永暑岛海域短波通信保障研究2016-04-26 17:38:52 作者:7天论文网【大中小】浏览:0次评论:0条摘要: 介绍了南海海域当前面临的军事斗争的严峻性以及短波通信作为战略通信手段而发挥作用的必要性; 分析了我国境内对永暑岛海域通信的发射仰角、最高可用频率等关键参数的四季分布，并以海口、重庆和北京三地区为例，给出了三条链路冬夏两季最高可用频率的日夜变化规律; 根据分析的结果，确定了对永暑岛海域通信的链路中使用的天线类型、最低可用频率，并对其中两条链路中永暑岛海域接收信噪比区域覆盖进行了仿真。
关键词: 永暑岛; 短波通信; 天线; 最高可用频率永暑岛地理位置概述南海，又称南中国海，海域面积356 万km2，约等于我国渤海、黄海和东海总面积的3 倍，其中属于我国管辖范围( 即“九段线”以内) 的约有210万km2，包括东沙、中沙、西沙和南沙群岛。
目前，南海四大群岛中，西沙、中沙群岛被我国实际控制，东沙群岛被我国台湾控制，而南沙群岛的情况则极为复杂: 越南非法占据了南沙西部海域，菲律宾非法占据了南沙东北部海域，马来西亚非法占据了南沙西南部海域。
南海争端的焦点就在南沙群岛。
南沙群岛地处越南金兰湾和菲律宾苏比克湾两大海军基地之间，整个海域面积82．3 万km2，战略位置十分重要。
在南沙群岛中，我国实际控制的只有9 个岛礁，其中最大的永暑岛( 原名永暑礁，9°37'N，112°58'E，如图1 所示) 面积2．8 km2 里( 截至2015 年4 月) ，在南海四大群岛中仅次于永兴岛、东沙岛、东岛和中建岛，地理位置优越，战略价值极高，对我国掌控南海作用极大。
图1 永暑岛地理位置Fig．1 Geographic position of Yongshu Island近年来，我国与东南亚各国就南沙群岛的争端持续发酵，我国在南沙群岛海域所面临的民间冲突和军事威胁不断升级。
南沙群岛远离我国本土( 最南端的曾母暗沙距海南超过1 700 km) ，周边相关利益国家众多且背景复杂，海上通信主要依赖于卫星通信。
但卫星通信在资源申请与管理不方便、信道资源和波束覆盖范围有限，卫星装备在军事对抗中显得既昂贵又脆弱。
短波通信是利用电离层反射进行的远距离通信，短波装备造价便宜、技术成熟、机动性高、抗毁性强，短波报文具有很强的保密性和抗干扰等优势。
随着自适应技术和跳频技术的引入，自20 世纪80 年代以来短波通信获得了长足的发展，然而短波通信的站点设置、天线运用、频率功率选择等对通信性能有很大影响，未来面对高强度军事冲突时，研究如何利用短波通信保障我方军事力量在南沙群岛海域的通信畅通，具有重大的军事意义、现实意义和战略意义。
2 永暑岛海域短波通信仿真分析美国国家电信信息署( NTIA) 和电讯科学学会( ITS) 发布的一种短波通信性能分析软件( 下称ITS软件) 可对2 ～30 MHz 频段内的信号进行仿真分析［1］，可分析参数主要包括: 最高可用频率( MUF) 、信噪比( SNＲ) 、信号时延/场强/损耗、噪声功率、电离层实际高度、天线增益与仰角以及可通率( SNＲ大于门限的时间百分比) 、( 达到可通率所需的) 功率容量、( 达到所需可靠度的) 服务概率、( 达到所需可靠度的) 信噪比( SNＲxx) 等。
对上述参数造成影响的因素众多，主要包括: 发射机/接收机位置( 经纬度) 、世界时间、太阳黑子数( SSN) 、有效地磁活动指数( Qe) 、天线类型等。
现仅重点考虑MUF、SNＲ、天线增益与仰角等参数。
2．1 发射仰角短波通信通过电离层反射一次( 跳) 或多次( 跳) 可以达到。
理论上，发射仰角为0°时，短波通信单跳可达的最远距离约为4 000 km，两跳可超过7 000 km［2-4］。
但在实际应用中，受地理环境、地形地貌、架设条件和工作频率等因素的限制，不可能实现0°的最大辐射仰角。
根据分析可知，海口－永暑岛链路、重庆－永暑岛链路只需要1 跳，仰角分别约为22°和9°; 北京－永暑岛链路需要2 跳，仰角约为17°。
图2 给出了20××年的3 月( 春) 、6 月( 夏) 、9月( 秋) 和12 月( 冬) 对永暑岛通信的发射仰角反向区域覆盖，其中阴影区域为仰角小于10°的区域( 令世界时UT= 04: 00、太阳黑子数SSN 为中等水平50) 。
图2 对永暑岛通信发射仰角反向区域覆盖Fig．2 Ｒegional back covering range of elevation of Yongshu Island从图2 中可以看到，发射仰角反向区域覆盖分布一年四季的差异不明显: 若在距离最近的海南部署发射机，需要30°左右的仰角; 在华南一带，需要10°～20°左右的仰角; 在西南、华中和华东，发射仰角降至10°以下至3°左右; 随着距离的增加，发射仰角逐渐减小，在距离更远的华北、东北、西北和西藏地区，由于天波需经电离层反射两次到达南海海域，此时发射仰角又有所起伏。
然而，当仰角低于5°时，存在两方面的问题: 由于地面的反射和天线架高的限制，要实现定向天线在低辐射仰角上获得最大增益存在一定困难，除非天线架设在百余米的高度或高的陡峭的山顶; 由于地面吸收，当电波辐射仰角过低时，将产生一定的地面损耗和绕射损失，不利于远距离通信。
图3 给出了20××年的3 月( 春) 、6 月( 夏) 、9月( 秋) 和12 月( 冬) 对永暑岛通信的MUF 反向区域覆盖，其中阴影区域为MUF 大于30 MHz 的区域。
2．2 最高可用频率从图3 中可以看到，MUF 反向区域覆盖分布冬春与夏秋差异明显，冬春季可以使用更高的频率( 同一链路MUF 比夏季高3 ～5 MHz 左右) ，以夏季为例: 若在距离最近的海南部署发射机，MUF 为13～14 MHz 左右; 在华南一带，MUF 为15 ～20 MHz左右; 若在距离较远的西南、华中和华东一带部署，MUF 则为20 ～25 MHz 左右; 在西藏、青海和华北，MUF 则升至25 ～30 MHz; 在距离更远的西北和东北，由于天波需经电离层反射两次到达南沙群岛海域，此时MUF 又有所降低。
以北京、重庆、和海口3 个地区为例，分别代表远、中、近3 个地区对永暑岛通信，图4 给出了20××年6 月和12 月的MUF 月度中值0～24 时变化，这也是当月选择最佳工作频率( FOT) 的依据。
总体上，冬季的MUF 日夜变化范围较大，相比于夏季，白天MUF 更高、夜间MUF 更低。
北京地区因发射仰角较低，故MUF 偏高; 海口地区因发射仰角较高，故MUF 偏低。
2．3 天线选型对于我国本土至南海的远距离短波通信而言，应考虑具有低仰角、高增益的大型定向天线，如对数周期天线、菱形天线等［5-6］。
其中，对数周期天线结构更为复杂，采用硬振子时自重较大，架设难度较大。
菱形天线是一种行波天线，具有很强的方向性，它是短波天线中使用最广泛的天线之一，在短波固定站远距离通信中常被用作发射机天线。
菱形天线的形式很多，但基本型式是由导线组成一个水平菱形，悬挂在4 个支持柱上，由菱形的锐角一端馈电，另一端接与菱形天线的特性阻抗相等的无感电阻。
图5 给出了一款三线单菱形天线在3 ～30 MHz范围内的最大辐射仰角和长对角线所在E 面最大增益的分布。
图4 对永暑岛通信MUF 月度中值日夜变化Fig．4 Change between day and night of MUF monthlymean value of the communication on Yongshu Island图5 菱形天线最大辐射仰角与最大增益分布Fig．5 Maximum radiation elevation and maximundistribution of rhombic antenna菱形天线的参数为: 边长l = 70 m，钝角2φ =130°，钝角处导线分开的距离d = 2 m，终端负载ＲL =400 Ω，架高h = 20 m。
从图中可以看到，当f ＞10 MHz时，有Δ＜20°和Ga＞15 dBi; 当20＜f＜21 MHz时，Ga达到最大值19．86 dBi; 当f＞21 MHz 时，副瓣增益逐渐增大，长对角线所在E 面内的主瓣增益逐渐减小。
同时，菱形天线在设计频率范围内还具有优良的VSWＲ宽带性，可以实现无天线调谐器［7］的免调谐工作，特别适宜在短波自适应和跳频状态下工作。
2．4 链路仿真以海口、重庆和北京至永暑岛通信链路为例，在3 个地区部署上述菱形天线，长轴方向朝向永暑岛，方位角分别为165．9°、161．7 和186．6°，永暑岛上接收天线选择双极天线，链路仿真中的其他参数SSN 取50、有效地磁活动指数( Qe) 取2，噪声功率取－145 dB。
短波通信选频时，除了考虑前面所述的MUF外，在两个特定点之间通过电离层进行有效通信时还存在一个频率下限。
如果有可能从MUF 开始工作然后逐渐降低频率，信号强度会逐渐减小并最终消失在背景噪声中( 信号的吸收随频率降低的平方成比例增加) ，在接收信号变为无用时对应的频率点为最低可用频率( LUF) 。
显然，不同的发射功率对应的LUF 不尽相同［8］。
图6 给出了上述条件下3 条链路在不同功率等级时20××年6 月和12 月的LUF 月度中值0 ～24 时变化，图中断线部分表示收SNＲ＞42 dB 的概率小于90%( SNＲ是指接收机输出端的信号平均功率与噪声平均功率的比值) 。
从图6 可知，功率越高，LUF越低，结合图2 和图3 可知，在LUF 频段中，存在部分2F2 传播模式; 同时可知，在高纬度地区以及夜间时段( 尤其冬季夜间) ，通信的畅通难以保证。
图6 对永暑岛通信LUF 月度中值日夜变化Fig．6 LUF monthly change between day and nightof monthly mean value ofthe communication on Yongshu Ishand根据图3 至图6 的结论，令海口－永暑岛链路和重庆－永暑岛链路6 月的工作频率分别为15 MHz和21 MHz，发射功率400 W。
图7 给出了上述条件下两条通信链路南海海域的SNＲ90 区域覆盖( SNＲ90 指的是1 月中有超过90%的天数可以达到SNＲ值) 。
