短波天波频率的预测与分析

彭忠宝，刘昊容

（国家无线电监测中心深圳监测站，深圳　518120）



短波天波频率的预测与分析

彭忠宝，刘昊容

（国家无线电监测中心深圳监测站，深圳518120）

摘要：短波通信由于具有建设成本低、通信距离远和抗毁能力强等特点，是唯一不受网络枢纽和中继制约的远程通信手段，特别在发生战争或重大突发自然灾害等紧急情况可发挥其重要的作用。短波天波链路的预测在设计高质量短波通信链路的工作中显得尤为重要。本文介绍了短波天波传播预测的不同方法，利用短波仿真软件ITS对天波链路的频率进行预测和仿真，然后利用通信电台进行预测的验证与分析。

关键词：天波通信；频率预测；ITS

1　引言

短波通信指的是利用频率为3～30MHz，波长在100～10m的电磁波进行无线电通信。短波设备架设方便、成本低廉，主要利用天波经电离层反射，无需建立中继站即可实现远距离通信，由于电离层的不可摧毁特性，因此，短波通信相比卫星通信具有极强的抗毁能力。由于电离层会随着太阳活动的变化而变化，短波通信的天波传播质量随着季节、气候、昼夜不同而表现极不稳定；而且短波业务密集，频谱非常拥挤，信道间相互干扰严重，特别在发生战争或重大突发自然灾害等紧急情况下，如何快速有效地搭建起高质量的短波通信链路，成为短波通信研究的突出问题。

短波的天波链路能否保证可靠通信，主要取决于通信信道的干扰和电离层的电波传播问题两个因素。本文基于电离层的传播特性，利用短波仿真规划软件ITS来进行预测仿真和分析，这对于以后应急通信中合理选用天波链路的可用频率提供一定参考的依据。

2　天波链路的特性分析

天波链路主要是利用电离层反射电磁波进行信息传播，电离层是从离地面约50千米开始一直伸展到约1,000千米高度的地球高层大气空域，其中存在相当多的自由电子和离子，能使无线电波改变传播速度，发生折射、反射和散射，产生极化面的旋转并受到不同程度的吸收。电离层一般包括D层、E层、F1层和F2等四个导电层，各层之间没有明显的分界线。电离层的活跃程度跟太阳的活动情况有很大关系，太阳活动频繁的时候，太阳的射线会使电离程度更高，这样有利于反射高频率的信号。电离层的特性、结构和变化规律对天波链路的通信效果有重大的影响。

短波天波通信的链路工作频率不是任意选择的，而是该链路最低可用频率LUF（lowest usable frequency）和最高可用频率MUF（maximum usable frequency）之间的部分，即所谓该电路的工作频段。MUF与电离层电子密度及电磁波进入大气层的入射角有关。电子密度越大，MUF值越大；当电子密度随时间（昼夜、季节、年份）和地理位置等因素变化时，MUF也会随这些因素而变化。

在实际通信中，通信频率尽可能地靠近最高可用频率以获得最佳的通信效果。最高可用频率只是个预报值，它依据电离层监测站所提供的电离层参数的月中值而确定，选择电路工作频率取适当留出保护边界后的频率，即最佳工作频率（FOT），它取0.85MUF，能保护90%的时间可通率。

3　天波传播的频率预测方法

短波天波传播的频率预测是指在电离层探测历史资料或实测资料的基础上，根据电离层特性参数的时空变化规律和通信质量与电离层信道参数的关系，对满足天波短信链路上工作质量要求所作出一种预先的频率推断。

短波天波传播最大可用频率的预测在工程上可分为两种，一种是手工做图法，另一种是基于合适的预测模型下的软件实现。

3.1手工作图法

手工做图法主要是指F2层MUF的预测，其依据是全国无线电管理委员会所提高的频率预测资料，预测资料含有太阳黑子数的滑动平均值为10，100，150三种情况下的288张MUF预测曲线。要想某两地间某月24小时的MUF，需要知道的参数为：该年该月太阳黑子数的预测值；通信线路的大圆距离D；反射点的地理位置；发射点的地方时间和北京时间的时差。

具体步骤如下：

（1）确定某两地间通信线路的大圆距离。为避免计算，通常用做图法求大圆距离，即利用同比例的世界地图和世界大圆线路图来确定。

（2）确定发射点的地理位置。当通信距离在4000km范围内，利用F2层一次发射的方式进行通信，发射点是指大圆距离的中点，可在求大圆距离的作图中确定。

（3）求反射点地方时和北京时的时差。根据北京时间和地方时间的定义，可得到它们的关系，即地方时间=北京时间+（某地经度-120°）×4分（适用于东经地区）。

（4）求F2层的MUF。根据所需月份、反射点C的纬度和太阳黑子数的预测值，在288张288张MUF预测曲线。如果太阳黑子数的预测值正好等于10、100或150，则只选所需的1张；若在10～100或100～150之间，则选取相邻2张MUF预测曲线图，并采用插值法可求得。

3.2ITS系列软件

ITS系列软件（以下简称ITS软件）是美国电信科学研究所（ITS）开发的、用于预测短波频段通信的免费软件，它包括ICEPAC，VOACAP，REC533三部分。其中，用于国际范围的REC533组件主要基于国际电信联盟无线通信组给出的ITU-R P.533方法，该传播预测方法用于估计频段在2-30MHz的可靠性和兼容性。

ICEPAC与REC533区别在电离层预测模型算法不同，电离层特性参数的预测是天波频率预测的关键。REC533在预测电离层特性参数采用了ITU-R P.1239，而该方法采用的数据在中国区域是基于少数观测站的数据推得的；而ICEPAC电离层预测模型所用的算法有CCIR（Consultative Committee of International Radio）和URSI 88 （International Union of Radio Science）两种算法，而常用的CCIR算法，其电离层数据都是通过设立在全球的多个监测站长期获取的。下面的链路预测将利用ICEPAC电离层预测模型进行预测仿真。

4　天波链路预测与试验

现假设A，B两城由于某种紧急情况需进行短波电台的通信，A，B两城地理坐标已知，两城相距1,000千米以上，发射功率和天线增益等参数也已知，在这样的情况下如何快速有效地确定天波链路的最佳工作频率是解决问题的重点，这时若采用手工作图法，则需要较长的时间和作图者丰富的操作经验，而用ITS的ICEPAC电离层预测模型正好可以解决点对点短波通信的预测问题。

4.1 基于ITS的天波链路预测仿真

假设A，B城为北京和深圳，北京坐标为116.30°E，39.70°N，深圳坐标为114.30°E，22.63°N，选定时间为2016年1月，发射功率为100W，天线增益为5dBi，据太阳活动预报中心预测1月份太阳黑子平滑月均值为54，选择UTC 0～24小时进行可通率80%以上的最佳频率预测，其他软件参数为缺省值，仿真结果如图1所示。

图1 短波链路不同时段的可通率图

从图1可以看出，时间可靠度大于80%的频率都可选为可用频率，结合无线电划分规定有关业务的划分，可选取北京和深圳两地间1月份短波链路频率为02:00～08:00（UTC）21,000kHz。

4.2短波电台联通验证与分析

深圳监测站配备了某公司2050数字化短波电台，涵盖短波陆基、航空、海事所有公司，而且实现了通信功能和状态参数处理的完全软件化，主要技术参数如表1所示。

表1 宝丽2050电台主要技术参数

根据前面仿真的可通率图，北京时间10时（UTC 02:00）的最佳可用频率为20.8MHz，结合无线电划分规定，在20MHz附近选取一系列空闲频点进行短波电台通信试验。试验结果表明根据仿真选定的频率可以建立有效的通信链路，而且可通率也达到80%以上，证明该方法得到的可用频率是可靠、有保障的。

5　结束语

本文介绍了短波天波链路频率预测的两种方法，对于通信位置、发射功率、天线增益等参数已知的情况下，利用ITS预测软件可快速有效地确定通信的可用频率，经实际测试结果表明其预测的结果是可靠、有保障的。这种预测方法对于紧急情况短波电台通信快速确定合理的可用频率，具有广泛的应用价值。

参考文献

[1]沈琪琪，朱徳生．短波通信[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2001:196-202

[2]王林志，谢绍斌．基于ITS的短波链路频率指配与电磁计算[J]．空军工程大学学报（自然科学版），2006,(3),77-81

Prediction and Analysis of Skywave Frequency

Peng Zhongbao,Liu Haorong
(Shenzhen Radio Monitoring Station，State Radio Monitoring Center,Shenzhen,518120)

Abstract:HF communication is the only communication mode that is not affected by the network hub,because of the characteristics of low construction cost,long communication distance,and anti-interference.HF communication can play an important role in emergency situations,especially in the case of war or natural disasters.Skywave link prediction is a key to design a good shortwave communication link.Firstly,this paper presents the different methods ofskywave propagation prediction.Secondly,the paper presents the frequency prediction and simulation of skywave link based on the ITS prediction program.Lastly,this paper tests and verifies the data using radio communication.

Keywords:skywave communication;frequency prediction;ITS

作者简介：彭忠宝，硕士研究生，国家无线电监测中心深圳监测站助理工程师，主要从事短波监测工作。主要研究方向为短波监测相关技术研究。刘昊容，硕士研究生，国家无线电监测中心深圳监测站助理工程师，主要从事短波监测工作，主要研究方向为短波监测相关技术研究。

中图分类号：TN926+.2文献标示码：A文章编码：1672-7274（2016）03-0067-03

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.03.019