特定海域远洋测控短波通信选频及模式优化研究

李红民 傅椿顺 何小军

【摘要】远洋航天测量船短波通信承担着岸船间的短波通信职能，不但要完成相关数据信息的传输，其海上生命线的特殊地位更不可取代。远洋测控短波通信不仅受传输媒介电离层的随机和流动性影响，而且还要面对多径时延、损耗衰落、多普勒频移、赤道电离异常等多因素带来的复杂电磁环境影响。本文结合远洋测控短波通信实际对电离层机理结构和影响远洋测控短波通信的要因进行精细分析，结合现有资源得出解决远洋测控短波通信的方法和依据。

【关键词】远洋测控短波通信;特定海域;海基互转平台;定频优化

一、引言

短波通信具有超强抗打击能力和自主通信能力，是当前唯一不受网络枢纽和有源中继体制约的成熟远程通信手段。因此，在卫星通信技术广泛运用于现代航海的当下，短波通信仍是远洋船舶通信系统中不可替代重要组成部分。然而，船载短波通信由于受到复杂电磁环境以及人为和自然电磁屏障影响，其可用性和可靠性往往无法保证。为此，為实现远洋船舶短波通信的高可通率和可靠性，本文结合实践经验对太平洋海域的短波通信有效性的主要影响因素进行了分析，进而提出了如何保障短波高可通率的高效通信模式。

二、远洋船舶短波通信质量影响因素分析

（一）远洋船舶短波通信基本原理

短波（Short-Wave）通信又称为高频（HF）通信，工作频段为1.6MHz-30MHz，其中主要包括短波通信第7频段的3MHz-30MHz和第6频段1.6MHz-3MHz的高频部分，其信息传播主要依靠天波和地波。地波传播特性主要由地表介质电磁性决定，地波传播模式的信息损耗与工作频率成正比，有效的通信距离通常只有几百公里，不能满足远洋船舶的远距离通信需求。天波传播主要是通过电离层的反射进行传播，电波经过多次反射可到达数万公里以外，因此，远洋测控短波通信通常采用天波传播模式。

如图1所示，左侧为短波通信的适中距离传输过程，右侧为短波通信的中远距离传输过程。左侧的传输模式是电波信号从A点发出，穿过电离D层和E层后到达电离F层并经其反射直接到达B接收端即完成了信息传输;而右侧的传输模式是电波信号从A点发出，穿过电离D层和E层后到达电离F层，然后经F层反射重新回到地面，再经地面反射和再次穿过电离D层和E层后到达电离F层，再次经过F电离层反射后到达B接收端完成信息传输。尽管电离层为电波长距离传播提供了得天独厚的条件[3]，但在上面传播过程中也看出，电波传输过程和传输复杂度是受通信距离和环境影响的，同时短波通信还易受两端所处经度不同形成的时间差、季节变化、太阳耀斑及太阳黑子活动等因素促使电离层的不规则变化形成电波传输的多径效应，造成接收端收到的信号失真或码元畸变。

（二）质量影响因素分析

影响远洋测控短波通信的因素一方面来自设备硬件，另外一方面来自于距离和时间差形成的恶劣通信环境。远洋测控船舶涉及海域广阔，与岸站最大有8个小时的时间差，形成远洋测控船舶与岸站在一天中有几个小时是昼夜交错的，这种情况更加突显出短波通信的时变特性，同时由于岸船间的距离大幅度增加，电波的跳变次数和频率也会增加，衰落、多径效应、多普勒频移现象都会显现。同时，测量船活动在赤道相关区域时短波通信还将受到赤道电离异常的影响。另外天线发射和接收过程中的自然损耗也是降低远洋短波通信效率的一个因素。

上述情况下，电波在传输中所经路径会与图1中的现象有特别大的差异，不但电波传输过程需要多种模式（见表1），同时也将受到很大的损耗，甚至在一定的时间和范围内没有有效的可通频率和工作方式，严重影响远洋测控短波通信的有效性和可靠性。

（1）衰落

衰落是当短波电磁波信号在地球的电离层内传播时，由于电离层电特性变化的随机性，造成不同信号的传播路径和能量吸收的随机变化，使得接收机端的电平不规则变化，信号幅度呈现随机变化。衰落问题的产生对短波通信的可靠性、稳定性影响很大，严重时甚至会导致通信中断。

（2）多径效应

多径效应是指不同传播途径中最大的传输延时与最小的传输延时之差，它的值与系统的频率、距离等条件有关。

从图2所示的三种传输模式可以看出，在正常电离层分布情况下，三种模式所处电离层的电子密度和电磁波的传输路径虽有变化，但都能够满足对电磁波进行反射的条件，既发方信号通过A点、大地和B点的反射后都能成功到达对方台。其中M模式和H模式经过了D层反射，相对路径稍短用时较少，而N模式是利用大地与F层间的反射，用时也略长。另外发射体发射出的电波因为运行路径和反射路径都不可能相同，所以电波到达接收端的时间也不一致，形成一定的多径传播现象。多径传播现象会带来数字通信中码元的重叠，信号失真或使信道的传输带宽受限，造成接收终端判决错误和产生误码，影响通信效率和可靠度。

（3）多普勒频移

电离层经常性的快速运动和反射层高度的快速变化使传播路径及其长度不断变化，信号的相位也随之产生起伏不定的变化。这种变化就是电离层不规则运动引起的高频载波的多普勒频移。当电离层处于相对静止状态时，多普勒频移一般在1Hz-2Hz范围内，但在电离层骚动严重时可达几十赫，对短波通信的频率稳定度影响很大。

（4）电离层赤道异常

电离层赤道异常是指日间当电离层F2层电子密度分布在赤道约±20度之间会出现一个最大的峰值，而在赤道形成一个极小值的特殊的异常现象[11]（如图3所示）。这种异常电离是由于阳光的加热和潮汐作用电离层下层的等离子上移，穿越地球磁场线和E层形成电流，与赤道附近水平的地球磁场相互作用形成的，对该区域短波信号的传输与反射均造成一定影响。

（5）天线损耗

短波波长较长，采用短波进行远距离通信时通常需配备方向性较强的天线，如对数周期天线等。但因测量船环境所限，使用的接收和发射天线均为全向鞭状天线，造成了来波的丢失和发射功率的消耗，同等条件下减弱了通信效果。

三、特定海域短波通信方式优化选择

远洋航天测量船短波通信承担着岸船间的短波通信职能，其海上生命线的特殊地位更不可取代。鉴于长时间对影响远洋测控短波通信的以上不利要因进行分析研究和实验，得出以下特定海域短波通信的优化方式。

（一）远洋测控短波通信选频方法

鉴于远洋测控海域分布范围的特点，优化方法中主要分为印度洋海域、太平洋密克罗尼西亚海域和南太平洋法属波利尼西亚以东南海域3个部分。

（1）印度洋海域

远洋测控在印度洋海域的活动范围主要在印度尼西亚以东和以南海域，测控海域与岸站经度相差不大，短波信号在传输过程中受时延影响相对较小，但受恶劣海况和天气等原因产生的各类噪声对传输信道影响较大，常造成通信质量和速率不稳。通信过程中需多留意双方信道受影响情况及程度，在原有通信信道受影响较大的情况下可采取随机构建通信信道和择机通信的方式完成通信任务。

（2）密克罗尼西亚海域

密克罗尼西亚海域在维度上与岸站差别不大，经度上与岸站有4个左右的时间差，船舶还处在东半球，其海域空旷海况稳定，大气噪声较少，电离层的气体密度较大，电子复合机会较多，信号波形异变有限，无论是人为因素还是自然因素都不会对短波通信产生大的影响。但此海域临近赤道，所以在部分海域和时间段的通信会受到电离层赤道异常的影响。同时由于电离层的电子密度随昼夜、季节以及年份的剧烈变化而变化，使得最高可用频率和吸收损耗也有所变化，因此，此海域工作频率需根据具体情况实时更换。用频率范围一般为：夜间8MHz-10MHz，白天14MHz-17MHz左右。

（3）法属波利尼西亚以东南海域

法属波利尼西亚以东南海域是远洋测控短波通信中沟通率最低海域。该区域测量船深度进入西半球，岸船间电离层朝、夕（昼夜）所处时段环境及层面较为广泛且差异很大。因此由远距离、异常天气、电波多径传输等多因素带来的通信环境的不确定性造成通信信号严重衰减和时延扩展现象。如图4所示。

本海域工作应密切关注自然天气和通信质量的变化情况及时调整有效信道，在特殊的通信环境下要有紧前思想，在改频和调整工作方式时岸船间要密切配合，昼、夜临界点要根据两端天气情况和船舶动向确定好本工作段所需要的基准频率，然后根据信号强度和通信质量适时调整。特殊情况下应加大频率上下调整的幅度，如平时改频上下幅度调整一般在1MHz-2MHz内，此海域，可以扩大到5MHz-10MHz之间。同时，改频时不但要提高操控设备的速度和适当延长守听时间，另一方面可采用设备对信道的随机选择和双方约定信道相结合的方法来保证或提高通信效率。本海域可使用频率范围较广：夜间5MHz-9MHz，白天13MHz-25MHz之间。

（二）定频模式下工作种类的随机可选性

定频工作是实现远洋测控短波通信的一个重要模式，在何时段采用定频模式下的何种方式对通信实效有很大影响。下面以法属波利尼西亚以东海域为例对定频通信模式下的几种通信方式进行了通信实效比对和理论分析。

鉴于低速报强于话呼，CW报强于低速报的短波通信理论，在实际工作和实验过程中分别采用了定频模式下的USB语音通信、USB低速数据、USB报和CW报等工作方式进行若干次比较，得出的试验结果是在五个时间差和相对同等天气环境、时间、频率和功率等条件下USB语音通信有效通信率为51%，USB低速数据为63%，USB报为86%，CW报为96%以上（除特殊气候外有效通信率可达到100%）。在通信效率比对中USB语音和USB低速数据的工作效率相对于USB报和CW报分别高出61%和5%左右，但USB语音和USB低速数据在远距离通信中需要更高性能的调制解调器和相对大的发射功率来保障。其原因是通信終端在并行通信模式下传输信息首先要把高速数据经串/并变换后分裂成16路低速数据，然后对这16路低频进行4DPSK调制，最后经过调制的16个单音信号经发射系统完成频率搬移和功率放大之后由天线发射出去。此调制方式和过程减弱了发射功率和峰值功率，造成原有的发射功率大幅度降低。固在南太平洋法属波利尼西亚以东海域能满足USB语音和USB低速数据通信的时间段相对较少。

（三）构建海基互转平台

因远洋测量需求不同，参与测量的测量船数量以及各测量船分布位置也不同。远洋测量船活动范围基本在东经80度-西经125度和北纬31度-南纬26度之间，由于范围很广且各测量船与岸站的距离差别很大所以各测量船与岸站间的短波通信质量也有很大差异。以执行嫦娥四号任务为例，参与执行测量任务的两艘测量船分别分布于密克罗尼西亚以西海域和密克罗尼西亚以东海域。

在密克罗尼西亚以西的测量船离岸站相对较近，时差相对也较小，短波通信能满足岸船间全时段需求。而处在密克罗尼西亚以东的测量船则在北京时间23点至次日4点间建链困难，即使在定频模式下工作通信质量也不高。鉴于这种情况利用距岸站近的测量船采用适用的方式为岸站和另一测量船搭建转信平台，通信成功率为100%。在其后的远洋测控中以处在波利尼西亚以东南太平洋海域和斐济海域的测量船通过与处在密克罗尼西亚海域的测量船构建链路与岸站进行数据转发试验，有效通信率为83%和91%，定频模式下均为100%。

四、结束语

短波通信设备和用频数量以每年30%的速度递增，一度快速发展的短波新技术在复杂度超乎想象的超远距离电磁传输空间下已显得滞后。本文针对当前复杂电磁环境下远洋测控短波通信所处的特殊环境进行理论分析，在提炼出有效的特殊海域选用频规律的基础上采用链路自动建立、定频模式和构建海基互转平台等相结合的工作方式实现了当前远洋测控短波通信全时段、全航线的有效性。同时，也可作为区域过往船只和从事短波环球通信机构的参考。

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