基于Kriging頻率預測的短波通信選頻系統設計與構建*

張海勇，田曉銘，徐 池

（海軍大連艦艇學院 信息系統系，遼寧 大連116018）

0 引 言

短波通信作為海上遠程通信的主要方法之一，為海上通信保障提供了重要支撐[1]。其中，選頻問題是制約短波通信應用的核心問題。目前，通信部門主要采用基于REC.533模型[2]和基于“亞大模型”[3-4]的預測軟件，對短波通信頻率進行中、長期預報。前者在模型構建時由于缺少我國電離層數據，導致在我國區域內應用時產生較大誤差；后者則適用于北緯65°至南緯40°、東經60°至東經150°的范圍。為了克服空間維度的限制，一些學者開始采用空間插值重構的方式預測短波通信頻率，典型的如克里格（Kriging）頻率預測法[5-8]。為了實現Kriging頻率預測法的具體應用，本文針對Kriging頻率預測的特點[9-10]和當前通信雙方的需求，提出了短波通信選頻系統的設計方案，并對支持系統實現的關鍵技術進行研究，同時結合軟件演示系統展現了具體的選頻流程。

1 短波通信選頻系統設計

1.1 系統總體設計

基于Kriging頻率預測的短波通信選頻系統主要面向海上移動通信臺，保障移動臺間建立短波通信鏈路的應用需求。本系統基于點對點通信的體系結構，輔助選擇海上移動通信臺與岸上固定站之間的最高可用頻率和最佳通信頻率。系統由三大模塊構成，分別是短波通信頻率數據分析處理模塊、短波通信頻率選擇模塊以及短波通信頻率管理模塊，如圖1所示。

圖1 短波選頻系統總體設計

1.2 系統主要功能

1.2.1 短波通信頻率數據分析模塊

短波通信頻率數據分析模塊由歷史數據存儲、數據分析篩選和克里格數據存儲三部分功能組成。頻率數據的存儲、分析與篩選，是構建選頻輔助系統的關鍵，是實現Kriging頻率預測的基礎。歷史數據存儲功能的主要任務是記錄當前使用中的頻率管理系統及本系統自身積累的工作數據、探測頻率數據以及專向鏈路預測頻率數據，包括通信雙方地理信息、通信時間、通信頻率以及通信質量等。數據分析篩選功能基于系統預設的通信質量分析準則，從探測頻率數據和專向鏈路預測頻率數據中篩選出適于Kriging頻率預測的最高可用頻率。當某一通信位置在同一時段存在多組符合選擇條件的通信數據時取平均值?？死锔駭祿煊糜诖鎯谔綔y、預測最高可用頻率的Kriging短波通信頻率柵格化數據，即經過分析篩選的最高可用頻率數據基于柵格化規則進行Kriging空間插值頻率重構。當有且僅有一個實測數據位于柵格單元時，柵格的屬性值為該點頻率值；相反，當多個實測值位于同一柵格單元或某一柵格單元不包含實測數據時，利用Kriging空間插值法重構柵格中心點處的頻率值，并視其為柵格屬性值。其中，克里格法包括適于電離層平穩狀態的普通克里格法和適于電離層非平穩狀態的泛克里格法。隨著底層歷史數據庫的更新，可用新獲取的實測值替換空間插值頻率預測的估計值，并重新計算所屬柵格單元的屬性值。

1.2.2 頻率選擇模塊

頻率選擇模塊是系統的核心模塊，綜合采用基于Kriging的短波通信頻率空間插值重構預測方法和頻率探測方法為短波通信選頻用頻提供依據。值得說明的是：本系統需外接現有探測設備，頻率預測僅為探測區間的確定提供依據，待探測結束后，將探測結果反饋至本系統的頻率選擇模塊，以便后續數據態勢呈現。

該模塊主要用于實現以下四種功能：

（1）生成某通信時段內某通信路徑下全頻段的最佳工作頻率；

（2）生成某通信時段內某通信路徑在指定頻段內的最佳工作頻率；

（3）生成實時某通信路徑下全頻段最佳通信頻率；

（4）生成實時某通信路徑下指定頻段內的最佳通信頻率。

采用Kriging的短波頻率預測方法可基于海圖實現柵格化顯示，提供通信雙方隨通信頻率改變的通信質量變化趨勢等信息。

1.2.3 頻率管理模塊

由于用頻設備多樣，電磁環境不斷變化，直接應用頻率選擇模塊推薦的頻率或頻段可能與理想通信效果存在一定偏差，因此有必要對短波頻率進行管理，其中包括頻率的指配與監測。這部分功能主要依靠外接頻率管理系統和頻率監測系統完成，本系統僅將分析結果進行數據呈現。頻率指配功能能夠綜合管控用頻設備間的頻率使用情況，防止各用頻設備之間的交調、互調干擾。該功能旨在對頻率預測或頻率探測后系統預選出的可用頻率進行分析，為用戶提供各用頻設備間電磁干擾較弱的可用通信頻率，從而減少通信受損的情況，保障用戶的通信效果。頻率監測能夠實時監管艦船周圍海域的復雜情況。自然環境變化和人為惡意干擾，均可影響短波通信的有效性和可靠性。因此，為了避免外界因素導致通信質量降低，在已建立通信的情況下，有必要持續監測艦船周圍海域的電磁環境和自然環境，以致在發生異常情況時能夠及早采取有效的處理措施。

2 基于系統構建的頻率數據柵格化技術

在地理信息系統中，數據的柵格化分為矢量圖層和柵格圖層兩類。矢量圖層可基于點、線、面結構處理數據量相對較小的統計信息。對于數據量較大的海上短波通信頻率數據而言，比較適合采用基于地理柵格生成的統計數據柵格圖層。

2.1 頻率數據柵格屬性

Kriging頻率預測法包括泛克里格頻率預測法和普通克里格頻率預測法，頻率數據特征平穩與非平穩除了與觀測海域有關，也受觀測尺度和數據密集程度的影響，因而，在進行頻率數據的柵格化處理時，需依據研究海域的頻率數據特征對中的泛克里格法和普通克里格法進行劃分。

從大量驗證數據中隨機選取電離層處于平穩狀態和非平穩狀態下的9個移動臺站點（記作A～I點），其空間相對位置如圖2所示。

圖2 A～I點相對位置

其中，AH及其附近區域，與DEF及其附近區域處于平穩狀態；ABCDEFGI及其附近區域處于非平穩狀態。利用泛克里格法與普通克里格法，對A～I區域的頻率數據進行交叉仿真估計預測。在進行仿真驗證時，選擇實用性較強的變異函數球狀模型，并沿著與當前研究區域的電離層變化方向相符合的緯度方向建立線性漂移方程，預測結果分別如表1～表5所示。

表1 平穩海域內基于克里格法的A點、H點頻率預測

表2 非平穩海域內基于克里格法的B點、C點頻率預測

表3 平穩海域內與非平穩海域內基于克里格法的D點頻率預測

表4 平穩海域內基于克里格法的E點、F點頻率預測

表5 非平穩海域內基于克里格法的G點、I點頻率預測

通過對比交叉驗證可以看出，在平穩海域AH、DEF及其附近海域使用普通克里格方法進行頻率預測效果優于泛克里格法，而在非平穩海域ABCDEFGI及其附近海域選用泛克里格法更加適合。由于ABCDEGI海域與DEF海域存在交集，在進行頻率數據的柵格化時，可分別依據泛克里格法與克里格法的適用范圍構建兩個柵格圖層，然后根據短波頻率預測時搜索鄰域點的位置確定參與預測的圖層。

2.2 頻率數據柵格尺度

地理距離上每一度代表的經度距離相等，約為111 km，而沿緯度方向漸增，一度表示的緯度距離可由1°=111cosθ km計算，其中θ表示緯度值。中國地處緯度范圍3°52′～53°33′，單位緯度距離即在110.747 3～65.947 4 km。通常，電離層F2層相關距離約為1 200 km。由于在引入電離層距離時，緯度方向的轉化因子SF=2，因此電離層空間相關變程轉化為地理空間相關變程時經度方向約為10°48′，緯度方向為5°25′～9°05′。

電離層變化本身具有一定的連續性，格網尺度過小易產生數據量冗余。在地理空間相關變程的變化范圍內，在適宜應用泛克里格法與普通克里格法的海域選取尺度為1°、2°、5°的正方形格網進行頻率預測，基于REC533模型預測軟件數據分析適宜的柵格尺度，相對誤差和相對誤差均值記錄于表6～表11中。

表6 柵格尺度1°時基于泛克里格短波通信最高可用頻率預測的相對誤差及相對誤差均值

表7 柵格尺度2°時基于泛克里格短波通信最高可用頻率預測的相對誤差及相對誤差均值

表8 柵格尺度5°時基于泛克里格短波通信最高可用頻率預測的相對誤差及相對誤差均值

表9 柵格尺度1°時基于普通克里格短波通信最高可用頻率預測的相對誤差及相對誤差均值

表10 柵格尺度2°時基于普通克里格短波通信最高可用頻率預測的相對誤差及相對誤差均值

表11 柵格尺度5°時基于普通克里格短波通信最高可用頻率預測的相對誤差及相對誤差均值

觀察表6～表8可知，在基于泛克里格法的海上短波通信頻率預測中，正方形柵格單元的格網尺度為1°時，預測的相對誤差均小于0.85%，具有良好的預測效果；當柵格尺度設置為2°或5°時，預測效果不佳，某些通信位置上的頻率預測誤差甚至超過15%，以致預測結果低于最佳工作頻率。

普通克里格法適用于電離層處于平穩狀態的海域。由表9～表11可知，當柵格單元尺度為1°或2°時，預測結果比較靠近真實值，而當尺度變化為5°時，預測效果明顯降低。因此，在短波通信頻率預測技術柵格化過程中，泛克里格法的柵格圖層中單元尺度可設置為1°，克里格法可設置為2°。

3 短波通信選頻系統演示應用

船只A需與北京某地面臺站進行通信，通信人員依次采用事先約定的主用、備用頻率建立通信鏈路，發現其通信質量較差難以形成有效通信。在此情況下，利用短波通信選頻系統對通信頻率進行預測。已知北京通信臺站位于：39°54′00″N 116°24′00″E，需預測10點11分02秒至10點20分00秒內短波全頻段的最佳工作頻率，具體操作步驟為：

（1）輸入被呼方臺站與呼叫方臺站的地理位置。為方便用戶操作，系統預設多個被呼方臺站，使用中用戶可根據實際情況手動增減并將其設為默認地址，而呼叫方臺站即為待測點地理坐標。

（2）選擇采用的選頻模式。系統包含四種選頻模式：預測模式、先預測后探測模式、先探測后預測模式和探測模式。這里為了估計指定通信時段內短波全頻段最佳工作頻率，選用預測模式。

（3）輸入預計建立通信時間的起始時間。本系統采用克里格法進行預測，設定的時間相關變程為1 h。例如輸入10∶11∶02，其預測結果可適用的通信時段為 10∶00∶00 ～ 11∶00∶00。

（4）預測結果的呈現與獲取。預測結果分別以頻率選擇方案表和海域頻率分布圖的形式呈現。頻率選擇方案表提供了當前通信路徑下指定通信時段內全頻段的最高可用頻率和最佳工作頻率，有助于用戶獲得準確的數據信息；海域頻率分布圖可供用戶查看呼叫方海域附近的用頻情況，移動光標點擊任意填充過顏色的柵格單元，可將呼叫方臺站的地理位置切換至光標所在地點，獲取預測時段內附近海域的用頻情況。此時，光標所在位置的地理坐標及其地理柵格單元內的最高可用通信頻率顯示在圖片正下方的表格內，白色區域表示該柵格單元內的頻率數據缺失。

圖3是某海上活動過程中船只A與北京某臺站選擇通信頻率時采用系統預測模式后的效果圖，其中星形符號表示呼叫方臺站位置。由頻率選擇方案 表， 可 獲 得 10∶11∶02—10∶20∶00 短 波 全 頻 段 最 高可用頻率22.47 MHz，最佳工作頻率19.10 MHz。點擊海域頻率分布圖任意柵格單元，當前位置為緯度09° 02′ 24″ N 經度 114° 04′ 56″ E，10∶11∶02—10∶20∶00 短波全頻段最高可用頻率 22.34 MHz。

圖3 系統預測模式效果

4 結 語

本文從海上短波通信選頻方法應用的角度出發，將Kriging頻率預測方法與選頻需求相結合，設計搭建基于頻率空間插值重構預測方法的短波通信選頻系統的總體構架，細化了系統模塊間的具體功能，研究了支持系統態勢呈現的頻率數據柵格化技術，發現基于大量的實測數據分析驗證泛克里格與普通克里格分別適用于電離層非平穩與平穩狀態下的頻率數據預測。同時，基于REC533模型提供的預測數據對頻率數據的柵格尺度進行量化，而后依據軟件演示系統給出具體的系統應用范例。研究表明，本系統能夠為通信雙方高效獲取選頻信息，為合理分配短波通信頻率資源提供依據，對海上短波通信系統的組織應用具有重要意義。