基于VOACAP的海上短波鞭天線發信節點覆蓋能力仿真分析*

鄧鐵輝　嚴亞龍　石波涌

(1.海司信息化部　北京　100841)(2.海軍工程大學電子工程學院　武漢　430033)(3.92665部隊　慈利　427200)

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基于VOACAP的海上短波鞭天線發信節點覆蓋能力仿真分析*

鄧鐵輝1嚴亞龍2石波涌3

(1.海司信息化部北京100841)(2.海軍工程大學電子工程學院武漢430033)(3.92665部隊慈利427200)

摘要論文介紹了短波發信節點通信覆蓋能力的計算方法,選取海上短波發信節點,對6m短波鞭天線4kW輸入功率發信時覆蓋區域內的射頻信噪比分布進行了仿真計算,給出了采用10m短波寬帶直立天線收信時,不同季節、不同時間、不同太陽黑子數、不同頻率的通信覆蓋距離及典型收信點處的最高可用頻率(MUF),對評估海上短波發信節點的通信保障能力具有參考意義。

關鍵詞短波通信; 發射天線; 信噪比; 最高可用頻率

Class NumberTP391.9

1引言

高頻(HF)無線電波又稱短波[1],頻率范圍為3MHz～30MHz,主要應用于無線電廣播和軍用遠程通信。短波信道是隨參信道[2～3],短波發信節點的覆蓋能力與發信機功率等級、天線類型、天線電特性等要素密切相關,可采用電波傳播理論對短波發信節點的通信覆蓋能力進行計算。對于海上發信節點,如小型水面艦艇、潛艇或小島,一般采用小型短波天線(如6m短波鞭狀天線)配大功率短波發信機進行短波發信。為了確定這些節點能否有效接入到岸基短波收信網或海上編隊通信網,需對短波發信節點的通信覆蓋能力進行計算。描述發信節點覆蓋保障能力的參數有多種,如場強中值、信噪比等。

由于短波收信系統中內部噪聲遠小于外部噪聲,因此短波通信覆蓋能力不僅與信號強度的絕對值有關,還主要取決于接收帶寬內信號功率與噪聲功率之比即信噪比[4]。信噪比計算值與所設背景噪聲密切相關,設置背景噪聲越大,計算得到信噪比越小。為便于分析短波發信節點的通信覆蓋能力,本文計算收信點的射頻信噪比。射頻信噪比定義為信號功率與1Hz帶寬內的噪聲功率之比。短波電臺正常收信一般要求信噪比不小于10dB,若信道帶寬取3000Hz,則要求收信點的射頻信噪比不小于10+10log3000≈45dB/Hz。

2短波發信節點通信覆蓋能力的計算方法

當發射源位于海面,海面地波傳播距離在50km～200km以內時,收信點的信噪比可由下式計算[5]:

SNRd=191.8+10lgPt-20lgf-20lgd-10lgB

-(10/3)lg(300/f)-10d(300/f)-3/2-Fa

(1)

式中,Pt為發射功率(kW);f為工作頻率(MHz);d為收發信天線間的大圓距離(km);B為接收機有效噪聲帶寬(Hz);Fa為外部噪聲系數,外部噪聲包括大氣噪聲、人為噪聲和銀河噪聲。

當傳播距離大于200km時,主要考慮短波天波傳播方式,收信點的信噪比可由下式計算[6]:

SNRt=201.56+10lgPt-20lgf

-20lgd-10lgB-Li-Yp-Fa

(2)

式中,Li為電離層吸收損耗;Yp為額外系統損耗。

工程中,Li常用下式進行計算:

(3)

其中,fH為100km高處電離層的磁旋頻率,與吸收區所處的緯度有關;I為吸收系數,計算公式為

(4)

i100為100km高度處電波的入射角,計算公式為

i100=arcsin(0.985cosΔ)

(5)

Yp是指除自由空間基本傳輸損耗、電離層吸收損耗、地面反射損耗以外的其它原因造成的損耗總和,精確計算比較困難。根據國際電聯533報告,一般而言,在保證90%的時間可靠性下,可查表1來估算額外損耗。

表1　額外損耗與時間對照表

外部噪聲系數Fa可根據ITU-R P.372-8建議書計算[7]

Fa=10lgfa(dB)

(6)

式中,fa為外部噪聲因子,可表示為

fa=pn/kt0b

(7)

式中,pn為來自等效無損天線的噪聲功率;k為波爾茲曼常數,k=1.38×10-23(J/K);t0為參考溫度(K),參考值一般定為290(K);b為接收系統的等效帶寬,B=10lgb。

可見,短波通信中接收點處的信噪比取決于傳播路徑電離層的高度、吸收系數、磁旋頻率、太陽黑子數、接收點處的太陽天頂角和外部噪聲系數。故短波通信信噪比的計算是一個非常復雜的過程。反映短波發信節點覆蓋能力的信噪比計算可根據國際電聯533報告(Rec.ITU-R 533)提供的算法及數據編程實現,也可利用現有基于國際電聯533報告開發的成熟軟件直接進行計算。本文采用ITS HF Propagation短波傳播分析軟件包進行計算。該軟件采用ITU-R建議書和聯合方法,可預測全球大氣層和人為噪聲的分布,它使用世界地圖上的電離層參數去構建電離層路徑,并使用設定路徑的統計值估算系統的性能參數,可以得到短波通信節點使用不同工作頻率進行通信的最高可用頻率、場強中值、信噪比、可靠度、信號功率、業務概率等參數的點對點圖表和面覆蓋地圖[8]。該軟件主要用于對短波通信鏈路進行中長期預測。

太陽是電離層的主要電離源,根據電離層中電子密度隨高度的分布,從下至上可分為D層、E層、F1層和F2層。此外,電離層隨地理位置變化,地理位置不同,太陽光照射強度不同,使得電離層中電子密度亦不同。低緯度附近,太陽光最強,電離層中電子密度最大;越靠近南北極,太陽的光照越弱,電子密度越小。VOACAP軟件分別構建了電離層處于中低緯度、極光帶、極帽和亞極光槽的四種電離層模型,給出了這四種不同位置的電離層模型各層臨界頻率的計算方法。

短波主要在F層反射,電波的吸收主要發生在D層。由于短波天線波束較寬,發射的電波波束有一定張角,同時電離層具有分層特性,所以在通信電路中可能存在著多種傳播模式,包括從E層反射或從F層反射的一跳或多跳等傳播模式,且存在的模式形式和數量與通信距離密切相關。VOACAP軟件考慮了各種傳播模式的貢獻。

ITU-R P.372-8建議書給出了10kHz～ 100MHz世界范圍環境無線電噪聲最小值Fa的分布情況(見圖1)。圖中曲線A、B分別表示數值超過0.5%和99.5%時間的大氣噪聲,曲線C表示寧靜接收站的人為噪聲,曲線E表示城市地區人為噪聲中值,曲線D表示銀河噪聲,圖中由實線段相連的曲線表示最低預計噪聲電平。

圖1　Fa在頻率(104Hz～108Hz)內分布圖

在3MHz～10MHz頻率范圍內,外部噪聲成分的主要成分為大氣噪聲和人為噪聲;在10MHz～30MHz頻率范圍內,外部噪聲成分的主要成分為人為噪聲和銀河噪聲。在城市及郊區,人為噪聲較大。

大氣噪聲主要是由于雷電以及沙暴過程中大氣層靜電放電所引起的,在短波波段,它是三種主要類型噪聲中最不穩定的。大氣噪聲與地理位置、季節、晝夜時間、太陽活動以及氣象狀況等因素有關[9]。ITU-R P.372-8建議書中給出了全球大氣噪聲分布圖(共22張)。

人為噪聲主要是由各種電氣設備與電力設備引起的,人為噪聲中值可表示如下:

Nm=c-ulgf

(8)

當f以MHz表示時,c和u采用表2提供的數據。

表2　人為噪聲模型中參數c和u的數值

銀河噪聲是指宇宙空間的射電源所輻射的電磁波傳播到地面所形成的噪聲,在忽略電離層屏蔽的情況下,銀河噪聲中值可表示為

Ng=52-23lgf

(9)

VOACAP軟件中的各類噪聲計算均根據ITU-RP.372-8建議書中的計算方法和資料進行。

3海上6m短波鞭狀天線發信覆蓋能力計算

本文在南中國海設置一個短波發信節點Tx1(地理位置為110.03°E,7.06°N),工作頻段為3MHz～24MHz。發射天線選擇6m鞭狀天線,發射機輸出功率設置為4kW。6m鞭天線經天線調諧器調諧后的天饋線系統效率設為:3MHz時效率取10%,6MHz時效率取50%,大于等于10MHz時效率取80%。由于發信節點位于海上,故大地(海水)相對介電常數為80,電導率為5s/m。設各收信點采用10m短波寬帶直立天線收信,且該天線的饋電效率在整個工作頻段內均取80%。

短波通信的覆蓋區域不僅與工作頻率、發射機功率、天線性能和接收機帶寬有關,而且還與外部噪聲、時間、季節、電離層特性、太陽黑子數等有關。考慮到岸上收信節點一般遠離市區,海上收信節點要么位于艦船上,要么位于海島上,參考ITU-R P.372-8建議[10],故收信點處的人為噪聲強度值取-150dBW/Hz。

通常采用一定可靠性的信噪比來確定覆蓋范圍。本文采用VOACAP軟件計算收信點處的射頻信噪比時,通信電路可靠性取為90%,則通信覆蓋區域的判別準則為射頻信噪≥45dB/Hz。

電離層有關參數設置如下:

季節:冬季(1月)、夏季(7月);

時間:北京時間00:00、04:00、08:00、12:00、16:00、20:00;

頻率:3MHz～24MHz;

太陽黑子數[11]:10、110。

本文覆蓋區域的計算方法為[11]:首先在FEKO仿真軟件中建立6m短波鞭狀天線和10m短波寬帶直立天線的計算模型,再將這兩種模型導入VOACAP軟件中,分別命名為VM 6m以及VM 10m。在發信節點Tx1的可能覆蓋區域內取若干場強計算點,計算每個點在通信可靠性(90%)條件下不同頻率的射頻信噪比,然后用等值線法繪制出相應的信噪比分布圖。

按上述組合計算條件,仿真計算的信噪比分布圖數量很多,不可能在文中一一列出。本文僅給出發信節點Tx1在1月份、太陽黑子數SNN=10、北京時間16:00(世界時間08:00)、發射頻率分別為3MHz、5MHz、10MHz、20MHz共四個頻率上覆蓋區域的信噪比分布圖,如圖2～圖5所示。

圖2　3MHz發射天線覆蓋區域

圖3　5MHz發射天線覆蓋區域

圖4　10MHz發射天線覆蓋區域

圖5　20MHz發射天線覆蓋區域

在圖2～圖5中,覆蓋區域的中心點為發射節點Tx1,實線為等信噪比曲線,不同灰度等級區域表示不同的信噪比值范圍;灰度等級越深,信噪比越大。無色區域為射頻信噪比小于25dB/Hz的區域,灰度等級最深的區域為射頻信噪比大于45dB/Hz的區域(為可通區域)。由圖可見,不同頻率、不同方向,通信保障距離不同,白天低頻段3MHz基本不能保障遠距離通信。

發信節點Tx1的通信覆蓋距離的仿真匯總結果見表3和表4。它們給出了太陽黑子數SNN分別為10和110情況下,發射節點Tx1在1月和7月兩個月份、北京時間16:00和04:00兩個時間點、不同頻率下的通信覆蓋距離(要求射頻信噪比大于45dB/Hz)。

表3　SNN=10時發信節點覆蓋距離匯總表(單位:km)

注：射頻信噪比均小于45dB/Hz時,列出最大射頻信噪比值。

表4　SNN=110時發信節點覆蓋距離匯總表(單位:km)

注：射頻信噪比均小于45dB/Hz時,列出最大射頻信噪比值。

由表3和表4可以看出:對于一個海上6m短波鞭狀天線發信節點,通信頻率提高,其發信覆蓋距離隨之增加,但盲區距離也增大。

在SNN=10、1月份、北京時間16:00、10m鞭收信時,發射節點Tx1的最大覆蓋距離為3090km(16MHz);北京時間04:00時Tx1覆蓋區域內信噪比均不滿足通信要求。在SNN=110、7月份、北京時間16:00、10m鞭收信時,發射節點Tx1的最大覆蓋距離為3550km(22MHz);北京時間04:00時Tx1的最大覆蓋距離為1820km(12MHz)。可見,通信覆蓋距離與年份(太陽黑子數)、季節(月份)和時間密切相關。

4收信節點MUF的計算

最高可用頻率(MUF)是指兩點間電波能被電離層反射回地面的最高頻率,它反映了電離層的電波傳播性質,與發射功率、收發信天線及工作頻率無關,僅與時間、季節、太陽黑子數有關。以MUF頻率工作時,電波到達相應接收點的概率為50%。

本文取四個收信節點,分別命名為Rx1、Rx2、Rx3、Rx4,其地理位置分別為(112.3°E、16.8°N),(112.97°E、9.62°N),(122.2°E、30.26°N),(112.59°E、112.59°E)。前兩個節點位于海上,后兩個節點位于陸地。發信節點和接收節點的位置分布如圖6所示。

圖6　發信節點和接收節點的位置分布圖

保持表3和表4的發信節點通信覆蓋距離的仿真計算條件不變,采用VOACAP分別計算發信節點Tx1至Rx1、Rx2、Rx3、Rx4收信節點的最高可用頻率MUF,計算結果如表5所示。

表5　發信節點至各收信節點的最高可用頻率

由表5可以看出:在相同月份、相同時間和相同地點條件下,太陽黑子數NSS=110時的MUF大于NSS=10時的MUF。通信距離較遠的收信點,其MUF高于通信距離較近收信點的MUF。

在太陽黑子數較低的年份(NSS=10),冬季(1月份)白天(16:00)比夏季(7月份)白天(16:00)的MUF最大提高約5.14MHz;夏季夜晚(04:00)比冬季夜晚(04:00)的MUF最大提高約1.87MHz。

在太陽黑子數較高的年份(NSS=110),冬季(1月份)白天(16:00)比夏季(7月份)白天(16:00)的MUF最大提高約6.73MHz;夏季夜晚(04:00)比冬季夜晚(04:00)的MUF最大提高約3MHz。

在太陽黑子數較低的年份(NSS=10),冬季(1月份白天(16:00)比黑夜(04:00)的MUF最大提高約21.29MHz;夏季白天(16:00)比黑夜(04:00)的MUF最大高約14.28MHz。在太陽黑子數較高的年份(NSS=110),冬季白天(16:00)比黑夜(04:00)的MUF最大提高約21.6MHz;夏季白天(16:00)比黑夜(04:00)的MUF最大提高約12.09MHz。

5結語

本文選取一個海上短波發信節點,發射天線為6m鞭狀天線,發射機功率輸出為4kW,接收天線為10m寬帶直立天線,仿真計算了不同頻率下該發信節點的覆蓋距離。仿真結果表明:頻率越高,通信保障距離越遠,同時盲區距離也越大。選取四個收信節點,計算了該發射節點至四個收信節點的MUF,取得了有益的結論。

參 考 文 獻

[1] 王金龍.短波數字通信研究與實踐[M].北京:科學出版社,2013:4-8.

WANG Jinlong. Research and practice of HF Digital Communication[M]. Beijing: Science Press,2013:4-8.

[2] Janine Sullivan LOVE. RF Front-End[M].北京:人民郵電出版社,2013:26-27.

Janine Sullivan LOVE. RF Front-End[M]. Beijing: Posts and Telecom Press,2013:26-27.

[3] 楊儒貴.電磁場與電磁波[M].北京:高等教育出版社,2010:66-67.

YANG Rugui. Electromagnetic field and electromagnetic wave[M]. Beijing: Higher Education Press,2010:66-67.

[4] 馬銀圣,羅良金,邱蘊,等.短波信道測量系統的信噪比計算方法研究[J].通信對抗,2013,2(32):25-29.

MA Yinsheng, LUO Liangjin, QIU Wen, et al. SNR Calculation Method Research of HF Channel Measurement System[J]. Communication Countermeasures,2013,2(32):25-29.

[5] 任重,徐池,張海勇,等.短波通信信噪比和信干比的仿真建模[J].通信對抗,2010,3(12):31-34.

REN Zhong, XU Chi, ZHANG Haiyong, et al. Modeling and Simulation of SNR and SIR in HF Commucation System[J]. Communication Countermeasures,2010,3(12):31-34.

[6] 馬惠珠,張朝柱,楊梓元.現代天線技術[M].北京:北京理工大學出版社,2009:281-283.

MA Huizhu, ZHANG Chaozhu, YANG Ziyuan. Modern Antenna Technology[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press,2009:281-283.

[7] ITU-R Recommendation P.372-8, Radio noise, ITU, Geneva[S]. 2009.

[8] 劉學宇.基于短波中長期頻率預報軟件VOACAP的自動選頻技術研究[D].西安:西安電子科技大學,2013.

LIU Xueyu. Research on Technologies of Automatic Frequency Selection Based on VOACAP[D]. Xi’an: Xidian University,2013.

[9] 國家技術監督局.短波廣播網覆蓋技術規定(GB11410-1989)[S].北京:中國標準出版社,1990:14-16.

National Technical Supervision Bureau. Technical Requirements for the Coverage of Short Wave Broadcasting Network[S]. Beijing: China Standard Press,1990:14-16.

[10] 年鑒社.2009年中國無線電管理年度報告[R].北京:年鑒社,2009:122.

Yearbook Press. China Radio Management Annual Report of 2009[R]. Beijing: Yearbook Press,2009:122.

[11] 朱曉萌.短波頻率輔助決策系統軟件設計與實現[D].西安:西安電子科技大學,2012.

ZHU Xiaomeng. Design and Implementation of HF Frequency Assistant Decision-making System Software[D]. Xi’an: Xidian University,2012.

Covering Ability Simulation and Analysis of HF Whip Antenna Transmitting Node on Sea Based on VOACAP

DENG Tiehui1YAN Yalong2SHI Boyong3

(1. Communication Ministry of China Navy, Beijing100841)(2. College of Electronic Engineering, Navy University of Engineering, Wuhan430033)(3. No. 92665 Troops of PLA, Cili427200)

AbstractA computing method of shortwave transmitting node communication covering ability is proposed in this paper, a HF transmitting node on sea is selected and the radio SNR distribution in covering area is simulated and calculated on the condition of 6m HF whip antenna with a output power of 4kW, the communication covering distance under different season, time, NSS, frequency and typical receiving node’s MUF are proposed when receive signal by a 10m HF broadband vertical antenna, which has a reference significance to assess the communication guarantee ability of HF transmitting node on sea.

Key Wordsshort wave communication, transmitting antenna, signal to noise ratio, MUF

* 收稿日期:2015年11月5日,修回日期:2015年12月25日

作者簡介:鄧鐵輝,男,高級工程師,研究方向:長波通信、天線設計及通信信號處理。嚴亞龍,男,博士研究生,研究方向:天線匹配網絡和潛艇通信。石波涌,男,高級工程師,研究方向:短波通信技術。

中圖分類號TP391.9

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.05.005