电离层特性影响下提升短波通信质量方法探析

刘 冰 张福宝 武警士官学校 浙江省杭州市 310000

0 引言

1924年，随着第一条短波通信线路的建立，短波通信技术得到了迅猛的发展。近年来，随着新技术、新装备的接连问世，短波通信技术作为保底通信手段，在军事通信中起到至关重要的作用，是唯一利用电离层反射进行中远距离传输的通信方式，在遂行通信保障任务中不可或缺。而电离层是大气层中天然形成的，也是短波通信远距离传输时的主要媒介，通过对电离层特性的深度分析，发现电离层特性与短波通信的特定规律，对提升短波通信信号质量至关重要。

1 短波通信与电离层的关系

1.1 短波通信传输特性

短波通信主要传输方式为天波传输和地波传输。由于地表对电磁波有一定吸收作用，加之地波绕射能力较差，有效的传输距离有限，因此地波一般只适用于近距离传输。而天波传输可靠电离层反射进行远距离传输，信号损耗也相对较少，在传输过程中不需要人造中继即可实现远距离传输。

1.2 电离层特性

电离层存在于大气层当中，距离地表约60 km 以上，温度在180 K到3000 K之间，是地球大气的一个重要层区。主要由于太阳辐射、紫外线照射、宇宙射线等作用于地球大气层，使之分裂生成带负电荷的电子和带正电荷的离子以及中性粒子组成的电离层。

衡量电离层特性最重要的参数是电子密度，根据电子密度的分布，电离层划分如图1所示，各层电子密度D＜E＜F1＜F2。各层级的高度会随着所处地区的纬度、季节、昼夜、太阳黑子活动等不同自然因素做出周期性或非周期性的变换。夜晚由于太阳电磁辐射降低，D层几乎消失，E层和F层电子密度也有不同程度的降低。电子密度受太阳辐射影响一般规律为，夏季高于冬季，低纬度高于高纬度，白天高于夜晚。除此之外，电子密度还会受到高空核试验、核辐射、大功率雷达辐射等人为因素影响，极易受到干扰。

1.3 电离层特性对短波通信的影响

电离层属于一种具有随机性、各向异性等特性的半导体介质，由于电离层的随机性也就注定了短波天波传输的极不稳定性，通常表现在电离层对电磁波的折射、反射、吸收、衰落等方面。

1.3.1 电离层的折射、反射和吸收

短波使用天波传播时，会出现折射和反射的情况，电离层电子密度愈高、短波工作频率愈低，电离层对电磁波的折射率和反射率越高［1］。超短波与微波由于频率较高，一般不会被电离层反射而直接击穿。电磁波传播经过电离层时，将导致电离层带电粒子相互碰撞，消耗能量，发生能量吸收。电离层电子密度越高，电磁波频率越低，吸收作用则越大，反之亦然。因此，当电子密度过大，信号频率过低时，接收机所需最低解调门限信噪比不能被满足，将导致短波通信失败。

1.3.2 衰落

电离层每时每刻都在发生着变化，使得接收端的信号强度也在发生着时强时弱，时有时无的变化，产生衰落甚至是失真。即使处于电离层相对平稳的时期，也不会接收到稳定的信号。

（1）干涉性衰落

由于电离层不稳定的特性，当收信方接收到两路或多个路径经电离层反射传来的信号时，相位很难确保一致，便形成衰落。如果各路信号相位保持一致，则收信方信号增强，反之则会削弱信号。

（2）选择性衰落

短波通信会受频率选择的高低出现无规律的变化，在某个时间段内，经过电离层的某个频率会出现明显衰落［2］。

2 短波通信频率选择与电离层特性的匹配规律

天波靠电离层传输信号时，频率选择相对复杂，需结合电离层特性。工作频率过低，短波会被电离层吸收，无法达到信号的反射要求；若所用频率大于某一临界值会造成穿透电离层的现象。这个临界频率就是最高可用频率MUF（Maximum Usable Frequency）。一般情况下频率选择应符合以下规律：远距离通信相比于近距离通信时所使用的频率更高，白昼相比于黑夜所使用的频率更高，酷暑季节相比于寒冬季节所使用的频率更高，低纬度地区在选频时一般高于高纬度地区，当进行较远距离通信且通信方向为东西走向时，由于受地球自西向东自转影响，一般采用不同的收发频率以保证通信质量。如果当前频率通联效果不理想，可以根据电离层特性的一般规律进行改频：临近太阳初升，如果通信质量变差，可根据昼高夜低的规律适当将频率调高；临近日落时分，如果通信质量变差，可适当将频率调低；傍晚时分，如果信号逐渐增强，之后又突然中断，可将频率适当调低；当太阳磁暴发生时，所使用的频率一般要低于平时所用频率。短波在进行天波传输时，所选用频率要与电离层特性密切匹配，需结合实际经常变换频率以保证通信质量。

3 改善短波天波传输时信号质量与稳定性的方法

3.1 短波天线选择

短波通信质量的好坏与所选用天线及天线架设方式有很大关系［3］。选用天线的尺寸一般为所发射频率波长的二分之一，短波所使用的频段范围较低，波长较长，因此所使用的天线尺寸较大。在进行天波传输时要选用相对应的天波天线。在进行远距离通信时，不仅要考虑天线架设高度，天线架设的角度也尤为重要，通过改变天线的角度，调整天线仰角，以实现远距离通信。在定向通信时，要考虑天线架设的方位，应与通信方向一致，确保发挥最大效能。除此之外，架设天线时还需要考虑周边的地形以及有无较大物体遮挡，一般选在视野开阔场地进行架设。

3.2 短波频率预测

短波频率预测可分为长期预测与短期预测，主要是根据太阳黑子预报值、通信双方所处地理位置（经纬度）以及通信设备功率等参数，结合电离层特性进行预测［4］。详见表1，除通信距离外，在数据传播时多径效应带来的干扰程度与通信线路选择的频率也密切相关。由于长期预测推算出的最高可用频率，没有将随时间变化的参量计算进去，事实上也几乎不可能将随时间变化的乘性干扰进行精准预测，因此长期预测只能确定一个大概的频率范围，有助于在频率选择时排除低质量频率。为提升频率预测的精准度，在实际运用中一般采用长期预测与短期预测相结合的方式，首先使用长期预测推算出可用频率范围，之后结合短期预测在该频率范围内进行精准选频。

表1 长期预测与短期预测对比分析

3.3 RTCE探测技术

RTCE（Real-Time Channel Evaluation）实时信道估值，又称为链路质量分析LQA（Link Quality Analysis）［5］。RTCE的主要特点是实时地分析到达接收端的信号，而电离层的具体变化和结构特性对其影响较小，能够反映信息质量的参数主要有：信号能量、信噪比、误码率、多普勒频移、衰落特征等指标。因此，RTCE技术是在通信线路的各个信道上做出实时信道检测，发出的探测信号和对信道的测量是在给各个信道进行打分排序，从而能够选出最佳的工作频率。综上，RTCE是在各个通信线路上进行实时探测，比依靠大量历史数据寻找规律的频率预测法更加准确。

4 结束语

随着当前新型通信技术的不断进步，短波这一传统的通信手段面临着巨大的挑战，短波通信的技术手段更新迭代，改善短波通信信号质量变得尤为重要。下一步改善短波天波传输时的信号质量与稳定性亟须解决，安全性和可靠性有待进一步提升。因此，分析电离层特性对短波通信的影响因素，总结和发现短波通信频率选择与电离层特性的匹配规律，为今后提升短波通信质量提供了重要依据。