天波傳播衰減的計(jì)算方法介紹

建立短波天波傳播衰減預(yù)測的計(jì)算模型，為保障短波通信電路的可靠性提供參考依據(jù)，建立的方法主要依據(jù)ITU-R P.533-7。首先進(jìn)行傳播路徑的判別，進(jìn)而進(jìn)行頻率預(yù)測，最后建立傳播衰減計(jì)算模型并與文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行比對，兩者有較好的一致性。頻率預(yù)測部分摒棄了 ITU-R P.533-7中的全球預(yù)測方法，采用了對我國來說較為準(zhǔn)確的亞大方法。

天波是指經(jīng)電離層反射而傳播的波，亦稱電離層波。電離層是太陽輻射構(gòu)成的，一年四季乃至每時每刻太陽照射的強(qiáng)弱都在變化，因此各地電離層的情況各有所異。電離層的電離條件不斷變化，使通過天波傳播的短波信道并不穩(wěn)定，它實(shí)質(zhì)上是一種時變的色散信道。短波信道的路徑衰耗、時延散布、大氣噪聲和干擾等均隨時間、地點(diǎn)、季節(jié)、晝夜以及頻率的不同而不斷地變化。因此，在短波通信中，為了保障通信可靠性，有必要對每一個具體的通信電路進(jìn)行天波頻率及傳播衰減的預(yù)測。本文就是在ITU-R P.533-7推薦建議的基礎(chǔ)上建立了短波天波傳播衰減的計(jì)算模型，并將計(jì)算結(jié)果與參考文獻(xiàn)比對后進(jìn)行了軟件仿真實(shí)現(xiàn)。

1 天波傳播路徑的判別

短波天波主要靠電離層的反射進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳播，電離層是分層的，其范圍大約從地球表面上空50 km處一直延伸到2 000 km左右，按照電子濃度的分布情況，電離層通常分3層，由下向上分別稱為D層、E層和F層。白天，F(xiàn)層還可細(xì)分為F1層和F2層，F(xiàn)2層位于地面

上空220 km以上，對短波通信起主要作用。短波天波傳播路徑主要依靠E層及F2層的反射來確定。

在短波通信的收發(fā)點(diǎn)位置確定以后，依靠E層及F2層反射的最少跳數(shù)由式（1）確定。

2 傳播路徑上各反射點(diǎn)的頻率預(yù)測

欲建立可靠的短波通信，不能在短波頻段內(nèi)任意選擇一個頻率。在給定距離和方向的路徑上，在一定時間內(nèi)短波通信只能用一個有限的頻帶，對于長時間 的短波通信電路，通常需要幾種頻率以便在不同的時間內(nèi)供選用。當(dāng)考慮了最主要的影響天波傳播的傳播條件后，可以對短波通信的工作頻率加以預(yù)測。由于天波傳 播條件隨太陽黑子數(shù)目的多少而變化，因此可以把太陽黑子數(shù)作為短波傳播的重要變化因素，以確定太陽黑子最大值及最小值條件下經(jīng)E層和F2層傳播的“極限頻 率曲線”。極限頻率曲線表示了經(jīng)E層和F2層反射的頻率在一天中24小時的變化曲線，用這些曲線可以確定正常傳播條件下的最高可用工作頻帶（即MUF）。 工作頻率的選擇一般應(yīng)不高于MUF，當(dāng)依靠F2層反射時，最佳工作頻率選擇為0.85MUF，當(dāng)依靠E層反射時，最佳工作頻率選擇為MUF，這是由于E層 比較穩(wěn)定。

2.1 Ｅ層最大可用頻率預(yù)測

Ｅ層最大可用頻率按參考文獻(xiàn)［1］提供的計(jì)算方法進(jìn)行預(yù)測，其計(jì)算公式如下：

2.2 F2層最大可用頻率預(yù)測

預(yù)測F2層的最大可用頻率需要進(jìn)行兩個重要參數(shù)的預(yù)測， 即F2層的臨界頻率f0F2及F2層3 000 km傳輸因子M（3 000）F2的預(yù)測， 此兩個參數(shù)的計(jì)算模型（ 對于我國一般采用亞大方法模型） 的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)由電離層探測的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到。F2層最大可用頻率由下式確定：

2.3 E層最大截止頻率預(yù)測

為了判斷是依靠E層還是F2層傳播，需進(jìn)行Ｅ層最大截止頻率的計(jì)算，當(dāng)工作頻率小于Ｅ層最大截止頻率時，認(rèn)為該頻率因被E層截止而不存在F2層傳播模式，Ｅ層最大截止頻率的計(jì)算公式為：

3 天波傳播衰減的計(jì)算方法

3.1 任意一條傳播路徑接收點(diǎn)場強(qiáng)計(jì)算

如果認(rèn)為短波系統(tǒng)是閉合傳輸系統(tǒng)，由發(fā)射機(jī)輸出開始，到接收機(jī)輸入結(jié)束，則線路總損耗為自由空間損耗、電離層損耗、地面反射損耗、高于MUF損耗、極區(qū)損耗及其他損耗構(gòu)成。

（1）任意一條短波天波傳播路徑損耗計(jì)算表達(dá)式為：

（2） 則任意一條短波天波傳播路徑的接收場強(qiáng)為：

3.2 接收點(diǎn)多徑合成場強(qiáng)計(jì)算

各接收點(diǎn)的場強(qiáng)進(jìn)行功率疊加， 可以計(jì)算求得等效的合成場強(qiáng)， 其計(jì)算公式為：

3.3 傳播衰減計(jì)算

天波傳播衰減的計(jì)算方法是用自由空間傳播的信號場強(qiáng)減去接收點(diǎn)合成場強(qiáng)， 即：

4 結(jié)果比對

為了驗(yàn)證模型計(jì)算的準(zhǔn)確度，將本文的天波傳播衰減計(jì)算軟件與參考文獻(xiàn)［4］中提供的結(jié)果進(jìn)行了比對。由于參考文獻(xiàn)［4］中沒有各路徑的合成場強(qiáng) 及總衰減的的數(shù)據(jù)，因此主要對計(jì)算過程中的主要數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計(jì)算過程中各參數(shù)計(jì)算結(jié)果的一致性，如頻率、各路徑損耗計(jì)算結(jié)果的吻合，完全可以保障兩者最 終衰減計(jì)算結(jié)果的一致性。

參考文獻(xiàn)［4］中列舉的一條具體電路：發(fā)射點(diǎn)經(jīng)緯度（112.78，35.08），接收點(diǎn)經(jīng)緯度（113.99，33.08），時間為2004年5月11時，收發(fā)射天線增益3.373 7 dB，發(fā)射功率10 kW，工作頻率選擇7 MHz，太陽黑子數(shù)量40。模型計(jì)算與文獻(xiàn)比對的結(jié)果如表1所示。

由于工作頻率7 MHz大于E層的遮蔽頻率，所以電波穿透E層，依靠F2電離層來進(jìn)行反射，故只對F2層各模式的損耗進(jìn)行計(jì)算，模型計(jì)算與文獻(xiàn)比對的結(jié)果如表2所示。

本文利用參考文獻(xiàn)［2］建議標(biāo)準(zhǔn)對7 000 km以內(nèi)的短波天波傳播衰減建立了計(jì)算模型，模型仿真結(jié)果與參考文獻(xiàn)［2］的計(jì)算結(jié)果較為一致。天波計(jì)算過程表明，頻率預(yù)測的準(zhǔn)確度與電離層探測歸納的經(jīng) 驗(yàn)系數(shù)有著很大的關(guān)系。另外，本文計(jì)算的衰減是相對于自由空間的衰減，如欲計(jì)算基本傳輸損耗，還要加上自由空間的損耗。

參考文獻(xiàn)

［1］ Rec.ITU-R P.1239　ITU-R REFERENCE IONOSPHERIC CHARACTERISTICS.

［2］ Rec.ITU-R P.533-7 HF propagaTIon prediction method.

［3］ 孫憲儒。亞大地區(qū)F2電離層預(yù)測方法［J］。通信學(xué)報，1987，11（6）：37-45.

［4］ 郵電部北京設(shè)計(jì)院。電信工程設(shè)計(jì)手冊－短波通信［M］。北京：人民郵電出版社，1991.