基于短波的天波传播衰减预测模型研究

　　摘 要： 建立短波天波传播衰减预测的计算模型，为保障短波通信电路的可靠性提供参考依据，建立的方法主要依据ITU-R P.533-7。首先进行传播路径的判别，进而进行频率预测，最后建立传播衰减计算模型并与文献结果进行比对，两者有较好的一致性。频率预测部分摒弃了ITU-R P.533-7中的全球预测方法，采用了对我国来说较为准确的亚大方法。

　　天波是指经电离层反射而传播的波，亦称电离层波。电离层是太阳辐射构成的，一年四季乃至每时每刻太阳照射的强弱都在变化，因此各地电离层的情况各有所异。电离层的电离条件不断变化，使通过天波传播的短波信道并不稳定，它实质上是一种时变的色散信道。短波信道的路径衰耗、时延散布、大气噪声和干扰等均随时间、地点、季节、昼夜以及频率的不同而不断地变化。因此，在短波通信中，为了保障通信可靠性，有必要对每一个具体的通信电路进行天波频率及传播衰减的预测。本文就是在ITU-R P.533-7推荐建议的基础上建立了短波天波传播衰减的计算模型，并将计算结果与参考文献比对后进行了软件仿真实现。

　　1 天波传播路径的判别

　　短波天波主要靠电离层的反射进行远距离的传播，电离层是分层的，其范围大约从地球表面上空50 km处一直延伸到2 000 km左右，按照电子浓度的分布情况，电离层通常分3层，由下向上分别称为D层、E层和F层。白天，F层还可细分为F1层和F2层，F2层位于地面上空220 km以上，对短波通信起主要作用。短波天波传播路径主要依靠E层及F2层的反射来确定。

　　在短波通信的收发点位置确定以后，依靠E层及F2层反射的最少跳数由式(1)确定。

　　2 传播路径上各反射点的频率预测

　　欲建立可靠的短波通信，不能在短波频段内任意选择一个频率。在给定距离和方向的路径上，在一定时间内短波通信只能用一个有限的频带，对于长时间的短波通信电路，通常需要几种频率以便在不同的时间内供选用。当考虑了最主要的影响天波传播的传播条件后，可以对短波通信的工作频率加以预测。由于天波传播条件随太阳黑子数目的多少而变化，因此可以把太阳黑子数作为短波传播的重要变化因素，以确定太阳黑子最大值及最小值条件下经E层和F2层传播的“极限频率曲线”。极限频率曲线表示了经E层和F2层反射的频率在一天中24小时的变化曲线，用这些曲线可以确定正常传播条件下的最高可用工作频带(即MUF)。工作频率的选择一般应不高于MUF，当依靠F2层反射时，最佳工作频率选择为0.85MUF，当依靠E层反射时，最佳工作频率选择为MUF，这是由于E层比较稳定。

　　2.1 E层最大可用频率预测

　　E层最大可用频率按参考文献[1]提供的计算方法进行预测，其计算公式如下：

　　2.2 F2层最大可用频率预测

　　预测F2层的最大可用频率需要进行两个重要参数的预测， 即F2层的临界频率f0F2及F2层3 000 km传输因子M(3 000)F2的预测， 此两个参数的计算模型( 对于我国一般采用亚大方法模型) 的经验系数由电离层探测的数据进行统计得到。

　　2.3 E层最大截止频率预测

　　为了判断是依靠E层还是F2层传播，需进行E层最大截止频率的计算，当工作频率小于E层最大截止频率时，认为该频率因被E层截止而不存在F2层传播模式，E层最大截止频率的计算公式为：

　　3 天波传播衰减的计算方法

　　3.1 任意一条传播路径接收点场强计算

　　如果认为短波系统是闭合传输系统，由发射机输出开始，到接收机输入结束，则线路总损耗为自由空间损耗、电离层损耗、地面反射损耗、高于MUF损耗、极区损耗及其他损耗构成。

　　(1)任意一条短波天波传播路径损耗计算表达式为：

　　(2) 则任意一条短波天波传播路径的接收场强为：

　　3.2 接收点多径合成场强计算

　　各接收点的场强进行功率叠加, 可以计算求得等效的合成场强, 其计算公式为：

　　3.3 传播衰减计算

　　天波传播衰减的计算方法是用自由空间传播的信号场强减去接收点合成场强， 即：

　　4 结果比对

　　为了验证模型计算的准确度，将本文的天波传播衰减计算软件与参考文献[4]中提供的结果进行了比对。由于参考文献[4]中没有各路径的合成场强及总衰减的的数据，因此主要对计算过程中的主要数据进行比较，计算过程中各参数计算结果的一致性，如频率、各路径损耗计算结果的吻合，完全可以保障两者最终衰减计算结果的一致性。

　　参考文献[4]中列举的一条具体电路：发射点经纬度(112.78，35.08)，接收点经纬度(113.99，33.08)，时间为2004年5月11时，收发射天线增益3.373 7 dB，发射功率10 kW，工作频率选择7 MHz，太阳黑子数量40。模型计算与文献比对的结果如表1所示。

　　由于工作频率7 MHz大于E层的遮蔽频率，所以电波穿透E层，依靠F2电离层来进行反射，故只对F2层各模式的损耗进行计算，模型计算与文献比对的结果如表2所示。

　　本文利用参考文献[2]建议标准对7 000 km以内的短波天波传播衰减建立了计算模型,模型仿真结果与参考文献[2]的计算结果较为一致。天波计算过程表明，频率预测的准确度与电离层探测归纳的经验系数有着很大的关系。另外，本文计算的衰减是相对于自由空间的衰减，如欲计算基本传输损耗，还要加上自由空间的损耗。

　　参考文献

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

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

　　[3] 孙宪儒.亚大地区F2电离层预测方法[J].通信学报，1987,11(6):37-45.

　　[4] 邮电部北京设计院.电信工程设计手册-短波通信[M].北京：人民邮电出版社，1991.