基于C3I系統的短波通信仿真建模

1 引言
短波通信是指利用波長(cháng)為100~10 m的電磁波進(jìn)行無(wú)線(xiàn)電通信。短波通信多年來(lái)被廣泛用于政府、軍事、氣象、商業(yè)等領(lǐng)域，用以傳送語(yǔ)言、文字、圖像、數據等信息。尤其在軍事領(lǐng)域，短波通信始終是軍事指揮的重要手段之一。如今計算機技術(shù)飛速發(fā)展，數據庫的提出，及仿真技術(shù)的應用，使軍事指揮自動(dòng)化進(jìn)入一個(gè)新的階段。短波戰術(shù)平臺是指揮自動(dòng)化系統(C3I)的一個(gè)子系統，該平臺充分利用計算機技術(shù)和電子地圖數據庫，實(shí)現遂行通信，保障謀劃、仿生拉試預決策、通信作戰文書(shū)的生成。這里僅對通信仿真建模進(jìn)行討論。

2 短波信道的傳播損耗模型
短波天波通信是以電離層為媒介傳播的，電離層的密度隨晝夜、季節、太陽(yáng)活動(dòng)周期和經(jīng)緯度變化而變化，因此傳播損耗與時(shí)間、季節、經(jīng)緯度位置、地形等諸多實(shí)時(shí)變化因素有關(guān)?？紤]到目前所能計算的損耗，電離層傳播損耗可表示為

式中，LP0是自由空間傳播損耗，La是電離層吸收損耗，Ln是多跳地面反射損耗，Yp是額外系統損耗。
2．1 自由空間傳播損耗
在短波信號傳播過(guò)程中，由于電波逐漸遠離發(fā)射點(diǎn)，能量擴散的面積越來(lái)越大，從而使得接收點(diǎn)的場(chǎng)強越來(lái)越小。在計算該項損耗時(shí)，認為地球和電離層均是平面狀態(tài)，反射是鏡面反射，如圖1所示，其中r表示天波傳播中的射線(xiàn)距離：D是發(fā)射點(diǎn)A與接收點(diǎn)B 之間的大圓距離(地球表面距離)，收發(fā)兩端點(diǎn)間的地球中心夾角用a表示。

自由空間傳播損耗的計算公式：

式中，R是地球半徑，h是電離層高度，△是射線(xiàn)仰角。

(1)求大圓距離D
由電子地圖可知發(fā)射端A和接收端B的地理經(jīng)緯度，則大圓距離為：

式中，x1為發(fā)射端的地理緯度；y1為發(fā)射端的地理經(jīng)度；x2為接收端的地理緯度；y2為接收端的地理經(jīng)度。北緯緯度取正值，南緯緯度取負值，(y1-y2)為收發(fā)兩點(diǎn)間的經(jīng)度間隔。
(2)求射線(xiàn)仰角△
由圖1可得：

式中，h是電離層高度，其值可由經(jīng)驗值獲得。
2．2 電離層吸收損耗
電離層吸收損耗La分為偏移吸收和非偏移吸收，前者指反射區的吸收，后者指電離層D、E區域的吸收。一般偏移吸收損耗極小(≤1 dB)，可以忽略。工程中常用以下半經(jīng)驗公式:

式中(以h=100 km為例，下同)，θ0是100 km高度處的電波入射角,fH是100 km高度處的平均值，單位為MHz，n是跳數，Ii是吸收系數。Ii的計算公式為：

式中，R12為12個(gè)月太陽(yáng)黑子的流動(dòng)平均值，xi為穿透吸收區的太陽(yáng)天頂角平均值。
仿真中采用數學(xué)計算和選取典型值的方法模擬。
(1)求電波入射角θ0將h=100 km代人式(6)。
(2)求磁旋頻率fH我國經(jīng)緯度大致范圍為北緯：22°~55°，東經(jīng)75°~135°，查100 km處磁旋頻率的世界地圖可得FH的取值范圍為1．2～1．5 MHz。為計算簡(jiǎn)便，定義如下：若反射點(diǎn)的緯度位于北緯22°～35°，fH=1．3 MHz；北緯35°～45°，fH=1．4 MHz；北緯45°～55°，fH=1．5 MHz。
(3)求12個(gè)月太陽(yáng)黑子的流動(dòng)平均值R12 該值無(wú)法計算，可查表求得。
(4)求太陽(yáng)天頂角xi某地某時(shí)刻的太陽(yáng)天頂角是指太陽(yáng)射線(xiàn)(光線(xiàn))直射到地球經(jīng)緯度上，再繼續延伸到地心，此延伸線(xiàn)(即太陽(yáng)直射線(xiàn))與電臺所在地理經(jīng)緯度到地心的直線(xiàn)之間的夾角。某地的太陽(yáng)天頂角的大小和該地的地理位置、季節、時(shí)間有關(guān)。
仿真可按下列步驟進(jìn)行：
(1)確定太陽(yáng)直射線(xiàn)在地球上的經(jīng)度太陽(yáng)直射線(xiàn)1天(24 h)經(jīng)過(guò)經(jīng)度線(xiàn)360°，每小時(shí)經(jīng)過(guò)15°，每分鐘經(jīng)過(guò)0．25°，每秒鐘經(jīng)過(guò)0．004 166 667°。太陽(yáng)直射線(xiàn)投射到東經(jīng)120°經(jīng)度面時(shí)是我國中午12時(shí)0分0秒，計算120°E以西時(shí)間由12時(shí)減，計算120°E以東時(shí)間由12時(shí)加；計算 120°E以西的經(jīng)度由120°E減，計算120°E以東的經(jīng)度由120°E加。如12時(shí)30分，太陽(yáng)直射位置在：120°-30x0．25°=112． 5°E
(2)確定太陽(yáng)直射線(xiàn)在地球上的緯度太陽(yáng)直射線(xiàn)經(jīng)過(guò)的地球緯度線(xiàn)以1年為周期：由南緯23．5°到北緯23．5°，再回到南緯23．5°。春分和秋分這兩天，太陽(yáng)直射赤道，緯度為0°。夏至和冬至時(shí)太陽(yáng)分別直射在北回歸線(xiàn)23．5°N和南回歸線(xiàn)23．5°S。太陽(yáng)直射線(xiàn)經(jīng)歷緯度范同為0°～23．5°。太陽(yáng)直射線(xiàn)每天經(jīng)過(guò)的緯度是：23．5／91．25(1個(gè)季度的天數)=0．257 534 247°；每小時(shí)經(jīng)過(guò)的緯度是：23．5／(91．25x24)=0．01O 730 594°；每分鐘經(jīng)過(guò)的緯度是：23．5／(91．25x24x60)=0．000 178 843°；每秒鐘經(jīng)過(guò)的緯度是：23．5／(91．25x24x60x60)=0．000 002 981°。例如，如果是第2個(gè)季度，計算某天某時(shí)某分鐘的太陽(yáng)直射線(xiàn)所在的緯度，要首先計算這一天到春分的天數。假設某年春分為4月3日。計算4月23日 12時(shí)30分太陽(yáng)直射線(xiàn)所在的緯度：

{[20(天)x24(時(shí))+12(時(shí))]x60(分)+30(分)}x0．000 178 843=5．284 810 65°N
根據上述計算，可得出4月23日12時(shí)30分太陽(yáng)直射線(xiàn)所在的經(jīng)緯度是(112．5°E，5．284．810 65°N)。
(3)確定太陽(yáng)頂角由式(5)計算出太陽(yáng)直射位置與電臺所在位置的地球中心夾角即是所求的太陽(yáng)頂角。
2．3 多跳地面反射損耗
在天波多跳傳播模式中，傳播損耗不僅要考慮電波二次進(jìn)入電離層，還要考慮地面反射的損耗(LR)?？紤]圓極化波，地面反射損耗計算式如下；

式中，RV和RH分別為垂直極化和水平極化的反射系數。RV和RH的表示式分別為：

式中，εr是復介電常數，σ是地表面導電率，λ是工作波長(cháng)。
仿真時(shí)，只考慮陸地(εr=4和σ=10-3 S／m)和海面(εr=80和σ=5 S／m)。若為多跳傳播，應將求得的數值乘以(n-1)，即多次地面反射損耗的總和值。

2．4 額外系統損耗
額外系統損耗不是一個(gè)穩定的參數，它與地磁緯度、季節、本地時(shí)間、路徑長(cháng)度都有關(guān)系。工程計算中通常用經(jīng)過(guò)反復校核的統計值來(lái)估算，表1列出了額外系統損耗(YP)以反射點(diǎn)的本地時(shí)間為自變量的估算值。

3 系統仿真流程
圖2為仿真系統總體結構。中，主控系統數據庫中有2類(lèi)數據庫：仿真評估庫和固定數據庫。前者包括仿真任務(wù)分配庫、通信設備布設庫和通信信道布設庫等，是在仿真評估過(guò)程中產(chǎn)生的；其后者包括傳輸信道模型庫和通信設備模型庫等，由系統管理員維護。

系統仿真思想及流程：接受作戰任務(wù)后，首先打開(kāi)電子地圖，選取作戰區域，地圖管理模塊隨之運行；然后布設軍事短波通信網(wǎng)，將布設的各種設備參數信息及相關(guān)信息寫(xiě)入主控系統數據庫，通信仿真模塊根據傳播損耗模型得出結果，并通過(guò)顯示模塊顯示。

4 仿真結果
為測試模型可行性，選取北京一廣州通信線(xiàn)路(夏季白天)：D=1 800 km，反射點(diǎn)位置為(110°E，31°N)，h=300 km，發(fā)射信號為1個(gè)語(yǔ)音信號，帶寬為300～3 300 Hz。仿真結果如圖3所示。從圖3中可以看出，接收信號遭受損耗與預期結果一致，從而證明了該數學(xué)模型的可行性。

5 結論
對C3I系統的短波通信網(wǎng)進(jìn)行仿真建模，其仿真結果對改進(jìn)網(wǎng)絡(luò )的性能有很大幫助，對指揮者及時(shí)作出通信保障謀劃和仿生拉試預決策有一定的指導意義。但該模型還有需改善的地方，如未考慮山地繞射、多徑衰落、多普勒頻移等。后續工作將會(huì )對此進(jìn)行改進(jìn)。