短波空间信道传输损耗的仿真计算

短波空间信道传输损耗的仿真计算摘要：摘要-本文利用现有理论成果，建立了一套完整而简洁的短波空间信道传输损耗的仿真计算流程，并对损耗结果影响较大的太阳天顶角，通过选取不同的地理位置进行计算，与工程查图结果加以对比，验证了该思路的有效可行性及计算结果的准确性，并应用于实际的无盲区天线仿真与设计中，取得了良好的效果。关键词：短波空间信道；太阳天顶角；传输损耗；无盲区天线引言短波天波通信是以电离层为信道传输，由于电离层的密度随昼夜、季节、太阳活动周期和经纬度变化而变化，因此短波空间信道传输损耗也是时间、季节、经纬度位置等诸多实时变化因素的函数，精确计算非常困难，工程中常用插值查表的方法求得接收场强。但是，此种方法在实际的仿真计算中并不适用，因为即使在同一区域同一地形条件下，随着季节、月份、时间的不同，就有若干曲线和图表，在仿真中需要建立相当庞大的数据库，并采用插值算法进行求解，计算量可想而知。因此，工程中使用的这种具体查表求值的方法很难在计算机仿真中得到实现。短波电波传播损耗的计算已有一些经验公式，但是关于如何设计一个简洁有效的损耗计算流程并采用相应实用模型进行计算的工作并不多见。本文利用现有理论成果，针对短波天波传输损耗的计算，给出了完整而简洁的计算流程，最后通过编制仿真计算程序分别计算西安与广州两个地区，在不同的月份、日期、时间段内的传输损耗，并与工程查图结果进行对比，验证了该仿真建模思路的有效可行性以及计算结果的准确性。一、工程实用的损耗计算模型天波传播是短波通信中最常用的电波传播方式。电离层是随时空变化的有耗媒质，有很多因素对传输损耗及接收点场强是有影响的。根据引起传输损耗的各种物理原因，电波在整个传播过程中所引起的基本传输损耗可表示为：（1）其中：为自由空间传播损耗，为电离层吸收损耗，为地面反射损耗，为额外系统损耗。（一）自由空间传输损耗自由空间传输损耗计算公式如下：（2）其中，为信号频率，为实际传播距离。天波的实际传播距离大小是与传输模式密切相关的，而天波的传输模式由工作频率、电离层状态、传输距离等诸多因素决定。在实际应用中，没有必要针对每种可能的传输模式进行计算，只需对典型情况采用以下步骤进行估算。1、计算收发两点之间的大圆距离D：已知发射端和接收端的地理经纬度，则两者之间的大圆距离(地球表面距离)为：(3)(4)式中，－发射端的地理纬度；－发射端的地理经度；－接收端的地理纬度；－接收端的地理经度；－收发两端点间的地球中心夹角(度)；D－收发两端间的大圆距离(km)；其中，北纬纬度取正值，南纬纬度取负值，为收发两点之间的经度间隔。图1天波传播射线距离示意图2、射线仰角的计算图1天波传播射线距离示意图由图1可得到：（5）其中，为电离层高度；△为射线仰角。3、有效几何路径长度的计算。参看图1，可得由发射端至接收端的有效几何路径长度为：（6）其中，为有效路径长度(km)；为反射层高度(km)；R为地球半径(以6370km计算)。4、实际传输距离r的计算仿真中，按大圆距离的不同选择主导传输模式。通常都以110km作为E层高度，F2层平均反射高度表见表1所示，按(6)式计算每跳的有效几何路径长度，即可得到实际传输距离。表1F2层平均反射高度表季节地地方时高度T(km)地理纬度(°)(h)20<T≤0606≤T≤20冬季（1，2，11，12月）15≤≤3526526035<≤55295250夏季（5，6，7，8月）15≤≤3527030035<≤55294363春秋季（3，4，9，10月）15≤≤3526027035<≤55288273（二）电离层吸收损耗电离层吸收损耗分为非偏移吸收和偏移吸收两种，前者指电离层D、E区域的吸收，后者指反射区附近遭受的吸收，一般偏移损耗极小（≤1dB），可以忽略，非偏移吸收损耗的计算工程中常用以下半经验公式：（7）式中，n为跳数，为100km高度处的电波入射角，为100km高度处磁旋谐振频率的平均值（MHz）。其中，吸收系数如下求得：（8）为穿透吸收区的太阳天顶角平均值，为12个月太阳黑子的流动平均值。仿真计算中，各参数的值如下确定：100km高度处的电波入射角的求取：只需在(5)式中代入h=100km；100km处磁旋频率的求取：设定典型值加以简化处理，在我国地理位置上的取值范围为1.2MHz~1.5MHz，若反射点的纬度位于北纬22°~35°，＝1.3MHz；北纬35°~45°，＝1.4MHz；北纬45°~55°，＝1.5MHz；太阳天顶角的计算：根据某地某时刻算出太阳直射线在地球上的经纬度，由公式（4）算出该位置与反射点位置之间的夹角；12个月太阳黑子的流动平均值无法计算，必须查表求得。（三）地面反射损耗在天波多跳传播模式中，传播损耗不仅要考虑电波二次进入电离层，还要考虑经地面反射的损耗。如果电波是一跳则无此损耗。估算该项损耗的公式如下：（9）式中，n为跳数，和分别为垂直极化和水平极化的反射系数，其表示式分别为：（10）其中，△为射线仰角，根据（5）式求得，为大地的相对复介电常数，，为地表面电导率。（四）额外系统损耗额外系统损耗，是指除了以上三种损耗以外，其它原因而引起的损耗，包括天线不稳定引起的增益下降、极化不同、多径效应和电离层散射等引起的电波能量损耗。这些损耗十分复杂，难于一一精确计算。工程计算中，通常用经过反复校核的统计值来进行估算，并列出额外系统损耗的估算表，见表2所示，表中的时间T为发射点处的本地时间。表2额外系统损耗估算表22<T≤0404<T≤1010<T≤1616<T≤22YP=18.0dBYP=16.6dBYP=15.4dBYP=16.6dB二、仿真计算结果与实际对比由以上分析可知，在影响短波空间信道传输损耗的四个因素中，除电离层吸收损耗外，其他损耗在定量计算中，对损耗计算结果影响不大。在电离层吸收损耗的计算中，太阳天顶角的数值成为计算结果准确性的关键因素，因此，下面着重选取西安与广州两个地区，在不同的月份、不同的时间进行太阳天顶角的计算，并与工程查图结果进行了对比。同时，由于太阳天顶角工程实用图只是每月中本地时间和本地纬度的函数，并不包含每月中具体天数的问题，因此，在仿真计算中为了验证计算的准确性，特选取所计算月份从月初到月末不同的六天来进行计算。（一）西安与广州地区6月份太阳天顶角计算西安与广州地区6月份太阳天顶角仿真计算与查图结果对比见表3、表4所示，6月份太阳天顶角图如图2所示。表3西安地区6月份太阳天顶角仿真计算与查图对比本地经度108.9°E本地纬度34.3°N与北京时差44分钟北京时间本地时间查图结果仿真计算结果（日期）6.16.66.126.186.256.294:303:46103105104.17103.8102101.8102.56:305:468182.8282.181.2580.480.2680.828:307:465758.4357.857.0656.3556.2356.711:3010:462023.2822.3321.2520.2120.0520.7212:3011:461316.6615.3913.8812.3512.1313.1316:0015:164446.3645.7244.9744.2544.1444.618:3017:467677.1476.4675.6474.8474.775.2420:0019:169294.6893.8892.991.9691.892.4522:0021:16﹥105114.82113.78112.54111.28111.08111.9图2六月份太阳天顶角图图2六月份太阳天顶角图注：图中蓝色线条为西安地区纬度，红色线条为广州地区纬度表4广州地区6月份太阳天顶角仿真计算与查图对比本地经度113.3°E本地纬度23.2°N与北京时差27分钟北京时间本地时间查图结果仿真计算结果（日期）6.16.66.126.186.256.294:304:03﹥105107.72107.02106.18105.32105.18105.756:306:038182.2981.8281.2480.6880.5880.968:308:035455.354.9554.5554.1954.1354.3611:3011:031414.2713.813.3813.1213.0813.2212:3012:0325.34.022.521.140.961.816:0015:334949.9249.5849.248.8848.8249.0418:3018:038283.7583.2682.6882.18282.3920:0019:33100103102.36101.58100.79100.67101.1922:0021:33﹥105125.5124.54123.38122.21122.02122.8（二）西安与广州地区9月份太阳天顶角计算西安与广州地区9月份太阳天顶角仿真计算与查图结果对比见表5、表6所示，9月份太阳天顶角查图如图3所示。表5西安地区9月份太阳天顶角仿真计算与查图对比本地经度108.9°E本地纬度34.3°N与北京时差44分钟北京时间本地时间查图结果仿真计算结果（日期）9.19.69.129.189.259.294:303:46﹥105113.74114.58115.58116.58117.72118.366:305:469289.9690.6891.5692.4393.4594.038:307:466765.2966.0566.9667.8868.6969.611:3010:463633.7434.8836.2637.6539.2840.2212:3011:463329.2230.532.0433.5735.3736.3916:0015:165553.6854.5155.5156.5357.7558.4518:3017:468684.184.8285.6986.5687.5788.1620:0019:16103102.44103.2104.31105.04106.1106.6922:0021:16﹥105124.69125.66126.8127.93129.22129.95图3九月份太阳天顶角图3九月份太阳天顶角注：图中蓝色线条为西安地区纬度，红色线条为广州地区纬度表6广州地区9月份太阳天顶角仿真计算与查图对比本地经度113.3°E本地纬度23.2°N与北京时差27分钟北京时间本地时间查图结果仿真计算结果（日期）9.19.69.129.189.259.294:304:03﹥105114.18114.79115.5116.2117117.456:306:038887.1787.6788.2888.989.6908:308:036059.6660.1960.8461.5162.362.7811:3011:032422.5523.624.8926.227.7628.6812:3012:032017.9419.2320.7722.3224.1225.1516:0015:335654.3454.8955.5756.2857.1357.6318:3018:039088.6889.1989.890.491.1291.5220:0019:33﹥105109.05109.63110.3110.97111.73112.1622:0021:33﹥105134.3135.12136.07137138.05138.63由以上计算结果可得到：工程查图结果与仿真计算结果基本吻合，不同的日期会有所误差。原因是工程图只提供了每个月在不同时间段的太阳天顶角，而仿真计算即使在同一个月份中，也会因日期不同致使计算结果有所偏差，经计算，该偏差对计算结果的影响在工程误差允许范围之内，计算结果可为实际设