長河二號(hào)導(dǎo)航系統(tǒng)通信潛能分析?

（91469部隊(duì) 北京 100841）

1 引言

長河二號(hào)是我國的大型遠(yuǎn)程岸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，為我國周邊海域和沿海地區(qū)提供導(dǎo)航定位服務(wù)［1～2］。目前我國的北斗衛(wèi)星定位、導(dǎo)航、授時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)初步建成，已經(jīng)能夠?yàn)槲覈良爸苓叺貐^(qū)提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)［3～5］。將來全部建成后能夠?qū)崿F(xiàn)全球范圍的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)。在此情況下，我國的長河二號(hào)遠(yuǎn)程岸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)退為北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的備用手段，實(shí)際利用率低。本論文針對(duì)以上現(xiàn)狀，研究如何對(duì)其進(jìn)行有效的利用，使其繼續(xù)發(fā)揮效能，探討長河二號(hào)系統(tǒng)用于通信的可行性和方法。

2 長河二號(hào)用于通信可行性分析

由于長河二號(hào)仍作為衛(wèi)星導(dǎo)航的備份，對(duì)長河二號(hào)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行通信擴(kuò)展，需要兼顧臺(tái)站本身的導(dǎo)航功能。考慮只在導(dǎo)航臺(tái)停止導(dǎo)航服務(wù)期間將導(dǎo)航發(fā)射機(jī)及發(fā)射天線等設(shè)備用于通信，即導(dǎo)航與通信功能分時(shí)實(shí)現(xiàn)。在改作通信應(yīng)用時(shí)技術(shù)設(shè)備的改動(dòng)不宜過大，以便需要時(shí)能夠方便而快速地改回導(dǎo)航服務(wù)。因此，賦予長河二號(hào)通信功能的原則是要保證發(fā)射臺(tái)技術(shù)設(shè)備在導(dǎo)航體制和通信體制之間較為快速方便地轉(zhuǎn)換。

國際電信聯(lián)盟規(guī)定90kHz～110kHz頻段在第三區(qū)主要用于導(dǎo)航，其次用于固定業(yè)務(wù)。我國無線電管理機(jī)構(gòu)規(guī)90kHz～95kHz用于固定業(yè)務(wù)、水上移動(dòng)業(yè)務(wù)和無線電導(dǎo)航，95kHz～110kHz主要用于無線電導(dǎo)航，其次用于固定業(yè)務(wù)。根據(jù)公開的技術(shù)文獻(xiàn)資料，長河二號(hào)導(dǎo)航系統(tǒng)工作載頻為100kHz，因此，欲利用長河二號(hào)進(jìn)行通信，工作頻率應(yīng)該偏離100kHz較好，可以選擇 86kHz～90kHz和 110kHz～112kHz這兩個(gè)頻段用于通信。長河二號(hào)設(shè)備稍偏離100kHz工作頻率，需要解決三個(gè)問題：一是要提供通信載波的頻率源，其次是要使HCG產(chǎn)生相應(yīng)頻率的半周電流，再次是保證發(fā)射系統(tǒng)在這些頻率的調(diào)諧和匹配。

20世紀(jì)美國空軍應(yīng)用100kHz左右低頻地波建設(shè)了全國應(yīng)急通信網(wǎng)（GWEN）。100kHz左右的低頻地波傳播穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，通信比較可靠，而且可以把信息發(fā)送到地下很深的接收點(diǎn)。應(yīng)用長河二號(hào)設(shè)備在100kHz左右通信，可實(shí)現(xiàn)從岸上的指揮機(jī)關(guān)往水面艦艇、潛艇等單元發(fā)送信息。

3 長河二號(hào)通信潛能分析

低頻電磁波與甚低頻電磁波一樣，事實(shí)上是在地面和電離層形成的波導(dǎo)內(nèi)傳播的。但是，用波導(dǎo)理論導(dǎo)出的地面上垂直電偶極子的電磁場(chǎng)公式，不適用于計(jì)算低頻電磁波。這是因?yàn)閷?duì)于低頻頻段，用波導(dǎo)模式理論計(jì)算，需要計(jì)算的模式數(shù)量較多，計(jì)算繁瑣。對(duì)于甚低頻頻段，用波導(dǎo)模式理論一般只需要計(jì)算2～3個(gè)模式（1階模、2階模、3階模）就能滿足要求，在遠(yuǎn)距離上只需要計(jì)算一個(gè)模式（1階模），因此用波導(dǎo)模式理論進(jìn)行計(jì)算。在低頻頻段，一般用地波和天波疊加理論計(jì)算接收點(diǎn)電磁場(chǎng)。所謂地波，是指假定電離層不存在時(shí)求出的地面上的電磁場(chǎng)；而天波是指由電離層反射的電磁場(chǎng)，它由不同反射次數(shù)的反射波組成，一般取1～2跳反射波就足夠。低頻電磁場(chǎng)用地波和天波合成觀點(diǎn)解釋符合實(shí)際，且計(jì)算比較方便。

長河二號(hào)應(yīng)用脈沖信號(hào)，天、地波可以用到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間差分開，可以只應(yīng)用地波定位。在通信中一般應(yīng)用連續(xù)波調(diào)制，天、地波不能分開，相互干擾，因此要分別計(jì)算地波和天波的場(chǎng)強(qiáng)的幅度和相位，以估計(jì)天、地波干擾的范圍和程度，以及地波通信和天波通信的距離。

3.1 傳播衰減

計(jì)算100kHz電磁波在海水中衰減，對(duì)于低頻電磁波，地面上的垂直電場(chǎng)遠(yuǎn)大于傳播方向的水平電場(chǎng)。根據(jù)近似邊界條件，地面上水平電場(chǎng)與垂直電場(chǎng)之間的關(guān)系［4］是

電磁波是從地面垂直往下傳播的。地面下水平電場(chǎng)遠(yuǎn)大于垂直電場(chǎng)，某一深度z處的水平電場(chǎng)可以表示為

k1為地面下介質(zhì)（海水或地層）的波數(shù)，

波數(shù)中的虛數(shù)部分稱為衰減系數(shù)，實(shí)數(shù)部分稱為傳播常數(shù)。式（2）的衰減系數(shù)單位為N/m，如衰減系數(shù)單位改成dB/m，則海面下z米處的水平電場(chǎng)幅度：

此處β為以dB/m為單位的電波衰減系數(shù)。

對(duì)于海水，一般取 εr=80，σ=4.1?(Ω·m ) ，100kHz電波的β=10.9146dB/m。對(duì)于陸地，如取取 εr=10，σ=0.001，1?(Ω·m )，則 β=0.1676dB/m 。

3.2 混合路徑參數(shù)

長波傳輸?shù)胶Ｉ系膶?shí)際的傳播路徑是包含陸地和海洋兩段的混合路徑。在工程應(yīng)用中，混合路徑的繞射衰減因子可以用Millington經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算［6～7］。對(duì)于n段的路徑，該公式表示為

式中dn為每段路徑的長度，Δn為每段路徑的規(guī)格化表面阻抗，W是相應(yīng)路徑的繞射衰減因子。對(duì)于兩段路徑可以表示為［8～9］

式中d=d1+d2是路徑總長度。

以一個(gè)數(shù)值計(jì)算例子進(jìn)行說明。設(shè)100kHz的傳播路徑為1000km，其中300km為陸地，其電導(dǎo)率為0.001( )

Ω·m ，相當(dāng)于規(guī)格化表面阻抗為0.074467ej0.75488；700km為海面，其電導(dǎo)率為4()·m ，相當(dāng)于規(guī)格化表面阻抗為0.0011785ej0.78534。可計(jì)算出繞射衰減大致數(shù)據(jù)如表1。運(yùn)算后得300km陸地和700km海面混合路徑的繞射衰減等于0.129（-17.8dB）。這表明300km電導(dǎo)率差的陸地與700km海面組成的混合路徑的繞射衰減比1000km純海面路徑的繞射衰減大70%（約大4dB）。

表1 海面和陸地不同長度路徑的繞射衰減值

陸地繞射衰減因子0.35 0.103 0.054距離（km）300 700 1000海面繞射衰減因子0.75 0.31 0.22

3.3 發(fā)射功率估計(jì)

在地波和天波強(qiáng)度接近的區(qū)域，合成電場(chǎng)有可能變得很小，使通信不穩(wěn)定。這個(gè)通信不穩(wěn)定區(qū)域不能用加大發(fā)信機(jī)功率加以解決。夏季白天天波幅度小，海面上天、地波幅度接近的區(qū)域大致出現(xiàn)在1200km附近。在1000km附近地波場(chǎng)強(qiáng)大致是天波場(chǎng)強(qiáng)的三倍，天波的干擾大致可以忽略［10］。

現(xiàn)在估算發(fā)信機(jī)的功率，所需發(fā)信機(jī)功率與信道帶寬有關(guān)，也與需要的信噪比有關(guān)。下面針對(duì)100Hz和1000Hz兩種信道帶寬，假定9dB信噪比，估算發(fā)信機(jī)功率。由信噪比的定義，可以導(dǎo)出需要的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算公式為

上式中En為大氣噪聲電場(chǎng)譜密度V/m/Hz，單位dB；SNR為需要的信噪比，單位dB；B為信道帶寬，單位Hz。在南海海域90%時(shí)間的全年平均噪聲電場(chǎng)譜密度等于-116.96dB這樣［5］，對(duì)于100Hz帶寬，需要的場(chǎng)強(qiáng)為-87.9dB，也就是40.272 μV/m ；對(duì)于1000Hz帶寬，需要-77.9dB，也就是127.35μV/m 。

需要的輻射功率（kW）可以由下式換算：

式中Er為需要的場(chǎng)強(qiáng)，E1r為1kW輻射功率產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)。可以查到［8］，1kW輻射功率在海面上1000km處大致產(chǎn)生70μV/m場(chǎng)強(qiáng)。由式（10）算得100Hz帶寬需要約330W輻射功率，1000Hz帶寬需要約3.3kW輻射功率。如果天線效率約為70%，則需要的發(fā)信機(jī)功率相應(yīng)為470W和4.7kW。考慮到海面電路必然是混合電路，衰減大于純海面電路［11～12］，因此發(fā)信機(jī)的功率應(yīng)留有余量。對(duì)于100Hz帶寬的低速通信，發(fā)信機(jī)功率不應(yīng)低于1kW，對(duì)于1000Hz帶寬的中速通信，發(fā)信機(jī)功率選用10kW。

4 結(jié)語

本論文針對(duì)長河二號(hào)導(dǎo)航系統(tǒng)利用率低的現(xiàn)狀，研究如何對(duì)其進(jìn)行有效的利用，使其繼續(xù)發(fā)揮效能，探討長河二號(hào)系統(tǒng)用于通信的可行性和方法。并根據(jù)地波場(chǎng)強(qiáng)和天波場(chǎng)強(qiáng)隨距離的變化，估計(jì)了地波通信的最遠(yuǎn)距離和需要的功率基礎(chǔ)，為改造導(dǎo)航系統(tǒng)用于通信提供理論依據(jù)。經(jīng)計(jì)算，通信功能可以達(dá)到的具體能力的能力指標(biāo)：對(duì)水面艦艇可以實(shí)現(xiàn)600km～1000km的地波通信，發(fā)送100Hz帶寬數(shù)據(jù)，需要發(fā)射機(jī)功率約1kW；發(fā)送1000Hz帶寬的中速通信，需要發(fā)信機(jī)功率10kW。