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(jì)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(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，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)散的面積越來越大，從而使得接收點(diǎn)的場強(qiáng)越來越小。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)月太陽黑子的流動(dòng)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(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)月太陽黑子的流動(dòng)平均值R12 該值無法計(jì)算，可查表求得。
    (4)求太陽天頂角xi某地某時(shí)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(tái)所在地理經(jīng)緯度到地心的直線之間的夾角。某地的太陽天頂角的大小和該地的地理位置、季節(jié)、時(shí)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(shí)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(shí)是我國中午12時(shí)0分0秒，計(jì)算120°E以西時(shí)間由12時(shí)減，計(jì)算120°E以東時(shí)間由12時(shí)加；計(jì)算 120°E以西的經(jīng)度由120°E減，計(jì)算120°E以東的經(jīng)度由120°E加。如12時(shí)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(gè)季度的天數(shù))=0．257 534 247°；每小時(shí)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(gè)季度，計(jì)算某天某時(shí)某分鐘的太陽直射線所在的緯度，要首先計(jì)算這一天到春分的天數(shù)。假設(shè)某年春分為4月3日。計(jì)算4月23日 12時(shí)30分太陽直射線所在的緯度：

{[20(天)x24(時(shí))+12(時(shí))]x60(分)+30(分)}x0．000 178 843=5．284 810 65°N
    根據(jù)上述計(jì)算，可得出4月23日12時(shí)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(jì)算出太陽直射位置與電臺(tái)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)。考慮圓極化波，地面反射損耗計(jì)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(shí)，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(gè)穩(wěn)定的參數(shù)，它與地磁緯度、季節(jié)、本地時(shí)間、路徑長度都有關(guān)系。工程計(jì)算中通常用經(jīng)過反復(fù)校核的統(tǒng)計(jì)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(shí)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(píng)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(píng)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(hào)為1個(gè)語音信號(hào)，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(hào)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(duì)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(duì)改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的性能有很大幫助，對(duì)指揮者及時(shí)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(huì)對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)。