基于斜向探测的短波广播覆盖区分析方法

王 璞，姬生云，王 健

（中国电波传播研究所，山东青岛 266107）

基于斜向探测的短波广播覆盖区分析方法

王 璞，姬生云，王 健

（中国电波传播研究所，山东青岛 266107）

提出了基于斜向探测数据进行短波广播覆盖区分析的一种实用方法。该方法以斜向探测的MUF及其时延数据为基础，利用基于射线理论的反演方法和等比加权的重构方法进行电离层参数分析，最后利用短波传播预测方法实现了短波广播链路的场强预测和覆盖区分析。通过仿真实例验证了方法的可行性，这对短波广播系统的规划设计、性能分析有重要参考意义。

斜向探测；短波广播；覆盖区

0 引 言

短波广播以其传播距离远、覆盖区广的特点，一直是重要的广播技术手段。短波广播覆盖区分析是应用规划、建站选址和性能评估等的重要依据，其目的在于使广播能够获得尽可能好的效果［1］。国际电联（ITU）给出了基于参考电离层进行短波传播预测方法［2］，美国、德国等国家结合本土的广播推出了VOACAP、WPLOTF等专业的分析工具［3］.电离层作为短波天波传播主要影响因素，其中E层临界频率（foE）、F2层临界频率（foF2）和3 000 km传播因子（M（3000）F2）是最关键的参量，也是影响广播传播特性和覆盖区分析重要参数［2，4］。上述分析工具多应用国际参考电离层等作为支撑，对电离层的实时变化特性考虑不足。

近年，基于斜向探测的电离层反演［5～7］和电离层参数重构方法［8～10］逐渐成熟起来，并在短波通信频率预报等方面取得了相关的应用［6，7］。受此启示，基于电离斜向探测数据反演得到的电离层实时特性参数，确定了一种基于实时信息的短波广播链路场强和覆盖区分析方法，目的是融合电离层实时探测信息，提高短波广播覆盖特性分析精度，为广播台站性能分析、规划建站等提供技术支撑。

1 广播覆盖区分析模型

基于斜向探测网进行的短波广播覆盖区分析的思路是：在原始斜向探测数据基础上利用反演方法获取探测链路中心的电离层参数后，利用区域重构方法便可获取传播链路控制点的电离层参数，进而实现广播链路场强预测和覆盖区分析。

分析流程如下。

a）利用所要分析的广播链路收发站点的位置信息计算其控制点位置；

b）利用广播链路控制点位置信息读取斜向探测参数数据库中相关站点的斜向探测电离层数据；

c）利用斜向探测所得最高可用频率（MUF）及其时延数据反演得出控制点处的临界频率；

d）基于探测链路反演所得的电离层参数，利用区域重构方法分析短波广播链路的电离层参数；

e）计算广播链路的接收场强；

f）重复a）～e）过程，计算广播台站周边各点的接收场强，并以此构建广播台站覆盖区。

1.1 电离层参数分析

基于射线传播理论，单跳传播条件下根据E层和F2层基本 MUF及对应时延反演 foE、foF2和M（3000）F2的表达式为［5～7］

式中，foE为路径控制点处的E层临界频率；fE（d）MUF为链路E层基本MUF；d为传播路径距离；ME为转换因子。

式中，foF2分别为路径控制点处的F2层临界频率；fF2（d）MUF分别为链路F2层基本MUF；d为传播路径距离，MF2为转换因子。

其中

式中，τ为基本MUF对应的时延；a0为地球半径；d为传播距离；c为光速。

在斜向探测图中，基本MUF即为高角模和低角模的交汇点，所以，基本 MUF也称交汇频率（JF）［11］，根据E层和F2层基本MUF及对应时延即可反演得到foE、foF2和M（3000）F2。

在探测链路反演所得的电离层参数基础上，利用区域重构方法可得广播链路的电离层参数，常用的方法包括等比加权方法［6］、距离倒数加权重构方法［8］、地理位置加权更新参考电离层模型重构方法［8，9］和改进克里格方法［8，10，12］等。为简化工程量，在此选用等比加权方法［6］。

式中，fo为预报链路控制点处电离层参数（foE、foF2和M（3000）F2）等效观测值；fm利用中国参考电离层计算得到的预报链路控制点处临界频率；N为探测链路数；fon为利用反演方法计算得到探测链路控制点处电离层等效观测值；fmn为利用中国参考电离层计算得到的探测链路控制点处电离层参数。

1.2 链路接收场强计算

对于短波天波单跳传播，其场强的计算方法［2］为

式中，Ets为传播模式场强中值两个强的E层模式与三个强的F2层模式的场强中值的合成场强；Etw为单个模式接收场强，其表达式为

式中，Pt为发射功率；Gt为所在发射方位和仰角天线增益；p′为天波射线斜距；Lm为高于MUF的损耗；Lg为反射中点的合成地反射损耗；Lh为极光区和其它信号损耗因子；Li为电离层吸收损耗。

1.3 广播覆盖区分析

根据广播分级的可接收场强［1］利用格网等值线追踪算法［13，14］，计算短波广播分级区域边界，对每个单元格网进行内插等值点；根据相关定理判断连接等值点，并对生成的等值点按生成顺序编号，并采用双向链表方式存储；通过等值点表中相邻两个等值点的编号，建立了等值线点的联系；提取等值线，并对线头、线尾外每个点的相邻两点编号进行优化处理。由此，得到短波广播分级覆盖区。

2 仿真分析

依据上节所述理论，以北京广播台为例，以实际工作参数为依据，见表1。针对太阳活动高年、低年，冬、夏两季节对广播覆盖特性进行仿真。

表1 广播台工作参数

表中，HR 2／2／0.5型中馈双极子天线和HQ 1／0.5型直角扇形天线在对应工作频率的归一化方向图如图1所示。

图1 广播台天线归一化方向图

在此选取2008年1月和7月代表太阳活动低年的冬、夏两季典型值，选取2013年1月和7月分析代表太阳活动高年的冬、夏两季典型值。仿真过程如下：

a）以广播台位置（λt，θt）为中心，以经纬度20°为半径，在正东、正南、正西、正北四个方位分别计算边界位置点（λl，θl），构建一个类矩形区域，即覆盖分析区域。边界位置点的计算方法为

其中，

式中，β为广播台对接收点方位角；Re为地球半径。

b）将分析区域划栅格化，分为若干矩形网格，所有的网格中心即为分析区域所计算的接收点。利用所要分析的广播链路收发站点的位置信息计算其控制点位置。

c）利用广播链路控制点位置信息读取斜向探测参数数据库中相关站点的斜向探测电离层数据，在此，读取了青岛－北京、新乡－北京、长春－北京、西安－北京四条链路的实时观测数据。

d）根据1.1节所述方法，利用斜向探测所得最高可用频率（MUF）及其时延数据反演得出控制点处的临界频率。基于探测链路反演所得的电离层参数，利用区域重构方法分析短波广播链路的电离层参数。

e）根据1.2节所述方法，逐点计算各广播链路的接收栅格点处的场强，并据此构造等值线图。

上述太阳活动高年、低年、冬夏两季两天线的分别在白天和夜间的场强覆盖特性，如图2和图3所示。其中图中等值线所标数据为场强值，单位为dBμV／m。

从图2可以看出，在冬季，太阳高年要大于太阳低年的覆盖区，夏季的情况也了类似；在太阳活动相同的年份，夏季的覆盖能力优于冬季；原因在于天波传播和电离层的状态变化紧密结合，夏季电离层的活跃程度要高于冬季，太阳活动高年高于低年，进一步影响了短波广播传播衰减变化上。同时，从图2可以看出，短波广播电台在东北角的覆盖要明显优于其他方向，西南角的覆盖能力次之，在东南角和西北角的覆盖较差，缘于天线指向主要在东北方向，此点验证了短波广播电台初始设计。

在正午12：00，取发射频率为10 MHz，针对太阳活动高年、低年，冬夏两季节的场强覆盖特性进行仿真分析，如图3所示。从图3可以看出，夏季高于冬季，太阳活动高年的覆盖能力要优于太阳活动低年。由于HR 2／2／0.5在水平面上近似为全向天线，所以，广播台覆盖特性在各方位上基本均衡。

图3 HQ 1／0.5天线白天覆盖分析

综合分析可以看出，在天线增益相同的情况下，定向天线能够提高对某个方向的覆盖能力，而全向天线则更侧重于对周边区域的均衡覆盖。这类分析结果可用于短波广播台站的建设、天线设计等方面。

3 结 语

随着广播业务的发展，短波广播的建设也进入高速发展的阶段，已经脱离了凭借经验进行系统规划、设计、评估的模式。本文基于电离层斜向探测数据，结合短波广播电台的应用，利用电波传播模型，仿真了不同太阳活动期、不同季节、不同时段的覆盖特性。仿真结果表明，在夏季短波广播台的覆盖能力优于冬季，太阳活动高年优于活动低年，定向天线实现了对特定方向的覆盖。上述研究可为广播电台规划、建设和性能评估提供技术基础［15，16］。

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王 璞（1981—），工程师，研究方向为电离层斜向探测；

wangpu22s＠126.com

姬生云（1981—），高级工程师，研究方向为电离层短期预报和频谱感知数据融合；

王 健（1979—），高级工程师，研究方向为工程电波传播和电磁频谱管理。

Analyzing M ethod for Short-wave Broadcasting Coverage Based on Oblique Sounding System

WANG Pu，JISheng+yun，WANG Jian
（China Research Institute of Radiowave Propagation，Shandong Qingdao 266107，China）

An analyzingmethod for broadcasting coverage based on oblique sounding system based on ob+ lique sounder is presented，which is featured by following characteristics：first，the critical frequency at the broadcasting circuitmidpoint is inversed from the oblique sounding data a based on simple empirical method；second，the critical frequency is reconstructed by geometric proportion weighted method；third，field strength of broadcasting circuit is calculated and the coverage is analyzed.By the simulation and a+ nalysis，the practicability of themethod is validated.It provides the important basis for design and per+ formance evaluation of short+wave broadcasting system.

oblique sounding；short+wave broadcast；coverage

TN934

：A

：1673+5692（2014）06+624+05

10.3969／j.issn.1673+5692.2014.06.014

2014+07+28

2014+09+11

电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室基金（CEMEE2014K0101A）