地球電離層對(duì)短波通信的影響分析

孫建民，張?zhí)礓?，張立峰，趙廣立

（1.31411部隊(duì)，鐵嶺 112602；2.61932部隊(duì)，北京 100071）

0 引言

最初的無(wú)線電傳播方式就是短波，第一條短波通信線路于1924年在德國(guó)的瑙恩和阿根廷的布宜諾斯艾利斯之間建立[1]。由于短波通信依靠地球電離層就可實(shí)現(xiàn)概率通信，且電離層難以干擾或摧毀，因此短波通信始終是應(yīng)急通信的重要手段，也是軍事通信的保底手段。近年來(lái)，歐美先進(jìn)國(guó)家在短波技術(shù)開(kāi)發(fā)上持續(xù)投入資金，各短波廠家都在努力研發(fā)新的技術(shù)和產(chǎn)品，短波通信技術(shù)在頻率優(yōu)選、降噪、抗干擾、增加功能、智能化、數(shù)字化等方面獲得了長(zhǎng)足進(jìn)步。電離層對(duì)短波通信起著決定性作用，對(duì)其特性原理和影響程度進(jìn)行分析，將促進(jìn)短波通信技術(shù)的發(fā)展和推廣。

1 短波通信特點(diǎn)

1.1 傳播方式

短波的波長(zhǎng)為100米～10米，頻率為3-30MHz。短波的基本傳播途徑分為地波和天波：

（1）地波傳播是指無(wú)線電波沿大地與空氣分界面?zhèn)鞑?。無(wú)線電波傳播效果主要取決于傳輸介質(zhì)電導(dǎo)特性，海面介質(zhì)電導(dǎo)特性對(duì)于無(wú)線最為有利，短波信號(hào)可以沿海面?zhèn)鞑ゾ嚯x約1，000千米左右；陸地介質(zhì)電導(dǎo)特性不如海面，電波傳播衰耗較大，不同的陸地表面介質(zhì)對(duì)電波傳播衰耗也不同，潮濕土壤地面衰耗小，干燥沙石地面衰耗大，短波信號(hào)沿地面?zhèn)鞑ゾ嚯x約20～30千米左右。地波傳播的優(yōu)點(diǎn)是不需要經(jīng)常改變工作頻率，缺點(diǎn)是需要考慮障礙物的阻擋效應(yīng)。

（2）天波傳播是指無(wú)線電波由天線發(fā)出后，經(jīng)電離層反射回地面，又由地面反射回電離層，往返多次，最終達(dá)到遠(yuǎn)距離傳播目，天波傳播是短波通信的主要傳播途徑。短波通信第一跳的最短天波傳播距離約為80～100千米左右，且不受地面障礙物阻擋[2]。天波的缺點(diǎn)是傳播鏈路很不穩(wěn)定，在傳播過(guò)程中，受路徑衰耗、時(shí)間延遲、大氣噪聲、多徑效應(yīng)、電離層衰落等影響，會(huì)使短波信號(hào)弱化和畸變，影響通信效果。

1.2 短波通信的優(yōu)勢(shì)

（1）抗毀性高。目前常用的有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，基本都依賴中心樞鈕站或中繼基站，若因戰(zhàn)爭(zhēng)或自然災(zāi)害造成癱瘓，網(wǎng)絡(luò)性能將大幅下降，甚至完全失效。由于電離層的不可摧毀特性，短波通信是惟一不受中心樞鈕站或中繼基站制約的遠(yuǎn)程通信手段，每個(gè)短波通信臺(tái)站既可做主站也可做從站，其中一部分受損對(duì)全網(wǎng)正常工作影響較小。

（2）覆蓋范圍大。超短波、微波等通信方式均屬視距傳播，受地球曲率和地面障礙物的影響，一般只能傳播幾千米至幾十千米，即使借助中繼基站增加傳播距離，但在覆蓋范圍內(nèi)存有大量通信盲區(qū)。短波通信可以利用多次反射，傳播至上萬(wàn)千米，通過(guò)控制傳播跳數(shù)，有效縮小通信盲區(qū)。

（3）建設(shè)成本低。短波通信不需要建設(shè)復(fù)雜的中心樞鈕站和大量的中繼基站，建設(shè)成本低、周期短、見(jiàn)效快。與衛(wèi)星、手持電話等收費(fèi)系統(tǒng)相比，短波的運(yùn)營(yíng)成本幾乎為零。

1.3 短波通信的不足

（1）選頻用頻復(fù)雜。短波傳播方式以天波傳播為主，地球電離層的高度和電離濃度隨地區(qū)、季節(jié)、時(shí)間、太陽(yáng)黑子活動(dòng)等因素的變化而變化，這種特性決定了短波通信工作頻率也應(yīng)隨之改變，不能使用固定工作頻率，需根據(jù)不同季節(jié)、不同通信方向、不同天饋系統(tǒng)選擇工作頻率。

（2）干擾因素多。由于電離層特性、多路徑傳播、地面環(huán)境噪聲等因素，尤其是地面工業(yè)化進(jìn)程的加速，低頻電器使用越來(lái)越多，增加了短波信號(hào)中的噪聲干擾。噪聲消除技術(shù)是短波通信的重點(diǎn)課題之一，近年來(lái)隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及硬件水平的提升，出現(xiàn)了一些噪聲消除的好方法。

（3）使用感不高。短波通信設(shè)備多是單工通信，不如手機(jī)、衛(wèi)星電話使用方便。雖有少數(shù)廠家生產(chǎn)雙工短波設(shè)備，但造價(jià)高，使用效果不理想，并未普及。

（4）容量速率較低。受使用頻段和調(diào)制體制限制，短波通信的帶寬較窄，在傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)速率較低，不適合傳輸圖像、視頻等業(yè)務(wù)，在民用市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力較弱。

2 電離層組成

距離地面約50～2，000千米高空的空氣很少流動(dòng)，由于太陽(yáng)紫外線照射，使大氣中的氮分子、氧分子、氮原子、氧原子電離，產(chǎn)生正離子和電子，形成電離層。由于氣體分子本身重量和受到紫外線照射強(qiáng)度的不同，電離層具有不同電離濃度的分層，各層的中部電離濃度最大，各層之間沒(méi)有明顯的分界線。對(duì)短波通信產(chǎn)生影響的是：D層、E層、F1層、F2層[3]。

（1）D層：高度60～80千米，電離濃度最小，白天存在，晚上消失，中午電離濃度最大。D層不易反射電波，可吸收低頻電波，電離濃度大時(shí)，可反射2～9MHz的電波。

（2）E層：高度100～120千米，電離濃度也較小，白天電離濃度增加，晚上相應(yīng)減少。E層可以反射中頻電波，在一些特定條件下，也可反射高頻電波。

（3）F層，分為F1和F2。F1層：高度150～200千米，中午電離濃度最大，入夜后很快消失；F2層：高度200～400千米，下午電離濃度最大，入夜逐漸減少，黎明前最小。夏季以及部分春秋季的白天，F(xiàn)1層和F2層同時(shí)存在，且F2層的濃度大。到了夜晚，F(xiàn)1和F2合并為F2層，高度上升。F2層反射能力最強(qiáng)，是短波進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信的主要條件。

3 影響分析

3.1 電離層的折射和反射

電離層可看成具有一定介電常數(shù)的媒質(zhì)，電波進(jìn)入電離層會(huì)發(fā)生折射和反射。折射和反射的程度與電離濃度大小及電波的工作頻率有關(guān)。電離濃度隨距地高度呈不均勻分布，距地高度越高電離濃度越大，折射角越高、反射能力越強(qiáng)；電波工作頻率越低越容易被反射，長(zhǎng)波、中波、短波可以被反射，超短波、微波一般情況下只能穿透電離層而不能返回地面。短波傳播條件：一是電離層的每一層可利用極限法劃分為多個(gè)薄層，每一薄層的電離濃度可認(rèn)為是均勻恒定的。電波通過(guò)每一薄層時(shí)發(fā)生折射，折射角依次加大；二是當(dāng)電波達(dá)到電離層的某一薄層時(shí)，該薄層的電離濃度值恰使折射角達(dá)到最大值；三是然后，電波從該薄層向地面反射，折射角逐漸減?。凰氖钱?dāng)工作頻率一定時(shí)，電波的入射角越大，則被電離層反射的概率越大；五是當(dāng)入射角小于一定值時(shí)，由于不能滿足折射條件，電波將穿透電離層不再返回地面[4]；六是電波在折射、反射過(guò)程中極化方向會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，短波信號(hào)接收電平會(huì)出現(xiàn)周期性起伏的衰落現(xiàn)象。

3.2 電離層的吸收

電波傳播穿越電離層時(shí)，電離層中的正離子和電子互相碰撞，消耗能量，發(fā)生能量吸收，吸收程度同樣與電離濃度大小及電波的工作頻率有關(guān)。電離濃度越大、電波工作頻率越低，吸收作用越大，反之則低。一般規(guī)律是；白天比夜間吸收大，夏季比冬季吸收大。當(dāng)吸收作用大到一定程度時(shí)，電波信號(hào)接收信噪比將不能滿足短波接收機(jī)最低解調(diào)門限要求，導(dǎo)致通信中斷。

3.3 核爆附加電離區(qū)的影響

核爆炸產(chǎn)生的各種電離輻射向上到達(dá)高層大氣中，產(chǎn)生很強(qiáng)的附加電離（主要發(fā)生在D、E層），從而引起大氣中的電子數(shù)濃度在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)、較大范圍里大幅增加，形成附加電離區(qū)。當(dāng)短波信號(hào)通過(guò)附加電離區(qū)時(shí)，電磁場(chǎng)會(huì)激勵(lì)附加電離區(qū)中的自由電子，波場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換成電子動(dòng)能，而電子與中性分子及離子的碰撞會(huì)將電子動(dòng)能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，產(chǎn)生一系列電離層效應(yīng)，如能量吸收、閃爍、折射、散射、多普勒頻移和極化旋轉(zhuǎn)等。電離層效應(yīng)的影響程度隨著頻率增加而減弱，且大多數(shù)影響是與頻率的平方成反比。天波傳播在電離濃度為105個(gè)/cm3的地方反射增強(qiáng)。有資料顯示，當(dāng)量為1萬(wàn)噸，爆炸高度為60千米的核彈，瞬發(fā)核輻射產(chǎn)生的電離濃度峰值為1，010個(gè)/cm3，作用范圍最大可至1，000千米，持續(xù)時(shí)間1小時(shí)左右；緩發(fā)核輻射產(chǎn)生的電離濃度在105～106個(gè)/cm3，持續(xù)時(shí)間3～4小時(shí)以上。美國(guó)于1962年7月9日在約翰斯頓島進(jìn)行的“海星計(jì)劃（Starf ish）”，爆炸高度為400千米，當(dāng)量為140萬(wàn)噸，對(duì)太平洋地區(qū)的短波通信中斷達(dá)幾十分鐘[5]。

鑒于附加電離區(qū)對(duì)短波通信的影響，美國(guó)正在加緊開(kāi)展相關(guān)研究，以便收獲軍事優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)在以下方面：一是美軍正在研究利用低成本的“立方體”微型衛(wèi)星，通過(guò)在高空釋放大量電離氣體，提升電離層反射短波信號(hào)的概率。二是賓夕法尼亞州德雷塞爾大學(xué)和通用科學(xué)公司計(jì)劃通過(guò)將金屬加熱至其沸點(diǎn)以上從而使其蒸發(fā)，使金屬與大氣中的氧氣發(fā)生相互作用產(chǎn)生離子體，提升電離層反射短波信號(hào)的概率。三是尼格聯(lián)合企業(yè)和馬里蘭大學(xué)計(jì)劃精確地控制引爆一枚小型炸彈，形成等離子體云團(tuán)，提升電離層反射短波信號(hào)的概率。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)今社會(huì)，無(wú)線通信使用頻段越來(lái)越高、帶寬越來(lái)越大，以5G、HTS衛(wèi)星為代表的新技術(shù)、新應(yīng)用、新終端廣泛滲透到社會(huì)生活中，短波通信的應(yīng)用領(lǐng)域看似越來(lái)越小，這種認(rèn)識(shí)是片面的。不同通信工具各有其用，不可互相替代。各種新型通信越發(fā)達(dá)，越需要安全可靠的短波作為應(yīng)急通信和后備手段。