一種基于飛行試驗的短波通信頻率預測方法

譚 馨，林 剛

（中國飛行試驗研究院，陜西西安710089）

0 引言

雖然JIDS和衛星通信等新型通信方式不斷涌現，機載短波通信在遠距通信中仍占有重要的地位[1]。鑒于試驗室仿真和測試總是難以擺脫紙上談兵的潛在嫌疑，提出運用飛行試驗實際對機載短波通信進行功能和性能的考核，真實飛行得出的對短波通信評估的可信度與實戰最為接近。合理高效的試飛方法是進行飛行試驗的基礎，根據短波通信試飛的技術特點，提出了一種短波頻率預測方法。

在戰爭中，當衛星被打掉，又超出超短波通信距離時，短波通信就成為超視距通信的重要甚至是唯一的手段。短波的通信距離主要受到通信頻率的影響[2]。在實際飛行試驗中，需要明確頻率和通信距離之間的關系。

通過合理的技術方法預先得到被試兩地的優勢通信頻率，直接決定試飛的短波話音、數據通信的質量以及通信距離。頻率頻率在傳統的試驗中，都是憑經驗選頻率，致使短波通信試驗一直效率低下。所以，頻率的選取是機載短波通信飛行試驗和實戰應用的關鍵。

1 頻率和通信距離的關系分析

1.1 電離層對短波通信距離的影響

短波通信是利用電離層反射實現的。由于電離層不會被摧毀，短波通信是其他通信方式不可替代的。對于無線電路來說，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，即所謂的工作頻率。若頻率太高，雖然傳播的吸收損耗小，但電波易穿出電離層，無法反射至接收點;若工作頻率太低，吸收損耗增大，致使無法保證通信所需的信噪比[3]。

短波傳輸損耗主要是自由空間傳輸損耗Lbf[2]，Lbf是2個理想的電源天線在自由空間傳播和接收無線電波時產生的損耗，短波在傳播路徑上的衰減如式（1）所示，反應了短波頻率與通信距離的關系。

又可表示為:

式中，Lbf為自由空間傳輸損耗;d為通信距離;f為短波頻率;λ為短波波長。

頻率一定時，電波主要由2條路徑反射回來。仰角高波在電離層濃度較大處反射，一跳的距離近;低仰角波在較低處反射，電離層電子濃度小，一跳的傳播距離遠。不同仰角時信號的軌跡如圖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

當短波頻率升高時，圖1中的高仰角和低仰角波的軌跡趨于重合，此時相應的頻率就是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。

相應通信距離的fMUF由公式（3）表示:

式中，i100=arcsin（0.985cosβ），fMUFE（d）為兩地距離為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為初始入射仰角。由圖2可以看出，入射角小最高可用頻率低，最高可用頻率隨入射角增大而升高，，從而傳播路徑越遠。

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

200km對于短波通信來說是個臨界距離:小于200km時，地波傳播;大于200km時，天波傳播，這樣就形成了一個短波通信的寂靜區[5，6]。如圖3所示，寂靜區的形成是由于地波衰減較快，傳播距離較近處就無法接收到地波，而相應頻率的電波只能在一定距離外才能收到。

圖3 天線無方向性時短波傳播的寂靜區

由圖3可知，寂靜區的范圍取決于內半徑r1和外半徑r2[7]。當頻率升高時，地波衰減增大，r1就減小。為了使電離層將電波反射回來，隨著頻率的增高，反射的仰角就要減小，所以r2較大。

2 通信頻率預測及試驗結果

頻率是影響通信距離的關鍵因素，實現可靠的頻率預測對于提高飛行試驗的效率有重要意義[8，9]。將傳統的選頻方法與提出的預測方法進行比較，結果如表1所示。

表1 2種方法優劣比較

選用短波通信工作頻率時，應該盡量接近電波能反射回地面的最高可用頻率（MUF），通常選取MUF的80%～90%作為通信頻率[10]。這樣，既避免了當電離層變化時電波穿過電離層的可能;又防止若頻率取得太高，電波深入反射層使吸收損耗加大。

通過軟件輔助計算[11]，將從互聯網上獲得的，當天北京天文臺發布的太陽輻射通量（Flux）和K指數（單個臺站3小時內地磁擾動強度的指數，稱為3h磁情指數[12]）及目標地的經緯度輸入就可以得出一天內兩地之間的短波通信適宜頻率。

短波通信是一種遠距通信方式。試驗中將該飛行試驗的航路設計為閻良到海南陵水。試飛中采用了1000W的短波電臺作為地面通信終端，假定頻率選擇10MHz，由式（1）得出，信號在航路上傳播的傳播衰減為117.64dB。由式（2）可得相應有效作用距離約為1819.33km。閻良和海南陵水的距離為1828km，與上面分析的通信距離非常接近，滿足航線的距離要求。

在互聯網上找到12月17日至12月23日這7天的太陽輻射通量和地磁指數K，如表2所示。

表2 太陽輻射通量和地磁指數K

計算2010年12月20日閻良（N34.64°、E109.24°）和三亞陵水（N18.5°、E109.08°）之間短波電臺通信時可用的頻率，計算結果如圖4和圖5所示。圖中上方TERMINAL表示地點，Sunrise/Set表示日出/日落時間，A Bearing to B表示以A點為軸心，B點在逆時針方向上偏離正北方向的角度，SSN是太陽黑子數，Flux是太陽輻射通量，K是3小時磁情指數，Path Length是兩地距離。

圖4是一天之中各時段的最高可用頻率。可見正午之前的最高可用頻率低，正午之后有所升高。在飛行試驗中，根據試驗時間合理地改變所選通信頻率即可;圖5表示了各個頻率在各個時段的可用性百分比，以及在傳播路徑上的信噪比。

對于圖5的注釋如表3所示。

圖4 12月20日全天各時段短波通信最高可用頻率fMUF（MHz）

圖5 傳播路徑上各頻率的信噪比和可用性

表3 對于圖5的注釋

根據圖5所得結果，夜間時段較為適用的頻率比白天要高，最佳頻率在14MHz左右，因為雖然14.1MHz和7.1MHz可用性都為A，但14.1MHz的信噪比較高。考慮到試驗的氣象和時段，發現原定的試驗的頻率明顯偏高，將原來的短波定頻模式下午時段中的頻率進行了修改，如表4所示。修改之后超視距通信效果良好，話音質量3級以上[13]。

表4 對頻率所做的修改

3 結束語

運用短波通信理論研究了短波頻率與通信距離的關系，分析了影響短波通信距離的因素。又因為解決頻率問題的需要，提出了一種預測頻率的方法，方法首先確定了相應距離和時刻的最高可用頻率（MUF）;再對各頻率在一天中不同時段的可用性百分比以及信噪比進行分析，綜合評價預測出通信質量較好的頻率。并通過飛行試驗驗證了該方法在工程上的可行性。在后續某型直升機短波遠距數傳試飛和某型預警機短波遠距離通信試飛中有著良好的應用。

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