電離層影響短波天波傳播的仿真及實測

徐 彪，萬 莎，江建興

（國家無線電監(jiān)測中心福建監(jiān)測站，廈門 361000）

電離層影響短波天波傳播的仿真及實測

徐 彪，萬 莎，江建興

（國家無線電監(jiān)測中心福建監(jiān)測站，廈門 361000）

本文利用基于電離層的短波預(yù)測軟件，結(jié)合歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，探索有利于開展短波監(jiān)測工作的規(guī)律。

電離層；短波；天波傳播

1 電離層和短波基本理論

1.1 短波廣播

短波廣播（shortwave radio，SW）是利用短波波段播送的廣播。由于穿透力強，不易干擾，且安全、便宜、快捷，至今仍被專家們普遍認(rèn)為是大規(guī)模全球傳送的惟一最有效途徑。其工作頻率一般在3-30MHz，調(diào)制方式可以是數(shù)字廣播（DAB）也可以是模擬廣播。工作于短波頻段的模擬廣播一般采用AM調(diào)制方式，工作帶寬為50Hz-9kHz，發(fā)射類別為A3E。

1.2電離層

地球受到來自宇宙天體（主要為太陽）的射線影響，使得大氣層中的氮分子、氧分子、氮原子、氧原子電離，產(chǎn)生正離子和電子，從而在50km到1000km的地球上空產(chǎn)生了一個由自由電子、正負(fù)離子和中性分子、原子等組成的等離子體。

根據(jù)電離層電子濃度的高度分布，可以劃分為D，E，F(xiàn)1，F(xiàn)2，層，各層的中部電子密度最大、狀態(tài)都有復(fù)雜的變化，層與層之間沒有明顯的分界線。

表1 電離層特點

D層是電離層中的最低層，無線電波（特別是較低頻率的無線電波）在穿過該層時受到較大的吸收，導(dǎo)致電波遭到嚴(yán)重的衰減。而且，值得一提的是，D層的電子密度越大，對電波的吸收越強。因此，太陽輻射較強的夏季和白天，電子密度相對相比冬季和夜晚較大，對電波的吸收越強。

E層是電離層的中層，離地大約100至150km。該層隨著太陽輻射的減小開始逐漸消，是中波傳播的反射層。

F層是短波傳播最主要的層，絕大部分的短波都是在F層進(jìn)行反射完成傳播的。F層在一天內(nèi)也隨著太陽輻射強度發(fā)生變化：白天由于太陽輻射比較強，F(xiàn)層可以分為F1層和F2層，這時F層是電離層中反射率最高的；晚上隨著太陽輻射強度的減小，F(xiàn)1層消失，僅剩F2層。

2 短波在電離層中的傳播

當(dāng)頻率為f的無線電波以入射角θ0由空氣射入電離層后，在電離層不斷發(fā)生折射，當(dāng)電磁波傳播到電離層的某一高度時，該處的電子密度N剛好使得電波發(fā)生全反射，電波從電離層返回地面。若入射電波到達(dá)電離層的電子密度最大處Nmax仍不能發(fā)生全反射，則該電波穿透電離層，無法實現(xiàn)通信。

圖1 電波在電離層的傳播

電波從電離層反射下來的條件為：

式中，Nn為反色點的電子密度。

由式（1）可知，影響電波反射的參數(shù)如下：

⊙ 電波頻率f。在入射角θ0一定時，電波頻率越低，越容易反射。

⊙ 反射點的電子密度Nn。白天電子密度大，允許使用的頻率就高；夜間電子密度小，必須降低頻率才能保證天波的傳播。

3 電離層變化對短波的影響

由于大氣結(jié)構(gòu)和電離源的隨機變化，電離層的電子密度、分布高度、電離層厚度都是隨機變化的。電離層的變化可以分為規(guī)則變化和不規(guī)則變化兩種。規(guī)則變化有日夜變化、季節(jié)變化、隨太陽黑子11周年的變化、隨地理位置的變化等；不規(guī)則變化有突E層、電離層突然騷擾、電離層爆等。

3.1 日變化

日出之后，電子的濃度會不斷增加，一直到正午微后時分達(dá)到最大值，在之后，又逐漸變小。夜間由于沒有陽光照射，有些電子和正離子就會重新復(fù)合成中性分子，D層由于這種復(fù)合會在深夜消失不見；E層和F層仍然存在，但電子密度比白天下降，高度比白天低。黎明的時候各層的電子密度達(dá)到最小。一天中，黎明與黃昏時，電子密度變化最為明顯。

由以上分析可知，在一天中當(dāng)太陽輻射強度最大，電離層電子密度達(dá)到最高，此時可用的頻率就高，因此，白天可用頻率應(yīng)該高于夜晚的可用頻率。

3.2 季節(jié)變化

不同的季節(jié)，太陽的照射不同，故一般夏季的電子密度大于冬季，但是F2層例外。F2層冬季的電子密度反而比夏季的大，并且在春分和秋分時節(jié)兩次達(dá)到最大值；其層高夏季高冬季低。這是由于F2的大氣在夏季變熱向高空膨脹，從而使電子密度減小、層高變高。

圖2 電離層高度隨季節(jié)和日夜的變化

在白天及夏季，短波廣播要選用較高的頻率，在晚上及冬季時，則選用較低的頻率。

4 仿真和實測

4.1 仿真

運用澳大利亞一個政府機構(gòu)開發(fā)的預(yù)測系統(tǒng)（ASASP），設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)，仿真菲律賓首都馬尼拉（E120.98，N14.58）發(fā)射的廣播電臺隨著電離層的變化，具體包括為實現(xiàn)對亞洲地區(qū)廣播覆蓋可用的最佳使用頻率（BUF），以及在BUF下的覆蓋范圍。

4.1.1 最佳使用頻率（BUF）

由以上分析可知，在一天的時間內(nèi)，可使用頻率隨電離層變化而存在日夜差異，故在白天和晚上各選取一個時間點，仿真位于菲律賓馬尼拉的10kW廣播電臺對亞洲覆蓋的最佳使用頻率。仿真使用的是UTC時間，菲律賓和中國所處的時區(qū)均為東八區(qū)，與UTC的時差為8小時。

圖2 不同時段的

分析圖A，在UTC 0200的時間段（北京時間1000），菲律賓對亞洲的最佳使用頻率較高，最高可達(dá)26MHz，覆蓋中國大陸的頻段有11MHz，13MHz，15MHz，17MHz，且不同的頻率覆蓋的范圍不同。分析圖B，可以看出，北京時間0600時刻（黎明時分），在菲律賓發(fā)射的廣播，其最佳使用頻率較多的集中在低頻段，并且存在較大面積的區(qū)域無最佳頻率。

圖2驗證在一天中，最佳使用頻率隨電離層的日夜變化，即在菲律賓馬尼拉發(fā)射的廣播信號在白天可用的最佳使用頻率明顯高于晚上，具體而言，在UTC時間0200的白天最佳使用頻率明顯高于UTC2200的晚上。

4.1.2 覆蓋范圍

圖3 下的覆蓋范圍

在最佳使用頻率下，仿真在菲律賓馬尼拉發(fā)射的10kW的廣播信號對我國的覆蓋情況。時間為1月1日UTC時間0800。由圖3可以看出，該信號可以覆蓋中國大陸的絕大部分，國家短波監(jiān)測網(wǎng)中的昆明、成都、深圳、上海、福建、北京以及西安等7個監(jiān)測站可以接收到該廣播信號。

4.2 實測

對2016年監(jiān)測到的菲律賓方向的廣播信號進(jìn)行統(tǒng)計，得到圖4，縱軸為頻率軸，單位為kHz；橫軸為時間軸，采用的是UTC時間。由圖4可以看出，頻率分布上，信號頻點主要分布在10MHz，13MHz，15MHz附近，與采用仿真軟件得到的最佳使用頻率的分布基本相符。

在一天的時間范圍內(nèi)，最高頻率（21MHz頻段）發(fā)射的時間段為白天；較低頻率（6MHz附近）的發(fā)射時間為晚上。

圖4 菲律賓廣播時頻分布圖

5 結(jié)束語

在開展短波監(jiān)測時，當(dāng)需要對某一特定區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測時，可以利用基于電離層變化的天波傳播仿真軟件，仿真得到該特定區(qū)域?qū)ν鈴V播的最佳使用頻率，在設(shè)定自動值守參數(shù)或采取人工值守時，加強對此最佳使用頻率的監(jiān)測，提高短波監(jiān)測的工作效率。加強對最佳使用頻段的監(jiān)測的同時，適當(dāng)考慮電離層的日夜變化對選頻影響。在白天時間段，可以適當(dāng)加強對較高的頻率段的監(jiān)測；而在夜晚時間段，可以對較低的頻率段稍微投入更多的關(guān)注。重復(fù)利用仿真軟件，提前預(yù)估電臺的覆蓋面積。在調(diào)用監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)備時，只需要調(diào)用覆蓋情況較好的監(jiān)測站，提高短波監(jiān)測網(wǎng)設(shè)備的使用效率。

[1] 王亞軍．短波電離層反射信道模型的建立與仿真[J]．電波科學(xué)學(xué)報，2004(06)

[2] 朱營．短波天波傳播淺談[J]．科技致富向?qū)В?0l2(06)．

[3] 張?zhí)?，韓宇．淺談短波的電波傳播特點和工作頻率選擇[J]．科技信息，2013(01)

[4] 趙鵬飛．電離層對短波廣播天波傳輸?shù)挠绊慬J]．西部廣播電視，2013(07),145-146

中心召開2017年工作會議

2月21日，國家無線電監(jiān)測中心、國家無線電頻譜管理中心（簡稱“中心”）召開2017年工作會議，會議回顧總結(jié)了中心2016年工作，分析了當(dāng)前面臨的形勢和任務(wù)，按照全國工業(yè)和信息化工作會議、全國無線電管理工作座談會的統(tǒng)一部署，對2017年的工作做出安排。

工業(yè)和信息化部無線電管理局巡視員闞潤田出席會議并講話，中心主任劉巖代表領(lǐng)導(dǎo)班子作了題為《櫛風(fēng)沐雨 砥礪前行 努力實現(xiàn)中心改革發(fā)展新跨越》的工作報告。中心黨委書記薛永剛主持會議。

會議提出，中心2017年工作的總體思路是：全面貫徹黨的十八大和十八屆三中、四中、五中、六中全會精神及習(xí)近平總書記系列重要講話精神，按照“三管理、三服務(wù)、一突出”的總體要求，堅持打基礎(chǔ)、抓落實、促發(fā)展和創(chuàng)新驅(qū)動相結(jié)合，堅持事業(yè)單位改革和工作作風(fēng)轉(zhuǎn)變相促進(jìn)，努力實現(xiàn)無線電管理技術(shù)工作新跨越。

會上，闞潤田對中心2016年的工作給予充分肯定。他指出， 2016年中心聚焦核心職能，主動響應(yīng)，高效支撐，充分發(fā)揮了技術(shù)優(yōu)勢、專家優(yōu)勢及各方面資源優(yōu)勢，為全國無線電管理各項工作的完成做出了積極貢獻(xiàn)。闞潤田希望中心在2017年的工作中要認(rèn)真落實全國無線電管理工作座談會的會議部署和劉利華副部長講話精神，緊緊圍繞核心職能，堅持頻譜管理和監(jiān)測工作為主的技術(shù)支撐“國家隊”定位，著力打造無線電管理政策研究的國家智庫，強化干部隊伍能力建設(shè)和培養(yǎng)，充分發(fā)揮好國家無線電管理技術(shù)機構(gòu)的重要作用，為中心未來的發(fā)展謀劃更大的發(fā)展空間，為無線電管理事業(yè)的發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。

會議提出， 2017年，中心要按照國家無線電管理工作的整體部署，結(jié)合實際，切實做好以下工作：一是創(chuàng)新頻譜資源管理“精細(xì)化”研究，二是加強衛(wèi)星頻率和軌道資源管理“戰(zhàn)略化”支撐，三是完善無線電安全技術(shù)保障“體系化”能力，四是實施臺站設(shè)備管理“優(yōu)質(zhì)化”工程，五是統(tǒng)籌無線電管理信息數(shù)據(jù)“一體化”建設(shè)，六是提升政策和技術(shù)研究“智庫化”水平，七是推進(jìn)中心事業(yè)改革發(fā)展“縱深化”進(jìn)程。

會議強調(diào)，2017年中心要在扎實做好以上7方面主要工作的同時，要重點開展的工作是：全面推進(jìn)頻率、監(jiān)測、臺站、衛(wèi)星等“四庫一化”相關(guān)規(guī)范應(yīng)用，以建設(shè)中心監(jiān)測一體化平臺為契機，試點構(gòu)建無線電管理頻譜地圖，示范引領(lǐng)超短波監(jiān)測網(wǎng)自動化、智能化建設(shè)。

會議對2016年度考核優(yōu)秀個人進(jìn)行了表彰。

中心領(lǐng)導(dǎo)及各處室、研究所的干部職工、退休老同志在主會場參加會議，中心各直屬監(jiān)測站、檢測中心及北戴河監(jiān)測站、備份中心的干部職工在分會場參加會議。

Simulation and Measured of The Ionosphere Effect to Shortwave Sky Wave

Xu Biao, Wan Sha, Jiang Jianxing
(State Fujian Station of Radio Monitoring Center, Xiamen,361001)

In this paper, prediction software and historical monitoring date are used to search for the rule can benefit for monitoring the shortwave.

The ionosphere; shortwave; sky wave

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.03.016

TN925文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2017）03-0059-04