于睿 向東蕾 何雯 趙佟萍

【摘 要】以ITU在Data Bank D1/1中發(fā)布的全球181條鏈路實測短波天波接收場強中值數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對VOACAP和ITU-REC533兩種預測軟件在不同計算參數(shù)配置和不同鏈路大圓距離情況下得出的接收場強月中值的準確度進行統(tǒng)計分析，得出預測誤差的范圍估計和基本特性，在此基礎(chǔ)上提出兩種算法軟件的選取原則、參數(shù)配置建議和預測結(jié)果的采信標準。

【關(guān)鍵詞】VOACAP REC533 短波通信 性能預測

中圖分類號：TN925 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010（2016）09-0073-08

1 引言

VOACAP（the Voice of America Coverage Analysis

Program）和ITU-REC533（International Telecommunica-

tion Union Recommendation 533）均是短波天波通信性能預測計算軟件，主要用于指導不同季節(jié)、不同太陽黑子活動、不同通信時段和地理位置的短波天波通信鏈路規(guī)劃與操作。

VOACAP是美國之音組織美國電信科學學會（ITS，Institute for Telecommunication Sciences）和海軍研究實驗室的技術(shù)專家對ITS于80年代發(fā)布的IONCAP（Ionospheric Communication Analysis and Prediction Program）軟件進行完善和修正后，于2001年首次發(fā)布的短波天波傳播性能預測軟件[1]。該軟件采用理論計算、經(jīng)驗公式和統(tǒng)計數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)配置和用戶選擇計算短波天波的傳播性能[2]。當前許多有關(guān)短波天波傳播的計算模塊都是以VOACAP為計算引擎，如瑞典薩博通信公司的WRAP、美國羅克韋爾柯林斯公司的PropMan-2000等。VOACAP在一定程度上被看作是短波天波通信性能預測的參考標準。本文中的有關(guān)數(shù)據(jù)通過ITS發(fā)布的VOACAP 09.1208W版本軟件進行計算獲得。

ITU-REC533是根據(jù)國際電信聯(lián)盟（ITU，Interna-

tional Telecommunications Union）的ITU-R P.533建議書編寫的短波天波通信性能預測計算軟件的統(tǒng)稱。REC533在計算原理、輸入?yún)?shù)和輸出數(shù)據(jù)上與VOACAP基本一致，只是在具體的計算模型和數(shù)據(jù)選擇上存在一定差異。ITU-R P.533建議書通過國際合作的方式完成，從1978年開始到2013年已經(jīng)發(fā)布了12個版本[3]。本文使用ITU網(wǎng)站上發(fā)布的根據(jù)2013年第12版建議書編寫的評估軟件進行有關(guān)計算。

針對在實際使用過程中，軟件計算結(jié)果與實際性能存在較大差異的問題，本文采用統(tǒng)計學方法，利用短波天波實測接收場強中值數(shù)據(jù)，對VOACAP和ITU-REC533中的接收場強月中值的準確度進行對比，分析兩款軟件的場強月中值預測準確度，討論軟件的選取原則、參數(shù)配置建議和預測結(jié)果的采信標準。

2 接收場強預測準確性對比計算

接收信號場強月中值預測準確性對比，按照ITU-R P.1148-1中的比較方法，以ITU發(fā)布的Data Bank D1/1數(shù)據(jù)為比較基準，使用VOACAP和REC533預測軟件，采用與實際測試一致的通信參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，計算接收信號場強，然后計算預測結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的差值的均值與標準差。

ITU-D1/1數(shù)據(jù)是短波天波場強估計領(lǐng)域數(shù)十年來國際合作取得的成果，于1989年1月正式發(fā)布[4]，主要包含1964～1985年的21年中分布在全球的68個短波臺站之間的82條地理路徑在181條通信鏈路上，每小時的短波天波通信信號場強實測值的月中值。數(shù)據(jù)在時間跨度上包含了近兩個太陽黑子周期，頻率涵蓋2.5—25.8 MHz范圍，共38 712個數(shù)據(jù)記錄。本文將D1/1中的數(shù)據(jù)進行處理，去除了無效的數(shù)據(jù)記錄，共得到16 268條記錄，每一條記錄都包含了進行場強預測計算所需要的基本數(shù)據(jù)，方便用于后續(xù)試驗。

2.1 預測軟件輸入?yún)?shù)

VOACAP和REC533軟件在預測計算時需要輸入的參數(shù)基本相同，主要包含發(fā)射機和接收機相關(guān)參數(shù)，以及時刻、通信系統(tǒng)、通信需求和計算的相關(guān)參數(shù)等。其中，發(fā)射機和接收機相關(guān)參數(shù)、時刻參數(shù)和頻率參數(shù)等數(shù)據(jù)可以從處理后的D1/1數(shù)據(jù)記錄中直接獲得。同時，根據(jù)D1/1數(shù)據(jù)歸一化的說明，設置發(fā)射功率為1 kW，收發(fā)天線均為0 dBi的全向點源，收發(fā)天線架設方位角均取0°，天線3D增益數(shù)據(jù)在所有的方位角和仰角上的增益均為1。根據(jù)文獻[5]中的建議，環(huán)境參數(shù)中的最小仰角設置為3°，路徑類型根據(jù)實際通信距離進行設置。

VOACAP需要特別說明的是電離層系數(shù)數(shù)據(jù)（Coefficients）和計算方法（Method）兩項參數(shù)。

Coefficients是全球電離層系數(shù)數(shù)據(jù)，用于控制點的電離層參數(shù)計算，有CCIR（Oslo）和URSI_88兩個選項。CCIR（Oslo）是ITU于1967年發(fā)布的數(shù)據(jù)，主要來源于美國和歐洲的電離層探測站在一個完整的電離層活動周期內(nèi)的探測結(jié)果，但是缺少海洋上空和南半球的數(shù)據(jù)。URSI_88是國際無線電聯(lián)盟（International Union of Radio Science）在CCIR（Oslo）數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用日本電離層探測衛(wèi)星和澳洲內(nèi)部及周邊電離層探測提供的數(shù)據(jù)，增補海洋與南半球數(shù)據(jù)后形成的電離層系數(shù)數(shù)據(jù)。在有關(guān)VOACAP軟件使用的文獻[6]、[7]和[8]中都提出URSI_88增加的數(shù)據(jù)與原來CCIR（Oslo）的數(shù)據(jù)不兼容，VOACAP在使用URSI_88的數(shù)據(jù)后可能出現(xiàn)錯誤結(jié)果，建議使用CCIR（Oslo）的數(shù)據(jù)。本文將對CCIR（Oslo）數(shù)據(jù)和URSI_88數(shù)據(jù)對VOACAP場強預測準確性的影響進行分析。

VOACAP通過計算方法（Method）參數(shù)確定需要計算的內(nèi)容及方法，共有30個計算任務可供選擇。本文將重點對“Method=20和Method=30”的情況進行對比分析[6]。當Method=20，若通信鏈路大圓距離（按：大圓距離（Great-circledistance）：從球面的一點A出發(fā)到達球面上另一點B，所經(jīng)過的最短路徑的長度。由于地球類似球體，因此地球上任何收發(fā)兩點沿球面的最短通信距離可以通過大圓距離的公式進行估算）小于10 000 km時，系統(tǒng)使用射線跳躍模型（ray-hop）；若通信鏈路大圓距離大于10 000 km時，系統(tǒng)使用波導/前向散射模型（ducted/forward-scatter）。當Method=30，在收發(fā)兩點大圓距離大于7000 km且小于10 000 km時，系統(tǒng)同時使用射線跳躍模型和波導/前向散射模型進行傳輸損耗計算，并通過與大圓距離相關(guān)的加權(quán)算法對兩個計算結(jié)果進行平滑處理，其余距離區(qū)間使用的計算模型與Method=20相同。Method=30解決了當Method=20時，在收發(fā)兩點大圓距離在10 000 km附近，由于使用兩種不同鏈路模型進行計算造成的數(shù)據(jù)不連續(xù)問題。

REC533的電離層系數(shù)數(shù)據(jù)需要通過指定數(shù)據(jù)文件的路徑來確定使用的數(shù)據(jù)來源。在ITU發(fā)布的軟件版本中，只提供了一套數(shù)據(jù)文件，沒有其他可供選擇。根據(jù)文獻[9]中的說明，REC533中的電離層系數(shù)數(shù)據(jù)與CCIR（Oslo）基本一致。REC533在計算鏈路性能時，當收發(fā)兩點之間的鏈路大圓距離小于7000 km時，采用與VOACAP類似的射線跳躍模型計算接收場強。當鏈路大圓距離大于9000 km時，通過計算最低可用頻（LUF）和最高可工作頻率（operational MUF），再利用經(jīng)驗公式計算出接收場強。當鏈路大圓距離在7000 km和9000 km之間時，采用上述兩種方法計算接收場強后進行平滑處理，其過程類似于VOACAP中Method=30的情況，但計算方法不同。

2.2 預測軟件輸出數(shù)據(jù)

VOACAP計算完成后輸出的計算結(jié)果包括接收信號場強中值（DBU）、最高可用頻率（MUF）和頻率反射概率（MUF_Day）等22個參數(shù)。除了從輸出文件中提取DBU值用于和實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行對比外，本文還提取了MUF_Day數(shù)據(jù)用于DBU值的準確性評估。

MUF_Day的定義是在指定月份的特定UTC時間，通信頻率低于最可靠傳播模式的最高可觀測頻率（MOF）的天數(shù)比例[6]。根據(jù)文獻[2]，VOACAP在傳播損耗計算中既包括電離層反射模式也包括散射模式，因此給出的接收場強中值包括了計算月份的所有天數(shù)的數(shù)據(jù)，而不僅僅是能夠進行反射通信的天數(shù)數(shù)據(jù)。這樣，按照文獻[5]中規(guī)定的比較流程，可以直接用計算獲得的DBU值與實測統(tǒng)計值進行比較，而不需要對DBU值做進一步處理。

REC533計算后的輸出參數(shù)種類與VOACAP基本一致，但沒有MUF_Day數(shù)據(jù)。雖然REC533沒有給出MUF_Day數(shù)據(jù)，但是提供了MUF的高/低十分位數(shù)數(shù)據(jù)?？梢栽诖嘶A(chǔ)上建立MOF的統(tǒng)計模型，從而計算出MUF_Day的數(shù)值。

2.3 對比計算過程與內(nèi)容

接收場強預測準確性對比計算過程分為數(shù)據(jù)計算和分類統(tǒng)計分析兩個過程。

在數(shù)據(jù)計算中，兩款預測軟件使用ITU-D1/1中的實驗環(huán)境和系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)通信性能計算。對于VOACAP軟件，直接讀取輸出文件的對應數(shù)值，將計算輸入條件、DBU、MUF_Day以及DBU與實測統(tǒng)計中值的差值（預測誤差）一并寫入數(shù)據(jù)記錄文件，為后續(xù)的統(tǒng)計分析提供基礎(chǔ)。在REC533的計算結(jié)果中沒有提供MUF_Day數(shù)據(jù)。為了比較方便，本文根據(jù)REC533計算結(jié)果中的MOF中值和分位數(shù)值，構(gòu)建了MOF的高斯概率分布模型，如式（1）所示：

根據(jù)式（1）和MUF_Day的定義，得到MUF_Day的計算公式（2）。在此基礎(chǔ)上計算得出MUF_Day的數(shù)值。這樣，VOACAP和REC533兩款軟件就可以生成結(jié)構(gòu)相同的數(shù)據(jù)記錄文件。

其中：δL=（MUF-MUF_L）/1.28，δH=（MUF_H- MUF）/1.28，MUF_L為月MOF低十分位數(shù)，MUF_H為月MOF高十分位數(shù)。

分類統(tǒng)計分析是按照文獻[5]中的分類方法，對兩個軟件計算得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，從頻率、大圓距離等7個方面計算預測誤差的均值和標準差，生成數(shù)據(jù)統(tǒng)計文件。

使用VOACAP軟件，在根據(jù)實際鏈路大圓距離選擇路徑類型設置條件下，對Coefficients取CCIR（Oslo）、URSI_88以及Method取20、30的共4種參數(shù)組合分別進行了數(shù)據(jù)計算。由于沒有更多的參數(shù)可供選擇，本文僅在根據(jù)實際鏈路大圓距離選擇路徑類型設置條件下，使用REC533軟件進行了數(shù)據(jù)計算。基于以上數(shù)據(jù)，本文根據(jù)MUF_Day的不同取值進行篩選后分別進行了分類統(tǒng)計分析。

3 數(shù)據(jù)分析

使用VOACAP和REC533軟件按ITU-D1/1中的實驗條件計算接收場強的預測結(jié)果，并按文獻[5]的分類方法對預測誤差進行分類統(tǒng)計。本文從應用的角度出發(fā)，只列出了對頻率和大圓距離的分類統(tǒng)計結(jié)果。從表1可見，VOACAP軟件的預測誤差在宏觀上表現(xiàn)出比較保守的特性（預測值低于實測值），具有隨頻率和大圓距離增加而增大的趨勢，并與Coefficients和Method的設置有關(guān)。而REC533軟件的預測誤差隨頻率和大圓距離變化的趨勢不明顯，表現(xiàn)出較隨機的特性?？傮w上看，REC533的預測誤差明顯小于VOACAP，但是在一定的頻率范圍和距離范圍上，VOACAP表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，如頻率低于5 MHz和大圓距離在2000～3000 km，因此需要更深入的對這兩種軟件的預測準確度進行對比分析。

3.1 MUF_Day對預測誤差的影響分析

VOACAP根據(jù)工作頻率與MOF的關(guān)系使用射線跳躍和散射兩種模型預測傳播損耗。工作頻率越高，超過MOF的概率也越大。根據(jù)文獻[6]，工作頻率在特定時刻的MUF_Day值反映了工作頻率低于MOF的概率，可以作為對VOACAP輸出數(shù)據(jù)進行篩選的條件。圖1是對生成表1的5組計算數(shù)據(jù)按MUF_Day大于等于橫坐標值篩選后的匯總統(tǒng)計結(jié)果。橫坐標是MUF_Day的值。

從圖1可以看出，VOACAP的計算結(jié)果在MUF_Day≥0.01后，預測誤差均值和標準差顯著下降，誤差均值的下降幅度超過3 dB，在大于0.05后趨于平穩(wěn)，并且隨MUF_Day的增大在一定程度上有所增加。相對于VOACAP而言，REC533的預測誤差對MUF_Day的變化不敏感，當MUF_Day≥0.9時，誤差開始顯著增加。

同時，使用MUF_Day數(shù)據(jù)對計算結(jié)果進行篩選會使統(tǒng)計計算的樣本數(shù)下降。在MUF_Day≤0.05時，樣本數(shù)量下降明顯。在此之后，樣本數(shù)隨MUF_Day的增加接近勻速下降。當MUF_Day=1時，樣本數(shù)小于5000，只有原來的30%左右。

以Coefficients=CCIR以及Method=30的VOACAP計算數(shù)據(jù)為例，按MUF_Day>0.05的規(guī)則對數(shù)據(jù)進行篩選。篩選前后預測誤差分布的直方圖如圖2所示?？梢钥吹絍OACAP的預測數(shù)據(jù)中存在較大數(shù)量的大誤差數(shù)據(jù)。當采用MUF_Day值對數(shù)據(jù)進行篩選時，誤差大于-35 dB的高誤差項明顯減少，大于±10 dB以上的誤差分布也變得更小，使整體預測誤差及標準差相對于篩選前得到明顯改善。

因此，對于VOACAP得到的計算結(jié)果，可以通過對應的MUF_Day數(shù)據(jù)來評估預測結(jié)果的準確性。根據(jù)圖1顯示出的變化趨勢，可以把MUF_Day>0.05作為對VOACAP預測數(shù)據(jù)準確性的一個判斷標準。當VOACAP給出的數(shù)據(jù)中MUF_Day>0.05，其信號場強預測結(jié)果的準確度較高。反之準確度將難以保證。對于REC533軟件則不存在這樣的數(shù)據(jù)篩選標準。

3.2 VOACAP中Coefficients與Method參數(shù)組合對預測誤差的影響分析

從表1的匯總行可以看到，在不同的Coeffi-cients和Method輸入?yún)?shù)組合下，VOACAP的預測誤差存在一定的變化。研究這兩種輸入?yún)?shù)分別對預測誤差的影響程度，取Coefficients={CCIR， URSI}和Method={20， 30}的4組排列組合數(shù)據(jù)進行可重復雙因素方差分析，顯著性水平設為α=0.05，結(jié)果如表2所示。

Method取不同的數(shù)值時，F(xiàn)值達到了185.913，遠大于統(tǒng)計顯著的臨界值3.84，對應的P值接近0，因此對預測誤差存在非常顯著的影響。從預測誤差的數(shù)據(jù)結(jié)果上看，Method=30比Method=20好。通過對比不同Method取值在表1大圓距離分類中的結(jié)果以及文獻[6]中對Method=20和Method=30時計算方法的說明，可以看到當大圓距離小于7000 km時兩種方法的計算結(jié)果是相同的。所以Method=30對預測性能的提升主要表現(xiàn)在大圓距離為7000 km以上鏈路的計算上。Coefficients取不同的數(shù)據(jù)時，F(xiàn)值也大于臨界值，說明參數(shù)的選取對預測誤差存在統(tǒng)計顯著的影響。但對應的P值只有0.0108，顯示出這種影響比較弱，遠沒有Method的影響大。反映Method和Coefficients兩個因素組合影響的F值為0.79，小于統(tǒng)計顯著的臨界值3.84，對應的P值為0.37，大于0.05的顯著水平設置，表現(xiàn)出Coefficients參數(shù)對預測誤差沒有統(tǒng)計顯著的影響。

因此，對于VOACAP軟件Method輸入?yún)?shù)取30是減小預測誤差的重要設置。對于Coefficients參數(shù)取URSI_88比CCIR（Oslo）略好。

3.3 VOACAP與REC533預測誤差對比分析

在上述分析的基礎(chǔ)上，將兩款軟件采用相同的電離層系數(shù)數(shù)據(jù)（CCIR）和條件篩選后的數(shù)據(jù)進行對比。其中篩選條件為MUF_Day>0.05，VOACAP軟件Method=30。圖3是按大圓距離分類統(tǒng)計得到的兩種軟件預測誤差對比。可以明顯地看到VOACAP軟件在大圓距離大于15 000 km時預測誤差迅速增大。在3000 km范圍內(nèi)，VOACAP計算數(shù)據(jù)的預測誤差遠小于REC533的預測誤差。

圖4是兩種軟件預測誤差隨大圓距離累積變化曲線。從圖中的誤差變化趨勢可以看出，VOACAP軟件在大圓距離大于16 000 km時預測誤差的均值超過REC533軟件，標準差存在臺階式的增長。REC533軟件在大圓距離小于5000 km時預測誤差的均值較高，然后隨大圓距離的增加趨于穩(wěn)定，大圓距離大于10 000 km后基本穩(wěn)定在2.5 dB左右。REC533軟件預測誤差的標準差基本不隨大圓距離發(fā)生變化。

綜合考慮預測誤差均值與標準差的變化趨勢，以16 000 km為界，將兩個軟件的計算數(shù)據(jù)進行分割，并分別繪制數(shù)據(jù)的直方圖，如圖5所示。從圖中可以看出，當需要進行接收場強預測的大圓距離在16 000 km以內(nèi)時，VOACAP和REC533都能給出較準確的結(jié)果，VOACAP略有優(yōu)勢。當大圓距離大于16 000 km后，VOACAP的預測誤差遠大于REC533，不推薦使用。同時，VOACAP的預測誤差主要集中在-35 dB范圍。這也可以看出在圖4中觀察到的大誤差分布主要由16 000 km以上的預測數(shù)據(jù)引起。REC533在16 000 km前后直方圖的形狀基本相同，均能夠提供較準確的預測。

4 結(jié)論

通過對ITU發(fā)布的D1/1數(shù)據(jù)進行格式化處理，使用VOACAP和REC533兩款軟件對接收場強進行預測計算，并將計算結(jié)果與實測統(tǒng)計結(jié)果進行對比分析，可以得出以下結(jié)論：