粗糙海面短波地波通信鏈路分析與計算

王玉玨

(92232部隊,北京 100161)

摘　要：為評估沿粗糙海面傳播的短波地波通信性能，研究了不同海況下的地波傳播衰減因子。將短波地波傳播模型與天線仿真技術相結合，在地波場強的計算中充分考慮實際艦載鞭天線的增益、方向圖和輻射效率等參數；并介紹了大氣噪聲，對粗糙海面短波通信接收點處的信噪比進行計算；最后，給出了臨海四地短波通信測試結果。無線信道試驗表明，海面短波地波傳播理論計算與外場試驗結果基本一致。

關鍵詞：地波傳播；粗糙海面；鞭天線；信噪比

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.010

粗糙海面短波地波通信鏈路分析與計算

王玉玨

(92232部隊,北京 100161)

摘要：為評估沿粗糙海面傳播的短波地波通信性能，研究了不同海況下的地波傳播衰減因子。將短波地波傳播模型與天線仿真技術相結合，在地波場強的計算中充分考慮實際艦載鞭天線的增益、方向圖和輻射效率等參數；并介紹了大氣噪聲，對粗糙海面短波通信接收點處的信噪比進行計算；最后，給出了臨海四地短波通信測試結果。無線信道試驗表明，海面短波地波傳播理論計算與外場試驗結果基本一致。

關鍵詞：地波傳播；粗糙海面；鞭天線；信噪比

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.010

收稿日期：2015-01-07；修回日期：2015-04-18Received date:2015-01-07；Revised date：2015-04-18

中圖分類號：TN91

文獻標志碼：碼：A

文章編號：號：1002-0802(2015)06-0677-05

Abstract：In order to evaluate the real ability of HF ground-wave communication system over rough sea-face, the ground wave attenuation factors under various sea conditions are studied. In combination of shipboard whip antenna modeling technology with HF ground-wave propagation model, the modeling results of directivity property, the radiation efficiency as well as the measured gains are introduced into HF ground-wave propagation computation formula. Atmosphere yawp intensity notion is given, and representative SNR value of the shortwave communication over rough sea-face also calculated. The calculation of SNR is of great significance in improving shortwave communication efficiency. Finally, HF communication result of the four different near-the-sea places is presented. Experiment on wireless channel indicates that the theoretical calculation of HF ground-wave propagation is basically consistent with the result of outfield test.

作者簡介：

Analysis and Calculation of HF Ground-Wave of Communication

Link over Rough Sea-Surface

WANG Yu-jue

(Unit 92232 of PLA, Beijing 100161, China)

Key words：ground-wave propagation; rough sea-face; whip antenna; signal-to-noise ratio

0引言

短波通信具有抗毀性好、設備簡單、抗干擾性好、造價低廉和使用方便等優點，被廣泛用于軍事、氣象、商業等部門[1]。短波通信也是海上通信的重要手段，特別是中近距離、小業務量的通信很適合利用地波方式進行保障。由于海上氣候條件變化較快和隨機噪聲的干擾，短波信號在傳播過程中并不穩定。因而分析海面短波通信鏈路的質量和接收點處信號場強的計算方法，研究接收處信噪比以衡量通信質量，對短波通信性能做出評估，具有理論意義和現實價值。

由于短波地波傳播方式具有受天氣、晝夜及季節變化的影響小等優點，廣泛應用于艦船之間近距離通信。對于艦船短波通信而言，活動區域以海面為主，文獻[2-3]中對在光滑均勻海面條件下的地波傳播可通性進行了分析，但在海面風、海水重力和表面張力的相互作用下，海面傳播條件是隨機粗糙的，國外上世紀七十年代就出現了對沿粗糙海面短波地波傳播與衰減的研究成果[4-5]。文獻[6]針對短波通信特點，構建基于信噪比估算的通信模型。此外，實際艦船應用環境中，易于安裝的短波全向鞭天線為保證阻抗寬帶性和低駐波比[7]，需加載到天線上，導致天線的實際通信能力與理論分析的結果有一定差別。

本文通過對隨機粗糙海面情況下的地波傳播和衰減分析，結合實際艦載鞭天線的輻射效率和饋線傳輸能力，對粗糙海面近距離短波地波通信接收點處場強和信噪比進行計算和深入分析，為評估海面艦艇間有效通信提供了理論依據。

1海上地波傳播計算

1.1光滑海面地波場強計算

短波通信主要有天波傳播和地波傳播兩種方式，海上近距離的艦艇通信中主要依賴地波傳播方式。近距離(不考慮地球曲率)光滑海面條件下，僅考慮自由空間傳播中引起的電波衰減和海面對電波的吸收，因而接收場強(mV/m)可表示為：

(1)

式中，A為大地損耗引起的衰減因子，Pr為輻射功率(kW)，D為傳播方向天線的增益系數，r為通信距離(km)。由此可知，近距離地波傳播接收場強值為自由空間電波傳播接收場強乘上一個衰減因子。對于衰減因子的計算，需要考慮傳播距離以及評估地球曲率的影響。臨界距離由下式給出：

dcr=80f-1/3

(2)

當地表面波的傳播距離不超過上述應用范圍時，可以采用近似公式進行衰減因計算。

(3)

式中，輔助參量x稱為數量距離，其計算公式為：

(4)

式中，εr和σ分別為地表面的相對介電常數和電導率。當地表面波的傳播距離超過臨界距離時，必須考慮地球曲率的影響，此時地波場強需采用繞射公式進行計算，即：

(5)

(6)

(7)

以上地波場強計算是在基于均勻光滑海面假設下進行的，但是實際環境中，海面實際狀態是隨機粗糙的，需要對地波傳播衰減因子進行深入研究，為海面短波地波通信的工程應用提供基礎。

1.2粗糙海面地波衰減因子

海面的粗糙程度主要是由風引起的。通常有兩大類海浪狀態：充分發展的海浪和涌浪。Philips各向同性海浪譜解決了由風速U(m/s)產生的充分發展的海浪，本文針對四級海況進行粗糙海面地波衰減因子的計算。表1給出了在四級海況條件下的風速、風力級和采用Phillips海浪譜計算的海浪均方高度等參數。

表1　四級海況下風速、風力和海浪均方高度等參數

粗糙海面相對于均勻光滑海面的地波傳播疊加了衰減因子As，As與海面通信距離、通信頻率及海況條件相關[9-10]。對于均勻光滑海面的地波衰減因子A和粗糙海面的地波衰減因子Ap有如下關系：

As=Ap-A

(8)

圖1給出了在四級海況下發射和接收同在海面上，不同距離時的地波衰減因子與頻率的關系。

圖1粗糙海面附加地波衰減因子

由圖1可以看出，粗糙海面地泊傳播的近端與遠界，低頻段的傳播特性相近，隨著頻率的增高，附加衰減會迅速增大。

2鞭天線性能

理想天線性能不會隨頻率變化而變化，但在艦船間的短波地波通信鏈路中，天線性能受頻率變化的影響。實際通信中艦載鞭天線為保證整個頻段內的寬帶性能要求，需要在天線上和天線根部同時加載。在短波地波通信鏈路分析中，需要對此類天線進行性能評估。艦載鞭天線形式如圖2所示。

圖2　短波雙加載單鞭天線示意

圖2是一種10 m的艦用單鞭天線短波寬帶天線，在天線上部接入一個由電阻和電感并聯的復阻抗，在天線根部和匹配器之間再加入一個由電阻、電感和電容并聯的復阻抗，可將之看作一個預匹配器。該雙負載單鞭天線的增益和效率可以采用矩量法進行計算，其結果如圖3所示。

圖3　10 m雙加載單鞭天線效率及水平方向增益

由圖3可以看出，在低頻段，由于預匹配器在最低端消耗了大量功率，致使天線在低端的效率和增益很低；隨著頻率的升高，天線的增益和效率迅速提升。此外，在頻率達到高端時(大于20 MHz時)，增益值反而下降，并在26 MHz處達到最低點，這是因為在該頻段，天線的最大輻射方向已經不在水平方向了[11]。

考慮實際天線參數的影響，結合艦載鞭天線仿真性能，對海面短波地波通信的計算和分析，可較為真實地反映艦艇近距離短波地波通信情況，其結果將在后文中給出。

3大氣噪聲

短波通信接收情況的好壞主要取決于信噪比，自然條件下短波通信的外部噪聲主要有宇宙噪聲、大氣噪聲和工業噪聲。對于海面短波通信，宇宙干擾和工業噪聲均較小，這里不予考慮。作為海上短波通信的主要噪聲源，大氣噪聲主要由雷電引起，并隨頻率、時間、季節、地理位置以及氣候變化而變化。

目前，CCIR322報告[12]和ITU-R P.372-8推薦書[13]提供了一套全球大氣噪聲分布圖，因而工程上常采用此方法通過查圖估算出大氣噪聲計算公式中的各個參數。大氣無線電噪聲強度En(dBuV/m)有效計算公式如下：

En=Fa+10lgB+20lgf-96.8

(9)

式中，B為接收機的有效噪聲帶寬(Hz)，f為工作頻率(MHz)，Fa大氣無線電有效噪聲系數(dB)，計算如下：

(10)

式中，Fam為時區內大氣無線電噪聲系數Fa的中值，Du為時區內無線電噪聲系數Fa的上十分位值；σFam為Fam的標準差，σDu為Du的標準偏差。以上4個參數可通過CCIR322報告給出的世界無線電噪聲分布圖查得。

根據CCIR322報告，以我國南海附近海域坐標北緯20°和東經115°為例，有效噪聲帶寬為25 kHz，選擇大氣噪聲最大的夏季進行分析，在工程應用中通常是以統計形式取其季時段的中值來進行計算。大氣噪聲的值如表2所示。

表2　夏季不同頻率下大氣噪聲(北緯20°東經115°處)

由表2可知，大氣噪聲隨著頻率的增加和遠離雷區而降低。

4計算結果與分析

4.1天線對地波傳播的影響

在地波場強的計算中，不同于理想天線的性能參數恒定，實際天線增益和輻射效率隨著工作頻率的變化而變化。結合前文中對10 m雙負載單鞭天線性能參數的仿真結果，對艦載鞭天線在粗糙海面上不同參數條件下的地波通信鏈路進行分析和計算，考慮輻射效率和饋線損耗，其中發射機輸出功率為1 kW，海面相對介電常數εr=80，電導率σ=4 Ω/m。仿真計算出距離為30 km、100 km時粗糙海面上接收點場強與頻率之間的關系，其結果如圖4所示。

圖4　不同通信距離下粗糙海面接收點場強與頻率的關系

由圖4可見，由于輻射效率和天線饋線損耗等因素的影響，接收點實際場強比理想天線情況下低，尤其在低頻端，工作頻率為3 MHz時，理想天線與實際天線的地波場強相差近12 dB。

與理想天線接收場強隨工作頻率增加而減小的趨勢不同，鞭天線在實際通信時存在一個最佳工作頻率范圍。通信距離為30 km時，5～12 MHz頻率范圍內信號較強；通信距離為100 km時，4～8 MHz頻率范圍為最佳工作頻段。由此可知，最佳工作頻率隨通信距離增加而降低，工作頻段寬度隨通信距離增加而降低。這表明盡管在低頻段天線輻射效率和饋線傳輸效率較低，但由于地波衰減隨頻率增加也迅速增加，因此較低的工作頻率是實際工程中的首選。

4.2粗糙海面地波通信信噪比估算

以上仿真給出了實際天線下粗糙海面短波通信地波場強的有效值，由于信噪比是衡量短波通信效能和電路設計的主要指標，因此對接收點處的信噪比的計算尤為重要。接收點處的信噪比SNR(dB)可以表示為：

SNR=E-En

(11)

式中，E為接收點處地波電場強度(實際天線條件下)，En為大氣噪聲場強。利用前文的計算結果，可以得到粗糙海面近距離地波通信接收點處的信噪比如圖5所示。

圖5不同距離時接收點處信噪比與頻率關系

由圖5可知，在同一頻率上，由于地波場強隨著通信距離的增加而降低，接收點處的信噪比隨著距離的增加而降低；在同一距離上，信噪比隨著工作頻率的增加而增加，由于大氣噪聲受頻率增加而降低的幅度遠大于地波場強降低的幅度。實際通信中接收點處的信噪比需要大于系統本身要求的最低信噪比。例如在上述粗糙海面地波通信中，要求在200 km處接收信噪比不低于5 dB，那么系統的可通頻段可選在5～30 MHz。

5短波無線信道試驗實測數據統計

對短波海面波傳播效果進行了四地通信試驗，通信距離為100～200 km，電臺最大發射功率為1 kw。

由表3知，節點2和節點4與節點1的通信距離分別為120 km和190 km，在考慮相同的大氣噪聲和天線性能前提下，根據短波海面波衰減理論計算的2發1收與4發1收接收信號場強差值約為5 dB；由圖6柱狀圖知，2發1收的接收信噪比為13～15 dB，而4發1收的接收信噪比為9～13 dB，相差4～6 dB，與理論基本相符。

表3　四地相互間通信距離

由表3知，節點2和節點4與節點3通信距離分別為135 km和190 km，根據海面地波衰減理論計算的接收信號場強差值約4 dB；由圖7可知，2發3收的接收信噪比約為9～13 dB；而4發3收的接收信噪比約為5～11 dB，兩者實際中相差2～4 dB，基本與理論相符。

實測四地間的可用通信頻段為5～12 MHz，主用的通信頻段集中6～9 MHz。與圖5理論分析結果略有差別。分析其原因為各試驗點均在臨海陸地上，受工業噪聲影響較大，實測本地噪聲分布并不呈現噪聲隨頻率增加而降低的規律，而是在各個頻段內均有峰谷出現。實際可通頻段主要由海面地波傳播損耗特性決定。因此，實際可通頻段更接近于圖4中曲線的分布。

試驗數據統計了同一通信地點接收不同距離通信地點的信噪比，考慮相同大氣噪聲的前提下，實際接收信噪比絕對差值與理論基本相符，而實際接收信噪比(考慮到近海處信號干擾等影響)與理論基本一致。

圖6　節點1在不同信噪比下通信次數

圖7　節點3在不同信噪比下通信次數

6結語

通過對粗糙海面傳播的短波地波通信鏈路的分析與計算，以及艦載鞭天線的增益及大氣噪聲的頻譜特性的分析，給出了粗糙海面傳播條件下短波地波通信的信噪比估算方法，得到了在不同通信距離時的短波通信系統的最佳通信頻率。并對短波海面波傳播效果進行了臨海四地通信試驗，實際海面地波試驗驗證了海面地波衰減理論的有效性。基于粗糙海面短波地波通信計算模型，能夠有效地進行短波通信效能的評估，對實際短波通信鏈路頻率規劃及鏈路質量評估有一定的工程應用意義。

參考文獻：

[1]胡中豫.現代短波通信[M].北京:國防工業出版社,2005.

HU Zhong-yu.Modern High Freqency Communication[M]. BeiJing:National Defence Industry Publishing Company,2005.

[2]杜源,曹強.近海短波傳播方式確定方法及相關分析[J].艦船電子對抗, 2005, 10(05): 13-15.

DU Yuan,CAO Qiang.Determination and Correlation Analysis of Offshore Short Wave Propagation Pattern[J]. Warship Electromagnetic countermeasure,2005,10(05):13-15.

[3]王鵬飛. 艦艇間短波通信鏈路的分析與計算[J]. 艦船電子工程, 2008, 28 (08): 83-85.

Wang Pengfei. Analysis and Calculation for HF Communication Circuit between Ships[J]. Ship Electronic Engineering, 2008, 28 (08): 83-85.

[4]Barrick D K. Theory of HF and VHF Propagation across the Rough Sea:1,the Effective Surface Impedance for a Slightly Rough Highly Conducting Medium at Grazing Incedent[J]. Radio Sci, 1971, 6(5):517-526.

[5]Barrick D K. Theory of HF and VHF Propagation across the Rough Sea:2,Application to HF and VHF Propagation above the Sea[J]. Radio Sci, 1971, 6(5):527-533.

[6]董航, 徐池, 易濤等. 基于信噪比估算的短波通信輔助決策模型研究[J]. 通信技術,2014,47(11):1313-1317.

DONG Hang, XU Chi, YI Tao,et al. HF Communication Aid Decision-Making Model based on SNR Evaluation[J]. Communications Technology,2002,1(10):35-38.

[7]陳海濤. 一種艦用短波寬帶天線的效率及增益分析[J]. 艦船電子工程,2002, 1(10): 35-38.

CHEN Hai-tao.The Efficiency and Gain Analysis of HF Wideband Antenna with a Ship[J]. Ship Electronic Engineering, 2002, 1(10): 35-38.

[8]Recommendation ITU-R P.368-9. Groud-Wave Propagation Curves for Frequencies Between 10kHz and 30MHz[S].Geneva:International TeleCommunication Union(ITU),2007.

[9]LIANG Qi, LI Qing-liang. Attenuation Factor of Ground-Wave Propagation across the Rough Sea[J]. Chinese Journal of Radio Science. 2000, 15(3):295-300.

[10]曲貴成,王睿. 大氣噪聲條件下海上短波通信可通性研究[J]. 艦船電子工程, 2009, 29(01): 92-94.

QU Gui-cheng,WANG Rui.Study on the Conditions of Continuity of Shortwave Communication at Sea Atmospheric Noise[J].Ship Electronic Engineering,2009,29(01):92-94.

[11]張朝柱.海上近距短波通信系統技術研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學, 2002.

ZHANG Chao-zhu.The Research of Close Range Shortwave Marine Communication System[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2002.

[12]CCIR-Report 322-3, Characteristics and Application of Atmospheric Radio Noise Data[S]. Switzerland: International Radio Consultative Committee, 1986.

[13]Recommendation ITU-R P.372-8,Radio Noise[S].Geneva:International Telecommunication Union(ITU),2003.

王玉玨(1971—)，女，碩士，主要研究方向為無線通信。