一種基于飛行試驗的短波通信頻點預測方法研究

譚馨 林剛

中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089

引言

機載短波通信作為現代飛機CNI（通信/導航/識別）系統的重要組成部分[1]，在軍用和民用航空通信中有著舉足輕重的地位。通過飛行試驗驗證機載短波通信是否滿足指標要求是唯一最接近實戰的手段，比通常的試驗室仿真和測試可信度大大提高。故而設計合理的試飛方法以達到對短波通信系統的性能進行評估至關重要。文中根據短波試飛的需要，提出了一種短波頻點預測方法。

短波通信是實現超視距通信的重要手段。短波工作頻率是影響通信距離的關鍵因素[2]。在實際飛行試驗中，發現距離越近所需的頻點越低，故需要明確頻點和作用距離的具體關系。

在理論分析的基礎上，使用適宜方法預先確定特定兩地的最佳通信頻點，直接關系到試飛的話音和數傳質量以及作用距離。所以了解一天中相應時段哪些頻點是最佳頻點就顯得尤為重要。在以往的試驗中，我們都是憑經驗選頻點或者沿用前人飛過的頻點，可以說是很粗略的選取。如果要在兩地之間實現短波通信，需要使用大量的時間來試驗大量的頻點，從而選出幾個效果較好的頻點，而短波通信又與時段和電磁環境有很大的關系，經常存在上午選擇好的頻點下午又無法通信，有時甚至是剛選好就無法通信，致使短波通信試驗效率低下。所以，頻點的選擇是機載短波通信的關鍵。

1 頻點和作用距離的關系分析

1.1 電離層對短波作用距離的影響

短波天波通信是靠電離層反射實現的。對于每一條無線電路來說，可以應用的頻率不是整個的短波波段，而僅僅是它的一部分，即所謂該電路的工作頻率。若頻率太高，雖然電離層的吸收較小，但無線電波容易穿出電離層，不能反射回接收點；若工作頻率太低，電離層吸收增大，以致不能保證必須的信噪比[3]。

短波經過電離層傳播的傳輸損耗主要是自由空間的傳輸損耗[2]， 的定義是兩個理想電源天線(收、發天線增益都等于1，發射機到天線和接收機到天線的信號無衰減)在自由空間傳輸和接收無線電波時產生的損耗，短波信號在傳播距離上的衰減情況如式（1）所示，反應了短波頻率與作用距離的關系。

又可表示為

式中，Lbf—自由空間傳輸損耗； d—作用距離； f—短波頻率；λ—短波波長。

對于一定的頻率，電波一般可以由兩條路徑反射回來。以高仰角傳播的波在電離層電子濃度較大處反射，一跳的傳播距離近；以低仰角傳播的波在電離層較低部分電子濃度較小處反射，一跳的傳播距離遠。不同仰角時電波的軌跡如圖1所示。

圖1 不同仰角時電波的軌跡

1.2 短波的最高可用頻率分析

當短波頻率逐漸增大時，圖1中的高角波與低角波兩條軌跡逐漸重合，此時相應的頻率稱為這一距離的最高可用頻率fMUF[4]。通信距離和fMUF的關系如圖2所示。

一定通信距離的最高可用頻率由式（3）表示:

式中，

fMUFE(d)為地面距離為d的最高可用頻率；fc(E)為E層的臨界頻率。 i100為射線入射角，β為射線初始仰角。可見入射角越大，最高可用頻率越高，傳播距離越遠。

由圖2可以看出，對于一定的仰角和同樣的電離層狀況來說，通信距離近的最高可用頻率低，隨著頻率的增高，電波反射后所到達的距離越遠。

圖2 不同通信距離fMUF的晝夜變化

1.3 寂靜區對短波通信距離的影響

由于當通信距離小于200km時，短波利用地波傳播；當大于200km時，利用天波傳播，這樣就造成了短波通信存在一個寂靜區[5]。寂靜區的形成是由于在短波傳播中，地波衰減很快，在離開發射機不太遠的地點就無法接收到地波，而電離層對一定頻率的電波反射只能在一定距離以外才能收到。這樣就形成了既收不到地波又收不到天波的寂靜區。如圖3所示。

顯然，圖3所示的寂靜區的大小決定于其內半徑r1和外半徑r2。當頻率增加時，地波衰減增加，r1就減小。為了保證電波能從電離層反射回來，隨著頻率的增高，反射的仰角應減小，因此r2較大。為了保障300km以內的近距離通信，一般使用較低頻率和高射天線(能量大部分向高仰角方向輻射的天線)，以解決寂靜區問題。

圖3 天線無方向性時短波傳播的寂靜區

2 通信頻點預測及試驗結果

鑒于前文分析，頻點是影響通信距離的關鍵因素，實現可靠的頻點預測對于提高飛行試驗的效率有重要意義[6]，直接關系到試飛的話音和數傳質量以及作用距離。所以了解一天中相應時段哪些頻點是最佳頻點就顯得尤為重要。在以往的試飛中，我們都是憑經驗選頻點或者沿用前人飛過的頻點，可以說是很粗略的選取。在地面聯試和飛行時需要使用大量的時間來試驗大量的頻點，從而選出幾個效果較好的頻點，而短波通信又與時段和電磁環境有很大的關系，經常存在上午聯試好的頻點正常加載后，下午飛行時又無法通信；有時甚至是剛聯試好飛行時就無法通信，致使在試飛中出現無效架次和重復地面聯試，浪費人力和財力。

本文通過理論分析和軟件輔助計算，可以得到具體某一天各個時段的最佳頻點，由于實際情況和理論值有一定的差異，在實際工作中結合聯試經驗對結果進行修正，給短波通信系統試飛提供了較為可靠的依據。

選用短波通信工作頻點時，應盡量接近電波能反射回的最高可用頻率(MUF) ，根據實際經驗，通常選取最高可用頻率的80%～90%作為工作頻率[7]。這樣，一方面避免了當電離層變化時電波有穿過電離層的可能；另一方面，頻率若取得太高，電波深入反射層的距離加大，有時反而使吸收損耗加大。

通過軟件輔助計算，輸入從互聯網上獲得的當日北京天文臺發布的太陽輻射通量和K指數(單個臺站三小時內地磁擾動強度的指數，稱為三小時磁情指數)及目標地的經緯度就可以算出兩地之間一天內的短波通信建議頻點。

飛機在試飛中要轉場海南，計劃在轉場中進行短波電臺遠距離試飛。試飛中保障的地面電臺為1000W，假設頻點選擇10MHz，由式（1）可得，信號在信道傳播中的傳播衰減值變為117.64 dB。由式（2）得到對應的有效通信距離約為1819.33km。閻良和海南三亞的距離為1828km，與前文2.1中分析的作用距離非常接近，滿足航線選擇的距離要求。

在互聯網上找到9月11日至9月18日這8天的太陽輻射通量和地磁指數K，如表1所示。

表1 太陽輻射通量和地磁指數K

下面來計算2009年9月15日閻良(N34.64°、E109.24°) 和三亞 (N18.5°、E109. 08°) 之間短波電臺通信時可用的頻點，計算結果見圖4和圖5。

圖4 9月15日全天各時段短波通信最高可用頻率

圖4是一天之中每個時段的最高可用頻點。可見上午時段的最高可用頻率低，下午時段有所升高。在飛行試驗中，需要根據試驗時間合理的改變所選通信頻點；圖5表示了各個頻點在各個時段的可用性百分數以及傳播過程中的信噪比。

圖5 傳播路徑上各頻點的信噪比和可用性

圖5中，A代表可用性是75%～100%；B代表可用性是50%～75%；C代表可用性是25%～50%；D代表可用性是1%～25%。根據圖5所得結果，一天之中一直適用的頻點是6MHz-12MHz之間，白天時段較為適用的頻點是3MHz-12MHz，其中3.6MHz和7.1MHz左右的適用性是A，即75%～100%；夜間時段較為適用的頻點是6MHz-15MHz，比白天相對要高一些，最佳頻點在14MHz左右，因為14.1MHz和7.1MHz雖然可用性都是A，但是14.1MHz的信噪比要高。

考慮到當天的天氣和做試驗的時間情況，我們發現原來任務單上的頻點明顯偏高，所以對原來的短波定頻模式下午時段中的不適合頻點進行了修改，如表2所示：

表2 對頻點所做的修改

修改之后效果良好，話音質量4級以上。

3 結束語

本文應用短波通信理論分析了短波頻率與通信距離的關系，以及對短波通信距離的影響因素。又因為解決頻點問題的需要，提出了一種預測頻點的方法，方法首先確定一定距離下相應時刻的最高可用頻率；再對各頻點在各時段的可用性百分數以及傳播過程中的信噪比進行分析，綜合比對預測出通信質量較好的頻點。并通過試驗證明了該方法的可行性。在后續某型直升機短波遠距離數據通信試飛和其他型號短波通信試飛中有著良好的應用。

[1]江學明，徐武軍，白永生.現代飛機CNI系統飛行試驗技術.飛行試驗，2004；20（1）：9-14

[2]張瑜，高霞.低空目標電波折射距離誤差的簡便算法.現代雷達，1999；21（3）：29-34

[3]李崇.淺談低空大氣層對電波傳播的影響.中國水運，2007；6：87

[4]張瑜. 電磁波空間傳播. 西安：西安電子科技大學出版社，2007：151-163

[5]江長蔭，王被德. 機載與星載雷達的電波傳播大氣折射修正. 中國科學，2001；31(1) ：19-27

[6]Paulo H. Iscold Andrade de Oliveira，Frederico Mol A. S.Development of Light Aircraft Flight Test Equipment. AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference and Exhibit 21-24 August 2006, Colorado. AIAA 2006-6004

[7]姚彥茹, 袁冬 , 趙大勇.短波自適應跳頻通信抗干擾技術研究.信息技術，2006；6：92-94