基於電離層的短波通信選頻的文獻總結（2018.8）
目錄
- 基於電離層的短波通信選頻的文獻總結（2018.8）
- 電離層 $ ^{[1]}$
- 短波在電離層的傳播\(^{[1]}\)
- 短波通信傳輸模式和特性\(^{[2]}\)
- 傳輸模式
- 傳輸特性
- 基於電離層資料（模型）的自適應短波通信選頻\(^{[3,4,5,6]}\)
- 參考文獻
基於電離層的短波通信選頻的文獻總結（2018.8）
-------範玉榮電離層 $ ^{[1]}$
地球受到來自宇宙天體（主要為太陽）的射線影響，使得大氣層中的氮分子、氧分子、氮原子氧原子電離，產生正離子和電子，從而在\(50km\)到\(1000km\)的地球上空產生了一個由自由電子、正負離子和中性分子、原子等組成的等離子體。根據電離層電子濃度的高度分布，可以劃分為\(D ， E ， F 1， F 2\)
電離層特點
電離層電子密度高度分布
短波在電離層的傳播\(^{[1]}\)
短波通信頻率範圍為\(3-30MHz\)當頻率為\(f\)的無線電波以入射角 \(\theta_0\) 由空氣射入電離層後，在電離層不斷發生折射，當電磁波傳播到電離層的某一高度時，該處的電子密度 \(N\) 剛好使得電波發生全反射，電波從電離層返回地面。若入射電波到達電離層的電子密度最大處 \(N_{max}\) 仍不能發生全反射，則該電波穿透電離層，無法實現通信。
短波在電離層的傳播示意圖
電波從電離層反射下來的條件為：
\[sin \theta_0=\sqrt{(1-\frac{80.8N_n}{f^2})}\]
式中，\(N_n\)為反射點的電子密度，\(\theta_0\)為入射角，\(f\)為電波頻率。
由式子\(（1）\)可以看出：
1).在入射角\(\theta_0\)一定時，電波頻率\(f\)越低越容易反射。
2).在電波頻率\(f\)一定時，入射角\(\theta_0\)越大越容易反射。極端例子就是垂直發射，此時達到能從電離層反射回來的最高頻率為：\(f_c=\sqrt{80.8N_{max}}\)。
3).反射點的電子密度變化無常，既有規律性變化也有非規律性變化。
短波通信傳輸模式和特性\(^{[2]}\)
傳輸模式
短波天波傳輸模式通常是指短波傳播的路徑 。由於短波天波波束較寬 , 射線發散性較大 電離層是分層的電波傳播時可能多次反射等原因，因此 ，在一條通信電路中通常存在多種傳播路徑 , 即存在多種傳播模式
傳輸特性
根據引起傳輸損耗的各種物理原因 , 將電波在真個傳輸過程中引起的基本傳輸損耗\(L_b\)分為四個部分:自由空間傳輸損耗\(L_{bf}\) , 地面反射損耗\(L_g\) ,電離層吸收損耗 \(L_a\),額外系統損耗\(Y_p\)等。計算公式如下：
\[
L_b=L_{bf}+L_g+L_a+Y_p \quad (dB)
\]
其中自由空間損耗\(L_{bf}\)是由於電波傳輸時隨著距離的增大而引起的能量下降造成的衰減，它是主要的傳輸損耗分量。計算公式為：
\[
L_{bf}=32.45+20log\ f(MHz)+20log\ d(Km)
\]
地面反射損耗\(L_g\)只在多跳模式下才存在，計算比較復雜。
電離層吸收損耗\(L_a\)是天波傳輸損耗中的第二因素 。對短波而言 , 主要是指 電波穿過 電離層 時由 區 、 區引
起 的吸收損耗 , 也叫非偏移吸收。其衰減常數\(\alpha\)約與頻率的平方成反比，因而短波應選用較高的工作頻率。
a:天波和地波 b:天波中高角波和低角波、單角波和多跳傳播 c:尋常波與非尋常波之間的幹涉 d:電離層漫反射
基於電離層資料（模型）的自適應短波通信選頻\(^{[3,4,5,6]}\)
中南民族大學余濤教授團隊在基於電離層資料的短波通信選頻方向做了相當的工作\(^{[3,4,5]}\)，中國科學院國家科學研究中心也做了一些工作\(^{[6]}\)，他們的成果在中國科學院空間環境預報中心每天進行發布，其缺點就是他們只是建立了一個二維的電離層反演模型，對於電離層的垂直結構沒有處理。其中文獻\([4]和[5]\)利用測高儀和GPS觀測數據進行了單站電離層電子密度的同化反演，提出了一套基於\(Kalman\)濾波的電離層數據同化反演系統，采用了水平和垂直方向可分離的高斯型誤差協方差矩陣，利用\(IRI2000\)作為同化反演的背景場，分別使用了測高儀數據和GPS 數據進行了聯合同化反演。其流程圖如下：
電離層同化系統流程圖
余濤團隊的中文發明專利\([3]\)中，介紹了他們將電離層資料用於短波通信選頻的方法。其流程圖如下：
基於電離層的自適應選頻流程圖
其步驟如下：
（1） 根據短波通信鏈路定時利用電離層資料得到信道的最大可用頻率；
（2） 根據最大可用頻率並綜合通信效率和/或可通頻率的持續時間確定可用頻率範圍；
（3） 將可用頻率範圍發送給同步自適應短波通信系統；
（4） 同步自適應短波通信系統在可用頻率範圍內通過同步自適應選頻方式得到最佳可用頻率。
在文獻\([4]\)第四章中，作者對於電離層同化系統進行了短波通信的實驗，將同步自適應短波通信系統和電離層測高儀、電離層數據同化系統進行結合進行了武漢、廣州、福州、廈門、吉安五地的短波通信實驗。
短波通信實驗鏈路圖
先通過以IRI作為背景場，結合測高儀和GPS數據得到電離層三維結構，然後利用射線跟蹤技術\(^{[7]}\)，得到三維電波傳播路徑信息，從而得到最優發射頻率。
三維電離層中的短波傳播路徑圖
短波通信實驗成功發送報文數對比
參考文獻
[1] 徐彪, 萬莎, 江建興. 電離層影響短波天波傳播的仿真及實測[J]. 數字通信世界, 2017(3):59-62.
[2] 趙鵬飛. 電離層對短波廣播天波傳輸的影響[J]. 西部廣播電視, 2013(7):145-146.
[3] 余濤, 王雲岡, 曾中超,等. 基於電離層資料的同步自適應短波通信選頻方法:,CN104270190A[P]. 2015.
[4] 張雨田. 基於GPS和測高儀數據的電離層數據同化系統[D]. 中南民族大學, 2014.
[5] 林兆祥, 張雨田, 吳祺,等. 利用單站電離層測高儀與GPS數據的同化反演試驗[J]. 中南民族大學學報(自然科學版), 2014, 33(2):85-88.
[6] 阿爾察, 劉四清, 黃文耿,等. 中國電離層TEC同化現報系統[J]. 地球物理學報,2018, 61(6).
[7] 曾中超, 余濤, 毛田,等. 電離層高頻傳播點對點射線追蹤仿真器[J]. 電波科學學報, 2014, 29(3).
基於電離層的短波通信選頻的文獻總結（2018.8）