一种基于飞行试验的短波通信频率预测方法

谭 馨，林 刚

（中国飞行试验研究院，陕西西安710089）

0 引言

虽然JIDS和卫星通信等新型通信方式不断涌现，机载短波通信在远距通信中仍占有重要的地位[1]。鉴于试验室仿真和测试总是难以摆脱纸上谈兵的潜在嫌疑，提出运用飞行试验实际对机载短波通信进行功能和性能的考核，真实飞行得出的对短波通信评估的可信度与实战最为接近。合理高效的试飞方法是进行飞行试验的基础，根据短波通信试飞的技术特点，提出了一种短波频率预测方法。

在战争中，当卫星被打掉，又超出超短波通信距离时，短波通信就成为超视距通信的重要甚至是唯一的手段。短波的通信距离主要受到通信频率的影响[2]。在实际飞行试验中，需要明确频率和通信距离之间的关系。

通过合理的技术方法预先得到被试两地的优势通信频率，直接决定试飞的短波话音、数据通信的质量以及通信距离。频率频率在传统的试验中，都是凭经验选频率，致使短波通信试验一直效率低下。所以，频率的选取是机载短波通信飞行试验和实战应用的关键。

1 频率和通信距离的关系分析

1.1 电离层对短波通信距离的影响

短波通信是利用电离层反射实现的。由于电离层不会被摧毁，短波通信是其他通信方式不可替代的。对于无线电路来说，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，即所谓的工作频率。若频率太高，虽然传播的吸收损耗小，但电波易穿出电离层，无法反射至接收点;若工作频率太低，吸收损耗增大，致使无法保证通信所需的信噪比[3]。

短波传输损耗主要是自由空间传输损耗Lbf[2]，Lbf是2个理想的电源天线在自由空间传播和接收无线电波时产生的损耗，短波在传播路径上的衰减如式（1）所示，反应了短波频率与通信距离的关系。

又可表示为:

式中，Lbf为自由空间传输损耗;d为通信距离;f为短波频率;λ为短波波长。

频率一定时，电波主要由2条路径反射回来。仰角高波在电离层浓度较大处反射，一跳的距离近;低仰角波在较低处反射，电离层电子浓度小，一跳的传播距离远。不同仰角时信号的轨迹如图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

当短波频率升高时，图1中的高仰角和低仰角波的轨迹趋于重合，此时相应的频率就是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。

相应通信距离的fMUF由公式（3）表示:

式中，i100=arcsin（0.985cosβ），fMUFE（d）为两地距离为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为初始入射仰角。由图2可以看出，入射角小最高可用频率低，最高可用频率随入射角增大而升高，，从而传播路径越远。

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

200km对于短波通信来说是个临界距离:小于200km时，地波传播;大于200km时，天波传播，这样就形成了一个短波通信的寂静区[5，6]。如图3所示，寂静区的形成是由于地波衰减较快，传播距离较近处就无法接收到地波，而相应频率的电波只能在一定距离外才能收到。

图3 天线无方向性时短波传播的寂静区

由图3可知，寂静区的范围取决于内半径r1和外半径r2[7]。当频率升高时，地波衰减增大，r1就减小。为了使电离层将电波反射回来，随着频率的增高，反射的仰角就要减小，所以r2较大。

2 通信频率预测及试验结果

频率是影响通信距离的关键因素，实现可靠的频率预测对于提高飞行试验的效率有重要意义[8，9]。将传统的选频方法与提出的预测方法进行比较，结果如表1所示。

表1 2种方法优劣比较

选用短波通信工作频率时，应该尽量接近电波能反射回地面的最高可用频率（MUF），通常选取MUF的80%～90%作为通信频率[10]。这样，既避免了当电离层变化时电波穿过电离层的可能;又防止若频率取得太高，电波深入反射层使吸收损耗加大。

通过软件辅助计算[11]，将从互联网上获得的，当天北京天文台发布的太阳辐射通量（Flux）和K指数（单个台站3小时内地磁扰动强度的指数，称为3h磁情指数[12]）及目标地的经纬度输入就可以得出一天内两地之间的短波通信适宜频率。

短波通信是一种远距通信方式。试验中将该飞行试验的航路设计为阎良到海南陵水。试飞中采用了1000W的短波电台作为地面通信终端，假定频率选择10MHz，由式（1）得出，信号在航路上传播的传播衰减为117.64dB。由式（2）可得相应有效作用距离约为1819.33km。阎良和海南陵水的距离为1828km，与上面分析的通信距离非常接近，满足航线的距离要求。

在互联网上找到12月17日至12月23日这7天的太阳辐射通量和地磁指数K，如表2所示。

表2 太阳辐射通量和地磁指数K

计算2010年12月20日阎良（N34.64°、E109.24°）和三亚陵水（N18.5°、E109.08°）之间短波电台通信时可用的频率，计算结果如图4和图5所示。图中上方TERMINAL表示地点，Sunrise/Set表示日出/日落时间，A Bearing to B表示以A点为轴心，B点在逆时针方向上偏离正北方向的角度，SSN是太阳黑子数，Flux是太阳辐射通量，K是3小时磁情指数，Path Length是两地距离。

图4是一天之中各时段的最高可用频率。可见正午之前的最高可用频率低，正午之后有所升高。在飞行试验中，根据试验时间合理地改变所选通信频率即可;图5表示了各个频率在各个时段的可用性百分比，以及在传播路径上的信噪比。

对于图5的注释如表3所示。

图4 12月20日全天各时段短波通信最高可用频率fMUF（MHz）

图5 传播路径上各频率的信噪比和可用性

表3 对于图5的注释

根据图5所得结果，夜间时段较为适用的频率比白天要高，最佳频率在14MHz左右，因为虽然14.1MHz和7.1MHz可用性都为A，但14.1MHz的信噪比较高。考虑到试验的气象和时段，发现原定的试验的频率明显偏高，将原来的短波定频模式下午时段中的频率进行了修改，如表4所示。修改之后超视距通信效果良好，话音质量3级以上[13]。

表4 对频率所做的修改

3 结束语

运用短波通信理论研究了短波频率与通信距离的关系，分析了影响短波通信距离的因素。又因为解决频率问题的需要，提出了一种预测频率的方法，方法首先确定了相应距离和时刻的最高可用频率（MUF）;再对各频率在一天中不同时段的可用性百分比以及信噪比进行分析，综合评价预测出通信质量较好的频率。并通过飞行试验验证了该方法在工程上的可行性。在后续某型直升机短波远距数传试飞和某型预警机短波远距离通信试飞中有着良好的应用。

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