攸 陽(yáng),李書杰,姜志勇

(海軍司令部通信部,北京100841)

0 引言

短波傳播的基本方式有地波傳播和天波傳播2種。受傳輸距離的限制,短波傳播主要還是靠天波來(lái)實(shí)現(xiàn)的。天波就是指從電離層反射或散射后回到地球表面的無(wú)線電波。天波傳播電離層反射信道屬于時(shí)變色散信道,具有時(shí)間、頻率和空間3種選擇性的衰落,其模型主要是基于實(shí)測(cè)與經(jīng)驗(yàn)(或修正經(jīng)驗(yàn))的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型。

國(guó)外相關(guān)機(jī)構(gòu)開發(fā)了幾種預(yù)測(cè)軟件,如IONCAP、ICEPAC和PropMan等,但其核心技術(shù)是不公開的,目前國(guó)內(nèi)在短波工程上仍沿用的是以查圖查表手工計(jì)算為主的方法。本文利用CCIR模型,結(jié)合我國(guó)環(huán)境特點(diǎn)及地理信息,利用Matlab與數(shù)據(jù)庫(kù)的聯(lián)合編程技術(shù),實(shí)現(xiàn)了短波傳播路徑損耗預(yù)測(cè)的全程計(jì)算機(jī)化。

1 預(yù)測(cè)模型選擇

為了能夠?qū)Χ滩▊鞑ゾ€路進(jìn)行預(yù)測(cè)和計(jì)算,國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線電通信大會(huì)(ITU-R)即原無(wú)線電咨詢委員會(huì)(CCIR)曾先后提出了3個(gè)獨(dú)立的估算短波天波場(chǎng)強(qiáng)的方法,即基于報(bào)告252、報(bào)告252補(bǔ)編和報(bào)告894的方法。本論文中采用的方法主要基于報(bào)告894方法。報(bào)告894方法包括2部分:頻率預(yù)測(cè)部分和場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算部分。頻率預(yù)測(cè)部分是根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟提供的Oslo系數(shù),利用數(shù)字圖法求出電離層特性參數(shù)f0F2和m(3000)F2,以此得到相應(yīng)的E層和F層各模式的基本最高可用頻率(MUF)和路徑的工作可用頻率(FOT);場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算部分則考慮了各種傳輸損耗以及多徑效應(yīng),計(jì)算了接收區(qū)內(nèi)信號(hào)的中值場(chǎng)強(qiáng)。盡管信號(hào)是由中值和瞬時(shí)值聯(lián)合表征的,在短波通信體系中,接收信號(hào)存在著嚴(yán)重的衰落,場(chǎng)強(qiáng)的瞬時(shí)值會(huì)隨著時(shí)間和空間的延續(xù)而快速起伏,這對(duì)于欲了解短波通信長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的場(chǎng)強(qiáng)情況,是不具備預(yù)測(cè)意義的,只有中值場(chǎng)強(qiáng)是一個(gè)唯一有效的表征量。在通常意義下,場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)即指的是信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)中值的預(yù)測(cè)。

根據(jù)CCIR的預(yù)測(cè)模型,短波天波傳播過(guò)程中的傳輸損耗主要分成5個(gè)部分:自由空間基本傳輸損耗Lbf;電離層的吸收損耗Li;地球表面的反射損耗Lm;頻率高于基本MUF傳播的損耗Lg;額外系統(tǒng)損耗Yp。

2 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)

計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和計(jì)算程序的編寫2個(gè)步驟。

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

路徑損耗預(yù)測(cè)的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)首先須具備數(shù)字化的地理信息與傳播參數(shù)。在無(wú)現(xiàn)成的基本參數(shù)圖表資料情況下,要通過(guò)計(jì)算來(lái)獲得;若有現(xiàn)成的基本參數(shù)圖表資料,可將其數(shù)字化。這些參數(shù)包括收發(fā)信地理位置、大圓路徑中點(diǎn)、磁旋頻率、太陽(yáng)天頂角、太陽(yáng)黑子數(shù)和反射地面情況等。最后獲得的數(shù)據(jù)要做成數(shù)據(jù)庫(kù),以便為系統(tǒng)調(diào)用。在本文中,數(shù)據(jù)庫(kù)采用Acess制作。

獲取數(shù)字化的資料是計(jì)算機(jī)處理的前提和基礎(chǔ),也是本文中要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。目前的有關(guān)短波電波傳播的參數(shù)數(shù)據(jù)都是記錄在紙上的一些曲線圖或者圖紙,要對(duì)這些資料重新處理,首先就要進(jìn)行數(shù)字化。采取的辦法是對(duì)圖紙的掃描圖像進(jìn)行數(shù)字交互式采樣,求出曲線上的坐標(biāo)點(diǎn)。然后,在計(jì)算機(jī)上對(duì)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行插值和曲線擬合,可恢復(fù)出原來(lái)的數(shù)字化的曲線,并達(dá)到很高的精度。在交互式采樣中,有多種程序設(shè)計(jì)工具選擇,Matlab工具箱提供了豐富的圖像輸入、處理及輸出函數(shù),非常適合用于圖紙的數(shù)字化。

2.2 計(jì)算程序的編寫

計(jì)算程序是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的核心部分。通過(guò)程序調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù),按照短波天波傳播的數(shù)學(xué)模型及算法,以Matlab語(yǔ)言為開發(fā)平臺(tái),在機(jī)上完成損耗的預(yù)測(cè)及場(chǎng)強(qiáng)的估算,并輸出結(jié)果。其中的關(guān)鍵技術(shù)為:①覆蓋區(qū)域的網(wǎng)格化:要進(jìn)行區(qū)域內(nèi)的參數(shù)數(shù)據(jù)預(yù)處理和損耗及場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算,必須要將區(qū)域分成網(wǎng)格、逐點(diǎn)量化、數(shù)據(jù)逐個(gè)處理,這些都主要依靠Matlab強(qiáng)大的的矩陣運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理功能完成;②輸出結(jié)果的可視化:由Matlab語(yǔ)言強(qiáng)大的圖形繪制功能所支撐。計(jì)算出區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)值,進(jìn)而畫出等值線分布圖等結(jié)果。

3 仿真結(jié)果

為說(shuō)明算法的可靠性,給出了對(duì)一條固定通路和多接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)分布的仿真結(jié)果。

3.1 對(duì)一條固定通路的仿真

以北京-武漢短波通路為例,對(duì)一條基本參數(shù)已給出的固定通路進(jìn)行計(jì)算。路徑基本參數(shù)為:通信時(shí)間為1月12:00(正午);太陽(yáng)黑子數(shù)0;大圓路徑中點(diǎn)(115.1°E,34.0°N),太陽(yáng)天頂角 55°,磁旋頻率1.32MHz。輸入功率26 dB(相對(duì)于1W),發(fā)射天線增益15 dBi。

經(jīng)計(jì)算,北京-武漢間大圓路徑距離為1 051 km,因此傳播模式為1E及1F。E層模式仰角9.6°,F2層模式仰角28.3°,可以看出,采用 1E模式傳播時(shí),輻射仰角很小,此時(shí)必須采用具有小角度輻射方向性的天線,具體對(duì)于短波天線,最好的辦法就是采用架高天線,或者將天線假設(shè)在向前傾斜的山坡上,以降低仰角。自由空間基本傳輸損耗Lbf與工作頻率和大圓距離有關(guān),Lbf與工作頻率的關(guān)系如圖1所示,總的Lbf應(yīng)由E層模式和F2層模式疊加?？梢钥闯?自由空間基本傳輸損耗是隨著頻率的增高而增高的。

圖1 自由空間基本傳輸損耗

電離層的吸收損耗與工作頻率的關(guān)系如圖2所示,可以看出,電離層的吸收損耗是隨著頻率的增加而減小的。資料表明,除高仰角外,一跳F層模式的穿透吸收常小于1 dB,因此對(duì)于F層的穿透吸收未做考慮。本方法中也未考慮反射吸收的影響,因?yàn)樗鼉H在有限的反射區(qū)域附近才顯得重要,而這是也是一種傳輸模式很快的轉(zhuǎn)到另一種傳輸模式的時(shí)候。由于本路徑內(nèi)電波傳播只有一跳,因而無(wú)地面的反射損耗。

接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)中值結(jié)果如圖3所示。其中場(chǎng)強(qiáng)中值的計(jì)算結(jié)果做如下處理:如存在2個(gè)以上傳播模式的場(chǎng)強(qiáng)時(shí),應(yīng)選最大的一個(gè)做為接收天線輸入端的場(chǎng)強(qiáng)。因此,在上述計(jì)算中,應(yīng)選1E模式作為到達(dá)接收天線輸入端的場(chǎng)強(qiáng)。

圖2 電離層吸收損耗

圖3 接收?qǐng)鰪?qiáng)中值

3.2 多接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)分布的仿真

在實(shí)際通信工作中,對(duì)給定區(qū)域內(nèi)每個(gè)接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)中值進(jìn)行估算,是一項(xiàng)非常耗時(shí)且費(fèi)力的工作,且結(jié)果不夠清晰、直觀。但用常規(guī)方法要完全分析和整理這些數(shù)據(jù),尋找出相應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)變化規(guī)律是十分困難的,實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的可視化成為關(guān)鍵的因素。利用Matlab數(shù)據(jù)可視化技術(shù),對(duì)短波線路計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化處理,可以得到給定天線覆蓋區(qū)域每點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)大小的預(yù)測(cè)值。

基本參數(shù)設(shè)置為:雙極天線作為發(fā)射天線;架設(shè)高度12 m,單臂長(zhǎng) 10 m;工作頻率 15 MHz;時(shí)間為1月10:00;太陽(yáng)黑子數(shù)100;輸入功率 1.6 kW;饋線損耗1.2 dB,輻射效率80%,發(fā)射天線位置是東經(jīng)116.4°,北緯 39.9°(北京);最大輻射對(duì)正北的指向是0°(天線最大輻射方向?qū)χ?。為直觀起見,本文選擇了輸出圖形為二維等值線圖形,如圖4所示。

圖4 天線覆蓋區(qū)場(chǎng)強(qiáng)中值

3.3 檢驗(yàn)

實(shí)際情況中,由于電離層和氣象等不可估計(jì)的影響,電波傳播會(huì)出現(xiàn)各種變化,與預(yù)測(cè)值可能有一定的差距。受實(shí)驗(yàn)條件的限制,本文尚不具備能夠進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)實(shí)際測(cè)量的條件,但可以將仿真輸出的結(jié)果與專家經(jīng)驗(yàn)計(jì)算數(shù)據(jù)相比較,比較結(jié)果可信度較高能夠滿足工程計(jì)算和仿真的需要。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)短波天波傳播損耗預(yù)測(cè)的全計(jì)算機(jī)化處理軟件,可以為短波通信臺(tái)站最優(yōu)化設(shè)計(jì)、通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及通信的決策支持、宏觀管理提供有力的依據(jù)。對(duì)于其他波段,仍可參照本論文的思想方法進(jìn)行建模和仿真。

進(jìn)一步的工作可以考慮:①如條件允許,應(yīng)在實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn);②精算精度仍有提高的余地,如將覆蓋區(qū)域網(wǎng)格化更細(xì),考慮更多的電波損耗等(但過(guò)高的精度已無(wú)必要,因?yàn)槎滩ㄐ诺辣旧砭褪请S參信道,隨機(jī)性變化通常比較大)。將以上因素考慮進(jìn)去,將為今后的短波通信工作提供更加完美的仿真與計(jì)算環(huán)境。

[1]OKUMURA S.Field Strength and Its Variability in VHF and UHF Land-mobile Radio Service[J].Rev.Elec.Comm.Labs.,1968,16(9-10):825-843.

[2]HATA M.Empirical Formula for Propagation Loss in Land Mobile Radio Services[J].IEEE Trans.on Veh.Tech.,1980,29(3):317-325.

[3]ANDERSEN J B,RAPPAPORT T J,YOSHIDA S.Propagation Measure and for Wireless Communications Channel[J].IEEE,Comm.Mag.,1995,33(1):42-49.

[4]馮錫生,田秀占,葉林云.短波通信電路設(shè)計(jì)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1990.