楊鋮，吳永宏，王先義，劉毅敏

( 中國電波傳播研究所青島研發(fā)中心，青島266107)

0 引 言

短波通信進行遠距離通信時，僅需要不大的發(fā)射功率和適中的設(shè)備費用，且短波通信具有不易摧毀的中繼系統(tǒng)——電離層，在現(xiàn)代軍事通信中有著很重要的應用價值[1]。電離層是由太陽輻射構(gòu)成的，隨著太陽照射強弱而變化。遠距離通信中，電波都是斜射至電離層，電離層的電離條件不斷變化，使得通過天波傳播的短波信道不穩(wěn)定，因此對通信電路進行傳播頻率預測能夠有效的提高短波通信的可靠性。天波傳播條件根據(jù)太陽黑子數(shù)目的多少而變化，可以把太陽黑子數(shù)作為短波傳播的重要變化因素。在短波傳播頻率預測方面已有較多的研究工作[2～4]，基于ITU-R P533和ITU-R P1239推薦建立短波天波傳播預測計算模型[5,6]，利用預測時刻之前的實測數(shù)據(jù)MUF反演出一個虛擬的參數(shù)偽太陽黑子數(shù)ssn反應太陽活動強度，并利用該ssn預測該鏈路當前時刻的MUF，分析該種方法預測誤差。

1 數(shù)據(jù)和分析方法

根據(jù)ITU建議書，某條通信鏈路的E層基本MUF的計算公式為

nE(D)MUF=foE·seci110

(1)

式中，i110是一跳長度d=D/n的110 km的半跳鏡面反射高度的入射角；foE由式(2)給定：

(foE)4=A·B·C·D

(2)

其中A為太陽活動因子，

A=1+0.0094·(Φ-66)

(3)

Φ為以10-22W m-2Hz-1為單位表示的月平均10.7 cm的太陽無線電通量；B為季節(jié)因子,

B=cosmN

(4)

如果|λ-δ|<80°，N=λ-δ；如果|λ-δ|≥80°，N=80°，

式中，λ為地理緯度且北半球為正值；δ為太陽傾角且北傾斜為正值；指數(shù)m是地理緯度λ的函數(shù)，如果|λ|<32°Z，m=1.93+1.92·cosλZ；如果|λ|≥32°Z，m=0.11-0.49·cosλZ；C為主緯度因子，C=X+Y·cosλ，如果|λ|<32°，X=23，Y=116；如果|λ|≥32°，X=92，Y=35；D為每日時間因子。

對于F2層基本MUF

(5)

式中，fH為各適當控制點算出的電子回轉(zhuǎn)頻率的值，

Cd=0.74-0.591Z-0.424Z2-0.090Z3+
0.088Z4+0.181Z5+0.096Z6

(6)

(7)

(8)

式中，d=D/n0和dmax，單位都為km；C3000為當D=3 000 km 時的Cd的值；x=(f0F2)/(f0E)或2，選較大者。

foF2和M(3000)F2月中值與天數(shù)、地理變化的系數(shù)Us,k的值是與太陽活動呈線性關(guān)系的，該值定義了指定月份和太陽活動強度上的給定特性的數(shù)字映射值的函數(shù)Ω(λ,θ,T)，其中R12是每月太陽黑子數(shù)量的12個月連續(xù)平均數(shù)，將其作為太陽活動強度的指數(shù)。

(9)

式中，Ω為要映射的電離層特性；λ為地理緯度(-90°≤λ≤90°)；θ為地理東經(jīng)度(0°≤θ≤360°)(θ為格林威治子午線以東的度數(shù))；T為世界時(UTC)，以角度表示(-180°≤T≤-180°)；H為每日變化的諧波的最大數(shù)量；Gk(λ,θ)為地理函數(shù)，由ITU-R P1239給定。

根據(jù)ITU-R P1239，對于大部分情況，假定foF2與R12成線性關(guān)系已經(jīng)足夠。最明顯的不呈線性關(guān)系的地方是R12的值大于160左右時。當R12的值大于160時，通過假定更高的值實際為160來降低誤差，且在該通信模型下foF2隨著R12增大逐漸增大。

為了判斷是依靠E層還是F2層傳播，需計算E層最大截止頻率，其計算公式為

fs=1.05×f0E×sec(i110)

(10)

研究中所用的MUF實測數(shù)據(jù)來自中國電波傳播研究所電離層斜向探測網(wǎng)[7]，該網(wǎng)的斜測電路覆蓋了我國的大部分區(qū)域，以青島外站作為接收點，分別選取與其距離在500 km、1 000 km或1 500 km附近的外站，斜測電路收發(fā)點位置，見表1，分別根據(jù)外站位置選取蘇州發(fā)—青島收鏈路、西安發(fā)—青島收鏈路、廣州發(fā)—青島收鏈路分別作為短、中、長距離鏈路進行分析，外站每隔半個小時發(fā)送數(shù)據(jù)由青島外站接收，每條鏈路每天共有48個時刻的實測數(shù)據(jù)。

表1 斜測電路收發(fā)點位置

利用預測時刻前的實測數(shù)據(jù)匹配出最合適的偽太陽黑子數(shù)ssn，在該處選用能排除小權(quán)值的粒子，而對較大權(quán)值的粒子進行保留的重采樣方法，對重要粒子進行選擇。設(shè)定偽太陽黑子數(shù)最小值和最大值分別為0和210，在此區(qū)間內(nèi)，每隔10對實測數(shù)據(jù)所在時刻進行預測，選擇匹配出預測誤差最小的值并取其相鄰的20個值，以1為步進值，再次匹配出預測誤差最小的值，該值即為反演出偽太陽黑子數(shù)ssn，將反演出的ssn作為預測鏈路的太陽活動強度的指數(shù)進行預測。

2 分析結(jié)果

蘇州發(fā)—青島收鏈路使用每個預測時刻之前相鄰的N個(N取1～48)斜測數(shù)據(jù)所得10月2日、10月15日、10月16日、10月30日、10月31日所有時刻的MUF平均預測誤差圖，如圖1所示。

圖1 蘇州—青島鏈路使用數(shù)據(jù)個數(shù)N與預測誤差圖

由圖1中可以看出這5天的預測誤差曲線每條曲線都在使用一個數(shù)據(jù)時，平均預測誤差最小，即對于蘇州—青島鏈路使用前一個數(shù)據(jù)預測最為準確，之后隨著使用數(shù)據(jù)個數(shù)的增加預測誤差增大，最終預測誤差曲線趨于平穩(wěn)，最大預測誤差為1.2 MHz。

西安發(fā)—青島收和廣州發(fā)—青島收鏈路的使用數(shù)據(jù)個數(shù)與預測誤差圖，與蘇州發(fā)—青島收鏈路規(guī)律相同，利用前一時刻實測數(shù)據(jù)預測最為準確，隨著使用數(shù)據(jù)個數(shù)的增加預測誤差也隨之增大，最終預測誤差曲線趨于平穩(wěn)，對于西安—青島鏈路最大預測誤差為1.9 MHz，而廣州—青島鏈路預測誤差則為2.1 MHz。

對于這三條鏈路，僅使用前一時刻實測數(shù)據(jù)預測誤差最小，蘇州—青島鏈路使用前一時刻實測數(shù)據(jù)對這三條鏈路的MUF進行預測，所得預測數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比及預測誤差曲線圖，如圖2所示。

圖2 蘇州—青島鏈路實測與預測數(shù)據(jù)及誤差曲線

西安—青島鏈路實測與預測數(shù)據(jù)曲線，如圖3所示；廣州—青島鏈路實測與預測數(shù)據(jù)曲線，如圖4所示。在這種方法下，蘇州—青島鏈路10月平均預測誤差為0.561 2 MHz，而西安—青島鏈路平均預測誤差為1.103 9 MHz，廣州—青島鏈路平均預測誤差為1.232 6 MHz。

圖3 西安—青島鏈路實測與預測數(shù)據(jù)曲線

圖4 廣州—青島鏈路實測與預測數(shù)據(jù)曲線

對比這三條鏈路斜測值，實測MUF總體逐漸增大，且由于鏈路選擇的不同，蘇州—青島鏈路的斜測數(shù)據(jù)相比其余兩條鏈路較為穩(wěn)定，不同鏈路下的預測數(shù)據(jù)分析，見表2。表明了該模型不同鏈路下的預測誤差，為了更好的說明該模型的計算精度表中列出了預測誤差均值和預測誤差均方差，其中前一時刻預測MUF誤差均值為

(11)

Pmuf(t,s)為第t天第s個時刻的預測數(shù)據(jù)MUF值，MUF(t,s)為第t天第s個時刻的實測MUF值。

前一時刻預測誤差的均方差為

(12)

其中QE(t,s)=Pmuf(t,s)-MUF(t,s)。

表2 不同鏈路的預測數(shù)據(jù)分析日期短鏈路

將這四天的平均預測誤差及預測誤差的均方差變化情況列于表2，在該預測方法下，各條鏈路所有時段的相對偏差約在-10%～10%之間，而直接利用ITU模型預測時，其誤差百分比均超過10%，部分鏈路該時間段內(nèi)預測誤差偏大，如廣州發(fā)—青島收鏈路在10月20日預測誤差百分比為22.24%，對比可見本文所采用的預測方法比直接利用ITU模型的預測誤差小[2,8]。

在該預測方法下隨著鏈路長度的增大平均預測誤差逐漸增大，且預測誤差的均方差也同時變大。對于蘇州發(fā)—青島收鏈路由于其鏈路距離較短，且總體電離層最高可用頻率在所選三條鏈路最低，其實測數(shù)據(jù)最為穩(wěn)定，所得預測誤差也最小。

3 結(jié) 語

基于ITU-R P533和ITU-R P1239方法，利用我國2013年10月3條斜測電路的探測數(shù)據(jù)，反演出偽太陽黑子數(shù)，并使用該偽太陽黑子數(shù)預測了三條斜向探測電路的MUF值，通過采用絕對誤差、相對誤差及均方根誤差三種指標,分析了該模型計算MUF的預測誤差。在該預測方法下，通過利用之前的數(shù)據(jù)對太陽活動強度的定位，能夠較為準確的預測MUF，各條鏈路所有時段的相對偏差約在-10%～10%之間，有著更好的適用性，其中蘇州—青島鏈路預測效果最好，平均預測誤差為0.561 2 MHz。

[1] 沈琪琪,朱德生.短波通信[M].西安:西安電子科技大學出版社,1989.

[2] 班盼盼,黃昌理,孫樹計，等.ITU-R P434計算F2層基本最高可用頻率與實測值的比較[J].電波科學學報,2012,27(6),1193-1197.

[3] 趙志安.短波通信MUF和傳播模式的預報方法[J].通信學報,1987,8(3):53-60.

[4] 魯轉(zhuǎn)俠,曹紅艷,馮靜.“新版亞大地區(qū) F2電離層預測”方法數(shù)據(jù)驗證[J].中國電子科學研究院學報,2011,2(1),59-63.

[5] ITU-R Recommendation P.533-9.Method for the Prediction of the Performance of HF Circuits[S].International Telecommunication Union,2007.

[6] ITU-R Recommendation P.1239-2.ITU-R Reference Ionospheric Characteristics[S].International Telecommunication Union,2009.

[7] 黃昌理,羅玉來,黃汝言.數(shù)字式電離層斜向探測系統(tǒng)[J].電波科學學報,1994,8(4):81-88.

[8] 徐義君,湯云革,蒙潔.基于短波的天波傳播衰減預測模型研究[J].網(wǎng)絡(luò)與通信,2010,29(18):56-60.