多跳高頻無線電海上傳輸

缐磊 孫晗 王成

摘 要：多跳高頻無線電海上傳輸主要取決于傳輸損耗，為了研究短波無線電在平靜海洋、湍流海洋的反射損耗情況，本文確定三個最具影響的標準，以反射損耗、電離層損耗以及自由空間傳播損耗為主要考慮因素。分析了多跳高頻無線電海上傳播的具體情況。

關鍵詞：多跳，高頻無線電，海面反射損耗

引言

HF無線電傳播可以利用地波傳播，但主要是利用天波（依靠電離層的反射作用傳播的無線電波）傳播。天波傳播因為受到電離層不穩定性影響，信道參數不斷變化。因此短波天波信道為變參信道。天波傳播受外界影響較大，它與電離層強度、太陽輻射強度等多種因素有關。其中，反射表面的特性決定了反射波的強度以及信號在保持有用信號完整性的狀態下最終傳播的程度。

海洋作為一個復雜多變的自然綜合體，其涵蓋面非常廣泛，極大地影響著我們的生存環境。而遠程無線電海洋觀測可以幫助人們深入了解和認識海洋，指導人們合理的開發海洋。無線電是研究海洋環境、開發海洋資源、改善航海條件的一支不可或缺的生力軍。因此，高頻無線電的研究對于海洋觀測具有重要意義。

一模型

為了詳細分析多跳高頻無線電傳播中的損耗，我們建立了海洋表面的反射模型。利用短波通信接收場強的計算方法，分別對自由空間基本傳輸損耗L0 ，電離層吸收損耗La ，地球表面反射損耗Lg 進行計算。

自由空間基本傳輸損耗L0

電磁波在空氣中傳播的時候會有能量損失，這是由于傳播較遠的距離，能量擴展到更大的面積上造成的，基本表達式為：

[1] （2）

f為工作頻率，d為電波傳播的實際路徑長度

圖1高頻無線電的天波傳輸路徑

由圖一中幾何關系得出

[2] （3）

R為地球半徑，h為地球表面到電離層的高度

D為發射端到接收端的大圓距離

有Google電子地圖可知，發射端A和接收端B的地理經緯度，則大圓距離：

（4）

（5）

其中x1 為發射端的地理緯度，x2 為接收端的地理緯度，y1 為發射端的地理經度，y2 為接收端的地理經度

5.2電離層吸收損耗La

對短波而言，電離層吸收損耗主要指電波穿過電離層時，由D，E層吸收損耗，它與太陽黑子數，太陽天頂角，工作頻率，入射仰角，磁旋頻率有關，工程中常用以下半經驗公式：

（6）

fH是電離層高度處磁旋諧振頻率的平均值，θ0 為入射仰角，Ij 為吸收系數

（7）

（8）

由于太陽黑子數隨事件不斷變化，我們從Google的數據圖中，根據前十二個月太陽黑子數平均值進行計算

（9）

為12個月太陽黑子數平均值，xj為太陽天頂角

5.3地球表面反射損耗Lg

這種損耗是傳過程中在地球表面產生的，由于電波經電離層反射極化面旋轉且隨機變化，入射時的電波是雜亂極化的，因此，精確計算Lg是非常困難的，按照W·R·Piggott的建議，我們來估算海洋表面的消耗。

海洋表面反射損耗與海洋表面的電導率和介電常數有關，得到海洋表面反射損耗計算公式：

[1] （10）

式中，RV和RH分別為垂直極化和水平極化的反射系數。RV和RH的表示式分別為：

（11）

（12）

其中 （13）

λ為電磁波波長，σ為導電系數，ε為復介電常數，平靜海面時，σ為4，εr為80。

我們分析可得平靜海面和湍流海面對海面損耗的影響有兩個因素：海水電導率和介電常數。

我們通過查閱官方論文資料，得到海水介電常數表示方法：

[3] （15）

其中f電波頻率，單位為MHz，a，b，c，d，e均為常數。

海水電導率表示方法

（16）

其中f為電波頻率，單位為MHz，r，s，t，u，v，w均為常數。

本模型所研究的是高頻無線電，其頻率不會導致海水電導率和介電常數變化。所以湍流海面反射損耗和平靜海面反射損耗的區別在于，高頻無線電在平靜水面發生鏡面反射，而湍流海面為粗糙面，高頻無線電到達后會發生漫反射而增加反射損耗。所以我們得出結論：高頻無線電在湍流海面反射后的第一反射強度大于在平靜海面的第一反射強度.

參考文獻：

[1]張一品， 李越， 甘文道. 短波電臺信道模型仿真研究[J]. 軍民兩用技術與產品， 2016（8）：66-67.

[2]廖平， 朱吉勝， 王濤，等. 基于C～3I系統的短波通信仿真建模[J]. 電子設計工程， 2009， 17（8）：21-23.

[3]王英， 顧健. 海面電波反射特性研究與仿真分析[J]. 電子設計工程， 2016， 24（5）：113-115.