劉滿堂

基于信道特性分析的短波遠(yuǎn)距離地空通信?

劉滿堂

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

短波天波信道（時(shí)變信道）的衰落特性是影響遠(yuǎn)距離短波通信質(zhì)量的主要因素，準(zhǔn)確分析預(yù)測(cè)短波信道傳輸特性是通信成功的基礎(chǔ)。結(jié)合工程試驗(yàn)分析了影響短波通信質(zhì)量的諸多因素，選擇最佳的通信信道，成功實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離短波地空通信。分析預(yù)測(cè)-選擇信道頻率-靜態(tài)測(cè)試-短波通信的方法，對(duì)短波通信系統(tǒng)遠(yuǎn)距離通信能力考核試驗(yàn)具有參考價(jià)值。

短波通信；天波；電離層；時(shí)變信道；地空通信

現(xiàn)代航空通信系統(tǒng)中，短波鏈路通常作為衛(wèi)星通信備用手段。但是，短波信道是典型的時(shí)變信道，電離層衰落的影響使短波遠(yuǎn)距離通信質(zhì)量不穩(wěn)定，限制了短波通信的應(yīng)用。近年來，短波通信技術(shù)重新被重視并獲得應(yīng)用，其主要原因在于克服其自身缺陷的技術(shù)方面的發(fā)展［1］。為了進(jìn)一步提高航空通信系統(tǒng)遠(yuǎn)距離地空通信質(zhì)量，本文提出基于信道特性分析的短波遠(yuǎn)距離地空通信方法，并結(jié)合工程試飛試驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。實(shí)踐證明這種方法能夠提升短波遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)和話音通信成功率，保障通信質(zhì)量。

1 短波信道特點(diǎn)和計(jì)算模型

1.1 信道特點(diǎn)

短波信道依靠電離層反射實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信鏈接，電波傳輸路徑上的電離層的狀態(tài)是短波鏈路鏈接的關(guān)鍵［2］。遠(yuǎn)距離短波信道傳輸特點(diǎn)：

（1）信道傳輸函數(shù)模量Ke（ω，t ）具有時(shí)變特性；

（2）信號(hào)傳播時(shí)延具有時(shí)變特性；

（3）多經(jīng)傳輸形成信號(hào)衰落、波形展寬產(chǎn)生碼間串?dāng)_、限制數(shù)據(jù)傳輸速率；

（4）電離層快速移動(dòng)產(chǎn)生多普勒頻移，信號(hào)相位起伏導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤接收。

1.2 信道計(jì)算模型

短波信道傳輸模型可以用圖1所示框圖來表示。其中，信道基本傳播損耗Lp可通過經(jīng)典理論計(jì)算，外部輸入噪聲功率，可以通過儀器測(cè)量獲得，快衰落的防護(hù)度MR根據(jù)通信可靠性要求確定，最小信噪比γ0min指標(biāo)也可實(shí)驗(yàn)室測(cè)試獲得。

圖1中各參數(shù)滿足下列關(guān)系式：

式中，Ls代表信道損耗，Lp代表信道基本損耗，Gt代表發(fā)射增益，Gr代表接收增益。

當(dāng)已知最小信噪比γ0min和P′n輸入噪聲總功率時(shí)，最小信號(hào)應(yīng)該為

當(dāng)通信線路接收端的信噪功率比γ0高于γ0min稱之為可靠通信?？煽啃詾?9%，則表示一天內(nèi)有1%的時(shí)間γ0＜γ0min。

1.3 信道頻率特性

短波遠(yuǎn)距離傳輸信道，當(dāng)短波電磁信號(hào)以角度θ投射時(shí)，其最高可用頻率［3］（MUF）用下式計(jì)算：

式中，α為地球半徑，h為電離層反射點(diǎn)至地面高度。

由于MUF是可返回地面的臨界頻率，且電離層參數(shù)隨時(shí)間變化，故MUF傳播條件很難長(zhǎng)時(shí)間保持。實(shí)際工程中，通常選取比MUF低15%的頻率作為最佳信道頻率［3］。

現(xiàn)在，短波通信預(yù)測(cè)分析可以利用互聯(lián)網(wǎng)資源，如從網(wǎng)上獲取試驗(yàn)日太陽黑子數(shù)和K指數(shù)等共享參數(shù)，利用W6ELprop短波通信預(yù)測(cè)軟件運(yùn)算取得建議頻率，為遠(yuǎn)距離短波通信提供技術(shù)支持。

2 遠(yuǎn)距離短波信道特性分析

短波信道傳輸特性分析、預(yù)測(cè)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離短波通信的基礎(chǔ)，通信試驗(yàn)結(jié)果又以工程實(shí)踐的形式驗(yàn)證理論分析的有效性。為獲取信道傳輸特性對(duì)短波通信質(zhì)量的影響之分析結(jié)果在工程試飛中的應(yīng)用價(jià)值，作者結(jié)合某機(jī)載短波系統(tǒng)遠(yuǎn)距離地空通信試飛試驗(yàn)進(jìn)行了有益的探索，這次遠(yuǎn)距離短波空地試驗(yàn)參試系統(tǒng)包括機(jī)載短波系統(tǒng)和地面短波系統(tǒng)兩部分，其中地面短波系統(tǒng)布設(shè)A地，加裝機(jī)載短波系統(tǒng)的飛機(jī)布設(shè)在距離A地約1 200 km的B地機(jī)場(chǎng)，飛行試驗(yàn)中，飛機(jī)在該機(jī)場(chǎng)空域巡航飛行。

遠(yuǎn)距離短波空地通信試驗(yàn)最重要的工作是在空中試飛試驗(yàn)之前進(jìn)行的，如與試飛準(zhǔn)備同步開展的信道損耗、天線特性等分析，機(jī)載、地面短波天線端口噪聲電平及信號(hào)電平測(cè)試，信噪比預(yù)測(cè)等。以下分別介紹信道特性分析、天線損耗、信號(hào)電平預(yù)測(cè)分析等過程及結(jié)果。

2.1 遠(yuǎn)距離短波鏈路損耗特性

2.1.1 信道基本損耗

預(yù)測(cè)遠(yuǎn)距離短波信道傳輸基本損耗Lp，需要先計(jì)算自由空間損耗Lp0和電離層吸收損耗La，預(yù)估額外系統(tǒng)損耗。

白天進(jìn)行試飛試驗(yàn)，電磁波主要依靠F層電離層反射（he=330 km）。

地面短波系統(tǒng)與機(jī)載短波系統(tǒng)間自由空間傳播損耗（信道頻率14.5 MHz）為

Lp0=32.44+20 lgf+20 lgr=115.7 dB

2.1.2 電離層吸收損耗

電離層吸收損耗分為偏移吸收和非偏移吸收，偏移吸收指在反射區(qū)附近電波被吸收，通?？梢院雎圆挥?jì)，非偏移吸收指電離層D、E層的吸收（D、E層只是白天存在）。

電離層吸收損耗用La表示，首先要明確電波通過電離層100 km處的緯度，然后根據(jù)此緯度點(diǎn)的磁旋頻率fH和改進(jìn)型磁旋角x的值來求出吸收因子AT（0，0）和La。

本次遠(yuǎn)距離短波地空通信，信道模式為1F，電波通過M、N點(diǎn)穿過E層，見圖3，La以M、N兩點(diǎn)之平均值較合適：

計(jì)算中，信道頻率f=10.5 MHz，χ=50°，磁旋頻率fH=1.38 MHz，改進(jìn)型磁傾角χ=48°，吸收因子AT（0，0）為320～340。太陽黑子數(shù)取52.3，通信仰角取26°。

經(jīng)計(jì)算電離層吸收損耗預(yù)估值La=9.12 dB。

2.1.3 額外系統(tǒng)損耗

額外系統(tǒng)損耗即自由空間傳播損耗、電離層吸收損耗、地面反射損耗之外的損耗，如極區(qū)吸收損耗、Es層附加損耗等，額外系統(tǒng)損耗用Yp表示。額外系統(tǒng)損耗定量計(jì)算較難，通常采用綜合估計(jì)值，即利用大量電路實(shí)測(cè)天波傳播損耗數(shù)據(jù)，減去自由空間傳播損耗、電離層吸收損耗、地面反射損耗后得到［4］。參考相關(guān)資料和工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)，額外系統(tǒng)損耗取值為Yp=5 dB。

將Lp0、La、Yp代入下式可以計(jì)算出所分析遠(yuǎn)距離短波信道基本損耗：

短波通信的一跳距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到4 000 km，而本次地空短波試飛通信距離在1 200 km之內(nèi)，只考慮一跳的方式傳播，不存在多跳地面反射損耗。

2.2 天線損耗

2.2.1 機(jī)載天線

機(jī)載天線采用機(jī)載斜拉鋼索天線，是典型的窄帶天線，阻抗隨頻率變化較大，實(shí)測(cè)某機(jī)載短波上天線Smith圓圖如圖4所示。

從圓圖上可看出，機(jī)載天線阻抗實(shí)部、虛部變化很大，需與機(jī)載天線調(diào)諧器配合使用才能實(shí)現(xiàn)端機(jī)與天線阻抗匹配。短波頻段波長(zhǎng)較長(zhǎng)，無法準(zhǔn)確測(cè)量機(jī)載鋼索天線裝機(jī)狀態(tài)性能參數(shù)，通常只能定性考量其損耗。

2.2.2 地面天線

地面短波站天線采用HTDS-30-10-1可轉(zhuǎn)動(dòng)式對(duì)數(shù)周期天線，其主要技術(shù)指標(biāo)：頻率范圍6～

26 MHz，天線增益5～9 dBi，波瓣寬度35°～55°，承受功率大于等于1 kW，極化方式為線極化。

相對(duì)于機(jī)載天線，地面天線不受重量、機(jī)構(gòu)尺寸、架設(shè)方式等條件限制，性能優(yōu)于機(jī)載天線，損耗可以忽略不計(jì)。計(jì)算鏈路增益時(shí)直接采用給定的天線參數(shù)。

2.2.3 天線極化損耗

由于Faraday旋轉(zhuǎn)作用，電波離開電離層時(shí)的極化方式變?yōu)闄E圓極化，用線極化天線接收橢圓極化信號(hào)［5］，天線極化損耗為Yg=3 dB。

2.3 信號(hào)電平計(jì)算分析

已知地面短波系統(tǒng)發(fā)射功率為60 dBm（1 000 W），天線架設(shè)在4層辦公樓頂無遮擋。機(jī)載短波系統(tǒng)發(fā)射功率為56 dBm（400 W），假設(shè)機(jī)載鋼索天線增益在工作頻段內(nèi)為-5～-9 dBi，計(jì)算系統(tǒng)損耗時(shí)，機(jī)載天線和地面天線增益正負(fù)相抵消，即Gr+Gt=0。

將已知參數(shù)代入下式：

計(jì)算出機(jī)載天線和地面天線端口信號(hào)電平：

3 靜態(tài)測(cè)試

3.1 噪聲電平測(cè)試

短波頻段雖然比較擁擠，但還是可以選擇相對(duì)安靜頻點(diǎn)，選擇噪聲電平低、干擾信號(hào)弱的頻段進(jìn)行通信試驗(yàn)，才能取得比較理想的通信效果。

測(cè)試數(shù)據(jù)表明，地處中心城市短波地面系統(tǒng)，2～8 MHz頻段噪底約-65 dBm；8～20 MHz頻段內(nèi)，噪底約-80～-97 dBm，還存在其他強(qiáng)輻射信號(hào)，如圖5所示。

數(shù)據(jù)還表明，飛機(jī)起降機(jī)場(chǎng)電磁環(huán)境明顯好于城市，故機(jī)載短波天線端口噪聲略低于地面天線端口噪聲電平，6～11 MHz頻段內(nèi)噪底為-97 dBm左右，2～30 MHz內(nèi)其他段噪底為-105～-112 dBm。機(jī)載系統(tǒng)加電狀態(tài)下短波天線端口噪聲如圖6所示。

3.2 信號(hào)電平測(cè)試

（1）最小信號(hào)電平

正常通信狀態(tài)，短波接收機(jī)端口最小信號(hào)、噪底、信噪比應(yīng)滿足下式：

即

最小信噪比理論值為10 dB，為保證遠(yuǎn)距離短波通信可靠性，需增加快衰落的防護(hù)度裕量，即MR= 4 dB，短波接收機(jī)天線端口最小信噪比取值應(yīng)不小于14 dB，即Ymin=14 dB。

根據(jù)天線端口噪聲電平測(cè)試結(jié)果，取地面短波系統(tǒng)天線端口噪聲電平中值P′groundn=-90 dBm、機(jī)載短波系統(tǒng)天線端口噪聲電平中值P′airn=-100 dBm時(shí)，將天線端口噪聲值、信噪比值代入下式：

分別求得保證短波遠(yuǎn)距離地空通信情況下，要求地面和機(jī)載短波天線端口最小信號(hào)電平值是：Prminground=-76 dBm，Prminair=-84 dBm。

顯然，地面系統(tǒng)天線端口信號(hào)電平預(yù)測(cè)值與Prminground相當(dāng)，機(jī)載系統(tǒng)天線端口信號(hào)電平預(yù)測(cè)值大于Prminair，理論分析結(jié)果表明，系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)和信道傳輸特性基本滿足1 200 km地空遠(yuǎn)距離短波通信要求。

（2）實(shí)測(cè)天線端口信號(hào)電平值

機(jī)載、地面短波系統(tǒng)同時(shí)加電工作，地面發(fā)射時(shí)，機(jī)載系統(tǒng)接收；當(dāng)機(jī)載系統(tǒng)發(fā)射時(shí)，地面接收，實(shí)測(cè)發(fā)射方短波信號(hào)經(jīng)電離層反射傳輸?shù)竭_(dá)接收天線端口電平值，測(cè)試結(jié)果見圖7和圖8。

A地地面站和B地的機(jī)載短波臺(tái)互為發(fā)射源，實(shí)際測(cè)試各自接收對(duì)方的信號(hào)效果及實(shí)際電平，與分析預(yù)測(cè)結(jié)果基本相符。實(shí)際測(cè)試結(jié)果如下：

4 試驗(yàn)頻率選擇和試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)頻率選擇

依靠電離層反射傳輸?shù)男诺李l率特性，決定了在給定距離和方向的路徑上，只能用有限的頻段帶。當(dāng)其他主要傳播影響確定后，可以預(yù)測(cè)波道頻率。相對(duì)于短波定點(diǎn)通信，地空遠(yuǎn)距離試飛試驗(yàn)信道頻率選擇更加重要［6］。選擇步驟如下：

（1）測(cè)試地面和機(jī)載系統(tǒng)經(jīng)W6ELprop確定頻率范圍內(nèi)噪聲電平，選取噪聲分別小于各自噪聲電平并滿足信噪比要求的頻率；

（2）將初步遴選的頻點(diǎn)加載至地面、機(jī)載短波系統(tǒng)中，飛機(jī)停放起降機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪，與遠(yuǎn)端地面短波系統(tǒng)各波道分別進(jìn)行話音通信，選擇通信效果好的頻點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；

（3）記錄頻點(diǎn)及對(duì)應(yīng)通信時(shí)間、通信質(zhì)量等信息，通信試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行綜合評(píng)估，確定通信質(zhì)量好且穩(wěn)定的頻點(diǎn)為試飛波道。

4.2 遠(yuǎn)距離地空通信驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于信道特性分析短波遠(yuǎn)距離地空通信方法的實(shí)用性，根據(jù)A、B兩點(diǎn)短波天波信道特性分析結(jié)果及選取的通信實(shí)驗(yàn)頻率，在信道特性分析基礎(chǔ)上，選擇確定短波遠(yuǎn)距離地空通信頻率，結(jié)合某工程短波地空試飛進(jìn)行遠(yuǎn)距離地空通信試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：話音、數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定可靠，話音質(zhì)量達(dá)5分（話音通信質(zhì)量以五分制評(píng)估，通信效果最好為5分）；數(shù)傳應(yīng)答率達(dá)到了65%的目標(biāo)值。

5 結(jié)束語

相對(duì)于傳統(tǒng)的依靠電離層變化預(yù)測(cè)值選擇通信頻率窗口的方法，基于信道特性分析的短波遠(yuǎn)距離通信，在繼承傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上，充分利用新的計(jì)算機(jī)技術(shù)、新的測(cè)試技術(shù)，使得分析預(yù)測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確，能夠避免由于信道特預(yù)測(cè)失誤對(duì)通信質(zhì)量的影響，提高通信成功率。但是，基于信道特性分析的短波遠(yuǎn)距離通信方法，并不能解決信道快衰落影響通信的問題。綜合應(yīng)用基于信道特性分析的頻率選擇技術(shù)、基于頻譜感知的通信頻率管理技術(shù)等，才能使短波通信適應(yīng)現(xiàn)代航空通信系統(tǒng)的功能需求。

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HF Long Range Air-ground Communication Based on Channel Characteristic Analysis

LIU Man-tang
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

Fading characteristic of HF sky-wave channel is the main factor to influence long range HF communication quality.Predicting HF propagation characteristic precisely is an element for successful communication. Factors influencing HF communication quality are analysed along with engineering experiment.By choosing the best channel long range air-ground HF communication is realized.The method of predicting-frequency preference-static test-communication can provide good reference for long range communication test of HF systems.

HF communication；sky-wave；ionosphere；time-variable channel；air-ground communication

TN919.3

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.09.018

劉滿堂（1962—），男，陜西扶風(fēng)人，高級(jí)工程師，主要從事航空通信系統(tǒng)總體技術(shù)研究。

1001-893X（2012）09-1508-05

2012-08-02；

2012-09-13

LIU Man-tang was born in Fufeng，Shaanxi Province，in 1962. He is now a senior engineer.His research concerns aeronautical communication system.

Email：lmt19602004＠126.com