炮兵某型通信系統抗太陽活動干擾對策分析*

陳開余 羅小輝 周克勝

(解放軍炮兵學院 合肥 230031)

1 引言

該型通信系統的傳播方式有兩種(圖1所示):線路1是地波傳播,其傳播距離一般不超過100km;線路2是天波傳播,是指電波經高空電離層反射而到達地面接受點的一種傳播方式,其傳播距離可達數百千米或上千千米。

圖1 電波的傳播過程

天波傳播方式受到太陽活動干擾,本文將對晝夜變化、季節交替、太陽黑子和耀斑等現象影響進行分析,并提出相應對策。

2 夜間通信頻率應低于白天通信頻率

晝夜交替會引起電離層的變化。白天太陽升起時,劇烈的太陽輻射使大氣中的氧原子和氮原子失去電子,形成離子,進而形成電離層。電離層又分為4個離子層(圖2所示),分別是D層、E層、F1層和F2層。

圖2 電離層的分層

D層為吸收層,可以吸收電磁波,頻率越低,吸收作用越強,D層出現在太陽升起而消失于太陽落下之后,在地球上空約70km處。E層出現在太陽升起時,在中午電離達到最大值,而后逐漸減小,E層在地球上空約100km處。F1層只在白天存在,在地球上空約180km處。F2層為反射層,在地球上空 250～400km處,主要出現在白天,日落之后并不完全消失,夜間,殘留電離仍允許傳輸短波段,能夠傳輸的頻率比白天可用頻率低很多。

電離層對電波傳播的影響很大。該通信系統中天波通信頻率的選取,絕對不能超過電路的最高可用頻率(MUF,當收、發電波間的距離一定時,能夠使接收點落入跳距以外的可用頻率的上限稱為收、發信機之間路徑上的最高可用頻率),應在電路的最佳工作頻率(OWF,一般為0.85MUF左右)附近選擇。

確定最大可用頻率可以借助于光學中的折射定律(圖3所示)的方法確定。雖然電離層中的電子密度是不均勻的,但我們可以把電離層看作是由m個具有不同電子密度的薄層組成的,而每一層中電子密度是均勻的,電磁波在電離層中的傳播可以借助光學的折射定律來分析。

圖3 電波在電離層中傳播

由下至上分別是 N1,N2…Nm,且 0＜N1＜N2…＜Nm,根據光的折射定律可知:

式中:n分別是指折射系數,θ分別是指入射角和折射角。

在實際應用中n0=1,由式(1)可知:

我們把電離層分為m個均勻薄層,故電離層m層的折射系數為:

在極限條件下,入射線被全部反射,此時的電波頻率就是 fMUF(最大可用頻率)。當 sinθm=sinθ0/nm大于1時,發生全反射,發生全反射的條件是 sinθm=1 。

由式(5)可知,若 θ0一定,則 fMUF越高,要求Nm越大。當電離層最大電子密度Nmax小于該值時,電磁波不能被反射回來,而約穿透電離層。同理,若 fMUF一定,則 θ0越小,反射條件要求 Nm越大。當入射角θ0為 0°時,能反射回地面的電磁波的最高頻率fp是電子密度為Nm的電離層所對應的fMUF的最低值,fp也叫電離層的臨界頻率。

當Nm=Nmax時有:

因此,臨界頻率:

由上式可知:電離層的臨界頻率 fp只與電離層的最大電子密度Nmax有關。

在白天太陽升起后,D層將會吸收較低頻率的電波,而E層、F1層和F2層反射電波的能力增強,由式(7)可知:電離層的臨界頻率 fp最著增大。

在夜晚太陽落下以后,D層、E層、F1層消失,但是F2層在日落之后并不消失,由于其電子濃度較低,復合速度減慢以及黑暗數小時仍有粒子輻射,故殘留電離仍然存在。在夜間沒有了D層的吸收,殘留電離允許傳輸較低頻率的電波。由式(7)可知:電離層的臨界頻率隨著減小。

由此可知:白天電離層的臨界頻率 fp比晚上高。

圖4 MUF(最大可用頻率)與時間的關系

圖4也說明這點。圖中曲線是典型的電波遠距離24小時電離層最高可用頻率(MUF)的曲線,直線為通信過程中實際選擇的工作頻率圖中可知,下午的最高可用頻率達到30MHz以上,而夜間最高可用頻率最低只有8MHz左右。說明式(7)正確。

如果夜間仍然使用白天的頻率,其結果是電離層不足以反射電波,電波將傳出電離層,造成通信中斷。因此,在夜間使用該型通信系統,其工作頻率要低于白天的工作頻率。

3 夏冬兩季通信頻率應低于春秋兩季的頻率

地球四季交替變化是由于地球公轉形成的(圖5所示)。除去太陽黑子和耀斑等因素,可把太陽對外輻射看作是恒定值。地球接收到太陽的電磁輻射與地日距離相關,地日距離越近,輻射越強,電離層離子濃度越大;地日距離越遠,輻射越弱,電離層離子濃度越小。

圖5 地球公轉軌跡

r1和r3分別表示地球處于春秋兩季時與太陽之間的距離。r2和r4分別表示地球處于夏冬兩季時與太陽之間的距離。

圖5可知:r2＜r1＜r0,r2＜r3＜r0。在近日點,地球受到太陽的電磁輻射最強,但隨著地球夏季溫度顯著升高,根據PV=CT可知,地球電離層的體積將會顯著增大,從而導致夏季電離層中離子密度反而減小了,即:

在春秋兩季電離層允許通過的臨界頻率fp要比夏冬兩季高。因此,必須根據季節變化更換工作頻率,春秋兩季工作頻率的頻率要高于夏冬兩季。

4 太陽電磁輻射活動增強時應避免使用該型通信系統

太陽電磁輻射活動增強的表現主要是太陽黑子和耀斑。太陽黑子是太陽表面出現的相對較暗的斑點,由于黑子溫度相對較低,所以會形成暗淡色的黑斑,通常太陽表面黑子的生存時間不長,平均時間為24小時左右,少數大規模的黑子可長達數月之久。太陽黑子的活動周期有明顯的周期,大爆發一個周期大約為11年。太陽耀斑發生的時候一般分三次沖擊波,在不同的時候將對地球造成不同的影響,第一次沖擊波來自x射線和無線電波等電磁波,大約8分鐘后到達地球,會立即對面對太陽地區的通信造成影響;第二次沖擊波來自速度較慢的太陽質子流,會在幾十分鐘到幾個小時內到達地球,由于受地球磁場的影響,那些質子流影響高緯度地區的電離層,影響跨越極區的通信;第三次沖擊波來自速度更慢的帶電離子,大約一天以上才能到達地球,會干擾全球的電離層,影響全球范圍內的通信。

太陽地磁輻射活動增強會產生大量的離子流,對電離層產生劇烈的影響。據式(7)可知:電磁輻射使得電離層的臨界頻率 fp增強,同時,D層對電波會產生強烈的吸收作用,甚至會導致通信中斷。

因此,在太陽電磁輻射活動增強等太陽活動高峰期,應盡量避免使用該型通信系統進行通信。

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