基于VOACAP的中长期短波通信链路选频规划

杜泽海 王波

（中国人民武装警察部队海警学院 浙江省宁波市 315800）

天波传播是短波传播的主要模式，经电离层反射而实现远距离通信，故易受到电离层衰落、多径时延等因素的影响，而电离层参数又随着季节、时间、地理位置、太阳活动性等因素的变化而变化，导致天波传播较强的不稳定性和不确定性。为了获取较高的短波传播电路可靠度，先期组织估算预测和仿真分析十分必要。VOACAP程序是ITS HF Propagation(美国电科协会高频传播模型)中的一个电路计算子程序，它通过利用电离层参数构建电离层路径，并使用设定路径的性能参数，估算得到短波通信节点使用不同工作频率进行通信的最大可用频率、场强中值、可靠度、信噪比、信号功率等参数的点对点图表和面覆盖地图。也就是说，利用该程序可以直接仿真得到从一个短波发信点到接收点的各类参数的可视化图表，同时可以得到一个短波发信点或者接收点的各类参数在世界地图上的覆盖情况。这一功能虽主要用于中长期规律性预测，但对预测、规划天波通信链路仍具有较强的参考意义。

1 VOACAP程序概述

ITS高频传播模型是NTIA/ITS开发的高频链路规划软件，构建了基于近40年巨量实际传播数据的短波信道函数和模型，内部具备多种天线设计模块和电路计算模块，可进行短波链路规划、传播覆盖以及天线设计的仿真分析，并输出可视化图表、地图等，目前已被许多国际短波广播机构和业余无线电爱好者使用，并实际运用于部分军事领域。作为ITS模型的电路计算子程序，VOACAP是基于美国之音研发的最早版本IONCAP改进的，主要可以实现3个基础功能，一是利用VOACAP Point-to-Point模块，仿真预测点对点短波链路情况，输出传播链路关键参数图表；二是利用VOAAREA模块，仿真预测既定发信台的传播覆盖性能，输出传播覆盖地图；三是利用VOAAREA INVERSE模块，预测短波监测设备或监测网的接收范围，输出接收覆盖地图。通过这3个基础功能，我们可以实现传播地域间的最佳位置配置、天线实际性能对比优化，以及可视化预测传播或接收的最佳可通频段（频率）等关键参数信息和传播覆盖能力，进而实现短波链路建设的基础规划预测。本文目前仅使用VOACAP Point-to-Point模块，对短波通信链路建设中的选频问题进行仿真分析。

2 短波无线电广播选频预测仿真

VOACAP程序基于用户参数调整，通过调用程序内部相关函数、模块而进行仿真分析，主要调用七个部分：输入参数、路径计算、天线参数、电离层参数、最大可用频率、系统性能参数和参数输出。一般情况下，选择最佳短波通信频率的依据主要包括两个方面：一是长期通联状态下积累的可通历史数据，其具有很高的参考价值；二是结合VOACAP计算的短波预测结果，预测发射机与接收机间短波信道的可用频率中长期变化趋势。本文以我国国家级电台CNR7（中央人民广播电台粤港澳大湾区之声）为例，进行最佳频率选择的预测仿真。CNR7广播是由喀什对106度方向向华中、华南以500kW功率发射或由北京对175度方向向华南以100Kw功率发射的，其发射时间和发射频率为：0455-0800时采用7.345MHz，0455-0900时采用9.745 MHz，0800-1900时采用为15.550 MHz，0900-次日0202时采用为13.770 MHz，1900-次日0205时采用7.345 MHz，上述均为北京时间（UTC+8）。相较于因为季节原因，每年进行两次换频的国际广播，国内广播频率基本上常年维持不变。本文以0800-1900时（UTC时间0000-1100）、频率15.550 MHz的中央人民广播电台发射、香港地区接收广播为例，基于VOACAP Point-to-Point，调用上述七个内部模块进行仿真预测。

2.1 输入参数设置及天线性能仿真

如图1所示设置输入参数。发射机位置为39.54N，116.21E，接收机位置假设为18.20N，109.60E，发射天线选择广泛用于我国国内短波广播领域、覆盖距离在2000公里情形的HR4/4/0.5型短波宽频段幕形天线（输出功率100Kw，天线主波束175度，天线代码CCIR.003），其具备大功率、高增益、宽频段等诸多优点；接收天线是常用的短波鞭状天线（天线代码SWWHIP.VOA）；通信系统信噪比采用默认设置73dB。通过登录太阳活动预报中心网站，查询太阳黑子相对数平滑月均值为66（2022年3月）。图1显示了2022年3月北京-香港短波链路的参数输入数据。图2、图3则分别显示了HR4/4/0.5幕形天线的辐射角（9度时增益达到21.2dBi）及宽方向图，可见，优良的天线性能保证了华南地区的广播接收质量。

图1：2022年3月北京-香港短波链路的参数输入数据

图2：HR2/4/0.5短波宽频段幕形天线在15.55MHz时的辐射角

图3：HR2/4/0.5短波宽频段幕形天线的宽方向图

2.2 模型计算及关键参数输出

通过从RUN菜单中选择Circuit，根据输入数据计算预测。部分计算结果（某个小时内）如图4所示，最右侧为所有输出参数，左侧数值为在各已设置频率数值下的参数计算结果。

图4：2022年3月某日1430-1530时（0630-0730 UTC）输出参数示例

2.3 最佳频率选择

为了实现最佳频率预测，这里主要选取与MUF（最大可用频率）和SNR（信噪比）有关的参数及其计算结果。

根据电离层传播理论，对于一定电子密度分布的电离层和一定的收发距离，能反射折回地面的电波有一个最大值，即MUF。要确保两个位置之间的通信尽可能顺利，则要使用的频率通常选择低于预测的MUF频率，通常最佳工作频率是MUF频率的80-90%。例如，如果计算出的MUF为10MHz，则可以在 8-9 MHz 附近找到最佳频率。在VOACAP中，MUF是一个纯统计概念，即给定模式、月份、太阳黑子和小时的既定链路的中值频率，其与图4中结果参数 MUFday密切相关。某个小时 MUFday的值表示该月中系统设置频率低于具有计算上最可靠传播模式（即具有最高概率达到所需SNR值的传播模式）的MUF频率的天数百分比，即图4中频率栏中显示的传播模式和结果参数计算值始终属于最可能的传播模式。例如，在图4输出参数示例中，15.55MHz频率对应的MUFday参数值为“1.00”（一个比例值，即100%），意味着在3月份整个月份中的每日1430-1530时（0630-0730 UTC），频率15.55MHz始终低于MUF，电波始终不会穿出电离层。这为我们仿真预测固定频率的可用时间区间提供了依据。2022年3月MUFday参数预测的可视化图，如图5所示。

图5：2022年3月MUFday参数预测的可视化图

此外，有效的传播质量必须满足一定的接收信噪比要求，在利用VOACAP评估频率的优劣（即可用性）时，最佳传播频率的选择是通过检查系统设置频率的SNR估计分布来完成的。图4计算结果中，主要有2个信噪比结果，即SNRxx和SNR。SNRxx表示在使用某个系统设置频率传播时，在该月中预计能达到某个信噪比数值的天数比例（xx表示一种置信水平），例如在使用15.55MHz传播时，SNRxx值为82，代表3月份82% 的日子预计会达到系统要求的信噪比73dB，即25天左右；而图4中参数SNR则代表预计某个系统设置频率在该月50%的天数（即15天）上达到的dB值，例如在使用15.55MHz传播时，SNR值为92，代表3月份有15天的信噪比可以达到92dB。因此，在15.55MHz这个频率上，几乎整个3月份的通联质量都是比较良好的。2022年3月SNRxx参数和SNR参数预测的可视化图，如图6、图7所示。

图6：2022年3月SNRxx参数预测的可视化图

图7：2022年3月SNR参数预测的可视化图

然而，15.55MHz虽然具备良好的传播质量，并不能说明就是最佳频率。通过查阅除图4以外的完整计算数据，17MHz、19MHz和21MHz等频率都具有良好的SNRxx和SNR值。但需要注意的是，对于短波通信来说，频率越高，链路的MUFday参数值就越低，在这种情况下，即使 SNR 和 SNRxx读数良好，只要电离层稍有变化，电波就会穿出电离层而不折回，传输链路稳定性就会大大降低。因此，选择15.55MHz频率作为常用传播频率则成为相对合理的最佳选择。

3 结束语

VOACAP模型的优势在于它使用电离层参数的世界地图来构建电离层路径，并使用特定路径的统计数据来评估传播系统性能因素，具有良好的性能分析能力。经过美国之音使用专业短波监测器进行的测试表明，VOACAP的预测非常准确，基本上可以达到或超过90%的预测可靠性；本文通过研究CNR7广播实例的最佳频率选择问题，也基本验证了其用于中长期短波通信链路规划的准确性和合理性。但仍需指出的是，仿真预测的可靠性，源于用户对系统建模和参数设置的仔细程度以及电离层、地磁条件与本月假设情况的接近程度，同时，设计的天线方向图要合理地代表实际天线，且假设所需的信噪比可以接受，才可以实现较好的中长期或某个月的预测可靠性。