短波天波傳播損耗預測的計算機仿真

攸 陽,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實現的。天波就是指從電離層反射或散射后回到地球表面的無線電波。天波傳播電離層反射信道屬于時變色散信道,具有時間、頻率和空間3種選擇性的衰落,其模型主要是基于實測與經驗(或修正經驗)的統計預測模型。

國外相關機構開發了幾種預測軟件,如IONCAP、ICEPAC和PropMan等,但其核心技術是不公開的,目前國內在短波工程上仍沿用的是以查圖查表手工計算為主的方法。本文利用CCIR模型,結合我國環境特點及地理信息,利用Matlab與數據庫的聯合編程技術,實現了短波傳播路徑損耗預測的全程計算機化。

1 預測模型選擇

為了能夠對短波傳播線路進行預測和計算,國際電信聯盟無線電通信大會(ITU-R)即原無線電咨詢委員會(CCIR)曾先后提出了3個獨立的估算短波天波場強的方法,即基于報告252、報告252補編和報告894的方法。本論文中采用的方法主要基于報告894方法。報告894方法包括2部分:頻率預測部分和場強計算部分。頻率預測部分是根據國際電信聯盟提供的Oslo系數,利用數字圖法求出電離層特性參數f0F2和m(3000)F2,以此得到相應的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);場強計算部分則考慮了各種傳輸損耗以及多徑效應,計算了接收區內信號的中值場強。盡管信號是由中值和瞬時值聯合表征的,在短波通信體系中,接收信號存在著嚴重的衰落,場強的瞬時值會隨著時間和空間的延續而快速起伏,這對于欲了解短波通信長時間穩定的場強情況,是不具備預測意義的,只有中值場強是一個唯一有效的表征量。在通常意義下,場強預測即指的是信號場強中值的預測。

根據CCIR的預測模型,短波天波傳播過程中的傳輸損耗主要分成5個部分: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;額外系統損耗Yp。

2 計算機實現

計算機實現主要包括數據庫的建立和計算程序的編寫2個步驟。

2.1 數據庫的建立

路徑損耗預測的計算機實現首先須具備數字化的地理信息與傳播參數。在無現成的基本參數圖表資料情況下,要通過計算來獲得;若有現成的基本參數圖表資料,可將其數字化。這些參數包括收發信地理位置、大圓路徑中點、磁旋頻率、太陽天頂角、太陽黑子數和反射地面情況等。最后獲得的數據要做成數據庫,以便為系統調用。在本文中,數據庫采用Acess制作。

獲取數字化的資料是計算機處理的前提和基礎,也是本文中要解決的一個重要問題。目前的有關短波電波傳播的參數數據都是記錄在紙上的一些曲線圖或者圖紙,要對這些資料重新處理,首先就要進行數字化。采取的辦法是對圖紙的掃描圖像進行數字交互式采樣,求出曲線上的坐標點。然后,在計算機上對數據曲線進行插值和曲線擬合,可恢復出原來的數字化的曲線,并達到很高的精度。在交互式采樣中,有多種程序設計工具選擇,Matlab工具箱提供了豐富的圖像輸入、處理及輸出函數,非常適合用于圖紙的數字化。

2.2 計算程序的編寫

計算程序是計算機實現的核心部分。通過程序調用數據庫,按照短波天波傳播的數學模型及算法,以Matlab語言為開發平臺,在機上完成損耗的預測及場強的估算,并輸出結果。其中的關鍵技術為:①覆蓋區域的網格化:要進行區域內的參數數據預處理和損耗及場強的計算,必須要將區域分成網格、逐點量化、數據逐個處理,這些都主要依靠Matlab強大的的矩陣運算和數據處理功能完成;②輸出結果的可視化:由Matlab語言強大的圖形繪制功能所支撐。計算出區域內所有點的場強值,進而畫出等值線分布圖等結果。

3 仿真結果

為說明算法的可靠性,給出了對一條固定通路和多接收點場強分布的仿真結果。

3.1 對一條固定通路的仿真

以北京-武漢短波通路為例,對一條基本參數已給出的固定通路進行計算。路徑基本參數為:通信時間為1月12:00(正午);太陽黑子數0;大圓路徑中點(115.1°E,34.0°N),太陽天頂角 55°,磁旋頻率1.32MHz。輸入功率26 dB(相對于1W),發射天線增益15 dBi。

經計算,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,輻射仰角很小,此時必須采用具有小角度輻射方向性的天線,具體對于短波天線,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,Lbf與工作頻率的關系如圖1所示,總的Lbf應由E層模式和F2層模式疊加。可以看出,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,因為它僅在有限的反射區域附近才顯得重要,而這是也是一種傳輸模式很快的轉到另一種傳輸模式的時候。由于本路徑內電波傳播只有一跳,因而無地面的反射損耗。

接收點場強中值結果如圖3所示。其中場強中值的計算結果做如下處理:如存在2個以上傳播模式的場強時,應選最大的一個做為接收天線輸入端的場強。因此,在上述計算中,應選1E模式作為到達接收天線輸入端的場強。

圖2 電離層吸收損耗

圖3 接收場強中值

3.2 多接收點場強分布的仿真

在實際通信工作中,對給定區域內每個接收點的場強中值進行估算,是一項非常耗時且費力的工作,且結果不夠清晰、直觀。但用常規方法要完全分析和整理這些數據,尋找出相應的場強變化規律是十分困難的,實現計算結果的可視化成為關鍵的因素。利用Matlab數據可視化技術,對短波線路計算結果進行可視化處理,可以得到給定天線覆蓋區域每點場強大小的預測值。

基本參數設置為:雙極天線作為發射天線;架設高度12 m,單臂長 10 m;工作頻率 15 MHz;時間為1月10:00;太陽黑子數100;輸入功率 1.6 kW;饋線損耗1.2 dB,輻射效率80%,發射天線位置是東經116.4°,北緯 39.9°(北京);最大輻射對正北的指向是0°(天線最大輻射方向對著正北)。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 天線覆蓋區場強中值

3.3 檢驗

實際情況中,由于電離層和氣象等不可估計的影響,電波傳播會出現各種變化,與預測值可能有一定的差距。受實驗條件的限制,本文尚不具備能夠進行場強實際測量的條件,但可以將仿真輸出的結果與專家經驗計算數據相比較,比較結果可信度較高能夠滿足工程計算和仿真的需要。

4 結束語

本文對短波天波傳播損耗預測的全計算機化處理軟件,可以為短波通信臺站最優化設計、通信網絡規劃及通信的決策支持、宏觀管理提供有力的依據。對于其他波段,仍可參照本論文的思想方法進行建模和仿真。

進一步的工作可以考慮:①如條件允許,應在實測的基礎上對模型進行相應的改進;②精算精度仍有提高的余地,如將覆蓋區域網格化更細,考慮更多的電波損耗等(但過高的精度已無必要,因為短波信道本身就是隨參信道,隨機性變化通常比較大)。將以上因素考慮進去,將為今后的短波通信工作提供更加完美的仿真與計算環境。

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