南極科考站的短波通信系統設計

王`罡 胡秉晨 曹紅艷 弓勇義

摘要：利用南極地區的電離層結構特性以及中山站、泰山站、昆侖站電離層臨界頻率的時間分布，對南極地區短波通信鏈路上的電離層特性進行分析，提出采用國產化短波通信控制系統搭配水平偶極子天線的設計方案，并進行系統通信鏈路和可通頻率等的技術論證，得到南極地區的電離層變化情況及系統的可通信率，從而驗證南極地區各考察站之間建設短波通信系統的可行性問題。

關鍵詞：南極;電離層;短波通信系統;臨界頻率;水平偶極子

中圖分類號：TN914? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）11-0017-04

The Design of Shortwave Communication System in Antarctic Research Station

WANG Gang1，HU Bing-chen2，CAO Hong-yan1，GONG Yong-yi1

（1.China Research Institute of Radiowave Propagation，Qingdao 266107， China; 2.Polar Research Institute of China， Shanghai 200136， China）

Abstract： Using the structural characteristics of the ionosphere in the Antarctic region and the time distribution of ionospheric critical frequencies at Zhongshan Station， Taishan Station and Kunlun Station， to analyze ionospheric the characteristics on the shortwave communication link in the Antarctic region， and proposed the scheme of using a localized shortwave communication control system with the horizontal dipole antenna， and carried out the technical demonstration of the systematic communication link and the passable frequency， the ionospheric changes in the Antarctic area and communicable rate of the system are obtained. Thus， the feasibility of constructing shortwave communication system between the various research stations in the Antarctic area was verified.

Key words： antarctica; ionosphere; shortwave communication system; critical frequency; horizontal dipole

1 引言

隨著衛星通信和網絡通信的發展，短波作為遠距離與國內通信的方式逐漸被取代。目前南極中山站通信系統包括短波通信系統、甚高頻通信系統、衛星通信系統，與周邊近距離通信使用甚高頻通信系統，遠距離通信使用衛星通信系統。近些年短波通信技術有了較大發展，短波設備逐漸小型化、網絡化、自動化，短波通信系統也能夠滿足中山站與昆侖站、泰山站的遠距離無線通信。短波通信系統相比衛星通信系統，主要優勢為：

1）短波通信系統設備組成和架設簡單、使用靈活，衛星通信系統設備組成復雜;

2）短波通信系統購置和使用費用極低，衛星通信系統費用較高。短波通信設備價格低廉，安裝成功后，只需極低的維護費用。衛星通信設備價格較高，后期也需要高昂的使用費用;

3）短波通信系統抗毀性強。衛星通信系統需要依賴衛星的正常運行。短波通信不需要建立中繼站即可實現遠距離傳輸，對自然災害和戰爭的抗毀性能力強。

因此，短波通信系統是中山站與周邊站點的極其合適的輔助通信手段。

2 電離層特性分析

遠距離短波通信時發射的電波必須要經過電離層的反射才能到達接收設備，作為短波傳播的中介，電離層對于通信質量的保證有著至關重要的作用。短波電離層反射信道是一種時變的色散信道，它的特點是路徑損耗、時延散布、噪聲和干擾等都是隨頻率、地點、季節、晝夜而不斷變化。因此，短波通信系統設計時，必須對南極地區短波通信鏈路上的電離層特征進行系統分析，從而對短波通信系統中發射機功率、短波天線架設高度和短波天線架設形式等參數提供依據。

2.1 電離層結構特性

由于太陽高能電磁輻射、宇宙射線等作用于地球高層大氣，使大氣分子發生電離，產生大量的自由電子、離子和中性分子，構成等離子體區域，形成電離層，電離層高度大約處于60～1000km。在地球引力的作用下，地球大氣基本上呈現水平分層結構，對于電離層而言，各區域的物理和化學變化與太陽輻射、粒子輻射、磁層擾動、地球磁場的變化關系不盡相同，造成在幾個高度上有電子生成率的極大值，在一定高度以下，電子濃度的分布不可能是重力擴散平衡的，人們通常按照電子濃度峰值高度將電離層分為四個區域： D區、E區、F區和頂部以上區域（上電離層）。其中上電離層對短波通信傳播基本上沒有什么影響，短波通信傳播有影響的電離層模型一般要考慮下部電離層D、E、F區域，各層的時間變化主要取決于日照量的太陽天頂角關系。

南極極區電離層具有典型的電子濃度分層結構、時間變化特征和區域變化特征。南極極區電離層D層只在白天出現，D區出現冬季異常，即在幾天內正午電子濃度異常增加，短波穿越D層會有嚴重的衰減，電離層對電磁波的吸收主要發生在D區域，頻率越低，吸收越嚴重;E區以上電子濃度夜間較白天約小兩個多量級;F1層區只在白天出現，夜間時F1層和F2層逐漸合并為F層區域，高緯夜間F2層在凌晨（日出前1～2h或太陽天頂角在110度～96度之間）電子濃度出現最小值。F2層出現“冬季異常”現象，即夏季日變化比較平緩，夏季中午電子濃度值較冬季的相應值小。

2.2 南極地區foF2的時間分布

電離層臨界頻率（foF2）是描述電離層形態的一個重要參量，電離層最大電子濃度決定了臨界頻率，它們之間存在如下關系：[Nm=1.24×104f20]。foF2數值隨著太陽活動性的增強而增大，極區臨界頻率較低。根據中國電波傳播研究所長期觀測數據以及國際參考電離層模型（IRI）計算，圖1至圖3給出了中山站、泰山站、昆侖站，典型年份（太陽活動低年、中年、高年）、典型月份（一月份、四月份、七月份、十一月份）、不同時刻（24小時）foF2的分布情況。

研究表明，對于F2層臨界頻率foF2，國際參考電離層模型（IRI）模型計算結果與實際觀測值較符合，夏季和秋季誤差很小，通常主要在夏季保障南極短波通信，因此，IRI模型可以作為南極短波通信鏈路計算論證的基礎模型。

根據南極地區各考察站電離層F層foF2的統計結果分析得到，一月份和十一月份08：00UT附近foF2出現主極大，相應時間為本地時間14：00;七月份日變化比較平緩;四月份在本地時間15：00達到極大值;foF2值隨著太陽活動性的增強而增大。

3短波通信系統方案設計與論證

3.1 系統方案設計

短波通信系統方案分為短波通信發射機、短波通信接收機、短波通信控制器以及天線設計4部分組成。其中發射機、接收機、通信控制器組成短波通信控制系統。

3.1.1 通信控制系統設計

發射機采用國產TGX240-2型1000W短波發射機，該發射機具有遠程遙控接口和CAN 總線接口，并具有現場可編程功能。接收機采用數字信號處理技術的優質通信接收機，頻率范圍10kHz到29.999999MHz。短波通信系統控制器通過實時控制短波接收機和發射機，自動建立通信線路，自動選擇通信業務，自動保持通信線路，保證最佳通信質量。短波通信接收機能與短波通信發射機、短波通信系統控制器組成短波數字化通信控制系統。完成自動掃描搜索、自動選頻、自動建立通信線路功能，實現兩個通信系統之間的可靠聯絡。本系統的主要特點是內置自動通信控制模塊、短波數傳模塊、聲碼話模塊，無須外接終端即可完成數據和聲碼話通信;具有在呼叫信道建鏈以后快速探測通信信道重新建立通信鏈路的功能;具有對抗強干擾和惡劣電磁環境的低速數據通信功能和猝發通信功能;具有無線轉接功能和位置報告功能。

3.1.2 天線設計

短波通信天線采用三線式水平偶極子天線。三線式水平偶極子天線是一種新型寬帶天線，它是基于七十年代折合式短波寬帶天線改進而成。天線由吸收電阻、阻抗變換器和三根輻射導線組成，是全頻段短波基站天線，在近中遠各種距離都能夠保持良好的通信效果。線式水平偶極子天線采用三線偶極結構，輻射效率高，工作頻帶內性能均勻，不僅在寬邊方向有強輻射，而且在窄邊方向也有較強輻射，因而對360°全方向位都能溝通聯絡，三線式天線橫拉固定架設狀態平穩，保證了通信效果的穩定。本系統天線面長度40m，采用架高14m，尾端滑輪安裝在桅桿上，吸收負載選用碳膜電阻，電阻裝在玻璃鋼筒中，承受功率大于2kW，為南極地區極端環境條件，天線中間采用軟拉線固定電饋線的方式防止大風造成饋線連接點斷裂等問題。

3.2 系統方案可行性論證

3.2.1 通信鏈路論證

中山站短波電臺采用發射功率為1000W，天線增益3dB，采用全球短波通信計算方法進行計算，月份選用一年中典型的1月份、4月份、7月份和11月份的月中值，以中山站到昆侖站通信距離約為1300km為通信距離最大值論證通信鏈路問題。

通信距離1300km，計算到達接收端的場強。根據公式：

[E=107.2+20lgf+Gt+Pt-Lb]? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

可以粗略計算出到達接收站的信號場強。

其中：[Lb=Lbf+Li+Lg+Yp]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

[Lb]——基本傳輸損耗，dB;

[Lbf]——自由空間基本傳輸損耗dB;

[Li]——電離層吸收損耗dB;

[Lg]——地面反射損耗dB;

[Yp]——附加系統損耗dB。

[Lbf=32.44+20lgf+20lgD]，這里工作頻率[f]取10MHz，[D]為有效幾何路徑長度，以通信距離1300km，電離層反射高度400km，得出[D]為1520km。經過相關計算，[Lbf]為116.1dB。

[Li]電離層吸收損耗，計算相對復雜，這里取[Li]為3dB。

[Lg]地面反射損耗，這種損耗只是兩跳以上并經由地面反射的傳輸模式才有，通信距離在1300km時，[Lg]取0dB。

[Yp]附加系統損耗，是為了補償信號強度隨日起伏而考慮的余量。附加系統損耗的分布是地磁緯度、季節、本地時間和路徑長度的函數，這里取14 dB。

通過公式（2）可得基本傳輸損耗為114.7+3+0+14=131.7dB。

根據[E=107.2+20lgf+Gt+Pt-Lb]

[f]取工作頻率為10MHz，[Gt]發射天線的增益，這里取天線增益為0dB，[Pt]為電臺發射功率125W（20.97dBW），經過計算得出：

[E=107.2+20lg10+0+20.97-129.7]=16.47[uV/m]

以地面站接收點的天線電長度為1m計算，可得接收端的電壓值為16.47[μV]。

而短波電臺接收靈敏度均在2[μV]左右，因此可以滿足通信距離1300km的要求。

3.2.2 考察站間可通頻率與可通率論證

中山站短波通信系統的通信范圍的預測采用國際電聯廣泛應用的“全球頻率預測及場強計算軟件”計算，最佳可通頻率計算過程中月份選取了一年中1月份、4月份、7月份、11月份四個典型月份，時段選取北京時間每個整點，可得出中山站與昆侖站、中山站與泰山站的短波通信頻率范圍。短波通信頻率范圍見表1。

每條通信鏈路上收發都采用1kW的短波通信系統，且每2MHz頻率范圍內短波電臺可提供至少一個通信頻率，根據上述計算的短波通信頻率范圍則可以得到短波通信系統的可通率見表2。

因此可以滿足南極地區站區間通信的基本要求。

4 結論

本文提出了一種應用于我國南極地區科學考察站之間的短波通信系統設計，經過電離層特性分析研究及系統可行性論證，本系統設計可以滿足中山站與昆侖站、泰山站之間的通信要求，通信距離可達1300km，各站之間的通信率達到78%-90%，可以滿足南極地區短波通信需求，對改善南極考察站區現有通信條件提供了有力支撐。

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【通聯編輯：梁書】