王 璞，姬生云，王 健

（中國電波傳播研究所，山東青島 266107）

基于斜向探測的短波廣播覆蓋區(qū)分析方法

王 璞，姬生云，王 健

（中國電波傳播研究所，山東青島 266107）

提出了基于斜向探測數(shù)據(jù)進行短波廣播覆蓋區(qū)分析的一種實用方法。該方法以斜向探測的MUF及其時延數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用基于射線理論的反演方法和等比加權(quán)的重構(gòu)方法進行電離層參數(shù)分析，最后利用短波傳播預(yù)測方法實現(xiàn)了短波廣播鏈路的場強預(yù)測和覆蓋區(qū)分析。通過仿真實例驗證了方法的可行性，這對短波廣播系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計、性能分析有重要參考意義。

斜向探測；短波廣播；覆蓋區(qū)

0 引 言

短波廣播以其傳播距離遠、覆蓋區(qū)廣的特點，一直是重要的廣播技術(shù)手段。短波廣播覆蓋區(qū)分析是應(yīng)用規(guī)劃、建站選址和性能評估等的重要依據(jù)，其目的在于使廣播能夠獲得盡可能好的效果［1］。國際電聯(lián)（ITU）給出了基于參考電離層進行短波傳播預(yù)測方法［2］，美國、德國等國家結(jié)合本土的廣播推出了VOACAP、WPLOTF等專業(yè)的分析工具［3］.電離層作為短波天波傳播主要影響因素，其中E層臨界頻率（foE）、F2層臨界頻率（foF2）和3 000 km傳播因子（M（3000）F2）是最關(guān)鍵的參量，也是影響廣播傳播特性和覆蓋區(qū)分析重要參數(shù)［2，4］。上述分析工具多應(yīng)用國際參考電離層等作為支撐，對電離層的實時變化特性考慮不足。

近年，基于斜向探測的電離層反演［5～7］和電離層參數(shù)重構(gòu)方法［8～10］逐漸成熟起來，并在短波通信頻率預(yù)報等方面取得了相關(guān)的應(yīng)用［6，7］。受此啟示，基于電離斜向探測數(shù)據(jù)反演得到的電離層實時特性參數(shù)，確定了一種基于實時信息的短波廣播鏈路場強和覆蓋區(qū)分析方法，目的是融合電離層實時探測信息，提高短波廣播覆蓋特性分析精度，為廣播臺站性能分析、規(guī)劃建站等提供技術(shù)支撐。

1 廣播覆蓋區(qū)分析模型

基于斜向探測網(wǎng)進行的短波廣播覆蓋區(qū)分析的思路是：在原始斜向探測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上利用反演方法獲取探測鏈路中心的電離層參數(shù)后，利用區(qū)域重構(gòu)方法便可獲取傳播鏈路控制點的電離層參數(shù)，進而實現(xiàn)廣播鏈路場強預(yù)測和覆蓋區(qū)分析。

分析流程如下。

a）利用所要分析的廣播鏈路收發(fā)站點的位置信息計算其控制點位置；

b）利用廣播鏈路控制點位置信息讀取斜向探測參數(shù)數(shù)據(jù)庫中相關(guān)站點的斜向探測電離層數(shù)據(jù)；

c）利用斜向探測所得最高可用頻率（MUF）及其時延數(shù)據(jù)反演得出控制點處的臨界頻率；

d）基于探測鏈路反演所得的電離層參數(shù)，利用區(qū)域重構(gòu)方法分析短波廣播鏈路的電離層參數(shù)；

e）計算廣播鏈路的接收場強；

f）重復(fù)a）～e）過程，計算廣播臺站周邊各點的接收場強，并以此構(gòu)建廣播臺站覆蓋區(qū)。

1.1 電離層參數(shù)分析

基于射線傳播理論，單跳傳播條件下根據(jù)E層和F2層基本 MUF及對應(yīng)時延反演 foE、foF2和M（3000）F2的表達式為［5～7］

式中，foE為路徑控制點處的E層臨界頻率；fE（d）MUF為鏈路E層基本MUF；d為傳播路徑距離；ME為轉(zhuǎn)換因子。

式中，foF2分別為路徑控制點處的F2層臨界頻率；fF2（d）MUF分別為鏈路F2層基本MUF；d為傳播路徑距離，MF2為轉(zhuǎn)換因子。

其中

式中，τ為基本MUF對應(yīng)的時延；a0為地球半徑；d為傳播距離；c為光速。

在斜向探測圖中，基本MUF即為高角模和低角模的交匯點，所以，基本 MUF也稱交匯頻率（JF）［11］，根據(jù)E層和F2層基本MUF及對應(yīng)時延即可反演得到foE、foF2和M（3000）F2。

在探測鏈路反演所得的電離層參數(shù)基礎(chǔ)上，利用區(qū)域重構(gòu)方法可得廣播鏈路的電離層參數(shù)，常用的方法包括等比加權(quán)方法［6］、距離倒數(shù)加權(quán)重構(gòu)方法［8］、地理位置加權(quán)更新參考電離層模型重構(gòu)方法［8，9］和改進克里格方法［8，10，12］等。為簡化工程量，在此選用等比加權(quán)方法［6］。

式中，fo為預(yù)報鏈路控制點處電離層參數(shù)（foE、foF2和M（3000）F2）等效觀測值；fm利用中國參考電離層計算得到的預(yù)報鏈路控制點處臨界頻率；N為探測鏈路數(shù)；fon為利用反演方法計算得到探測鏈路控制點處電離層等效觀測值；fmn為利用中國參考電離層計算得到的探測鏈路控制點處電離層參數(shù)。

1.2 鏈路接收場強計算

對于短波天波單跳傳播，其場強的計算方法［2］為

式中，Ets為傳播模式場強中值兩個強的E層模式與三個強的F2層模式的場強中值的合成場強；Etw為單個模式接收場強，其表達式為

式中，Pt為發(fā)射功率；Gt為所在發(fā)射方位和仰角天線增益；p′為天波射線斜距；Lm為高于MUF的損耗；Lg為反射中點的合成地反射損耗；Lh為極光區(qū)和其它信號損耗因子；Li為電離層吸收損耗。

1.3 廣播覆蓋區(qū)分析

根據(jù)廣播分級的可接收場強［1］利用格網(wǎng)等值線追蹤算法［13，14］，計算短波廣播分級區(qū)域邊界，對每個單元格網(wǎng)進行內(nèi)插等值點；根據(jù)相關(guān)定理判斷連接等值點，并對生成的等值點按生成順序編號，并采用雙向鏈表方式存儲；通過等值點表中相鄰兩個等值點的編號，建立了等值線點的聯(lián)系；提取等值線，并對線頭、線尾外每個點的相鄰兩點編號進行優(yōu)化處理。由此，得到短波廣播分級覆蓋區(qū)。

2 仿真分析

依據(jù)上節(jié)所述理論，以北京廣播臺為例，以實際工作參數(shù)為依據(jù)，見表1。針對太陽活動高年、低年，冬、夏兩季節(jié)對廣播覆蓋特性進行仿真。

表1 廣播臺工作參數(shù)

表中，HR 2／2／0.5型中饋雙極子天線和HQ 1／0.5型直角扇形天線在對應(yīng)工作頻率的歸一化方向圖如圖1所示。

圖1 廣播臺天線歸一化方向圖

在此選取2008年1月和7月代表太陽活動低年的冬、夏兩季典型值，選取2013年1月和7月分析代表太陽活動高年的冬、夏兩季典型值。仿真過程如下：

a）以廣播臺位置（λt，θt）為中心，以經(jīng)緯度20°為半徑，在正東、正南、正西、正北四個方位分別計算邊界位置點（λl，θl），構(gòu)建一個類矩形區(qū)域，即覆蓋分析區(qū)域。邊界位置點的計算方法為

其中，

式中，β為廣播臺對接收點方位角；Re為地球半徑。

b）將分析區(qū)域劃柵格化，分為若干矩形網(wǎng)格，所有的網(wǎng)格中心即為分析區(qū)域所計算的接收點。利用所要分析的廣播鏈路收發(fā)站點的位置信息計算其控制點位置。

c）利用廣播鏈路控制點位置信息讀取斜向探測參數(shù)數(shù)據(jù)庫中相關(guān)站點的斜向探測電離層數(shù)據(jù)，在此，讀取了青島－北京、新鄉(xiāng)－北京、長春－北京、西安－北京四條鏈路的實時觀測數(shù)據(jù)。

d）根據(jù)1.1節(jié)所述方法，利用斜向探測所得最高可用頻率（MUF）及其時延數(shù)據(jù)反演得出控制點處的臨界頻率?；谔綔y鏈路反演所得的電離層參數(shù)，利用區(qū)域重構(gòu)方法分析短波廣播鏈路的電離層參數(shù)。

e）根據(jù)1.2節(jié)所述方法，逐點計算各廣播鏈路的接收柵格點處的場強，并據(jù)此構(gòu)造等值線圖。

上述太陽活動高年、低年、冬夏兩季兩天線的分別在白天和夜間的場強覆蓋特性，如圖2和圖3所示。其中圖中等值線所標數(shù)據(jù)為場強值，單位為dBμV／m。

從圖2可以看出，在冬季，太陽高年要大于太陽低年的覆蓋區(qū)，夏季的情況也了類似；在太陽活動相同的年份，夏季的覆蓋能力優(yōu)于冬季；原因在于天波傳播和電離層的狀態(tài)變化緊密結(jié)合，夏季電離層的活躍程度要高于冬季，太陽活動高年高于低年，進一步影響了短波廣播傳播衰減變化上。同時，從圖2可以看出，短波廣播電臺在東北角的覆蓋要明顯優(yōu)于其他方向，西南角的覆蓋能力次之，在東南角和西北角的覆蓋較差，緣于天線指向主要在東北方向，此點驗證了短波廣播電臺初始設(shè)計。

在正午12：00，取發(fā)射頻率為10 MHz，針對太陽活動高年、低年，冬夏兩季節(jié)的場強覆蓋特性進行仿真分析，如圖3所示。從圖3可以看出，夏季高于冬季，太陽活動高年的覆蓋能力要優(yōu)于太陽活動低年。由于HR 2／2／0.5在水平面上近似為全向天線，所以，廣播臺覆蓋特性在各方位上基本均衡。

圖3 HQ 1／0.5天線白天覆蓋分析

綜合分析可以看出，在天線增益相同的情況下，定向天線能夠提高對某個方向的覆蓋能力，而全向天線則更側(cè)重于對周邊區(qū)域的均衡覆蓋。這類分析結(jié)果可用于短波廣播臺站的建設(shè)、天線設(shè)計等方面。

3 結(jié) 語

隨著廣播業(yè)務(wù)的發(fā)展，短波廣播的建設(shè)也進入高速發(fā)展的階段，已經(jīng)脫離了憑借經(jīng)驗進行系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計、評估的模式。本文基于電離層斜向探測數(shù)據(jù)，結(jié)合短波廣播電臺的應(yīng)用，利用電波傳播模型，仿真了不同太陽活動期、不同季節(jié)、不同時段的覆蓋特性。仿真結(jié)果表明，在夏季短波廣播臺的覆蓋能力優(yōu)于冬季，太陽活動高年優(yōu)于活動低年，定向天線實現(xiàn)了對特定方向的覆蓋。上述研究可為廣播電臺規(guī)劃、建設(shè)和性能評估提供技術(shù)基礎(chǔ)［15，16］。

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王 璞（1981—），工程師，研究方向為電離層斜向探測；

wangpu22s＠126.com

姬生云（1981—），高級工程師，研究方向為電離層短期預(yù)報和頻譜感知數(shù)據(jù)融合；

王 健（1979—），高級工程師，研究方向為工程電波傳播和電磁頻譜管理。

Analyzing M ethod for Short-wave Broadcasting Coverage Based on Oblique Sounding System

WANG Pu，JISheng+yun，WANG Jian
（China Research Institute of Radiowave Propagation，Shandong Qingdao 266107，China）

An analyzingmethod for broadcasting coverage based on oblique sounding system based on ob+ lique sounder is presented，which is featured by following characteristics：first，the critical frequency at the broadcasting circuitmidpoint is inversed from the oblique sounding data a based on simple empirical method；second，the critical frequency is reconstructed by geometric proportion weighted method；third，field strength of broadcasting circuit is calculated and the coverage is analyzed.By the simulation and a+ nalysis，the practicability of themethod is validated.It provides the important basis for design and per+ formance evaluation of short+wave broadcasting system.

oblique sounding；short+wave broadcast；coverage

TN934

：A

：1673+5692（2014）06+624+05

10.3969／j.issn.1673+5692.2014.06.014

2014+07+28

2014+09+11

電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室基金（CEMEE2014K0101A）