天波傳輸模型在短波模擬電臺訓練系統中的應用

丁岳峰，張 哲，曾 研，馬雪嬌

（1.南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇 南京 210000；2.南京理工大學，江蘇 南京 210094）

0 引言

短波模擬電臺訓練系統作為一種對真實電臺產品的仿真，可解決短波電臺操作訓練中存在的電臺數量不足、訓練損耗、脫離真實通信環境等問題。隨著近幾年在短波電臺產品上的不斷投入，電臺功能不斷增多，生產成本也在不斷提高，電臺訓練模擬仿真軟件成為各通信設備廠家研發的熱點。

目前，國內在通信設備訓練軟件方面有了很大的進展。為實現通信設備訓練軟件，許多學者進行了相關研究。石志強，張占軍等[1]學者提出了局域網內基于C/S模型的坦克車載電臺模擬仿真通信訓練系統。牟健等[2]學者在局域網的基礎上，構建了一種基于SIP語音通信協議的模擬電臺語音通信系統。但上述通信設備訓練軟件的研發都是以用戶界面、操作邏輯以及通信功能的仿真為主，忽略了真實短波傳輸過程中環境對通信效果的影響，造成用戶在使用電臺訓練仿真軟件過程中體驗差，忽視了各種因素所導致的電臺通信效果差、通不上等問題，失去了電臺操作環境的真實性。

為此，本文在傳統訓練軟件的基礎上，在短波電臺天波傳輸鏈路模擬算法中引入收/發信機性能、天線性能、電臺位置信息、時間信息等多種變量，研究各變量對通信質量的影響，并將其應用于短波模擬電臺訓練系統中。先對天波傳輸模型設計進行闡述，再對模擬天波傳輸功能進行研究，最后將天波傳輸模型應用于短波模擬電臺訓練系統中，使短波模擬電臺訓練系統更貼近實際使用。

1 波傳輸模型設計

短波通常是指波長在10-100m，頻率在3-30MHz的電磁波。短波傳輸主要分為地波傳輸和天波傳輸，利用地波傳輸，損耗較大，通常用于近距離短波通信，而天波傳輸損耗小且傳輸距離遠，因此天波傳輸是短波通信的主要傳輸方法。天波傳輸是指電磁波斜射電離層，經過電離層的反射將電磁波傳回地面的傳輸方式。經電離層與地面的多次反射，電磁波可傳至上千千米。天波傳輸雖然比地波傳輸受到傳輸損耗小，但易受太陽離子濃度、發射角、跳數、電磁環境等多種因素的影響。

本文針對短波模擬電臺訓練系統，旨在對天波鏈路進行模擬，讓使用者對收/發信機性能、天線性能、電臺位置信息、時間信息等多種常見變量對短波通信效果的影響產生直觀感受，同時確保模型仿真結果與真實情況接近。本文對天波傳輸模型進行適當簡化，采用一跳天波傳輸模型，根據短波信道傳輸理論，構建并簡化天波傳輸（一跳）模型如圖1所示。圖中，L表示兩地距離；R表示地球半徑；D表示電離層距地球高度；α表示兩點夾角；θ表示電離層入射角；β表示發射仰角。

圖1 天波傳輸模型

2 模擬天波傳輸功能設計

短波通信頻率是短波通信過程中最關鍵的指標之一。頻率選擇過大，電磁波將穿透電離層無法傳回地面，反之頻率選擇過小，則電磁波會被強烈吸收，因此，選擇合適的頻率對短波通信至關重要。人們通常將最大可用頻率至最小可用頻率的可用頻率范圍稱為“頻率窗”。

本文將用戶選擇的通信頻率與根據天波傳輸模型計算得到的“頻率窗”相結合，通過在信號中混入噪聲的方式，使用戶在使用過程中對各變量對通信質量的影響有一個直觀的感受。

2.1 最大可用頻率

短波通信主要是通過電離層反射實現的，當短波頻率過高時，電磁波將穿透電離層，造成無法通信的情況。該頻率上限稱為最高可用頻率[3]。

天波傳輸的最大可用頻率fmuf可表示為

式中，θ表示電離層入射角，Nmax表示電離層最大電子濃度。根據圖1的天波模型可得

將式（2）代入式（1）可得最高可用頻率fmuf

式中，電離層距地高度D；電離層入射角θ；電離層最大電子濃度Nmax受電離層影響，與當前時間段有關，電離層入射角θ、兩地距離L與兩地經緯度有關。

2.2 最低可用頻率

短波在天波傳輸過程中，經過電離層吸收、環境損耗、饋線損耗等能量損耗后，到達接收機端的電磁波能量可能達不到接收機的靈敏度或信噪比無法滿足要求，從而影響正常通信。通常把滿足通信條件的頻率下限稱為最低可用頻率[4]。

在自由空間條件下，接收機的輸入電平為

式中，PR為接收機輸入電平；PT為發射機的發射電平；GT為發射天線的增益；GR為接收天線的增益；Lf為饋線損耗；Lo為基本損耗，可表示為

式中，f為發射頻率；E為傳播路徑長度。傳播路徑長度根據天波傳輸模型，由當前時間和經緯度坐標計算得到。

將式（5）代入式（4）中，當滿足PR>KR即接收機輸入電平大于接收及靈敏度時，可計算得到最低可用頻率。其中，接收機輸入電平、發射機的發射電平、收發天線的增益、接收及靈敏度等變量在用戶進行電臺、天線型號選擇時設置完成。

2.3 最佳可用頻率

在實際通信過程中，考慮到電磁波會穿透電離層，一般不會選擇最大可用頻率為通信頻率。根據經驗，白天時反射的電離層通常為E層，夜間通常為F層，因此，白天時最佳可用頻率fopt一般設置為最大可用頻率

夜間電離層較薄，夜間的最佳可用頻率一般設置為0.85倍的最大可用頻率，即

3 系統功能實現

3.1 系統組成

短波模擬電臺訓練系統采用客戶端/服務器（C/S）模式，主要包含仿真電臺終端和服務器端。系統通過TCP/IP、UDP協議實現對仿真電臺終端接入狀態、話音通信、數據傳輸等的控制。系統組成如圖2所示。

圖2 系統組成框圖

3.2 功能實現

在短波模擬電臺訓練系統基礎上，添加模擬天波鏈路功能。用戶在仿真電臺終端對各自經緯度、當前時間、電臺型號、天線型號等參數進行設置，設置完成后，通過網口傳至服務器。當兩臺仿真電臺終端進行通話業務時，將設置的參數進行計算，得到當前兩部仿真電臺終端可用通信頻率范圍。根據用戶所選的頻率，通過對話音信號進行噪聲混疊，影響通信質量。若未設置電臺和環境參數，則默認在理想狀態下通信。在話音功能下，模擬天波功能具體實現流程如圖3所示。

圖3 模擬天波模擬功能下話音通信流程

模擬天波功能參數設置成功后，軟件界面如圖4所示。

圖4 模擬天波功能參數設置軟件界面

4 結束語

本文立足于傳統短波電臺訓練仿真系統，模擬真實環境，將短波天波傳輸過程中受到的影響因素帶入天波傳輸模型。待通信雙方進行參數交互后，計算出當前通信環境下的“頻率窗”，并將計算出的頻率范圍與雙方所選頻率進行比較，并反映在通話質量上。經過測試得出應用本文所提出的天波傳輸模型算法，計算所得頻率范圍結果與常用經驗數值較為接近，符合實際規律。天波傳輸模型的引入可以使用戶體驗更為真實，用戶可以通過短波模擬電臺訓練系統了解各型天線、電臺參數、環境參數等對“頻率窗”的影響，對用戶在實操下的選頻具有一定的指導意義。