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為100~10 m的電磁波進(jìn)行無線電通信。短波通信多年來被廣泛用于政府、軍事、氣象、商業(yè)等領(lǐng)域，用以傳送語言、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。如今計算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)庫的提出，及仿真技術(shù)的應(yīng)用，使軍事指揮自動化進(jìn)入一個新的階段。短波戰(zhàn)術(shù)平臺是指揮自動化系統(tǒng)(C3I)的一個子系統(tǒng)，該平臺充分利用計算機(jī)技術(shù)和電子地圖數(shù)據(jù)庫，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)、太陽活動周期和經(jīng)緯度變化而變化，因此傳播損耗與時間、季節(jié)、經(jīng)緯度位置、地形等諸多實(shí)時變化因素有關(guān)?？紤]到目前所能計算的損耗，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)散的面積越來越大，從而使得接收點(diǎn)的場強(qiáng)越來越小。在計算該項(xiàng)損耗時，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的計算公式為：

式中，R12為12個月太陽黑子的流動平均值，xi為穿透吸收區(qū)的太陽天頂角平均值。
仿真中采用數(shù)學(xué)計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。為計算簡便，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個月太陽黑子的流動平均值R12 該值無法計算，可查表求得。
(4)求太陽天頂角xi某地某時刻的太陽天頂角是指太陽射線(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(即太陽直射線)與電臺所在地理經(jīng)緯度到地心的直線之間的夾角。某地的太陽天頂角的大小和該地的地理位置、季節(jié)、時間有關(guān)。
仿真可按下列步驟進(jìn)行：
(1)確定太陽直射線在地球上的經(jīng)度太陽直射線1天(24 h)經(jīng)過經(jīng)度線360°，每小時經(jīng)過15°，每分鐘經(jīng)過0．25°，每秒鐘經(jīng)過0．004 166 667°。太陽直射線投射到東經(jīng)120°經(jīng)度面時是我國中午12時0分0秒，計算120°E以西時間由12時減，計算120°E以東時間由12時加；計算 120°E以西的經(jīng)度由120°E減，計算120°E以東的經(jīng)度由120°E加。如12時30分，太陽直射位置在：120°-30x0．25°=112． 5°E
(2)確定太陽直射線在地球上的緯度太陽直射線經(jīng)過的地球緯度線以1年為周期：由南緯23．5°到北緯23．5°，再回到南緯23．5°。春分和秋分這兩天，太陽直射赤道，緯度為0°。夏至和冬至?xí)r太陽分別直射在北回歸線23．5°N和南回歸線23．5°S。太陽直射線經(jīng)歷緯度范同為0°～23．5°。太陽直射線每天經(jīng)過的緯度是：23．5／91．25(1個季度的天數(shù))=0．257 534 247°；每小時經(jīng)過的緯度是：23．5／(91．25x24)=0．01O 730 594°；每分鐘經(jīng)過的緯度是：23．5／(91．25x24x60)=0．000 178 843°；每秒鐘經(jīng)過的緯度是：23．5／(91．25x24x60x60)=0．000 002 981°。例如，如果是第2個季度，計算某天某時某分鐘的太陽直射線所在的緯度，要首先計算這一天到春分的天數(shù)。假設(shè)某年春分為4月3日。計算4月23日 12時30分太陽直射線所在的緯度：

{[20(天)x24(時)+12(時)]x60(分)+30(分)}x0．000 178 843=5．284 810 65°N
根據(jù)上述計算，可得出4月23日12時30分太陽直射線所在的經(jīng)緯度是(112．5°E，5．284．810 65°N)。
(3)確定太陽頂角由式(5)計算出太陽直射位置與電臺所在位置的地球中心夾角即是所求的太陽頂角。
2．3 多跳地面反射損耗
在天波多跳傳播模式中，傳播損耗不僅要考慮電波二次進(jìn)入電離層，還要考慮地面反射的損耗(LR)?？紤]圓極化波，地面反射損耗計算式如下；

式中，RV和RH分別為垂直極化和水平極化的反射系數(shù)。RV和RH的表示式分別為：

式中，εr是復(fù)介電常數(shù)，σ是地表面導(dǎo)電率，λ是工作波長。
仿真時，只考慮陸地(εr=4和σ=10-3 S／m)和海面(εr=80和σ=5 S／m)。若為多跳傳播，應(yīng)將求得的數(shù)值乘以(n-1)，即多次地面反射損耗的總和值。

2．4 額外系統(tǒng)損耗
額外系統(tǒng)損耗不是一個穩(wěn)定的參數(shù)，它與地磁緯度、季節(jié)、本地時間、路徑長度都有關(guān)系。工程計算中通常用經(jīng)過反復(fù)校核的統(tǒng)計值來估算，表1列出了額外系統(tǒng)損耗(YP)以反射點(diǎn)的本地時間為自變量的估算值。

3 系統(tǒng)仿真流程
圖2為仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。中，主控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中有2類數(shù)據(jù)庫：仿真評估庫和固定數(shù)據(jù)庫。前者包括仿真任務(wù)分配庫、通信設(shè)備布設(shè)庫和通信信道布設(shè)庫等，是在仿真評估過程中產(chǎn)生的；其后者包括傳輸信道模型庫和通信設(shè)備模型庫等，由系統(tǒng)管理員維護(hù)。

系統(tǒng)仿真思想及流程：接受作戰(zhàn)任務(wù)后，首先打開電子地圖，選取作戰(zhàn)區(qū)域，地圖管理模塊隨之運(yùn)行；然后布設(shè)軍事短波通信網(wǎng)，將布設(shè)的各種設(shè)備參數(shù)信息及相關(guān)信息寫入主控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，通信仿真模塊根據(jù)傳播損耗模型得出結(jié)果，并通過顯示模塊顯示。

4 仿真結(jié)果
為測試模型可行性，選取北京一廣州通信線路(夏季白天)：D=1 800 km，反射點(diǎn)位置為(110°E，31°N)，h=300 km，發(fā)射信號為1個語音信號，帶寬為300～3 300 Hz。仿真結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，接收信號遭受損耗與預(yù)期結(jié)果一致，從而證明了該數(shù)學(xué)模型的可行性。

5 結(jié)論
對C3I系統(tǒng)的短波通信網(wǎng)進(jìn)行仿真建模，其仿真結(jié)果對改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的性能有很大幫助，對指揮者及時作出通信保障謀劃和仿生拉試預(yù)決策有一定的指導(dǎo)意義。但該模型還有需改善的地方，如未考慮山地繞射、多徑衰落、多普勒頻移等。后續(xù)工作將會對此進(jìn)行改進(jìn)。