王 璞，姬生云，王 健

（中國(guó)電波傳播研究所，山東青島 266107）

基于斜向探測(cè)的短波廣播覆蓋區(qū)分析方法

王 璞，姬生云，王 健

（中國(guó)電波傳播研究所，山東青島 266107）

提出了基于斜向探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行短波廣播覆蓋區(qū)分析的一種實(shí)用方法。該方法以斜向探測(cè)的MUF及其時(shí)延數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用基于射線理論的反演方法和等比加權(quán)的重構(gòu)方法進(jìn)行電離層參數(shù)分析，最后利用短波傳播預(yù)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)了短波廣播鏈路的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)和覆蓋區(qū)分析。通過(guò)仿真實(shí)例驗(yàn)證了方法的可行性，這對(duì)短波廣播系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、性能分析有重要參考意義。

斜向探測(cè)；短波廣播；覆蓋區(qū)

0 引 言

短波廣播以其傳播距離遠(yuǎn)、覆蓋區(qū)廣的特點(diǎn)，一直是重要的廣播技術(shù)手段。短波廣播覆蓋區(qū)分析是應(yīng)用規(guī)劃、建站選址和性能評(píng)估等的重要依據(jù)，其目的在于使廣播能夠獲得盡可能好的效果［1］。國(guó)際電聯(lián)（ITU）給出了基于參考電離層進(jìn)行短波傳播預(yù)測(cè)方法［2］，美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家結(jié)合本土的廣播推出了VOACAP、WPLOTF等專(zhuān)業(yè)的分析工具［3］.電離層作為短波天波傳播主要影響因素，其中E層臨界頻率（foE）、F2層臨界頻率（foF2）和3 000 km傳播因子（M（3000）F2）是最關(guān)鍵的參量，也是影響廣播傳播特性和覆蓋區(qū)分析重要參數(shù)［2，4］。上述分析工具多應(yīng)用國(guó)際參考電離層等作為支撐，對(duì)電離層的實(shí)時(shí)變化特性考慮不足。

近年，基于斜向探測(cè)的電離層反演［5～7］和電離層參數(shù)重構(gòu)方法［8～10］逐漸成熟起來(lái)，并在短波通信頻率預(yù)報(bào)等方面取得了相關(guān)的應(yīng)用［6，7］。受此啟示，基于電離斜向探測(cè)數(shù)據(jù)反演得到的電離層實(shí)時(shí)特性參數(shù)，確定了一種基于實(shí)時(shí)信息的短波廣播鏈路場(chǎng)強(qiáng)和覆蓋區(qū)分析方法，目的是融合電離層實(shí)時(shí)探測(cè)信息，提高短波廣播覆蓋特性分析精度，為廣播臺(tái)站性能分析、規(guī)劃建站等提供技術(shù)支撐。

1 廣播覆蓋區(qū)分析模型

基于斜向探測(cè)網(wǎng)進(jìn)行的短波廣播覆蓋區(qū)分析的思路是：在原始斜向探測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上利用反演方法獲取探測(cè)鏈路中心的電離層參數(shù)后，利用區(qū)域重構(gòu)方法便可獲取傳播鏈路控制點(diǎn)的電離層參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)廣播鏈路場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)和覆蓋區(qū)分析。

分析流程如下。

a）利用所要分析的廣播鏈路收發(fā)站點(diǎn)的位置信息計(jì)算其控制點(diǎn)位置；

b）利用廣播鏈路控制點(diǎn)位置信息讀取斜向探測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)站點(diǎn)的斜向探測(cè)電離層數(shù)據(jù)；

c）利用斜向探測(cè)所得最高可用頻率（MUF）及其時(shí)延數(shù)據(jù)反演得出控制點(diǎn)處的臨界頻率；

d）基于探測(cè)鏈路反演所得的電離層參數(shù)，利用區(qū)域重構(gòu)方法分析短波廣播鏈路的電離層參數(shù)；

e）計(jì)算廣播鏈路的接收?qǐng)鰪?qiáng)；

f）重復(fù)a）～e）過(guò)程，計(jì)算廣播臺(tái)站周邊各點(diǎn)的接收?qǐng)鰪?qiáng)，并以此構(gòu)建廣播臺(tái)站覆蓋區(qū)。

1.1 電離層參數(shù)分析

基于射線傳播理論，單跳傳播條件下根據(jù)E層和F2層基本 MUF及對(duì)應(yīng)時(shí)延反演 foE、foF2和M（3000）F2的表達(dá)式為［5～7］

式中，foE為路徑控制點(diǎn)處的E層臨界頻率；fE（d）MUF為鏈路E層基本MUF；d為傳播路徑距離；ME為轉(zhuǎn)換因子。

式中，foF2分別為路徑控制點(diǎn)處的F2層臨界頻率；fF2（d）MUF分別為鏈路F2層基本MUF；d為傳播路徑距離，MF2為轉(zhuǎn)換因子。

其中

式中，τ為基本MUF對(duì)應(yīng)的時(shí)延；a0為地球半徑；d為傳播距離；c為光速。

在斜向探測(cè)圖中，基本MUF即為高角模和低角模的交匯點(diǎn)，所以，基本 MUF也稱(chēng)交匯頻率（JF）［11］，根據(jù)E層和F2層基本MUF及對(duì)應(yīng)時(shí)延即可反演得到foE、foF2和M（3000）F2。

在探測(cè)鏈路反演所得的電離層參數(shù)基礎(chǔ)上，利用區(qū)域重構(gòu)方法可得廣播鏈路的電離層參數(shù)，常用的方法包括等比加權(quán)方法［6］、距離倒數(shù)加權(quán)重構(gòu)方法［8］、地理位置加權(quán)更新參考電離層模型重構(gòu)方法［8，9］和改進(jìn)克里格方法［8，10，12］等。為簡(jiǎn)化工程量，在此選用等比加權(quán)方法［6］。

式中，fo為預(yù)報(bào)鏈路控制點(diǎn)處電離層參數(shù)（foE、foF2和M（3000）F2）等效觀測(cè)值；fm利用中國(guó)參考電離層計(jì)算得到的預(yù)報(bào)鏈路控制點(diǎn)處臨界頻率；N為探測(cè)鏈路數(shù)；fon為利用反演方法計(jì)算得到探測(cè)鏈路控制點(diǎn)處電離層等效觀測(cè)值；fmn為利用中國(guó)參考電離層計(jì)算得到的探測(cè)鏈路控制點(diǎn)處電離層參數(shù)。

1.2 鏈路接收?qǐng)鰪?qiáng)計(jì)算

對(duì)于短波天波單跳傳播，其場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算方法［2］為

式中，Ets為傳播模式場(chǎng)強(qiáng)中值兩個(gè)強(qiáng)的E層模式與三個(gè)強(qiáng)的F2層模式的場(chǎng)強(qiáng)中值的合成場(chǎng)強(qiáng)；Etw為單個(gè)模式接收?qǐng)鰪?qiáng)，其表達(dá)式為

式中，Pt為發(fā)射功率；Gt為所在發(fā)射方位和仰角天線增益；p′為天波射線斜距；Lm為高于MUF的損耗；Lg為反射中點(diǎn)的合成地反射損耗；Lh為極光區(qū)和其它信號(hào)損耗因子；Li為電離層吸收損耗。

1.3 廣播覆蓋區(qū)分析

根據(jù)廣播分級(jí)的可接收?qǐng)鰪?qiáng)［1］利用格網(wǎng)等值線追蹤算法［13，14］，計(jì)算短波廣播分級(jí)區(qū)域邊界，對(duì)每個(gè)單元格網(wǎng)進(jìn)行內(nèi)插等值點(diǎn)；根據(jù)相關(guān)定理判斷連接等值點(diǎn)，并對(duì)生成的等值點(diǎn)按生成順序編號(hào)，并采用雙向鏈表方式存儲(chǔ)；通過(guò)等值點(diǎn)表中相鄰兩個(gè)等值點(diǎn)的編號(hào)，建立了等值線點(diǎn)的聯(lián)系；提取等值線，并對(duì)線頭、線尾外每個(gè)點(diǎn)的相鄰兩點(diǎn)編號(hào)進(jìn)行優(yōu)化處理。由此，得到短波廣播分級(jí)覆蓋區(qū)。

2 仿真分析

依據(jù)上節(jié)所述理論，以北京廣播臺(tái)為例，以實(shí)際工作參數(shù)為依據(jù)，見(jiàn)表1。針對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)高年、低年，冬、夏兩季節(jié)對(duì)廣播覆蓋特性進(jìn)行仿真。

表1 廣播臺(tái)工作參數(shù)

表中，HR 2／2／0.5型中饋雙極子天線和HQ 1／0.5型直角扇形天線在對(duì)應(yīng)工作頻率的歸一化方向圖如圖1所示。

圖1 廣播臺(tái)天線歸一化方向圖

在此選取2008年1月和7月代表太陽(yáng)活動(dòng)低年的冬、夏兩季典型值，選取2013年1月和7月分析代表太陽(yáng)活動(dòng)高年的冬、夏兩季典型值。仿真過(guò)程如下：

a）以廣播臺(tái)位置（λt，θt）為中心，以經(jīng)緯度20°為半徑，在正東、正南、正西、正北四個(gè)方位分別計(jì)算邊界位置點(diǎn)（λl，θl），構(gòu)建一個(gè)類(lèi)矩形區(qū)域，即覆蓋分析區(qū)域。邊界位置點(diǎn)的計(jì)算方法為

其中，

式中，β為廣播臺(tái)對(duì)接收點(diǎn)方位角；Re為地球半徑。

b）將分析區(qū)域劃柵格化，分為若干矩形網(wǎng)格，所有的網(wǎng)格中心即為分析區(qū)域所計(jì)算的接收點(diǎn)。利用所要分析的廣播鏈路收發(fā)站點(diǎn)的位置信息計(jì)算其控制點(diǎn)位置。

c）利用廣播鏈路控制點(diǎn)位置信息讀取斜向探測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)站點(diǎn)的斜向探測(cè)電離層數(shù)據(jù)，在此，讀取了青島－北京、新鄉(xiāng)－北京、長(zhǎng)春－北京、西安－北京四條鏈路的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

d）根據(jù)1.1節(jié)所述方法，利用斜向探測(cè)所得最高可用頻率（MUF）及其時(shí)延數(shù)據(jù)反演得出控制點(diǎn)處的臨界頻率?；谔綔y(cè)鏈路反演所得的電離層參數(shù)，利用區(qū)域重構(gòu)方法分析短波廣播鏈路的電離層參數(shù)。

e）根據(jù)1.2節(jié)所述方法，逐點(diǎn)計(jì)算各廣播鏈路的接收柵格點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)，并據(jù)此構(gòu)造等值線圖。

上述太陽(yáng)活動(dòng)高年、低年、冬夏兩季兩天線的分別在白天和夜間的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋特性，如圖2和圖3所示。其中圖中等值線所標(biāo)數(shù)據(jù)為場(chǎng)強(qiáng)值，單位為dBμV／m。

從圖2可以看出，在冬季，太陽(yáng)高年要大于太陽(yáng)低年的覆蓋區(qū)，夏季的情況也了類(lèi)似；在太陽(yáng)活動(dòng)相同的年份，夏季的覆蓋能力優(yōu)于冬季；原因在于天波傳播和電離層的狀態(tài)變化緊密結(jié)合，夏季電離層的活躍程度要高于冬季，太陽(yáng)活動(dòng)高年高于低年，進(jìn)一步影響了短波廣播傳播衰減變化上。同時(shí)，從圖2可以看出，短波廣播電臺(tái)在東北角的覆蓋要明顯優(yōu)于其他方向，西南角的覆蓋能力次之，在東南角和西北角的覆蓋較差，緣于天線指向主要在東北方向，此點(diǎn)驗(yàn)證了短波廣播電臺(tái)初始設(shè)計(jì)。

在正午12：00，取發(fā)射頻率為10 MHz，針對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)高年、低年，冬夏兩季節(jié)的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋特性進(jìn)行仿真分析，如圖3所示。從圖3可以看出，夏季高于冬季，太陽(yáng)活動(dòng)高年的覆蓋能力要優(yōu)于太陽(yáng)活動(dòng)低年。由于HR 2／2／0.5在水平面上近似為全向天線，所以，廣播臺(tái)覆蓋特性在各方位上基本均衡。

圖3 HQ 1／0.5天線白天覆蓋分析

綜合分析可以看出，在天線增益相同的情況下，定向天線能夠提高對(duì)某個(gè)方向的覆蓋能力，而全向天線則更側(cè)重于對(duì)周邊區(qū)域的均衡覆蓋。這類(lèi)分析結(jié)果可用于短波廣播臺(tái)站的建設(shè)、天線設(shè)計(jì)等方面。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著廣播業(yè)務(wù)的發(fā)展，短波廣播的建設(shè)也進(jìn)入高速發(fā)展的階段，已經(jīng)脫離了憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、評(píng)估的模式。本文基于電離層斜向探測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合短波廣播電臺(tái)的應(yīng)用，利用電波傳播模型，仿真了不同太陽(yáng)活動(dòng)期、不同季節(jié)、不同時(shí)段的覆蓋特性。仿真結(jié)果表明，在夏季短波廣播臺(tái)的覆蓋能力優(yōu)于冬季，太陽(yáng)活動(dòng)高年優(yōu)于活動(dòng)低年，定向天線實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定方向的覆蓋。上述研究可為廣播電臺(tái)規(guī)劃、建設(shè)和性能評(píng)估提供技術(shù)基礎(chǔ)［15，16］。

［1］王洋.短波廣播效果數(shù)據(jù)分析方法研究［J］.廣播電視信息，2012（3）：116+118.

［2］International Telecommunication Union.Rec.ITU+R P. 533+11 Method for the Prediction of the Performance of HF Circuits［Z］.Geneva.2012.

［3］鄭蜀光.短波廣播的電離層傳輸及軟件分析概述［J］.廣播電視信息，2005（9）：100+104.

［4］郁凰紅.淺析電離層變化對(duì)短波廣播的影響［J］.廣播電視信息，2008（6）：22+24.

［5］王健，姬生云，王洪發(fā)，等.基于斜向探測(cè)最高可用頻率反演電離層參數(shù)［J］.空間科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（2）：160+167.

［6］付煒，王勝平，王健，等.高頻通信可用頻率現(xiàn)報(bào)與預(yù)報(bào)方法［J］.中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2013，8（5）：529+533.

［7］HUO JINHAI，WANG JIAN，WU LIQIANG，et al. Short+term Forecasting Method of Maximum Usable Fre+ quency for HFCommunication Based on Oblique Sounder［C］／／Applied mechanics and materials.

［8］王世凱.基于垂測(cè)站數(shù)據(jù)的電離層foF2重構(gòu)技術(shù)研究［D］.河南新鄉(xiāng)：中國(guó)電波傳播研究所，2005.

［9］XUEQIN HUANG，GARY S SALES，BODO W.Rei+ nisch.Updating the IRI Electron Density Model Using Real+Time Data［C］／／26th Assembly of URSI，Toronto Canada，1999.

［10］劉瑞源，劉國(guó)華，吳健，等.中國(guó)地區(qū)電離層foF2重構(gòu)方法及其在短期預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2008，51（2）：300+306.

［11］WANG JIAN，F(xiàn)ENG XIAOZHE，CHENG LI.Basic MUF observation and comparison of HF radio frequency prediction based on different ionospheremodels［C］／／The 9th international symposium on antennas，propagation，and EM theory，Guangzhou，2010.

［12］王健，馮曉哲，趙紅梅，等.高頻頻率預(yù)測(cè)方法中國(guó)區(qū)域的精細(xì)化研究［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2013，56（6）：1797+1808.

［13］黃本宇.等值線圖繪制算法研究及實(shí)現(xiàn)［D］.西安：西安石油大學(xué)，2007.

［14］劉昆.中波廣播理論覆蓋計(jì)算和效果圖繪制的數(shù)字化研究［J］.機(jī)械與電子，2010，482+483.

［15］鄒浪，張廣利，常勇.短波廣播覆蓋預(yù)測(cè)管理軟件開(kāi)發(fā)［J］.廣播電視信息，2008（1）：1+3.

［16］王光磊，梁爽，電波傳播理論在短波廣播中的應(yīng)用［J］.廣播電視信息，2009：72+74.

王 璞（1981—），工程師，研究方向?yàn)殡婋x層斜向探測(cè)；

wangpu22s＠126.com

姬生云（1981—），高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡婋x層短期預(yù)報(bào)和頻譜感知數(shù)據(jù)融合；

王 ?。?979—），高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楣こ屉姴▊鞑ズ碗姶蓬l譜管理。

Analyzing M ethod for Short-wave Broadcasting Coverage Based on Oblique Sounding System

WANG Pu，JISheng+yun，WANG Jian
（China Research Institute of Radiowave Propagation，Shandong Qingdao 266107，China）

An analyzingmethod for broadcasting coverage based on oblique sounding system based on ob+ lique sounder is presented，which is featured by following characteristics：first，the critical frequency at the broadcasting circuitmidpoint is inversed from the oblique sounding data a based on simple empirical method；second，the critical frequency is reconstructed by geometric proportion weighted method；third，field strength of broadcasting circuit is calculated and the coverage is analyzed.By the simulation and a+ nalysis，the practicability of themethod is validated.It provides the important basis for design and per+ formance evaluation of short+wave broadcasting system.

oblique sounding；short+wave broadcast；coverage

TN934

：A

：1673+5692（2014）06+624+05

10.3969／j.issn.1673+5692.2014.06.014

2014+07+28

2014+09+11

電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（CEMEE2014K0101A）