基于电离层预测的短波试飞技术研究

基于电离层预测的短波试飞技术研究

李拓1，王琦韵,2

(中国飞行试验研究院，陕西，西安，710089)1（中国飞行试验研究院，陕西，西安，710089)2

摘要：在短波试飞技术研究中，针对“可用频点少，人工选频效率低，通信稳定性差”问题，研究了基于电离层预测的试验方法。利用电离层探测设备发射和接收的电离层探测信号以及电磁环境监测数据，通过综合评估计算，得出短波通信的可用频率、通信频率覆盖距离、可用频段和电波环境质量参数，并架设短波地面电台进行通信验证，选出最佳通信频率，为短波试飞安排提供有力支撑，提高了试飞效率。

关键词：短波试飞技术；电离层预测；电磁环境监测；通信频率

1 引言

短波通信利用电离层作为传播媒介实现远距离信息传输，具有投资小、设备简单、机动灵活、抗毁能力强等优点，广泛应用于军事、气象、政府、商业等部门，是近、中、远、超远距离通信的重要手段，尤其是在军事应用中，作为战略、战术通信保底手段具有不可替代的作用。短波远距离通信需依靠电离层反射，而电离层信道属时变信道，路径衰耗、大气噪声、多径效应、电离层扰动等因素，以及复杂多变的电磁环境，严重影响短波通信的稳定性和传输质量[1]。

现阶段，国内短波通信用频规划主要是频率管理部门凭经验或预测分配频率。然而，随着我军逐渐从国土防御向“空天一体，攻防兼备”战略转型，作战范围不断扩大，飞机执行任务过程中，通常纵深近几千公里，方位跨度近几十度，时间跨度长达几小时，在如此大的空间和时间跨度上，尤其是在东海、南海等地区，电离层信道起伏大，仅通过预测或人工经验选择的频率进行中远距离飞行保障任务难度极大，需要实时的电离层探测设备对大区域的电离层状态和电磁环境进行监测以及环境评估，为短波通信提供环境辅助决策服务。

本文针对短波“可用频点少，人工选频效率低；通信稳定性差”问题，提出了基于电离层预测的短波试飞方法，首先对电离层分布及特点进行研究，了解电离层状态、电离层异常变化、电磁环境对短波通信稳定性的影响；其次，通过构建电离层预测系统模型，得出短波通信的可用频率、通信频率覆盖距离、可用频段和电波环境质量参数，并架设短波地面台对通信频率进行验证；最后，飞行试验对选出的通信频率进行验证，检验电离层预测系统的准确性。

2 电离层预测系统构建

2.1电离层分布及特点

电离层是高度大约在60～1000km的地球大气的一部分电离区域，且该区域含有足够多的自由电子显著地影响无线电波的传播。电离层信道是时变信道随日、季节、年、经纬度、高度变化而变化，同时电离层根据电子浓度反射情况分为D层、E层和F层。其中D层是电离层中最靠近地面的一层，高度约为70公里。这一层只是吸收无线电信号的能量，而不是反射他们，D层电离层化的程度越高，吸收无线电波的能力越强；E层平均高度约为100公里，厚度约为25公里，因为阳光照射主要出现在白天，E层主要用于近距离低频段信号传播，由于受太阳照射影响，在晚上E层非常弱，无线电信号都能穿透它；F层是中远距离短波通信重要的反射媒介，F层在白天和晚上都存在，F层在白天能把比较高的频率反射回地面，而到了晚上F层比较薄，只能有较低的频率通过。

短波主要依靠电离层反射进行中远距离通信，但是由于电离层的变化，以及多径效应、相互干扰等影响，使得通信质量不稳定，尤其是在恶劣电磁环境下，信号衰弱现象严重，甚至可能出现无法通信情况。

2.2电离层预测系统总体框架

利用电离层探测设备发射和接收的电离层探测信号以及电磁环境监测数据，通过综合评估计算，为短波通信用户提供环境辅助决策服务。该系统包含三方面的内容：一是：探测数据接收，包括大区域返回散射探测数据发射和接收、通信单向链路的斜向探测信号接收和电磁环境监测数据接收；二是：预测评估计算，根据通信链路配置信息和历史接收的探测数据（≥10天），进行通信频率可通、通信频率覆盖范围和可用频段预测评估；三是：实时评估计算，根据通信链路和实时接收的探测数据（≥3天），对当前通信链路的可用频率的可通、通信频率覆盖距离、可用频段和电波环境质量进行实时评估。

2.3电离层预测系统组成

电离层预测系统由返回散射探测设备、斜向探测设备、短波干扰频谱监测设备、控制计算机和对数周期天线组成。其中，

a)返回散射探测设备放置于地面通信站，利用发射机发射电离层探测信号，接收机接收探测回波信号，收发同址且共用天线。根据接收返回散射电离图可以确定探测方位上电离层波的传播模式、最高可观测频率、回波能量等；

b)斜向探测设备放置于通信接收站，接收返回散射探测设备发射的电离层探测信号构成斜向通信链路。根据斜向电离层图可以确定通信链路最高可用频率、模式、可通频段以及能量等；

c)短波干扰频谱监测设备放置于地面通信站，接收本地电磁干扰监测数据，提供不同频率及频段的干扰统计分布数据；

d)软件运行平台为计算机，放置于地面通信站，对接收到的探测数据进行数据汇总处理，同时进行参数设置以及评估结果显示；

e)对数周期天线：连接返回散射探测设备和短波干扰频谱监测设备，收发电离层探测信号以及接收电磁干扰监测信号。

3试飞方法设计

短波作为超视距通信手段，在试飞验证中仅对固定区域验证无法满足使用要求，本次试验试飞转场航线长度1683km，飞行过程中与E点地面短波电台进行通话；通过电离层预测系统得出，整个航线中使用1个频率无法完成通信，需在航线上更换频率，在航线上选出3个最佳通信频率，分别为31波道、32波道、33波道。

试验安排起飞后到达A点短波设置31波道与E点进行通话，直至B点上空短波更换波道为32波道，继续通话，最后在C点短波切换为33波道，到达D点后结束通话，试验完成。飞行前分别在A点、B点、C点、D点以及E点架设短波电台，使用31波道、32波道、33波道进行通话，验证通信频率的可通性,飞行航线如图1。

图1 短波试飞航线

4应用效果评估

飞行转场过程中，起飞后短波设置为31波道，在A点上空开始与E点进行通话，距离起飞点455km后在B点上空短波切换为32波道，与E点进行通话，距离起飞点642km后在C点上空短波切换为33波道，与E点进行通话，直至D点上空通话结束；整个通话过程中距离E点短波地面台1318km～583km，共通话42次，正常通话37次，双向通话完成率88%；整体通话声音稍有失真，可接受，声音清晰，话音质量3～4级。

整个试飞过程中短波通信质量相比传统方法提升明显，取得了良好的效果。

5 结论

本文针对短波通信提出了基于电离层预测的试飞方法，对预测的通信频率使用地面电台进行检验，并在试飞中进行验证，实际效果相比于传统方法提升明显，提高了试飞效率，取得了良好的效果，并已经推广到其他型号的试飞中，以后也可推广至其它同类问题处理工作中。

参考文献

[1] 任国春. 现代短波通信[M]. 北京：机械工业出版社，2020.9

[作者简介]

李拓（1989-），男（汉族），陕西人，工程师，主要研究机载通信、导航、识别系统飞行试验。

王琦韵（1992-），女（汉族），陕西人，质控员，主要研究机载设备检测和维修试验。