基于C3I系統(tǒng)的短波通信仿真建模

1 引言

短波通信是指利用波長(zhǎng)為100~10 m的電磁波進(jìn)行無(wú)線電通信。短波通信多年來(lái)被廣泛用于政府、軍事、氣象、商業(yè)等領(lǐng)域，用以傳送語(yǔ)言、文字、圖像、數(shù)據(jù)等信息。尤其在軍事領(lǐng)域，短波通信始終是軍事指揮的重要手段之一。如今計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)庫(kù)的提出，及仿真技術(shù)的應(yīng)用，使軍事指揮自動(dòng)化進(jìn)入一個(gè)新的階段。短波戰(zhàn)術(shù)平臺(tái)是指揮自動(dòng)化系統(tǒng)(C3I)的一個(gè)子系統(tǒng)，該平臺(tái)充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子地圖數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)遂行通信，保障謀劃、仿生拉試預(yù)決策、通信作戰(zhàn)文書的生成。這里僅對(duì)通信仿真建模進(jìn)行討論。

2 短波信道的傳播損耗模型

短波天波通信是以電離層為媒介傳播的，電離層的密度隨晝夜、季節(jié)、太陽(yáng)活動(dòng)周期和經(jīng)緯度變化而變化，因此傳播損耗與時(shí)間、季節(jié)、經(jīng)緯度位置、地形等諸多實(shí)時(shí)變化因素有關(guān)�？紤]到目前所能計(jì)算的損耗，電離層傳播損耗可表示為

式中，LP0是自由空間傳播損耗，La是電離層吸收損耗，Ln是多跳地面反射損耗，Yp是額外系統(tǒng)損耗。

2．1 自由空間傳播損耗

在短波信號(hào)傳播過程中，由于電波逐漸遠(yuǎn)離發(fā)射點(diǎn)，能量擴(kuò)散的面積越來(lái)越大，從而使得接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)越來(lái)越小。在計(jì)算該項(xiàng)損耗時(shí)，認(rèn)為地球和電離層均是平面狀態(tài)，反射是鏡面反射，如圖1所示，其中r表示天波傳播中的射線距離：D是發(fā)射點(diǎn)A與接收點(diǎn)B 之間的大圓距離(地球表面距離)，收發(fā)兩端點(diǎn)間的地球中心夾角用a表示。

自由空間傳播損耗的計(jì)算公式：

式中，R是地球半徑，h是電離層高度，△是射線仰角。

(1)求大圓距離D

由電子地圖可知發(fā)射端A和接收端B的地理經(jīng)緯度，則大圓距離為：

式中，x1為發(fā)射端的地理緯度；y1為發(fā)射端的地理經(jīng)度；x2為接收端的地理緯度；y2為接收端的地理經(jīng)度。北緯緯度取正值，南緯緯度取負(fù)值，(y1-y2)為收發(fā)兩點(diǎn)間的經(jīng)度間隔。

(2)求射線仰角△

由圖1可得：

式中，h是電離層高度，其值可由經(jīng)驗(yàn)值獲得。

2．2 電離層吸收損耗

電離層吸收損耗La分為偏移吸收和非偏移吸收，前者指反射區(qū)的吸收，后者指電離層D、E區(qū)域的吸收。一般偏移吸收損耗極小(≤1 dB)，可以忽略。工程中常用以下半經(jīng)驗(yàn)公式:

式中(以h=100 km為例，下同)，θ0是100 km高度處的電波入射角,fH是100 km高度處的平均值，單位為MHz，n是跳數(shù)，Ii是吸收系數(shù)。Ii的計(jì)算公式為：

式中，R12為12個(gè)月太陽(yáng)黑子的流動(dòng)平均值，xi為穿透吸收區(qū)的太陽(yáng)天頂角平均值。

仿真中采用數(shù)學(xué)計(jì)算和選取典型值的方法模擬。

(1)求電波入射角θ0將h=100 km代人式(6)。

(2)求磁旋頻率fH我國(guó)經(jīng)緯度大致范圍為北緯：22°~55°，東經(jīng)75°~135°，查100 km處磁旋頻率的世界地圖可得FH的取值范圍為1．2～1．5 MHz。為計(jì)算簡(jiǎn)便，定義如下：若反射點(diǎn)的緯度位于北緯22°～35°，fH=1．3 MHz；北緯35°～45°，fH=1．4 MHz；北緯45°～55°，fH=1．5 MHz。

(3)求12個(gè)月太陽(yáng)黑子的流動(dòng)平均值R12 該值無(wú)法計(jì)算，可查表求得。

(4)求太陽(yáng)天頂角xi某地某時(shí)刻的太陽(yáng)天頂角是指太陽(yáng)射線(光線)直射到地球經(jīng)緯度上，再繼續(xù)延伸到地心，此延伸線(即太陽(yáng)直射線)與電臺(tái)所在地理經(jīng)緯度到地心的直線之間的夾角。某地的太陽(yáng)天頂角的大小和該地的地理位置、季節(jié)、時(shí)間有關(guān)。