短波的天波傳播衰減預(yù)測(cè)模型

建立短波天波傳播衰減預(yù)測(cè)的計(jì)算模型，為保障短波通信電路的可靠性提供參考依據(jù)，建立的方法主要依據(jù)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(yù)測(cè)，最后建立傳播衰減計(jì)算模型并與文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，兩者有較好的一致性。頻率預(yù)測(cè)部分摒棄了 ITU-R P.533-7中的全球預(yù)測(cè)方法，采用了對(duì)我國(guó)來說較為準(zhǔn)確的亞大方法。

　　天波是指經(jīng)電離層反射而傳播的波，亦稱電離層波。電離層是太陽輻射構(gòu)成的，一年四季乃至每時(shí)每刻太陽照射的強(qiáng)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，使通過天波傳播的短波信道并不穩(wěn)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(jié)、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(duì)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(yù)測(cè)。本文就是在ITU-R P.533-7推薦建議的基礎(chǔ)上建立了短波天波傳播衰減的計(jì)算模型，并將計(jì)算結(jié)果與參考文獻(xiàn)比對(duì)后進(jìn)行了軟件仿真實(shí)現(xiàn)。

　　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(yuǎn)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，由下向上分別稱為D層、E層和F層。白天，F(xiàn)層還可細(xì)分為F1層和F2層，F(xiàn)2層位于地面

上空220 km以上，對(duì)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(shù)由式(1)確定。

　　2 傳播路徑上各反射點(diǎn)的頻率預(yù)測(cè)

　　欲建立可靠的短波通信，不能在短波頻段內(nèi)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(nèi)短波通信只能用一個(gè)有限的頻帶，對(duì)于長(zhǎng)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(nèi)供選用。當(dāng)考慮了最主要的影響天波傳播的傳播條件后，可以對(duì)短波通信的工作頻率加以預(yù)測(cè)。由于天波傳 播條件隨太陽黑子數(shù)目的多少而變化，因此可以把太陽黑子數(shù)作為短波傳播的重要變化因素，以確定太陽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”。極限頻率曲線表示了經(jīng)E層和F2層反射的頻率在一天中24小時(shí)的變化曲線，用這些曲線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(yīng)不高于MUF，當(dāng)依靠F2層反射時(shí)，最佳工作頻率選擇為0.85MUF，當(dāng)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(wěn)定。

　　2.1 Ｅ層最大可用頻率預(yù)測(cè)

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

　　2.2 F2層最大可用頻率預(yù)測(cè)

　　預(yù)測(cè)F2層的最大可用頻率需要進(jìn)行兩個(gè)重要參數(shù)的預(yù)測(cè)， 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(yù)測(cè)， 此兩個(gè)參數(shù)的計(jì)算模型（ 對(duì)于我國(guó)一般采用亞大方法模型） 的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)由電離層探測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(yù)測(cè)

　　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(jì)算，當(dāng)工作頻率小于Ｅ層最大截止頻率時(shí)，認(rèn)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(jì)算公式為：

　　3 天波傳播衰減的計(jì)算方法

　　3.1 任意一條傳播路徑接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算

　　如果認(rèn)為短波系統(tǒng)是閉合傳輸系統(tǒng)，由發(fā)射機(jī)輸出開始，到接收機(jī)輸入結(jié)束，則線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(qū)損耗及其他損耗構(gòu)成。

　　(1)任意一條短波天波傳播路徑損耗計(jì)算表達(dá)式為：

　　(2) 則任意一條短波天波傳播路徑的接收?qǐng)鰪?qiáng)為：

　　3.2 接收點(diǎn)多徑合成場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算

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

　　3.3 傳播衰減計(jì)算

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

　　4 結(jié)果比對(duì)

　　為了驗(yàn)證模型計(jì)算的準(zhǔn)確度，將本文的天波傳播衰減計(jì)算軟件與參考文獻(xiàn)[4]中提供的結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)。由于參考文獻(xiàn)[4]中沒有各路徑的合成場(chǎng)強(qiáng) 及總衰減的的數(shù)據(jù)，因此主要對(duì)計(jì)算過程中的主要數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計(jì)算過程中各參數(shù)計(jì)算結(jié)果的一致性，如頻率、各路徑損耗計(jì)算結(jié)果的吻合，完全可以保障兩者最 終衰減計(jì)算結(jié)果的一致性。

　　參考文獻(xiàn)[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)射天線增益3.373 7 dB，發(fā)射功率10 kW，工作頻率選擇7 MHz，太陽黑子數(shù)量40。模型計(jì)算與文獻(xiàn)比對(duì)的結(jié)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電離層來進(jìn)行反射，故只對(duì)F2層各模式的損耗進(jìn)行計(jì)算，模型計(jì)算與文獻(xiàn)比對(duì)的結(jié)果如表2所示。

　　本文利用參考文獻(xiàn)[2]建議標(biāo)準(zhǔn)對(duì)7 000 km以內(nèi)的短波天波傳播衰減建立了計(jì)算模型,模型仿真結(jié)果與參考文獻(xiàn)[2]的計(jì)算結(jié)果較為一致。天波計(jì)算過程表明，頻率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度與電離層探測(cè)歸納的經(jīng) 驗(yàn)系數(shù)有著很大的關(guān)系。另外，本文計(jì)算的衰減是相對(duì)于自由空間的衰減，如欲計(jì)算基本傳輸損耗，還要加上自由空間的損耗。

　　參考文獻(xiàn)

　　[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(qū)F2電離層預(yù)測(cè)方法[J].通信學(xué)報(bào)，1987,11(6):37-45.

　　[4] 郵電部北京設(shè)計(jì)院.電信工程設(shè)計(jì)手冊(cè)－短波通信[M].北京：人民郵電出版社，1991.