、低纬、东部、西部)的探测电路。通过对比分析这10条斜测电路的实测数据和ITU-R P.434方法的计算结果，可以较为全面地认识ITU-R P.434计算基本MUF月中值方法在我国地区的适用性。

表1 斜测电路收发点位置

2 分析结果

图1、图2分别给出了上述10条电路2011年1月和7月MUFitu和MUFmeas的比较结果。

图1中，较高纬度地区(以电路反射点位置划分，下同)的满洲里-长春电路和满洲里-北京电路的MUFitu与MUFmeas在绝大多数时刻都符合的较好。中纬地区的兰州-乌鲁木齐电路、兰州-新乡电路、兰州-昆明电路、苏州-重庆电路、苏州-青岛电路MUFitu在白天时段略高于MUFmeas，夜间时段两者符合的较好。低纬地区的电路中，海口-重庆电路和海口-昆明电路具有相似的特征，白天09∶00—12∶00时段MUFitu略高于MUFmeas，13∶00—19∶00时段相反，其他时段两者符合的较好；海口-广州电路的MUFitu与MUFmeas在几乎所有时段都符合的较好。 图2中，较高纬度地区的满洲里-长春电路和满洲里-北京电路在白天时段10∶00—15∶00，MUFitu略高于MUFmeas，其余时段两者符合的较好。中纬地区的兰州-乌鲁木齐电路、兰州-新乡电路、兰州-昆明电路、苏州-青岛电路MUFitu与MUFmeas基本一致，苏州-重庆电路白天时段前者略高于后者。低纬地区的海口-重庆电路、海口-广州电路MUFitu与MUFmeas基本一致。

图1 2011年1月实测MUF与ITU.R P.434计算值的比较

为了更好地说明ITU-R P.434方法的计算精度，图3进一步给出了各条电路1、7月份MUFitu与MUFmeas的相对偏差。相对偏差的计算公式为

(2)

从图3可以看出，1月份较高纬度地区的满洲里-长春电路、满洲里-北京电路相对偏差约在-10%～10%之间。中纬地区的兰州-乌鲁木齐电路、兰州-新乡电路、兰州-昆明电路、苏州-重庆电路、苏州-青岛电路日出时段MUFitu相对MUFmeas偏低约20%～30%，日落时段则偏高20%～30%，其他时段两者相差不大。低纬地区的海口-重庆电路和海口-昆明电路日出时段和夜间时段MUFitu与MUFmeas的相对偏差较大，最大值达到了40%.而同样处于低纬地区的海口-广州站在所有时段两者相对偏差都不大，约在-10%～10%之间。

图2 2011年7月实测MUF与ITU.R P.434计算值的比较

图3 2011年1、7月ITU-R P.434计算基本MUF与实测值的相对偏差

7月份，日出日落效应对短波电路的影响不明显，各条电路所有时段的相对偏差约在-10%～20%之间，MUFitu与MUFmeas较为吻合。

MUF的相对变化源于电离层特征参数(如临界频率foF2和峰值高度hmF2)的变化。已有的研究结果表明[7]：在日出日落时段，电离层foF2(或MUF)逐日变化幅度较大，而在夜间和夏季白天的变化幅度较小。受热层大气环流昼夜变化的影响[8]，冬季日落时分我国中纬地区电离层hmF2较低，这可能是日落时段中纬地区各电路MUFmeas较低的原因。而在日出时，受太阳辐射电离作用，foF2快速增加，导致MUFmeas高于估计值。在低纬，日落后至夜间电离层MUF的逐日变化较强[9]，这导致了冬季夜间低纬各电路MUFitu与MUFmeas的相对偏差较大。在电离层变化剧烈时，ITU-R P.434方法计算的MUF与实际的MUF偏差较大。这种情况下，可根据ITU-R P.434与实测MUF偏差的统计分析结果，引入季节和地方时因子后，对ITU-R P.434的计算结果进行修正。

3 结 论

利用我国不同地区、不同走向的10条斜测电路的探测数据，分析了ITU-R P.434计算F2层基本MUF与实测值的相对偏差，检验了ITU-R P.434方法在中国地区的适用性。结果表明，总体上ITU-R P.434方法在中国地区具有较好的适用性，但在某些电路的个别时段偏差较大。其中，1月份中纬地区日出时段，该方法给出的MUF相对于观测值偏低约20%～30%，日落时段则偏高20%～30%；低纬地区的夜间时段该方法的相对偏差较大，最大偏差达到40%. 7月份，该方法给出各条电路上的MUF与观测值基本一致。

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