短波的天波傳播衰減預測模型

建立短波天波傳播衰減預測的計算模型，為保障短波通信電路的可靠性提供參考依據，建立的方法主要依據ITU-R P.533-7。首先進(jìn)行傳播路徑的判別，進(jìn)而進(jìn)行頻率預測，最后建立傳播衰減計算模型并與文獻結果進(jìn)行比對，兩者有較好的一致性。頻率預測部分摒棄了 ITU-R P.533-7中的全球預測方法，采用了對我國來(lái)說(shuō)較為準確的亞大方法。

　　天波是指經(jīng)電離層反射而傳播的波，亦稱(chēng)電離層波。電離層是太陽(yáng)輻射構成的，一年四季乃至每時(shí)每刻太陽(yáng)照射的強弱都在變化，因此各地電離層的情況各有所異。電離層的電離條件不斷變化，使通過(guò)天波傳播的短波信道并不穩定，它實(shí)質(zhì)上是一種時(shí)變的色散信道。短波信道的路徑衰耗、時(shí)延散布、大氣噪聲和干擾等均隨時(shí)間、地點(diǎn)、季節、晝夜以及頻率的不同而不斷地變化。因此，在短波通信中，為了保障通信可靠性，有必要對每一個(gè)具體的通信電路進(jìn)行天波頻率及傳播衰減的預測。本文就是在ITU-R P.533-7推薦建議的基礎上建立了短波天波傳播衰減的計算模型，并將計算結果與參考文獻比對后進(jìn)行了軟件仿真實(shí)現。

　　1 天波傳播路徑的判別

　　短波天波主要靠電離層的反射進(jìn)行遠距離的傳播，電離層是分層的，其范圍大約從地球表面上空50 km處一直延伸到2 000 km左右，按照電子濃度的分布情況，電離層通常分3層，由下向上分別稱(chēng)為D層、E層和F層。白天，F層還可細分為F1層和F2層，F2層位于地面

上空220 km以上，對短波通信起主要作用。短波天波傳播路徑主要依靠E層及F2層的反射來(lái)確定。

　　在短波通信的收發(fā)點(diǎn)位置確定以后，依靠E層及F2層反射的最少跳數由式(1)確定。

　　2 傳播路徑上各反射點(diǎn)的頻率預測

　　欲建立可靠的短波通信，不能在短波頻段內任意選擇一個(gè)頻率。在給定距離和方向的路徑上，在一定時(shí)間內短波通信只能用一個(gè)有限的頻帶，對于長(cháng)時(shí)間 的短波通信電路，通常需要幾種頻率以便在不同的時(shí)間內供選用。當考慮了最主要的影響天波傳播的傳播條件后，可以對短波通信的工作頻率加以預測。由于天波傳 播條件隨太陽(yáng)黑子數目的多少而變化，因此可以把太陽(yáng)黑子數作為短波傳播的重要變化因素，以確定太陽(yáng)黑子最大值及最小值條件下經(jīng)E層和F2層傳播的“極限頻 率曲線(xiàn)”。極限頻率曲線(xiàn)表示了經(jīng)E層和F2層反射的頻率在一天中24小時(shí)的變化曲線(xiàn)，用這些曲線(xiàn)可以確定正常傳播條件下的最高可用工作頻帶(即MUF)。 工作頻率的選擇一般應不高于MUF，當依靠F2層反射時(shí)，最佳工作頻率選擇為0.85MUF，當依靠E層反射時(shí)，最佳工作頻率選擇為MUF，這是由于E層 比較穩定。

　　2.1 Ｅ層最大可用頻率預測

　?。艑幼畲罂捎妙l率按參考文獻[1]提供的計算方法進(jìn)行預測，其計算公式如下：

　　2.2 F2層最大可用頻率預測

　　預測F2層的最大可用頻率需要進(jìn)行兩個(gè)重要參數的預測， 即F2層的臨界頻率f0F2及F2層3 000 km傳輸因子M(3 000)F2的預測， 此兩個(gè)參數的計算模型（ 對于我國一般采用亞大方法模型） 的經(jīng)驗系數由電離層探測的數據進(jìn)行統計得到。F2層最大可用頻率由下式確定：

　　2.3 E層最大截止頻率預測

　　為了判斷是依靠E層還是F2層傳播，需進(jìn)行Ｅ層最大截止頻率的計算，當工作頻率小于Ｅ層最大截止頻率時(shí)，認為該頻率因被E層截止而不存在F2層傳播模式，Ｅ層最大截止頻率的計算公式為：

　　3 天波傳播衰減的計算方法

　　3.1 任意一條傳播路徑接收點(diǎn)場(chǎng)強計算

　　如果認為短波系統是閉合傳輸系統，由發(fā)射機輸出開(kāi)始，到接收機輸入結束，則線(xiàn)路總損耗為自由空間損耗、電離層損耗、地面反射損耗、高于MUF損耗、極區損耗及其他損耗構成。

　　(1)任意一條短波天波傳播路徑損耗計算表達式為：

　　(2) 則任意一條短波天波傳播路徑的接收場(chǎng)強為：

　　3.2 接收點(diǎn)多徑合成場(chǎng)強計算

　　各接收點(diǎn)的場(chǎng)強進(jìn)行功率疊加, 可以計算求得等效的合成場(chǎng)強, 其計算公式為：

　　3.3 傳播衰減計算

　　天波傳播衰減的計算方法是用自由空間傳播的信號場(chǎng)強減去接收點(diǎn)合成場(chǎng)強， 即：

　　4 結果比對

　　為了驗證模型計算的準確度，將本文的天波傳播衰減計算軟件與參考文獻[4]中提供的結果進(jìn)行了比對。由于參考文獻[4]中沒(méi)有各路徑的合成場(chǎng)強 及總衰減的的數據，因此主要對計算過(guò)程中的主要數據進(jìn)行比較，計算過(guò)程中各參數計算結果的一致性，如頻率、各路徑損耗計算結果的吻合，完全可以保障兩者最 終衰減計算結果的一致性。

　　參考文獻[4]中列舉的一條具體電路：發(fā)射點(diǎn)經(jīng)緯度（112.78，35.08），接收點(diǎn)經(jīng)緯度（113.99，33.08），時(shí)間為2004年5月11時(shí)，收發(fā)射天線(xiàn)增益3.373 7 dB，發(fā)射功率10 kW，工作頻率選擇7 MHz，太陽(yáng)黑子數量40。模型計算與文獻比對的結果如表1所示。

　　由于工作頻率7 MHz大于E層的遮蔽頻率，所以電波穿透E層，依靠F2電離層來(lái)進(jìn)行反射，故只對F2層各模式的損耗進(jìn)行計算，模型計算與文獻比對的結果如表2所示。

　　本文利用參考文獻[2]建議標準對7 000 km以?xún)鹊亩滩ㄌ觳▊鞑ニp建立了計算模型,模型仿真結果與參考文獻[2]的計算結果較為一致。天波計算過(guò)程表明，頻率預測的準確度與電離層探測歸納的經(jīng) 驗系數有著(zhù)很大的關(guān)系。另外，本文計算的衰減是相對于自由空間的衰減，如欲計算基本傳輸損耗，還要加上自由空間的損耗。

　　參考文獻

　　[1] Rec.ITU-R P.1239　ITU-R REFERENCE IONOSPHERIC CHARACTERISTICS.

　　[2] Rec.ITU-R P.533-7 HF propagaTIon prediction method.

　　[3] 孫憲儒.亞大地區F2電離層預測方法[J].通信學(xué)報，1987,11(6):37-45.

　　[4] 郵電部北京設計院.電信工程設計手冊－短波通信[M].北京：人民郵電出版社，1991.