基于C3I系统的短波通信仿真建模

1 引言
    短波通信是指利用波长为100~10 m的电磁波进行无线电通信。短波通信多年来被广泛用于政府、军事、气象、商业等领域，用以传送语言、文字、图像、数据等信息。尤其在军事领域，短波通信始终是军事指挥的重要手段之一。如今计算机技术飞速发展，数据库的提出，及仿真技术的应用，使军事指挥自动化进入一个新的阶段。短波战术平台是指挥自动化系统(C3I)的一个子系统，该平台充分利用计算机技术和电子地图数据库，实现遂行通信，保障谋划、仿生拉试预决策、通信作战文书的生成。这里仅对通信仿真建模进行讨论。

2 短波信道的传播损耗模型
    短波天波通信是以电离层为媒介传播的，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，因此传播损耗与时间、季节、经纬度位置、地形等诸多实时变化因素有关。考虑到目前所能计算的损耗，电离层传播损耗可表示为

 
    式中，LP0是自由空间传播损耗，La是电离层吸收损耗，Ln是多跳地面反射损耗，Yp是额外系统损耗。
2．1 自由空间传播损耗
    在短波信号传播过程中，由于电波逐渐远离发射点，能量扩散的面积越来越大，从而使得接收点的场强越来越小。在计算该项损耗时，认为地球和电离层均是平面状态，反射是镜面反射，如图1所示，其中r表示天波传播中的射线距离：D是发射点A与接收点B 之间的大圆距离(地球表面距离)，收发两端点间的地球中心夹角用a表示。

    自由空间传播损耗的计算公式：

式中，R是地球半径，h是电离层高度，△是射线仰角。

    (1)求大圆距离D
    由电子地图可知发射端A和接收端B的地理经纬度，则大圆距离为：

式中，x1为发射端的地理纬度；y1为发射端的地理经度；x2为接收端的地理纬度；y2为接收端的地理经度。北纬纬度取正值，南纬纬度取负值，(y1-y2)为收发两点间的经度间隔。
    (2)求射线仰角△
    由图1可得：

式中，h是电离层高度，其值可由经验值获得。
2．2 电离层吸收损耗
    电离层吸收损耗La分为偏移吸收和非偏移吸收，前者指反射区的吸收，后者指电离层D、E区域的吸收。一般偏移吸收损耗极小(≤1 dB)，可以忽略。工程中常用以下半经验公式:

式中(以h=100 km为例，下同)，θ0是100 km高度处的电波入射角,fH是100 km高度处的平均值，单位为MHz，n是跳数，Ii是吸收系数。Ii的计算公式为：

   式中，R12为12个月太阳黑子的流动平均值，xi为穿透吸收区的太阳天顶角平均值。
    仿真中采用数学计算和选取典型值的方法模拟。
    (1)求电波入射角θ0将h=100 km代人式(6)。
    (2)求磁旋频率fH我国经纬度大致范围为北纬：22°~55°，东经75°~135°，查100 km处磁旋频率的世界地图可得FH的取值范围为1．2～1．5 MHz。为计算简便，定义如下：若反射点的纬度位于北纬22°～35°，fH=1．3 MHz；北纬35°～45°，fH=1．4 MHz；北纬45°～55°，fH=1．5 MHz。
    (3)求12个月太阳黑子的流动平均值R12 该值无法计算，可查表求得。
    (4)求太阳天顶角xi某地某时刻的太阳天顶角是指太阳射线(光线)直射到地球经纬度上，再继续延伸到地心，此延伸线(即太阳直射线)与电台所在地理经纬度到地心的直线之间的夹角。某地的太阳天顶角的大小和该地的地理位置、季节、时间有关。
    仿真可按下列步骤进行：
    (1)确定太阳直射线在地球上的经度太阳直射线1天(24 h)经过经度线360°，每小时经过15°，每分钟经过0．25°，每秒钟经过0．004 166 667°。太阳直射线投射到东经120°经度面时是我国中午12时0分0秒，计算120°E以西时间由12时减，计算120°E以东时间由12时加；计算 120°E以西的经度由120°E减，计算120°E以东的经度由120°E加。如12时30分，太阳直射位置在：120°-30x0．25°=112． 5°E
    (2)确定太阳直射线在地球上的纬度太阳直射线经过的地球纬度线以1年为周期：由南纬23．5°到北纬23．5°，再回到南纬23．5°。春分和秋分这两天，太阳直射赤道，纬度为0°。夏至和冬至时太阳分别直射在北回归线23．5°N和南回归线23．5°S。太阳直射线经历纬度范同为0°～23．5°。太阳直射线每天经过的纬度是：23．5／91．25(1个季度的天数)=0．257 534 247°；每小时经过的纬度是：23．5／(91．25x24)=0．01O 730 594°；每分钟经过的纬度是：23．5／(91．25x24x60)=0．000 178 843°；每秒钟经过的纬度是：23．5／(91．25x24x60x60)=0．000 002 981°。例如，如果是第2个季度，计算某天某时某分钟的太阳直射线所在的纬度，要首先计算这一天到春分的天数。假设某年春分为4月3日。计算4月23日 12时30分太阳直射线所在的纬度：

{[20(天)x24(时)+12(时)]x60(分)+30(分)}x0．000 178 843=5．284 810 65°N
    根据上述计算，可得出4月23日12时30分太阳直射线所在的经纬度是(112．5°E，5．284．810 65°N)。
    (3)确定太阳顶角由式(5)计算出太阳直射位置与电台所在位置的地球中心夹角即是所求的太阳顶角。
2．3 多跳地面反射损耗
    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，还要考虑地面反射的损耗(LR)。考虑圆极化波，地面反射损耗计算式如下；

  
式中，RV和RH分别为垂直极化和水平极化的反射系数。RV和RH的表示式分别为：

式中，εr是复介电常数，σ是地表面导电率，λ是工作波长。
    仿真时，只考虑陆地(εr=4和σ=10-3 S／m)和海面(εr=80和σ=5 S／m)。若为多跳传播，应将求得的数值乘以(n-1)，即多次地面反射损耗的总和值。

2．4 额外系统损耗
    额外系统损耗不是一个稳定的参数，它与地磁纬度、季节、本地时间、路径长度都有关系。工程计算中通常用经过反复校核的统计值来估算，表1列出了额外系统损耗(YP)以反射点的本地时间为自变量的估算值。

3 系统仿真流程
    图2为仿真系统总体结构。中，主控系统数据库中有2类数据库：仿真评估库和固定数据库。前者包括仿真任务分配库、通信设备布设库和通信信道布设库等，是在仿真评估过程中产生的；其后者包括传输信道模型库和通信设备模型库等，由系统管理员维护。

    系统仿真思想及流程：接受作战任务后，首先打开电子地图，选取作战区域，地图管理模块随之运行；然后布设军事短波通信网，将布设的各种设备参数信息及相关信息写入主控系统数据库，通信仿真模块根据传播损耗模型得出结果，并通过显示模块显示。

4 仿真结果
    为测试模型可行性，选取北京一广州通信线路(夏季白天)：D=1 800 km，反射点位置为(110°E，31°N)，h=300 km，发射信号为1个语音信号，带宽为300～3 300 Hz。仿真结果如图3所示。从图3中可以看出，接收信号遭受损耗与预期结果一致，从而证明了该数学模型的可行性。

5 结论
    对C3I系统的短波通信网进行仿真建模，其仿真结果对改进网络的性能有很大帮助，对指挥者及时作出通信保障谋划和仿生拉试预决策有一定的指导意义。但该模型还有需改善的地方，如未考虑山地绕射、多径衰落、多普勒频移等。后续工作将会对此进行改进。