短波天波通信频率预测模型建立与仿真

孙春生, 郭航行, 董严红

(1.海军潜艇学院,山东 青岛 26000; 2.解放军电子工程学院,安徽 合肥 230000)



短波天波通信频率预测模型建立与仿真

孙春生1, 郭航行2, 董严红1

(1.海军潜艇学院,山东 青岛 26000; 2.解放军电子工程学院,安徽 合肥 230000)

与微波通信、卫星通信和超短波通信等方式对比,短波通信虽然通信速率相对有限,但具有通信距离远、设备简单、抗毁性强的突出特点,仍然是海上军事通信的重要手段。但短波通信受到信道数量、电离层变化、电磁干扰的影响,通信环境不断恶化,为了保证短波军事通信的可靠性,需要通过建立相应的数学模型对频率预测进行预测,以保证短波通信网络的正常运转。针对现有短波通信频率预测模型计算繁琐、需要手工查找图表、不利于计算机实现等缺点,本文在现有短波传播预测模型的基础上,引入国际参考地磁场模型,设计完成了简洁完整的传输损耗计算模型,同时也减少了误差,能够方便地用于计算机仿真实现。此模型已在具体仿真系统中运用,使用效果良好,具有较好的工程运用价值。

短波通信; 辅助决策; 软件设计

1 引 言

短波通信,也称为高频通信,频率范围为3MHz至30MHz。虽然微波通信、卫星通信和超短波通信具有通信频带宽、速率高的优点,但短波通信也具有突出的特点:一是短波通信的距离远,利用电离层反射实现数千公里的远程通信。二是短波通信的设备简单、体积小,可以在较短时间内形成通信能力。三是抗毁性强,无需中继中心或网络管理中心就可保持通信畅通。

要保持短波军事通信的畅通有效也面临许多挑战:一是信道数量有限,频谱资源紧张。由于单个短波电台的频率带宽至少需要3.7KHz才能避免互扰,整个短波频率范围内所能容纳的通信信道数量为7700余个,信道资源紧缺。二是通信质量受到电离层变化影响。短波远程通信依靠电离层反射,而电离层是时变色散信道,各个参数随时间变化而急剧变动,因此通信的稳定性差。三是电磁干扰严重。由于全球电子设备数量快速增长,所产生的电子干扰噪声强度也随着增加,同时各短波无线电台的发射功率也不断增加,产生的干扰日益严重。由于短波远程通信环境不断恶化,为了保证短波军事通信的可靠性,需要通过建立相应的数学模型对频率预测进行预测,以保证短波通信网络的正常运转。文献[1]为实现实时选频,利用国家短波探测网络数据作为预测基础,并且提出建设短波通信频率管理系统。文献[2]对重点分析了短波远程通信损耗的原因,建立了相关数学模型以描述发射频率与接收电平的关系。文献[3]采用了神经网络的方法并结合混沌理论用于预测短波通信参数,并通过计算机仿真进行了验证。国际电信联盟的ITU-R P.533模型是目前常用的短波通信预测模型,但计算较为繁杂,文献[4]对该模型进行了分析简化,并结合亚太地区的电波环境特点对模型进行了“本地化”。文献[5]利用经验公式建立了短波天波传输损耗的计算模型,并通过手工查表获得太阳黑子、磁旋频率等参数数值依靠获得。

本文在上述研究成果的基础上,从作战实验的实际需求出发,针对手工查表程序繁琐、误差大的情况,引入国际参考地磁场模型用于计算关键参数,建立了短波通信链路损耗计算的一体化模型,能够快速方便的获得计算结果,较好的满足仿真过程中CGF兵力生成和通信效能评估的需求。

2 短波天波通信场强计算模型

在短波通信过程中,其通信的可靠性主要依据到达接收点的场强Ew进行估算,系统设备指标和传输路径损耗是影响Ew的主要因素。发射功率、发射天线增益和接收天线增益是系统设备的主要指标,可由系统参数获得。基本自由空间损耗、电离层吸收损耗、地面反射损耗和其它损耗统称为路径损耗,需要通过模型预测获得。

2.1 接收场强(dB(1μV/m))

Ew=136.6+Pt+Gt-Lt

(1)

式中:Pt是发射功率(dB(1kW));Gt是相对于各向同性天线在特定方位角和仰角上的发射天线增益;Lt是射线传播总损耗(dB),可由公式计算得出:

Lt=Lbf+Li+Lz

(2)

其中,Lbf是自由空间中的传输损耗,Li为电离层吸收损耗,Lz为额外损耗。

2.2 自由空间传输损耗Lbf

自由空间传输损耗Lbf(dB)是由于电波离开发射点后能量在空间发生扩散而产生的,其计算公式如下:

Lbf=32.45+20lgf+20lgp′

(3)

其中,f为工作频率(MHz),P′为有效斜距(km),计算公式为

(4)

n为电波反射的跳次,表1列出了根据发射点、接收点之间距离可能产生的传输模式及跳次。

表1 各种距离可能产生的传输模式及跳次Tab.1Transmission modes and jump times of various distances

Δ为电波发射时与地平线的夹角,参看图1。计算方法为

Δ=γ-ν=γ-α

(5)

图1 短波天波反射示意图Fig.1 Schematic diagram of short wave reflection

其中α为地心半角,d为从发射端到接收端的大圆距离,可由下列公式计算得出:

(6)

d=111.1988×2α (km)

(7)

x1、y1为发射端的地理纬度和地理经度,x2、y2为接收端的地理纬度和地理经度,d为一跳传播的最大距离。

2.3 吸收损耗Li

电离层吸收损耗Li由非偏移吸收和偏移吸收组成。偏移吸收由于数值极小(≤1dB)可以忽略不计,主要是指反射区附近的吸收。非偏移吸收定义为电离层D、E层对无线电波的吸收,计算公式为

(8)

其中,F(χ)=cosp(0.881χ)或0.02,选较大者;fv=fcosi,i为110km高度处的入射角;fZ为电子回转频率的平均值,约等于100 km高度的地球磁场的垂直分量,可由国际参考地磁场模型计算得出:

(9)

其中:

(10)

φ为地心余纬度(90o减去纬度),Pn,m(cosφ)为Legendre 函数,可由下式得出:

(11)

χj为太阳天顶角或102°中的较小者。天顶角定义为该点地球半径的延长线与太阳至该地连线的夹角,可由下式得出:

cosχj=sinxsinδx+cosxcosδxcos(δy-y)

(12)

其中,x、y为发射点的纬度、经度;δx为赤纬,δy为赤经,即太阳直射点的纬度,可取表2中数值。

表2 各月的赤纬中值Tab.2 Mid latitude of each month

2.4 额外损耗Lz

额外损耗Lz为其他电波能量损耗,由实际测量的天波传播损耗历史数据推断得出,可使用表3数据进行估算。

表3 额外损耗与时间对照Tab.3 Additional loss versus time control

3 仿真结果分析

在上述数学模型的基础上,编程实现了短波传播场强和频率预测模块。为了验证数学模型是否真实可信,我们将计算结果与美VOACAP高频通信中长期频率预报软件数据进行了比对。

假设发射机经纬度为(23.0N,120.3E),接收机经纬度为(29.9N,126.4E),通信时间为2010年5月17日0600至5月(UT),保持设备性能参数和地理信息不变,只改变链路工作频率,其场强预测对比结果如表4所示。

表4 场强预测结果对照表Tab.4 Results of field strength prediction

从表4中可以看出,两个软件预测场强中值基本一致,先增大再变小,并且数值差距较小。同时,场强预测结果显示11MHz至15MHz的短波频率通信效果较好,说明了使用上述数学模型预测结果的准确性较高。

4 结束语

本文在现有短波传播预测模型的基础上,引入国际参考地磁场模型,设计完成了简洁完整的传输损耗计算模型,避免了手工查表的繁琐流程,同时也减少了误差,能够方便的用于计算机仿真实现。此模型已在具体仿真系统中运用,使用效果良好,具有较好的工程运用价值。

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The Simulation of HF Skywave Communication Forecast Model

SUN Chunsheng1, GUO Hanghang2, DONG Yanhong1

(1.Navy Submarine Academy,Qingdao 266000,China;2.Electronic Engineering Institute of PLA,Hefei 230000,China)

Compared with microwave communication,satellite communication and ultrashort wave communication,shortwave communication although relatively limited communication rate,but with prominent characteristics of long distance communication,simple equipment and strong survivability,is still an important means of military communication at sea.Short wave communication is constrained by the number of channels,ionospheric variations and the influence of electromagnetic interference,communication environment is deteriorating.In order to ensure the reliability of HF military communication,the mathematical model to predict the frequency should be established.The existing shortwave communication frequency prediction models need manual search chart,and unsuited to computer.Based on the existing short wave propagation prediction model,using the International Geomagnetic Reference Field Model(IGRF),the simple HF transmission loss calculation model is established.This model has been used in the simulation system,and has good effect,and it has good engineering application value.

HF Communication,aid decision making,software design

孙春生 男(1978-),山东青岛人,工程师,硕士,主要研究方向为作战仿真。

郭航行 男(1979-),陕西西安人,讲师,博士,主要研究方向为战役信息作战。

TN 925

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