基于电离层资料的同步自适应短波通信选频方法

摘要

本发明公开了一种基于电离层资料的同步自适应短波通信选频方法，包括如下步骤：(1)根据短波通信链路定时利用电离层资料得到信道的最大可用频率；其中电离层资料包括实时观测资料和历史资料等；(2)根据最大可用频率并综合通信效率和/或可通频率的持续时间确定可用频率范围；(3)将可用频率范围发送给同步自适应短波通信系统；(4)同步自适应短波通信系统在可用频率范围内通过同步自适应选频的方式扫描得到最佳可用频率，进行通信。该方法可以避免现有技术中需预置信道信息带来的效率低或难以获得最佳可用频率的缺陷，从而高效的选择最佳通信频率，该方法对改善短波数据通信的综合效能具有显著效果。

说明书

背景技术

短波通信利用电离层对高频无线电波反射来实现信息传递，是无线电通信的一种，也是远程通信的主要手段之一。短波通信具有很好的抗毁坏性。当有自然灾害或战争发生时，其它通信网络有可能受到破坏，短波通信由于不受网络枢纽和有源中继体制约，仍可以实现通信。在山区、戈壁、海洋等超短波覆盖不到地区，主要依靠短波通信。另外，短波通信还具有灵活性高、设备简单和运行成本低廉等优点。因此，在当今新型的通信系统不断涌现的情况下，短波这种传统的通信方式仍然受到全世界普遍重视。在世界上主要发达国家的C4I系统中都部署了短波通信系统，而且越来越发挥着重要的作用。

电离层的状态随地区、季节、时间、太阳活动等因素的不同而变化，特别是当太阳耀斑、磁暴、电离层骚扰等极端空间天气事件放生时，变化则更为剧烈。因此，短波通信的选频问题一直是短波通信应用的重要问题之一。

短波通信选频经历了长期频率预测、实时频率系统和自适应通信系统等三个主要的阶段。

(1)长期频率预测主要根据太阳黑子数及季月时间来预测通信链路的最高可用频率(MUF)。这种方法基于月中值的概念，所获得的频率是月平均条件下的最佳频率，该值往往与实际通信过程中的最大可有频率(MUF)有较大偏差。

(2)上个世纪60年代以来，美国、英国等国家发展了CURT、SHEC、Chirp等实时选频系统。通信时，先由实时选频系统探测获得最佳通信信道的信息，然后将该信息输入短波通信系统进行通信。由于实时选频系统可以实时获取电离层传输条件和噪声干扰，可以较快地选取通信可用频率，所以准确性较高。但是，该系统比较复杂，造价昂贵，主要应用于重要的短波干线通信，并不能普遍应用到任意链路通信。

(3)上个世纪80年代以来发展了自适应通信技术。自适应通信系统将选频和通信融为一体，可以在通信的间隙进行短波信道的探测和评估，可以获取短波通信可用频率，是短波通信选频的重要进步。

同步自适应短波通信系统的收发终端设置了相同的扫描频率表，并且通过GPS授时保证收发两端时间同步。系统工作时，先进行自动建链，然后进行通信。自动建链时，系统首先按照扫描频率表的顺序对信道进行扫描，具体步骤如下：

(1)发射端先发射某一频率建链信号，接收端在相同频率接收。

(2)接收端收到建链信号后，再发射相同频率的建链信号给发射端，发射段记录信号的信噪比。

(3)发射端根据信号的信噪比确定该频率是否满足通信要求，如果满足，结束建链过程；否则，扫描下一个频率。最后，系统在筛选出的信道上进行通信。

自适应通信系统工作前需要在系统中预置若干个信道信息。如果预置的信道足够多，可以使信道频率范围足够大和信道频率密度足够高，确保信道探测时获取最佳可用频率，但信道探测过程时间长、效率低；如果预置的信道数量少，要么信道的频率覆盖范围窄，要么信道的频率密度低，虽然信道探测过程时间缩短，但是可用信道数量同时也在减少，而且很难获得通信的最佳可用频率。可见，现有技术中的同步自适应短波通信选频方法不能高效率的选择最佳通信频率。

发明内容

本发明公开了一种基于电离层资料的同步自适应短波通信选频方法，该方法采用实时观测资料或历史资料得到最大可用频率进而确定可用频率范围后，将其输入至同步自适应短波通讯系统，避免现有技术中需预置信道信息带来的效率低或难以获得最佳可用频率的缺陷，从而高效的选择最佳通信频率，该方法对改善短波数据通信的综合效能具有显著效果，在短波通信领域具有重要和广泛的使用价值。

本发明的基于电离层资料的同步自适应短波通信选频方法，包括如下步骤：

(1)根据短波通信链路定时利用电离层资料得到信道的最大可用频率；其中电离层资料包括实时观测资料和历史资料等；

(2)根据最大可用频率并综合通信效率和/或可通频率的持续时间确定可用频率范围；

(3)将可用频率范围发送给同步自适应短波通信系统；

(4)同步自适应短波通信系统在可用频率范围内通过同步自适应选频的方式扫描得到最佳可用频率，进行通信。

其中，在一个实施方式中，第(1)步骤包括如下子步骤：

将电离层垂直观测系统得到实时频高图(垂直入射电波的频高图)根据公式(i)转换成斜入射电波的频高图；

$>f_{\mathrm{ob}}=f_v\times \frac{\sqrt{\frac{D^2}{4}+{\left(h^{`}\right)}^2}}{h^{`}}---\left(i\right)$>

其中，f_ob为电离层中的电波传播的斜入射电波反射频率，fv表示在同一电离层真高处垂直入射电波的反射频率，h’为直入射电波反射点的虚高，D为斜入射电波在地面收、发两点之间的距离；

从斜入射电波的频高图中包括的多个斜入射电波反射频率f_ob中获取其最大值，即得到从同一电离层真高处反射的地面收、发两点之间距离为D的斜入射电波的最大可用频率f_max。

其中，在另一个实施方式中，第(1)步骤包括如下子步骤：

先从电离层垂直观测的实时频高图中获取电离层F2层的临界频率foF2；

调整国际参考电离层模式的F107输入值，比较国际参考电离层模式输出的foF2和电离层垂直观测获得foF2数值，利用最小二乘原理，得到等效的F107数值；

将F107数值输入国际参考电离层模式，输出地面收、发两点之间距离为D的斜入射电波中点位置的电子浓度剖面；

利用中点位置的电子浓度剖面，得到频高图；根据公式(i)将该频高图转换成斜入射电波的频高图；

$>f_{\mathrm{ob}}=f_v\times \frac{\sqrt{\frac{D^2}{4}+{\left(h^{`}\right)}^2}}{h^{`}}---\left(i\right)$>

其中，f_ob为电离层中的电波传播的斜入射电波反射频率，fv表示在同一电离层真高处垂直入射电波的反射频率，h’为直入射电波反射点的虚高，D为斜入射电波在地面收、发两点之间的距离；

从斜入射电波的频高图中包括的多个斜入射电波反射频率f_ob中获取其最大值，即得到从同一电离层真高处反射的地面收、发两点之间距离为D的斜入射电波的最大可用频率f_max。

其中，在另一个实施方式中，第(1)步骤包括如下子步骤：

将当天实测的F107数值输入国际参考电离层模式，输出地面收、发两点之间距离为D的斜入射电波中点位置的电子浓度剖面；

利用中点位置的电子浓度剖面，得到电离层垂直观测的频高图；根据公式(i)将该频高图转换成斜入射电波的频高图；

$>f_{\mathrm{ob}}=f_v\times \frac{\sqrt{\frac{D^2}{4}+{\left(h^{`}\right)}^2}}{h^{`}}---\left(i\right)$>

其中，f_ob为电离层中的电波传播的斜入射电波反射频率，fv表示在同一电离层真高处垂直入射电波的反射频率，h’为直入射电波反射点的虚高，D为斜入射电波在地面收、发两点之间的距离；

从斜入射电波的频高图中包括的多个斜入射电波反射频率f_ob中获取其最大值，即得到从同一电离层真高处反射的地面收、发两点之间距离为D的斜入射电波的最大可用频率f_max。

其中，在另一个实施方式中，第(1)步骤包括如下子步骤：

先从电离层垂直观测的实时频高图中获取电离层F2层的临界频率foF2；

调整国际参考电离层模式的F107输入值，比较国际参考电离层模式输出的foF2和电离层垂直观测获得foF2数值，利用最小二乘原理，得到等效的F107数值；

将F107数值输入国际参考电离层模式，输出地面收、发两点之间距离为D的斜入射电波中点位置的电子浓度剖面；

将中点位置的电子浓度剖面输入到射电追踪仿真器(PIRTS)中，得到地面收、发两点之间距离为D的斜入射电波的最大可用频率f_max。

其中，在另一个实施方式中，第(1)步骤包括如下子步骤：

将当天实测的F107数值输入IRI模式，输出地面收、发两点之间距离为D的斜入射电波中点位置的电子浓度剖面；

将中点位置的电子浓度剖面输入到射电追踪仿真器(PIRTS)中，得到地面收、发两点之间距离为D的斜入射电波的最大可用频率f_max。

在优选实施例中，第(2)步骤中，可用频率范围为0.7f_ob～0.9f_ob。

附图说明

图1为本发明的基于电离层资料的同步自适应短波通信选频方法的流程图。

图2为本发明的具体实施方式中试验站点及设备布置示意图。

图3为本发明的具体实施方式中成功传输报文数统计图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更清楚的理解本发明的基于电离层资料的同步自适应短波通信选频方法，下面结合附图描述其具体实施方式。

同步自适应短波通信系统工作时，系统中设置的扫描频率表和频率扫描的方式都非常重要。一般情况下，按照扫描频率表的顺序依次对信道进行扫描。如果扫描频率表中的频率点数足够多，既可以使信道频率范围足够大，又可以使信道频率密度足够高，确保信道探测时可以获取通信的最佳可用频率。但是，按照这样的方式进行扫描，扫描频率的点数太多，信道探测过程时间过长，扫描效率变低。如果减少扫描频率表中频率点数，要么就会使扫描频率覆盖范围变窄，要么就会使扫描频率密度降低。虽然频率扫描过程的时间缩短，但是可用信道数量同时也减少了，而且很难获得通信的最佳可用频率。

另外，当同步自适应短波通信系统通过频率扫描锁定某一频率时，就会在这一频率点上一直保持通信。当电离层变化，可用信道的频率变化后，同步自适应短波通信系统就会出现通信中断的现象。这时系统才会重新扫描频率表，再次去锁定可以通信的频率点，继续进行通信。

本发明的基于电离层资料的同步自适应短波通信选频方法就是根据短波通信链路信息，定时利用电离层资料(实时观测资料、历史资料等)得到信道的最大可用频率，根据最大可用频率并综合通信效率和可通频率的持续时间等因素确定可用频率范围，然后同步自适应短波通信系统在优化可用频率范围内通过同步自适应选频的方式扫描最佳可用频率，最后在此频率上进行通信。如图1所示，本发明的基于电离层资料的同步自适应短波通信选频方法包括如下步骤：

(1)根据短波通信链路定时利用电离层资料得到信道的最大可用频率；其中电离层资料包括实时观测资料和历史资料等；

(2)根据最大可用频率并综合通信效率和/或可通频率的持续时间确定可用频率范围；

(3)将可用频率范围发送给同步自适应短波通信系统；

(4)同步自适应短波通信系统在可用频率范围内通过同步自适应选频的方式扫描得到最佳可用频率，进行通信。

在第(1)步骤中，根据短波通信链路定时利用电离层资料得到信道的最大可用频率的具体实施方式包括但不限于如下方式：

电离层垂直观测+Martyn等效路径定理方法；

电离层垂直观测+国际参考电离层(IRI)+Martyn等效路径定理方法；

IRI+Martyn等效路径定理方法；

电离层垂直观测+IRI+射线追踪方法；

IRI+射线追踪方法。

下面分别详细说明上述方法：

电离层垂直观测+Martyn等效路径定理方法

电离层垂直观测是用高频无线电波从地面对电离层进行日常观测的技术，观测时从地面垂直向上发射频率随时间变化的无线电脉冲，并在同一地点接收这些脉冲的电离层反射信号，测量出电波往返的传播时间(或称为时延)，从而获得反射高度与频率的关系曲线。这种曲线称为频高图或者电离图。使用电离层垂直观测技术的设备称为电离层垂测仪或者电离层测高仪。电离层测高仪实质上是一台短波脉冲雷达，通常由发射机、接收机、天线、频率合成器、显示记录器、程序控制器等组成。其工作频率可在整个短波波段的频率范围(0.5～30兆赫)内连续改变。

电离层中的电波传播现象可分为垂直入射和斜入射，这两种情形之间的电波频率、虚高以及吸收率之间存在着转换关系，这种转换关系用“正则法则”来描述。一条电波射线以角度φ0入射到平面电离层，随着高度的增加，电子浓度增大，到某个高度后发生反射。根据“正则法则”，斜入射电波反射频率fob可以表示为：

f_ob＝f_v×secφ₀   (1)

上式中，fv表示在同一电离层真高处垂直入射电波的反射频率。

另外，根据Martyn等效路径定理，如果fob和fv分别为从同一电离层真高处反射的垂直入射电波频率和斜入射电波频率，则直入射电波反射点的虚高(h’)等于斜入射的等效三角形的高度，则φ₀可以表示为：

$>{\phi }_0=\frac{\sqrt{\frac{D^2}{4}+{\left(h^{`}\right)}^2}}{h^{`}}---\left(2\right)$>

上式中D斜入射电波在地面收、发两点之间的距离。根据公式(1)和(2)，斜入射电波反射频率fob可以被表示为

$>f_{\mathrm{ob}}=f_v\times \frac{\sqrt{\frac{D^2}{4}+{\left(h^{`}\right)}^2}}{h^{`}}---\left(3\right)$>

在这个方法中，根据公式(3)，将电离层垂直观测得到实时频高图(垂直入射电波的频高图)转换成斜入射电波的频高图，在斜入射电波的频高图获取最大频率，也就得到从同一电离层真高处反射的地面收、发两点之间距离为D的斜入射电波的最大可用频率f_max.

电离层垂直观测+国际参考电离层(IRI)+Martyn等效路径定理方法

国际参考电离层(IRI)是最重要的电离层经验模型之一，是由国际空间研究委员会(COSPAR)和国际无线电委员会(URSI)的发起建立的，可以给出了地球上特定时间、地点上空50～2000km范围内的电子密度、电子温度、离子(O+、H+、He+、NO+等)温度、离子成分、电子含量等月平均值信息，在电离层研究和无线电通信领域广泛使用。IRI的源代码公开，可以从互联网上得到。

F107是太阳10.7cm波长(2800MHz)的射电辐射通量，它是描述宁静太阳辐射强度的一个重要参量。F107是IRI模型重要的输入参量。

在这个方法中，最大可用频率f_max通过以下过程获得：

(1)先从电离层垂直观测的实时频高图中获取电离层F2层的临界频率foF2；

(2)调整IRI模式的F107输入值，比较IRI模式输出的foF2和电离层垂直观测获得foF2数值，利用最小二乘原理，得到等效的F107数值；

(3)将F107数值输入IRI模式，输出地面收、发两点之间距离为D的斜入射电波中点位置的电子浓度剖面；

(4)利用中点位置的电子浓度剖面，得到电离层垂直观测的频高图；

(5)利用方法1中的原理，得到地面收、发两点之间距离为D的斜入射电波的最大可用频率f_max.

IRI+Martyn等效路径定理方法

在这个方法中，最大可用频率f_max通过以下过程获得：

(1)将当天实测的F107数值输入IRI模式，输出地面收、发两点之间距离为D的斜入射电波中点位置的电子浓度剖面；

(2)利用中点位置的电子浓度剖面，得到电离层垂直观测的频高图；

(3)利用方法1中的原理，得到地面收、发两点之间距离为D的斜入射电波的最大可用频率f_max.

电离层垂直观测+IRI+射线追踪方法

在几何光学近似下，电磁波的能量传播路径用“射线”来描述。几何光学的基本方程，可从经典力学的费马原理导出，即射线沿着使相位路径取极小值的路径从发射点行进到接收点，从这一原理出发，利用变分技术，可求得这一变分原理对应的欧拉-拉格朗日方程，在球坐标系下该方程化为Haselgrove方程组：

高频电波经电离层反射传播的点对点射线追踪仿真器(PIRTS)用于HF电波在电离层中的传播仿真，尤其适合于点对点传播问题。PIRTS通过对射线方程(公式4)的数值积分实现射线路径的追踪及传播参量的求解，电离层传播环境使用三维网格模型，网格由IRI2007(国际参考电离层2007版)生成或由电离图导出的真高剖面提供，射线追踪所需要的电子浓度及其导数使用网格插值的方法获得。地磁场的影响使用IGRF11建模(国际参考地磁场第11代)，IGRF11和IRI2007都已集成进PIRTS。

在这个方法中，最大可用频率f_max通过以下过程获得：

(6)先从电离层垂直观测的实时频高图中获取电离层F2层的临界频率foF2；

(7)调整IRI模式的F107输入值，比较IRI模式输出的foF2和电离层垂直观测获得foF2数值，利用最小二乘原理，得到等效的F107数值；

(8)将F107数值输入IRI模式，输出地面收、发两点之间距离为D的斜入射电波中点位置的电子浓度剖面；

(9)将中点位置的电子浓度剖面输入到射电追踪仿真器(PIRTS)中，得到地面收、发两点之间距离为D的斜入射电波的最大可用频率f_max.

IRI+射线追踪方法

在这个方法中，最大可用频率F_ob通过以下过程获得：

(1)将当天实测的F107数值输入IRI模式，输出地面收、发两点之间距离为D的斜入射电波中点位置的电子浓度剖面；

(2)将中点位置的电子浓度剖面输入到射电追踪仿真器(PIRTS)中，得到地面收、发两点之间距离为D的斜入射电波的最大可用频率f_max.

获得最大可用频率后，优选将最大可用频率的0.7～0.9倍所构成的频率范围作为本方法中的可用频率范围，提供给同步自适应系统进行扫描。这组系数根据实际情况(通信位置、通信时间段等)可以略做调整。

为了评估本发明的基于电离层资料的同步自适应短波通信选频方法的效力，2012年4月到5月，我们组织了一次短波通信对比实施例。试验中安排并部署了三个同步自适应短波通信站点和两个电离层测高仪站点。其中，三个同步自适应短波通信站点分别位于武汉、广州和福州，两个电离层测高仪站点分别布置在吉安和厦门，如图2所示。试验中设置了三条链路上的短波数据传输试验，分别为武汉—广州、武汉—福州和广州—福州数据传输试验。两个电离层测高仪用于探测电离层，其探测数据按照基于电离层资料的同步自适应短波通信选频方法来计算最佳可用频率。

该具体实施例主要采用对比试验的方法进行，即在近似时间和信道环境下，对传统自适应方式和基于空间天气观测及反演结果方式下短波通信效能进行评估和对比分析。其中，在传统自适应短波通信过程中，对通信频率集的选择不依赖于电离层观测和反演结果，而是根据经验数据确定。在基于电离层观测的方式下短波通信过程中，对通信频率集的选择则完全根据电离层观测和反演结果选定。以此为基础，以15分钟为周期交替采用两种方式在同一条链路上实施短波数据报文通信过程，并对通信过程中的平均链路建立时间、重复呼叫次数、重传次数、成功传输报文数和链路断开次数等结果进行统计和分析，如图3所示，其中1，2，3分别对应武汉—福州，福州—广州和武汉—广州链路。

通过统计并分析武汉、福州、广州三地间三条链路试验结果可知，利用基于电离层资料的同步自适应短波通信选频方法后，使得短波数据通信效能在平均链路建立时间、重复呼叫次数、重传次数、成功传输报文数和链路断开次数等五个方面较传统自适应方式均有较为明显的提升，特别是使得各链路传输能力(成功传输报文数)较传统自适应方式提升高达35％。上述结果证明本发明的基于电离层资料的同步自适应短波通信选频方法，对改善短波数据通信的综合效能具有显著效果，该技术在短波通信领域具有重要和广泛的使用价值。