摘要本文對(duì)比分析了利用ITU半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?種電子碰撞模型預(yù)測(cè)天波鏈路電離層吸收衰減的方法.利用中國(guó)參考電離層模型和質(zhì)譜儀非相干散射大氣模型構(gòu)建背景電離層和背景大氣，在構(gòu)建的背景環(huán)境中利用三維射線追蹤方法仿真分析由半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?種電子碰撞模型計(jì)算得到的電離層吸收衰減與電波頻率、出射仰角、大圓距離的關(guān)系.并進(jìn)行了大圓距離100km、200km、400km的短波通信測(cè)試試驗(yàn)，分析了各預(yù)測(cè)方法的準(zhǔn)確度.從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，日間兩種模型性能差異不大，而日落期利用電子碰撞模型預(yù)測(cè)得到的電離層吸收衰減優(yōu)于以往采用的ITU半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?在可用頻段的較大頻率處，實(shí)測(cè)值更接近電子碰撞模型.仿真與試驗(yàn)均證實(shí)三種電子碰撞模型預(yù)測(cè)值相近，根據(jù)實(shí)際可獲得大氣中性成分?jǐn)?shù)據(jù).

　　關(guān)鍵詞吸收衰減;電子碰撞;短波;射線追蹤;電離層

　　引言

　　短波通信的高頻無(wú)線電波傳播模式大致可以劃分為地波傳播模式和天波傳播模式兩種.地波傳播模式下，電波傳播距離很近;天波傳播模式下，理論上，在特定電離層環(huán)境下，如果無(wú)線電波頻率低于電離層臨界頻率，則發(fā)射站到近距離區(qū)域的天波傳播鏈路均存在.通過(guò)對(duì)電離層特性的準(zhǔn)確獲取并選擇最佳工作頻率，可以實(shí)現(xiàn)短波無(wú)盲區(qū)通信和偵察.頻率選取的準(zhǔn)則主要包括信號(hào)能量與通信準(zhǔn)確率，因此對(duì)近距離天波電離層吸收衰減的精確預(yù)測(cè)可以更好地為短波通信提供選頻指導(dǎo)和場(chǎng)強(qiáng)預(yù)估.

　　電離層吸收衰減是天波傳播過(guò)程中除自由擴(kuò)散衰減外最大的衰減量，對(duì)于天波傳播總衰減、場(chǎng)強(qiáng)等的計(jì)算至關(guān)重要.遠(yuǎn)距離傳播鏈路(收發(fā)點(diǎn)距離幾千千米)的吸收衰減預(yù)測(cè)值一般采用國(guó)際電信聯(lián)盟(InternationalTelecommunicationUnion,ITU)的方法，不超過(guò)7000km的路徑可進(jìn)行射線路徑分析，超過(guò)9000km的路徑使用從擬合到測(cè)量數(shù)據(jù)的組合模經(jīng)驗(yàn)公式，7000~9000km距離范圍內(nèi)則是兩種方法的平滑過(guò)渡[1].

　　2009年何昉等[2]提出了一種精確的計(jì)算電離層吸收衰減的方法，仿真分析了吸收衰減與電波頻率、仰角的關(guān)系.2019年王紅光等[3]提出了基于電磁波傳播的拋物方程，計(jì)算電離層短波鏈路衰減的方法.對(duì)于電離層吸收衰減的計(jì)算，大部分公開(kāi)文獻(xiàn)使用了ITU半經(jīng)驗(yàn)方法，對(duì)于電子碰撞模型方法，文獻(xiàn)中僅介紹了其中一種電子碰撞模型的仿真，無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù).缺乏ITU半經(jīng)驗(yàn)方法與電子碰撞模型方法預(yù)測(cè)吸收衰減的對(duì)比分析及試驗(yàn)驗(yàn)證.本文針對(duì)近距離(大圓距離400km以內(nèi))天波鏈路，利用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃碗娮优鲎材Ｐ陀?jì)算得到電離層吸收衰減，并進(jìn)行仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)比分析了各方法的準(zhǔn)確性.

　　1三維射線追蹤方法

　　射線追蹤技術(shù)把波場(chǎng)的能量近似為沿著射線傳播，用光學(xué)的處理方法來(lái)簡(jiǎn)化處理波場(chǎng)問(wèn)題，已被廣泛應(yīng)用于電波傳播領(lǐng)域.首先利用中國(guó)參考電離層(chinesereferenceionosphere,CRI)模型和質(zhì)譜儀非相干散射2000模型(massspectrometerincoherentscatter2000models,MSISE00)構(gòu)建電離層背景和大氣背景.CRI為基于可用數(shù)據(jù)源建立電離層的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?duì)于給定的位置、時(shí)間和日期，CRI模型可提供電離層高度范圍內(nèi)電子密度、電子溫度、離子溫度等參數(shù)的月平均值.

　　電離層的中性氣體成分參數(shù)由MSISE00大氣模型使用質(zhì)譜儀、非相干散射雷達(dá)、軌道及加速度探測(cè)數(shù)據(jù)、探空火箭等獲取的數(shù)據(jù)，采用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得到.MSISE00大氣模型以F10.7為太陽(yáng)活動(dòng)影響參數(shù)，以Ap指數(shù)為地磁作用影響參數(shù).同時(shí)與IRI電離層模型一樣，MSISE00大氣模型受經(jīng)緯度、季節(jié)、地方時(shí)等影響.對(duì)于給定的位置、時(shí)間和日期，MSISE00模型提供對(duì)應(yīng)時(shí)間、位置中性成分的濃度.

　　2電離層吸收衰減模型

　　2.1半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

　　電離層吸收衰減的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪歉鶕?jù)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的.對(duì)于天波多跳傳播路徑，2019版的ITU-RP.533-14報(bào)告[1]提供了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短波電離層反射鏈路吸收衰減的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停琇a(dB)為大圓距離7000km以內(nèi)m個(gè)控制點(diǎn)的天波n跳吸收衰減，控制點(diǎn)是根據(jù)300km的一個(gè)固定反射高度和90km控制高度(每跳有兩個(gè)控制點(diǎn))決定的.2.2電子碰撞模型電離層吸收衰減是指電波通過(guò)電離層時(shí)，波的電矢量引起電子運(yùn)動(dòng)，電子同中性粒子及正離子發(fā)生碰撞，部分能量轉(zhuǎn)移到中性分子，最終變成熱能，從而引起的電波振幅的吸收衰減.

　　對(duì)于短波天波傳播，發(fā)生在D層的吸收衰減為非偏移吸收衰減，發(fā)生在E層或F層的吸收衰減為偏移吸收衰減，因?yàn)镈層內(nèi)中性分子較多，碰撞衰減較大，所以非偏移吸收衰減較大;而發(fā)生在E層或F層的偏移吸收衰減很小(≤1dB)，一般可以忽略，所以電離層吸收衰減主要指發(fā)生在D層的非偏移吸收衰減.本文由折射指數(shù)的路徑積分推導(dǎo)得到電子碰撞吸收衰減.

　　3仿真實(shí)驗(yàn)

　　利用IRI模型和MSISE00大氣模型生成一個(gè)以新鄉(xiāng)(35.30°N，113.93°E)為圓心，半徑800km，圓心角4°，高度400km的正南方向扇形區(qū)域的電離層環(huán)境和大氣環(huán)境.以0高度圓心為發(fā)射點(diǎn)進(jìn)行三維射線追蹤，設(shè)置射線方向是正南;電波頻率為1~10MHz，間隔為0.1MHz;電波出射仰角為40°~90°，間隔為1°.在生成的所有鏈路中，找到所有可以到達(dá)地面的鏈路.選用一組典型值來(lái)三維展示射線電波頻率-出射仰角-大圓距離-電離層吸收衰減的關(guān)系.

　　4試驗(yàn)驗(yàn)證

　　2020年9月下旬(R12=6)在北半球中緯度地區(qū)開(kāi)展了多組短波電臺(tái)通信試驗(yàn)，驗(yàn)證近距離天波電離層吸收衰減預(yù)測(cè).其中該試驗(yàn)系統(tǒng)的天線增益根據(jù)出射仰角、電波頻率由天線方向圖計(jì)算.系統(tǒng)損耗根據(jù)該試驗(yàn)系統(tǒng)的工程經(jīng)驗(yàn)計(jì)算得出，誤差≤1dB.序號(hào)1~9對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)時(shí)間分別為：26日15：30、27日10：30、27日17：00、25日10：30、25日15：30、26日10：30、28日15：30、29日10：30、29日15：30和29日19：00.根據(jù)全部測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)應(yīng)時(shí)間、收發(fā)站位置的不同，預(yù)測(cè)方法得到的仿真預(yù)測(cè)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果.

　　仿真了各個(gè)時(shí)間點(diǎn)1~10MHz，0.1MHz步進(jìn)，出射仰角40~90°，1°步進(jìn)的電波射線路徑，統(tǒng)計(jì)的預(yù)測(cè)值最大頻率(maximumfrequency,MF)、最小頻率(lowestfrequency,LUF)根據(jù)實(shí)測(cè)的最大可用頻率(maximumusablefrequency,MUF)、最小可用頻率(lowestusablefrequency,LUF)選取，選擇有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的部分頻段，仿真值頻段略寬于實(shí)測(cè)值頻段.在選取的仿真頻段內(nèi)，利用射線追蹤可到達(dá)大圓距離D的頻點(diǎn)個(gè)數(shù)即為仿真值的數(shù)據(jù)量.在D處無(wú)落點(diǎn)但在D的前后均有落點(diǎn)的頻率，認(rèn)為該頻率可到達(dá)D，根據(jù)前后落點(diǎn)射線計(jì)算該射線相關(guān)參數(shù).

　　電力論文投稿刊物：電波科學(xué)學(xué)報(bào)(雙月刊)創(chuàng)刊于1986年，是中國(guó)科協(xié)主管、中國(guó)電子學(xué)會(huì)主辦、中國(guó)電波傳播研究所承辦的國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行的學(xué)術(shù)性刊物。始終把反映我國(guó)電波科學(xué)事業(yè)發(fā)展最新水平，繁榮和推動(dòng)我國(guó)電波科學(xué)事業(yè)的進(jìn)步，促進(jìn)國(guó)內(nèi)外電波科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)與成果交流，攀登世界科技選進(jìn)水平作為辦刊的宗旨和奮斗目標(biāo)，它被電波科學(xué)界公認(rèn)為"是國(guó)內(nèi)電波科學(xué)權(quán)威性的刊物"。

　　5結(jié)論

　　本文針對(duì)天波鏈路的電離層吸收衰減，利用ITU提供的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃腿�種電子碰撞模型進(jìn)行了預(yù)測(cè)值的仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，僅從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看日間兩種模型性能差異不大，而日落期利用電子碰撞模型預(yù)測(cè)得到的電離層吸收衰減優(yōu)于以往采用的ITU半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?在可用頻段的較大頻率處，實(shí)測(cè)值更接近電子碰撞模型.仿真與試驗(yàn)均證實(shí)三種電子碰撞模型預(yù)測(cè)值相近，根據(jù)實(shí)際可獲得大氣中性成分?jǐn)?shù)據(jù).對(duì)于吸收衰減的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是短波通信與偵察總衰減預(yù)測(cè)、場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)、信噪比預(yù)測(cè)等的必要基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié).電子碰撞模型是基于試驗(yàn)場(chǎng)景的，若試驗(yàn)區(qū)域可獲得的電離層環(huán)境和大氣環(huán)境數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度提高，則電子碰撞模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度也可以提高.而ITU半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪腔�于大量�?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)于未統(tǒng)計(jì)到的某些區(qū)域、某些時(shí)間可能會(huì)存在比較大的誤差.

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]InternationalTelecommunicationUnion.RecommendationITU-RP.533-14methodforthepredictionoftheperformanceofHFcircuits[S].Geneva:ITU,2019.

　　[2]何昉,趙正予.電離層對(duì)高頻電波吸收衰減的影響研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2009,24(4):720-723.HEF,ZHAOZY.Ionosphericlossofhighfrequencyradiowavepropagatedintheionosphericregions[J].Chinesejournalofradioscience,2009,24(4):720-723.(inChinese)

　　[3]王紅光,張利軍,孫方,等.基于拋物方程的短波電離層傳播數(shù)值模擬研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2019,34(5):545-551.WANGHG,ZHANGLJ,SUNF,etal.NumericalsimulationofionosphericpropagationlossatHFbasedonparabolicequation[J].Chinesejournalofradioscience,2019,34(5):545-551.(inChinese)

　　作者：王嚴(yán)1李雪1尹文祿2蔚娜1婁鵬1