王玉玨

(92232部隊(duì),北京 100161)

摘　要：為評(píng)估沿粗糙海面?zhèn)鞑サ亩滩ǖ夭ㄍㄐ判阅?，研究了不同海況下的地波傳播衰減因子。將短波地波傳播模型與天線仿真技術(shù)相結(jié)合，在地波場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算中充分考慮實(shí)際艦載鞭天線的增益、方向圖和輻射效率等參數(shù)；并介紹了大氣噪聲，對(duì)粗糙海面短波通信接收點(diǎn)處的信噪比進(jìn)行計(jì)算；最后，給出了臨海四地短波通信測(cè)試結(jié)果。無(wú)線信道試驗(yàn)表明，海面短波地波傳播理論計(jì)算與外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

關(guān)鍵詞：地波傳播；粗糙海面；鞭天線；信噪比

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.010

粗糙海面短波地波通信鏈路分析與計(jì)算

王玉玨

(92232部隊(duì),北京 100161)

摘要：為評(píng)估沿粗糙海面?zhèn)鞑サ亩滩ǖ夭ㄍㄐ判阅?，研究了不同海況下的地波傳播衰減因子。將短波地波傳播模型與天線仿真技術(shù)相結(jié)合，在地波場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算中充分考慮實(shí)際艦載鞭天線的增益、方向圖和輻射效率等參數(shù)；并介紹了大氣噪聲，對(duì)粗糙海面短波通信接收點(diǎn)處的信噪比進(jìn)行計(jì)算；最后，給出了臨海四地短波通信測(cè)試結(jié)果。無(wú)線信道試驗(yàn)表明，海面短波地波傳播理論計(jì)算與外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

關(guān)鍵詞：地波傳播；粗糙海面；鞭天線；信噪比

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.010

收稿日期：2015-01-07；修回日期：2015-04-18Received date:2015-01-07；Revised date：2015-04-18

中圖分類號(hào)：TN91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼：A

文章編號(hào)：號(hào)：1002-0802(2015)06-0677-05

Abstract：In order to evaluate the real ability of HF ground-wave communication system over rough sea-face, the ground wave attenuation factors under various sea conditions are studied. In combination of shipboard whip antenna modeling technology with HF ground-wave propagation model, the modeling results of directivity property, the radiation efficiency as well as the measured gains are introduced into HF ground-wave propagation computation formula. Atmosphere yawp intensity notion is given, and representative SNR value of the shortwave communication over rough sea-face also calculated. The calculation of SNR is of great significance in improving shortwave communication efficiency. Finally, HF communication result of the four different near-the-sea places is presented. Experiment on wireless channel indicates that the theoretical calculation of HF ground-wave propagation is basically consistent with the result of outfield test.

作者簡(jiǎn)介：

Analysis and Calculation of HF Ground-Wave of Communication

Link over Rough Sea-Surface

WANG Yu-jue

(Unit 92232 of PLA, Beijing 100161, China)

Key words：ground-wave propagation; rough sea-face; whip antenna; signal-to-noise ratio

0引言

短波通信具有抗毀性好、設(shè)備簡(jiǎn)單、抗干擾性好、造價(jià)低廉和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于軍事、氣象、商業(yè)等部門(mén)[1]。短波通信也是海上通信的重要手段，特別是中近距離、小業(yè)務(wù)量的通信很適合利用地波方式進(jìn)行保障。由于海上氣候條件變化較快和隨機(jī)噪聲的干擾，短波信號(hào)在傳播過(guò)程中并不穩(wěn)定。因而分析海面短波通信鏈路的質(zhì)量和接收點(diǎn)處信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算方法，研究接收處信噪比以衡量通信質(zhì)量，對(duì)短波通信性能做出評(píng)估，具有理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

由于短波地波傳播方式具有受天氣、晝夜及季節(jié)變化的影響小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于艦船之間近距離通信。對(duì)于艦船短波通信而言，活動(dòng)區(qū)域以海面為主，文獻(xiàn)[2-3]中對(duì)在光滑均勻海面條件下的地波傳播可通性進(jìn)行了分析，但在海面風(fēng)、海水重力和表面張力的相互作用下，海面?zhèn)鞑l件是隨機(jī)粗糙的，國(guó)外上世紀(jì)七十年代就出現(xiàn)了對(duì)沿粗糙海面短波地波傳播與衰減的研究成果[4-5]。文獻(xiàn)[6]針對(duì)短波通信特點(diǎn)，構(gòu)建基于信噪比估算的通信模型。此外，實(shí)際艦船應(yīng)用環(huán)境中，易于安裝的短波全向鞭天線為保證阻抗寬帶性和低駐波比[7]，需加載到天線上，導(dǎo)致天線的實(shí)際通信能力與理論分析的結(jié)果有一定差別。

本文通過(guò)對(duì)隨機(jī)粗糙海面情況下的地波傳播和衰減分析，結(jié)合實(shí)際艦載鞭天線的輻射效率和饋線傳輸能力，對(duì)粗糙海面近距離短波地波通信接收點(diǎn)處場(chǎng)強(qiáng)和信噪比進(jìn)行計(jì)算和深入分析，為評(píng)估海面艦艇間有效通信提供了理論依據(jù)。

1海上地波傳播計(jì)算

1.1光滑海面地波場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算

短波通信主要有天波傳播和地波傳播兩種方式，海上近距離的艦艇通信中主要依賴地波傳播方式。近距離(不考慮地球曲率)光滑海面條件下，僅考慮自由空間傳播中引起的電波衰減和海面對(duì)電波的吸收，因而接收?qǐng)鰪?qiáng)(mV/m)可表示為：

(1)

式中，A為大地?fù)p耗引起的衰減因子，Pr為輻射功率(kW)，D為傳播方向天線的增益系數(shù)，r為通信距離(km)。由此可知，近距離地波傳播接收?qǐng)鰪?qiáng)值為自由空間電波傳播接收?qǐng)鰪?qiáng)乘上一個(gè)衰減因子。對(duì)于衰減因子的計(jì)算，需要考慮傳播距離以及評(píng)估地球曲率的影響。臨界距離由下式給出：

dcr=80f-1/3

(2)

當(dāng)?shù)乇砻娌ǖ膫鞑ゾ嚯x不超過(guò)上述應(yīng)用范圍時(shí)，可以采用近似公式進(jìn)行衰減因計(jì)算。

(3)

式中，輔助參量x稱為數(shù)量距離，其計(jì)算公式為：

(4)

式中，εr和σ分別為地表面的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率。當(dāng)?shù)乇砻娌ǖ膫鞑ゾ嚯x超過(guò)臨界距離時(shí)，必須考慮地球曲率的影響，此時(shí)地波場(chǎng)強(qiáng)需采用繞射公式進(jìn)行計(jì)算，即：

(5)

(6)

(7)

以上地波場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算是在基于均勻光滑海面假設(shè)下進(jìn)行的，但是實(shí)際環(huán)境中，海面實(shí)際狀態(tài)是隨機(jī)粗糙的，需要對(duì)地波傳播衰減因子進(jìn)行深入研究，為海面短波地波通信的工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

1.2粗糙海面地波衰減因子

海面的粗糙程度主要是由風(fēng)引起的。通常有兩大類海浪狀態(tài)：充分發(fā)展的海浪和涌浪。Philips各向同性海浪譜解決了由風(fēng)速U(m/s)產(chǎn)生的充分發(fā)展的海浪，本文針對(duì)四級(jí)海況進(jìn)行粗糙海面地波衰減因子的計(jì)算。表1給出了在四級(jí)海況條件下的風(fēng)速、風(fēng)力級(jí)和采用Phillips海浪譜計(jì)算的海浪均方高度等參數(shù)。

表1　四級(jí)海況下風(fēng)速、風(fēng)力和海浪均方高度等參數(shù)

粗糙海面相對(duì)于均勻光滑海面的地波傳播疊加了衰減因子As，As與海面通信距離、通信頻率及海況條件相關(guān)[9-10]。對(duì)于均勻光滑海面的地波衰減因子A和粗糙海面的地波衰減因子Ap有如下關(guān)系：

As=Ap-A

(8)

圖1給出了在四級(jí)海況下發(fā)射和接收同在海面上，不同距離時(shí)的地波衰減因子與頻率的關(guān)系。

圖1粗糙海面附加地波衰減因子

由圖1可以看出，粗糙海面地泊傳播的近端與遠(yuǎn)界，低頻段的傳播特性相近，隨著頻率的增高，附加衰減會(huì)迅速增大。

2鞭天線性能

理想天線性能不會(huì)隨頻率變化而變化，但在艦船間的短波地波通信鏈路中，天線性能受頻率變化的影響。實(shí)際通信中艦載鞭天線為保證整個(gè)頻段內(nèi)的寬帶性能要求，需要在天線上和天線根部同時(shí)加載。在短波地波通信鏈路分析中，需要對(duì)此類天線進(jìn)行性能評(píng)估。艦載鞭天線形式如圖2所示。

圖2　短波雙加載單鞭天線示意

圖2是一種10 m的艦用單鞭天線短波寬帶天線，在天線上部接入一個(gè)由電阻和電感并聯(lián)的復(fù)阻抗，在天線根部和匹配器之間再加入一個(gè)由電阻、電感和電容并聯(lián)的復(fù)阻抗，可將之看作一個(gè)預(yù)匹配器。該雙負(fù)載單鞭天線的增益和效率可以采用矩量法進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果如圖3所示。

圖3　10 m雙加載單鞭天線效率及水平方向增益

由圖3可以看出，在低頻段，由于預(yù)匹配器在最低端消耗了大量功率，致使天線在低端的效率和增益很低；隨著頻率的升高，天線的增益和效率迅速提升。此外，在頻率達(dá)到高端時(shí)(大于20 MHz時(shí))，增益值反而下降，并在26 MHz處達(dá)到最低點(diǎn)，這是因?yàn)樵谠擃l段，天線的最大輻射方向已經(jīng)不在水平方向了[11]。

考慮實(shí)際天線參數(shù)的影響，結(jié)合艦載鞭天線仿真性能，對(duì)海面短波地波通信的計(jì)算和分析，可較為真實(shí)地反映艦艇近距離短波地波通信情況，其結(jié)果將在后文中給出。

3大氣噪聲

短波通信接收情況的好壞主要取決于信噪比，自然條件下短波通信的外部噪聲主要有宇宙噪聲、大氣噪聲和工業(yè)噪聲。對(duì)于海面短波通信，宇宙干擾和工業(yè)噪聲均較小，這里不予考慮。作為海上短波通信的主要噪聲源，大氣噪聲主要由雷電引起，并隨頻率、時(shí)間、季節(jié)、地理位置以及氣候變化而變化。

目前，CCIR322報(bào)告[12]和ITU-R P.372-8推薦書(shū)[13]提供了一套全球大氣噪聲分布圖，因而工程上常采用此方法通過(guò)查圖估算出大氣噪聲計(jì)算公式中的各個(gè)參數(shù)。大氣無(wú)線電噪聲強(qiáng)度En(dBuV/m)有效計(jì)算公式如下：

En=Fa+10lgB+20lgf-96.8

(9)

式中，B為接收機(jī)的有效噪聲帶寬(Hz)，f為工作頻率(MHz)，F(xiàn)a大氣無(wú)線電有效噪聲系數(shù)(dB)，計(jì)算如下：

(10)

式中，F(xiàn)am為時(shí)區(qū)內(nèi)大氣無(wú)線電噪聲系數(shù)Fa的中值，Du為時(shí)區(qū)內(nèi)無(wú)線電噪聲系數(shù)Fa的上十分位值；σFam為Fam的標(biāo)準(zhǔn)差，σDu為Du的標(biāo)準(zhǔn)偏差。以上4個(gè)參數(shù)可通過(guò)CCIR322報(bào)告給出的世界無(wú)線電噪聲分布圖查得。

根據(jù)CCIR322報(bào)告，以我國(guó)南海附近海域坐標(biāo)北緯20°和東經(jīng)115°為例，有效噪聲帶寬為25 kHz，選擇大氣噪聲最大的夏季進(jìn)行分析，在工程應(yīng)用中通常是以統(tǒng)計(jì)形式取其季時(shí)段的中值來(lái)進(jìn)行計(jì)算。大氣噪聲的值如表2所示。

表2　夏季不同頻率下大氣噪聲(北緯20°東經(jīng)115°處)

由表2可知，大氣噪聲隨著頻率的增加和遠(yuǎn)離雷區(qū)而降低。

4計(jì)算結(jié)果與分析

4.1天線對(duì)地波傳播的影響

在地波場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算中，不同于理想天線的性能參數(shù)恒定，實(shí)際天線增益和輻射效率隨著工作頻率的變化而變化。結(jié)合前文中對(duì)10 m雙負(fù)載單鞭天線性能參數(shù)的仿真結(jié)果，對(duì)艦載鞭天線在粗糙海面上不同參數(shù)條件下的地波通信鏈路進(jìn)行分析和計(jì)算，考慮輻射效率和饋線損耗，其中發(fā)射機(jī)輸出功率為1 kW，海面相對(duì)介電常數(shù)εr=80，電導(dǎo)率σ=4 Ω/m。仿真計(jì)算出距離為30 km、100 km時(shí)粗糙海面上接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)與頻率之間的關(guān)系，其結(jié)果如圖4所示。

圖4　不同通信距離下粗糙海面接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)與頻率的關(guān)系

由圖4可見(jiàn)，由于輻射效率和天線饋線損耗等因素的影響，接收點(diǎn)實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)比理想天線情況下低，尤其在低頻端，工作頻率為3 MHz時(shí)，理想天線與實(shí)際天線的地波場(chǎng)強(qiáng)相差近12 dB。

與理想天線接收?qǐng)鰪?qiáng)隨工作頻率增加而減小的趨勢(shì)不同，鞭天線在實(shí)際通信時(shí)存在一個(gè)最佳工作頻率范圍。通信距離為30 km時(shí)，5～12 MHz頻率范圍內(nèi)信號(hào)較強(qiáng)；通信距離為100 km時(shí)，4～8 MHz頻率范圍為最佳工作頻段。由此可知，最佳工作頻率隨通信距離增加而降低，工作頻段寬度隨通信距離增加而降低。這表明盡管在低頻段天線輻射效率和饋線傳輸效率較低，但由于地波衰減隨頻率增加也迅速增加，因此較低的工作頻率是實(shí)際工程中的首選。

4.2粗糙海面地波通信信噪比估算

以上仿真給出了實(shí)際天線下粗糙海面短波通信地波場(chǎng)強(qiáng)的有效值，由于信噪比是衡量短波通信效能和電路設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，因此對(duì)接收點(diǎn)處的信噪比的計(jì)算尤為重要。接收點(diǎn)處的信噪比SNR(dB)可以表示為：

SNR=E-En

(11)

式中，E為接收點(diǎn)處地波電場(chǎng)強(qiáng)度(實(shí)際天線條件下)，En為大氣噪聲場(chǎng)強(qiáng)。利用前文的計(jì)算結(jié)果，可以得到粗糙海面近距離地波通信接收點(diǎn)處的信噪比如圖5所示。

圖5不同距離時(shí)接收點(diǎn)處信噪比與頻率關(guān)系

由圖5可知，在同一頻率上，由于地波場(chǎng)強(qiáng)隨著通信距離的增加而降低，接收點(diǎn)處的信噪比隨著距離的增加而降低；在同一距離上，信噪比隨著工作頻率的增加而增加，由于大氣噪聲受頻率增加而降低的幅度遠(yuǎn)大于地波場(chǎng)強(qiáng)降低的幅度。實(shí)際通信中接收點(diǎn)處的信噪比需要大于系統(tǒng)本身要求的最低信噪比。例如在上述粗糙海面地波通信中，要求在200 km處接收信噪比不低于5 dB，那么系統(tǒng)的可通頻段可選在5～30 MHz。

5短波無(wú)線信道試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

對(duì)短波海面波傳播效果進(jìn)行了四地通信試驗(yàn)，通信距離為100～200 km，電臺(tái)最大發(fā)射功率為1 kw。

由表3知，節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)4與節(jié)點(diǎn)1的通信距離分別為120 km和190 km，在考慮相同的大氣噪聲和天線性能前提下，根據(jù)短波海面波衰減理論計(jì)算的2發(fā)1收與4發(fā)1收接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)差值約為5 dB；由圖6柱狀圖知，2發(fā)1收的接收信噪比為13～15 dB，而4發(fā)1收的接收信噪比為9～13 dB，相差4～6 dB，與理論基本相符。

表3　四地相互間通信距離

由表3知，節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)4與節(jié)點(diǎn)3通信距離分別為135 km和190 km，根據(jù)海面地波衰減理論計(jì)算的接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)差值約4 dB；由圖7可知，2發(fā)3收的接收信噪比約為9～13 dB；而4發(fā)3收的接收信噪比約為5～11 dB，兩者實(shí)際中相差2～4 dB，基本與理論相符。

實(shí)測(cè)四地間的可用通信頻段為5～12 MHz，主用的通信頻段集中6～9 MHz。與圖5理論分析結(jié)果略有差別。分析其原因?yàn)楦髟囼?yàn)點(diǎn)均在臨海陸地上，受工業(yè)噪聲影響較大，實(shí)測(cè)本地噪聲分布并不呈現(xiàn)噪聲隨頻率增加而降低的規(guī)律，而是在各個(gè)頻段內(nèi)均有峰谷出現(xiàn)。實(shí)際可通頻段主要由海面地波傳播損耗特性決定。因此，實(shí)際可通頻段更接近于圖4中曲線的分布。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)了同一通信地點(diǎn)接收不同距離通信地點(diǎn)的信噪比，考慮相同大氣噪聲的前提下，實(shí)際接收信噪比絕對(duì)差值與理論基本相符，而實(shí)際接收信噪比(考慮到近海處信號(hào)干擾等影響)與理論基本一致。

圖6　節(jié)點(diǎn)1在不同信噪比下通信次數(shù)

圖7　節(jié)點(diǎn)3在不同信噪比下通信次數(shù)

6結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)粗糙海面?zhèn)鞑サ亩滩ǖ夭ㄍㄐ沛溌返姆治雠c計(jì)算，以及艦載鞭天線的增益及大氣噪聲的頻譜特性的分析，給出了粗糙海面?zhèn)鞑l件下短波地波通信的信噪比估算方法，得到了在不同通信距離時(shí)的短波通信系統(tǒng)的最佳通信頻率。并對(duì)短波海面波傳播效果進(jìn)行了臨海四地通信試驗(yàn)，實(shí)際海面地波試驗(yàn)驗(yàn)證了海面地波衰減理論的有效性?；诖植诤Ｃ娑滩ǖ夭ㄍㄐ庞?jì)算模型，能夠有效地進(jìn)行短波通信效能的評(píng)估，對(duì)實(shí)際短波通信鏈路頻率規(guī)劃及鏈路質(zhì)量評(píng)估有一定的工程應(yīng)用意義。

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王玉玨(1971—)，女，碩士，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信。