特定海域遠(yuǎn)洋測控短波通信選頻及模式優(yōu)化研究

李紅民 傅椿順 何小軍

【摘要】遠(yuǎn)洋航天測量船短波通信承擔(dān)著岸船間的短波通信職能，不但要完成相關(guān)數(shù)據(jù)信息的傳輸，其海上生命線的特殊地位更不可取代。遠(yuǎn)洋測控短波通信不僅受傳輸媒介電離層的隨機(jī)和流動性影響，而且還要面對多徑時(shí)延、損耗衰落、多普勒頻移、赤道電離異常等多因素帶來的復(fù)雜電磁環(huán)境影響。本文結(jié)合遠(yuǎn)洋測控短波通信實(shí)際對電離層機(jī)理結(jié)構(gòu)和影響遠(yuǎn)洋測控短波通信的要因進(jìn)行精細(xì)分析，結(jié)合現(xiàn)有資源得出解決遠(yuǎn)洋測控短波通信的方法和依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】遠(yuǎn)洋測控短波通信;特定海域;?；マD(zhuǎn)平臺;定頻優(yōu)化

一、引言

短波通信具有超強(qiáng)抗打擊能力和自主通信能力，是當(dāng)前唯一不受網(wǎng)絡(luò)樞紐和有源中繼體制約的成熟遠(yuǎn)程通信手段。因此，在衛(wèi)星通信技術(shù)廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代航海的當(dāng)下，短波通信仍是遠(yuǎn)洋船舶通信系統(tǒng)中不可替代重要組成部分。然而，船載短波通信由于受到復(fù)雜電磁環(huán)境以及人為和自然電磁屏障影響，其可用性和可靠性往往無法保證。為此，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)洋船舶短波通信的高可通率和可靠性，本文結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對太平洋海域的短波通信有效性的主要影響因素進(jìn)行了分析，進(jìn)而提出了如何保障短波高可通率的高效通信模式。

二、遠(yuǎn)洋船舶短波通信質(zhì)量影響因素分析

（一）遠(yuǎn)洋船舶短波通信基本原理

短波（Short-Wave）通信又稱為高頻（HF）通信，工作頻段為1.6MHz-30MHz，其中主要包括短波通信第7頻段的3MHz-30MHz和第6頻段1.6MHz-3MHz的高頻部分，其信息傳播主要依靠天波和地波。地波傳播特性主要由地表介質(zhì)電磁性決定，地波傳播模式的信息損耗與工作頻率成正比，有效的通信距離通常只有幾百公里，不能滿足遠(yuǎn)洋船舶的遠(yuǎn)距離通信需求。天波傳播主要是通過電離層的反射進(jìn)行傳播，電波經(jīng)過多次反射可到達(dá)數(shù)萬公里以外，因此，遠(yuǎn)洋測控短波通信通常采用天波傳播模式。

如圖1所示，左側(cè)為短波通信的適中距離傳輸過程，右側(cè)為短波通信的中遠(yuǎn)距離傳輸過程。左側(cè)的傳輸模式是電波信號從A點(diǎn)發(fā)出，穿過電離D層和E層后到達(dá)電離F層并經(jīng)其反射直接到達(dá)B接收端即完成了信息傳輸;而右側(cè)的傳輸模式是電波信號從A點(diǎn)發(fā)出，穿過電離D層和E層后到達(dá)電離F層，然后經(jīng)F層反射重新回到地面，再經(jīng)地面反射和再次穿過電離D層和E層后到達(dá)電離F層，再次經(jīng)過F電離層反射后到達(dá)B接收端完成信息傳輸。盡管電離層為電波長距離傳播提供了得天獨(dú)厚的條件[3]，但在上面?zhèn)鞑ミ^程中也看出，電波傳輸過程和傳輸復(fù)雜度是受通信距離和環(huán)境影響的，同時(shí)短波通信還易受兩端所處經(jīng)度不同形成的時(shí)間差、季節(jié)變化、太陽耀斑及太陽黑子活動等因素促使電離層的不規(guī)則變化形成電波傳輸?shù)亩鄰叫?yīng)，造成接收端收到的信號失真或碼元畸變。

（二）質(zhì)量影響因素分析

影響遠(yuǎn)洋測控短波通信的因素一方面來自設(shè)備硬件，另外一方面來自于距離和時(shí)間差形成的惡劣通信環(huán)境。遠(yuǎn)洋測控船舶涉及海域廣闊，與岸站最大有8個(gè)小時(shí)的時(shí)間差，形成遠(yuǎn)洋測控船舶與岸站在一天中有幾個(gè)小時(shí)是晝夜交錯(cuò)的，這種情況更加突顯出短波通信的時(shí)變特性，同時(shí)由于岸船間的距離大幅度增加，電波的跳變次數(shù)和頻率也會增加，衰落、多徑效應(yīng)、多普勒頻移現(xiàn)象都會顯現(xiàn)。同時(shí)，測量船活動在赤道相關(guān)區(qū)域時(shí)短波通信還將受到赤道電離異常的影響。另外天線發(fā)射和接收過程中的自然損耗也是降低遠(yuǎn)洋短波通信效率的一個(gè)因素。

上述情況下，電波在傳輸中所經(jīng)路徑會與圖1中的現(xiàn)象有特別大的差異，不但電波傳輸過程需要多種模式（見表1），同時(shí)也將受到很大的損耗，甚至在一定的時(shí)間和范圍內(nèi)沒有有效的可通頻率和工作方式，嚴(yán)重影響遠(yuǎn)洋測控短波通信的有效性和可靠性。

（1）衰落

衰落是當(dāng)短波電磁波信號在地球的電離層內(nèi)傳播時(shí)，由于電離層電特性變化的隨機(jī)性，造成不同信號的傳播路徑和能量吸收的隨機(jī)變化，使得接收機(jī)端的電平不規(guī)則變化，信號幅度呈現(xiàn)隨機(jī)變化。衰落問題的產(chǎn)生對短波通信的可靠性、穩(wěn)定性影響很大，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致通信中斷。

（2）多徑效應(yīng)

多徑效應(yīng)是指不同傳播途徑中最大的傳輸延時(shí)與最小的傳輸延時(shí)之差，它的值與系統(tǒng)的頻率、距離等條件有關(guān)。

從圖2所示的三種傳輸模式可以看出，在正常電離層分布情況下，三種模式所處電離層的電子密度和電磁波的傳輸路徑雖有變化，但都能夠滿足對電磁波進(jìn)行反射的條件，既發(fā)方信號通過A點(diǎn)、大地和B點(diǎn)的反射后都能成功到達(dá)對方臺。其中M模式和H模式經(jīng)過了D層反射，相對路徑稍短用時(shí)較少，而N模式是利用大地與F層間的反射，用時(shí)也略長。另外發(fā)射體發(fā)射出的電波因?yàn)檫\(yùn)行路徑和反射路徑都不可能相同，所以電波到達(dá)接收端的時(shí)間也不一致，形成一定的多徑傳播現(xiàn)象。多徑傳播現(xiàn)象會帶來數(shù)字通信中碼元的重疊，信號失真或使信道的傳輸帶寬受限，造成接收終端判決錯(cuò)誤和產(chǎn)生誤碼，影響通信效率和可靠度。

（3）多普勒頻移

電離層經(jīng)常性的快速運(yùn)動和反射層高度的快速變化使傳播路徑及其長度不斷變化，信號的相位也隨之產(chǎn)生起伏不定的變化。這種變化就是電離層不規(guī)則運(yùn)動引起的高頻載波的多普勒頻移。當(dāng)電離層處于相對靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，多普勒頻移一般在1Hz-2Hz范圍內(nèi)，但在電離層騷動嚴(yán)重時(shí)可達(dá)幾十赫，對短波通信的頻率穩(wěn)定度影響很大。

（4）電離層赤道異常

電離層赤道異常是指日間當(dāng)電離層F2層電子密度分布在赤道約±20度之間會出現(xiàn)一個(gè)最大的峰值，而在赤道形成一個(gè)極小值的特殊的異?，F(xiàn)象[11]（如圖3所示）。這種異常電離是由于陽光的加熱和潮汐作用電離層下層的等離子上移，穿越地球磁場線和E層形成電流，與赤道附近水平的地球磁場相互作用形成的，對該區(qū)域短波信號的傳輸與反射均造成一定影響。

（5）天線損耗

短波波長較長，采用短波進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信時(shí)通常需配備方向性較強(qiáng)的天線，如對數(shù)周期天線等。但因測量船環(huán)境所限，使用的接收和發(fā)射天線均為全向鞭狀天線，造成了來波的丟失和發(fā)射功率的消耗，同等條件下減弱了通信效果。

三、特定海域短波通信方式優(yōu)化選擇

遠(yuǎn)洋航天測量船短波通信承擔(dān)著岸船間的短波通信職能，其海上生命線的特殊地位更不可取代。鑒于長時(shí)間對影響遠(yuǎn)洋測控短波通信的以上不利要因進(jìn)行分析研究和實(shí)驗(yàn)，得出以下特定海域短波通信的優(yōu)化方式。

（一）遠(yuǎn)洋測控短波通信選頻方法

鑒于遠(yuǎn)洋測控海域分布范圍的特點(diǎn)，優(yōu)化方法中主要分為印度洋海域、太平洋密克羅尼西亞海域和南太平洋法屬波利尼西亞以東南海域3個(gè)部分。

（1）印度洋海域

遠(yuǎn)洋測控在印度洋海域的活動范圍主要在印度尼西亞以東和以南海域，測控海域與岸站經(jīng)度相差不大，短波信號在傳輸過程中受時(shí)延影響相對較小，但受惡劣海況和天氣等原因產(chǎn)生的各類噪聲對傳輸信道影響較大，常造成通信質(zhì)量和速率不穩(wěn)。通信過程中需多留意雙方信道受影響情況及程度，在原有通信信道受影響較大的情況下可采取隨機(jī)構(gòu)建通信信道和擇機(jī)通信的方式完成通信任務(wù)。

（2）密克羅尼西亞海域

密克羅尼西亞海域在維度上與岸站差別不大，經(jīng)度上與岸站有4個(gè)左右的時(shí)間差，船舶還處在東半球，其海域空曠海況穩(wěn)定，大氣噪聲較少，電離層的氣體密度較大，電子復(fù)合機(jī)會較多，信號波形異變有限，無論是人為因素還是自然因素都不會對短波通信產(chǎn)生大的影響。但此海域臨近赤道，所以在部分海域和時(shí)間段的通信會受到電離層赤道異常的影響。同時(shí)由于電離層的電子密度隨晝夜、季節(jié)以及年份的劇烈變化而變化，使得最高可用頻率和吸收損耗也有所變化，因此，此海域工作頻率需根據(jù)具體情況實(shí)時(shí)更換。用頻率范圍一般為：夜間8MHz-10MHz，白天14MHz-17MHz左右。

（3）法屬波利尼西亞以東南海域

法屬波利尼西亞以東南海域是遠(yuǎn)洋測控短波通信中溝通率最低海域。該區(qū)域測量船深度進(jìn)入西半球，岸船間電離層朝、夕（晝夜）所處時(shí)段環(huán)境及層面較為廣泛且差異很大。因此由遠(yuǎn)距離、異常天氣、電波多徑傳輸?shù)榷嘁蛩貛淼耐ㄐ怒h(huán)境的不確定性造成通信信號嚴(yán)重衰減和時(shí)延擴(kuò)展現(xiàn)象。如圖4所示。

本海域工作應(yīng)密切關(guān)注自然天氣和通信質(zhì)量的變化情況及時(shí)調(diào)整有效信道，在特殊的通信環(huán)境下要有緊前思想，在改頻和調(diào)整工作方式時(shí)岸船間要密切配合，晝、夜臨界點(diǎn)要根據(jù)兩端天氣情況和船舶動向確定好本工作段所需要的基準(zhǔn)頻率，然后根據(jù)信號強(qiáng)度和通信質(zhì)量適時(shí)調(diào)整。特殊情況下應(yīng)加大頻率上下調(diào)整的幅度，如平時(shí)改頻上下幅度調(diào)整一般在1MHz-2MHz內(nèi)，此海域，可以擴(kuò)大到5MHz-10MHz之間。同時(shí)，改頻時(shí)不但要提高操控設(shè)備的速度和適當(dāng)延長守聽時(shí)間，另一方面可采用設(shè)備對信道的隨機(jī)選擇和雙方約定信道相結(jié)合的方法來保證或提高通信效率。本海域可使用頻率范圍較廣：夜間5MHz-9MHz，白天13MHz-25MHz之間。

（二）定頻模式下工作種類的隨機(jī)可選性

定頻工作是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)洋測控短波通信的一個(gè)重要模式，在何時(shí)段采用定頻模式下的何種方式對通信實(shí)效有很大影響。下面以法屬波利尼西亞以東海域?yàn)槔龑Χl通信模式下的幾種通信方式進(jìn)行了通信實(shí)效比對和理論分析。

鑒于低速報(bào)強(qiáng)于話呼，CW報(bào)強(qiáng)于低速報(bào)的短波通信理論，在實(shí)際工作和實(shí)驗(yàn)過程中分別采用了定頻模式下的USB語音通信、USB低速數(shù)據(jù)、USB報(bào)和CW報(bào)等工作方式進(jìn)行若干次比較，得出的試驗(yàn)結(jié)果是在五個(gè)時(shí)間差和相對同等天氣環(huán)境、時(shí)間、頻率和功率等條件下USB語音通信有效通信率為51%，USB低速數(shù)據(jù)為63%，USB報(bào)為86%，CW報(bào)為96%以上（除特殊氣候外有效通信率可達(dá)到100%）。在通信效率比對中USB語音和USB低速數(shù)據(jù)的工作效率相對于USB報(bào)和CW報(bào)分別高出61%和5%左右，但USB語音和USB低速數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)距離通信中需要更高性能的調(diào)制解調(diào)器和相對大的發(fā)射功率來保障。其原因是通信終端在并行通信模式下傳輸信息首先要把高速數(shù)據(jù)經(jīng)串/并變換后分裂成16路低速數(shù)據(jù)，然后對這16路低頻進(jìn)行4DPSK調(diào)制，最后經(jīng)過調(diào)制的16個(gè)單音信號經(jīng)發(fā)射系統(tǒng)完成頻率搬移和功率放大之后由天線發(fā)射出去。此調(diào)制方式和過程減弱了發(fā)射功率和峰值功率，造成原有的發(fā)射功率大幅度降低。固在南太平洋法屬波利尼西亞以東海域能滿足USB語音和USB低速數(shù)據(jù)通信的時(shí)間段相對較少。

（三）構(gòu)建?；マD(zhuǎn)平臺

因遠(yuǎn)洋測量需求不同，參與測量的測量船數(shù)量以及各測量船分布位置也不同。遠(yuǎn)洋測量船活動范圍基本在東經(jīng)80度-西經(jīng)125度和北緯31度-南緯26度之間，由于范圍很廣且各測量船與岸站的距離差別很大所以各測量船與岸站間的短波通信質(zhì)量也有很大差異。以執(zhí)行嫦娥四號任務(wù)為例，參與執(zhí)行測量任務(wù)的兩艘測量船分別分布于密克羅尼西亞以西海域和密克羅尼西亞以東海域。

在密克羅尼西亞以西的測量船離岸站相對較近，時(shí)差相對也較小，短波通信能滿足岸船間全時(shí)段需求。而處在密克羅尼西亞以東的測量船則在北京時(shí)間23點(diǎn)至次日4點(diǎn)間建鏈困難，即使在定頻模式下工作通信質(zhì)量也不高。鑒于這種情況利用距岸站近的測量船采用適用的方式為岸站和另一測量船搭建轉(zhuǎn)信平臺，通信成功率為100%。在其后的遠(yuǎn)洋測控中以處在波利尼西亞以東南太平洋海域和斐濟(jì)海域的測量船通過與處在密克羅尼西亞海域的測量船構(gòu)建鏈路與岸站進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)試驗(yàn)，有效通信率為83%和91%，定頻模式下均為100%。

四、結(jié)束語

短波通信設(shè)備和用頻數(shù)量以每年30%的速度遞增，一度快速發(fā)展的短波新技術(shù)在復(fù)雜度超乎想象的超遠(yuǎn)距離電磁傳輸空間下已顯得滯后。本文針對當(dāng)前復(fù)雜電磁環(huán)境下遠(yuǎn)洋測控短波通信所處的特殊環(huán)境進(jìn)行理論分析，在提煉出有效的特殊海域選用頻規(guī)律的基礎(chǔ)上采用鏈路自動建立、定頻模式和構(gòu)建?；マD(zhuǎn)平臺等相結(jié)合的工作方式實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前遠(yuǎn)洋測控短波通信全時(shí)段、全航線的有效性。同時(shí)，也可作為區(qū)域過往船只和從事短波環(huán)球通信機(jī)構(gòu)的參考。

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