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(jù)，建立的方法主要依據(jù)ITU-R P.533-7。首先進行傳播路徑的判別，進而進行頻率預測，最后建立傳播衰減計算模型并與文獻結(jié)果進行比對，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，采用了對我國來說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，亦稱電離層波。電離層是太陽輻射構(gòu)成的，一年四季乃至每時每刻太陽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，使通過天波傳播的短波信道并不穩(wěn)定，它實質(zhì)上是一種時變的色散信道。短波信道的路徑衰耗、時延散布、大氣噪聲和干擾等均隨時間、地點、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，有必要對每一個具體的通信電路進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(jié)果與參考文獻比對后進行了軟件仿真實現(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，由下向上分別稱為D層、E層和F層。白天，F(xiàn)層還可細分為F1層和F2層，F(xiàn)2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層的反射來確定。

　　在短波通信的收發(fā)點位置確定以后，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的頻率預測

　　欲建立可靠的短波通信，不能在短波頻段內(nèi)任意選擇一個頻率。在給定距離和方向的路徑上，在一定時間內(nèi)短波通信只能用一個有限的頻帶，對于長時間 的短波通信電路，通常需要幾種頻率以便在不同的時間內(nèi)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不高于MUF，當依靠F2層反射時，最佳工作頻率選擇為0.85MUF，當依靠E層反射時，最佳工作頻率選擇為MUF，這是由于E層 比較穩(wěn)定。

　　2.1 Ｅ層最大可用頻率預測

　?。艑幼畲罂捎妙l率按參考文獻[1]提供的計算方法進行預測，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行兩個重要參數(shù)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， 此兩個參數(shù)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(shù)由電離層探測的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)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，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場強計算

　　如果認為短波系統(tǒng)是閉合傳輸系統(tǒng)，由發(fā)射機輸出開始，到接收機輸入結(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算表達式為：

　　(2) 則任意一條短波天波傳播路徑的接收場強為：

　　3.2 接收點多徑合成場強計算

　　各接收點的場強進行功率疊加, 可以計算求得等效的合成場強, 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強減去接收點合成場強， 即：

　　4 結(jié)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(jié)果進行了比對。由于參考文獻[4]中沒有各路徑的合成場強 及總衰減的的數(shù)據(jù)，因此主要對計算過程中的主要數(shù)據(jù)進行比較，計算過程中各參數(shù)計算結(jié)果的一致性，如頻率、各路徑損耗計算結(jié)果的吻合，完全可以保障兩者最 終衰減計算結(jié)果的一致性。

　　參考文獻[4]中列舉的一條具體電路：發(fā)射點經(jīng)緯度（112.78，35.08），接收點經(jīng)緯度（113.99，33.08），時間為2004年5月11時，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。模型計算與文獻比對的結(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電離層來進行反射，故只對F2層各模式的損耗進行計算，模型計算與文獻比對的結(jié)果如表2所示。

　　本文利用參考文獻[2]建議標準對7 000 km以內(nèi)的短波天波傳播衰減建立了計算模型,模型仿真結(jié)果與參考文獻[2]的計算結(jié)果較為一致。天波計算過程表明，頻率預測的準確度與電離層探測歸納的經(jīng) 驗系數(shù)有著很大的關系。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(qū)F2電離層預測方法[J].通信學報，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.