基于VOACAP的中長期短波通信鏈路選頻規劃

杜澤海 王波

（中國人民武裝警察部隊海警學院 浙江省寧波市 315800）

天波傳播是短波傳播的主要模式，經電離層反射而實現遠距離通信，故易受到電離層衰落、多徑時延等因素的影響，而電離層參數又隨著季節、時間、地理位置、太陽活動性等因素的變化而變化，導致天波傳播較強的不穩定性和不確定性。為了獲取較高的短波傳播電路可靠度，先期組織估算預測和仿真分析十分必要。VOACAP程序是ITS HF Propagation(美國電科協會高頻傳播模型)中的一個電路計算子程序，它通過利用電離層參數構建電離層路徑，并使用設定路徑的性能參數，估算得到短波通信節點使用不同工作頻率進行通信的最大可用頻率、場強中值、可靠度、信噪比、信號功率等參數的點對點圖表和面覆蓋地圖。也就是說，利用該程序可以直接仿真得到從一個短波發信點到接收點的各類參數的可視化圖表，同時可以得到一個短波發信點或者接收點的各類參數在世界地圖上的覆蓋情況。這一功能雖主要用于中長期規律性預測，但對預測、規劃天波通信鏈路仍具有較強的參考意義。

1 VOACAP程序概述

ITS高頻傳播模型是NTIA/ITS開發的高頻鏈路規劃軟件，構建了基于近40年巨量實際傳播數據的短波信道函數和模型，內部具備多種天線設計模塊和電路計算模塊，可進行短波鏈路規劃、傳播覆蓋以及天線設計的仿真分析，并輸出可視化圖表、地圖等，目前已被許多國際短波廣播機構和業余無線電愛好者使用，并實際運用于部分軍事領域。作為ITS模型的電路計算子程序，VOACAP是基于美國之音研發的最早版本IONCAP改進的，主要可以實現3個基礎功能，一是利用VOACAP Point-to-Point模塊，仿真預測點對點短波鏈路情況，輸出傳播鏈路關鍵參數圖表；二是利用VOAAREA模塊，仿真預測既定發信臺的傳播覆蓋性能，輸出傳播覆蓋地圖；三是利用VOAAREA INVERSE模塊，預測短波監測設備或監測網的接收范圍，輸出接收覆蓋地圖。通過這3個基礎功能，我們可以實現傳播地域間的最佳位置配置、天線實際性能對比優化，以及可視化預測傳播或接收的最佳可通頻段（頻率）等關鍵參數信息和傳播覆蓋能力，進而實現短波鏈路建設的基礎規劃預測。本文目前僅使用VOACAP Point-to-Point模塊，對短波通信鏈路建設中的選頻問題進行仿真分析。

2 短波無線電廣播選頻預測仿真

VOACAP程序基于用戶參數調整，通過調用程序內部相關函數、模塊而進行仿真分析，主要調用七個部分：輸入參數、路徑計算、天線參數、電離層參數、最大可用頻率、系統性能參數和參數輸出。一般情況下，選擇最佳短波通信頻率的依據主要包括兩個方面：一是長期通聯狀態下積累的可通歷史數據，其具有很高的參考價值；二是結合VOACAP計算的短波預測結果，預測發射機與接收機間短波信道的可用頻率中長期變化趨勢。本文以我國國家級電臺CNR7（中央人民廣播電臺粵港澳大灣區之聲）為例，進行最佳頻率選擇的預測仿真。CNR7廣播是由喀什對106度方向向華中、華南以500kW功率發射或由北京對175度方向向華南以100Kw功率發射的，其發射時間和發射頻率為：0455-0800時采用7.345MHz，0455-0900時采用9.745 MHz，0800-1900時采用為15.550 MHz，0900-次日0202時采用為13.770 MHz，1900-次日0205時采用7.345 MHz，上述均為北京時間（UTC+8）。相較于因為季節原因，每年進行兩次換頻的國際廣播，國內廣播頻率基本上常年維持不變。本文以0800-1900時（UTC時間0000-1100）、頻率15.550 MHz的中央人民廣播電臺發射、香港地區接收廣播為例，基于VOACAP Point-to-Point，調用上述七個內部模塊進行仿真預測。

2.1 輸入參數設置及天線性能仿真

如圖1所示設置輸入參數。發射機位置為39.54N，116.21E，接收機位置假設為18.20N，109.60E，發射天線選擇廣泛用于我國國內短波廣播領域、覆蓋距離在2000公里情形的HR4/4/0.5型短波寬頻段幕形天線（輸出功率100Kw，天線主波束175度，天線代碼CCIR.003），其具備大功率、高增益、寬頻段等諸多優點；接收天線是常用的短波鞭狀天線（天線代碼SWWHIP.VOA）；通信系統信噪比采用默認設置73dB。通過登錄太陽活動預報中心網站，查詢太陽黑子相對數平滑月均值為66（2022年3月）。圖1顯示了2022年3月北京-香港短波鏈路的參數輸入數據。圖2、圖3則分別顯示了HR4/4/0.5幕形天線的輻射角（9度時增益達到21.2dBi）及寬方向圖，可見，優良的天線性能保證了華南地區的廣播接收質量。

圖1：2022年3月北京-香港短波鏈路的參數輸入數據

圖2：HR2/4/0.5短波寬頻段幕形天線在15.55MHz時的輻射角

圖3：HR2/4/0.5短波寬頻段幕形天線的寬方向圖

2.2 模型計算及關鍵參數輸出

通過從RUN菜單中選擇Circuit，根據輸入數據計算預測。部分計算結果（某個小時內）如圖4所示，最右側為所有輸出參數，左側數值為在各已設置頻率數值下的參數計算結果。

圖4：2022年3月某日1430-1530時（0630-0730 UTC）輸出參數示例

2.3 最佳頻率選擇

為了實現最佳頻率預測，這里主要選取與MUF（最大可用頻率）和SNR（信噪比）有關的參數及其計算結果。

根據電離層傳播理論，對于一定電子密度分布的電離層和一定的收發距離，能反射折回地面的電波有一個最大值，即MUF。要確保兩個位置之間的通信盡可能順利，則要使用的頻率通常選擇低于預測的MUF頻率，通常最佳工作頻率是MUF頻率的80-90%。例如，如果計算出的MUF為10MHz，則可以在 8-9 MHz 附近找到最佳頻率。在VOACAP中，MUF是一個純統計概念，即給定模式、月份、太陽黑子和小時的既定鏈路的中值頻率，其與圖4中結果參數 MUFday密切相關。某個小時 MUFday的值表示該月中系統設置頻率低于具有計算上最可靠傳播模式（即具有最高概率達到所需SNR值的傳播模式）的MUF頻率的天數百分比，即圖4中頻率欄中顯示的傳播模式和結果參數計算值始終屬于最可能的傳播模式。例如，在圖4輸出參數示例中，15.55MHz頻率對應的MUFday參數值為“1.00”（一個比例值，即100%），意味著在3月份整個月份中的每日1430-1530時（0630-0730 UTC），頻率15.55MHz始終低于MUF，電波始終不會穿出電離層。這為我們仿真預測固定頻率的可用時間區間提供了依據。2022年3月MUFday參數預測的可視化圖，如圖5所示。

圖5：2022年3月MUFday參數預測的可視化圖

此外，有效的傳播質量必須滿足一定的接收信噪比要求，在利用VOACAP評估頻率的優劣（即可用性）時，最佳傳播頻率的選擇是通過檢查系統設置頻率的SNR估計分布來完成的。圖4計算結果中，主要有2個信噪比結果，即SNRxx和SNR。SNRxx表示在使用某個系統設置頻率傳播時，在該月中預計能達到某個信噪比數值的天數比例（xx表示一種置信水平），例如在使用15.55MHz傳播時，SNRxx值為82，代表3月份82% 的日子預計會達到系統要求的信噪比73dB，即25天左右；而圖4中參數SNR則代表預計某個系統設置頻率在該月50%的天數（即15天）上達到的dB值，例如在使用15.55MHz傳播時，SNR值為92，代表3月份有15天的信噪比可以達到92dB。因此，在15.55MHz這個頻率上，幾乎整個3月份的通聯質量都是比較良好的。2022年3月SNRxx參數和SNR參數預測的可視化圖，如圖6、圖7所示。

圖6：2022年3月SNRxx參數預測的可視化圖

圖7：2022年3月SNR參數預測的可視化圖

然而，15.55MHz雖然具備良好的傳播質量，并不能說明就是最佳頻率。通過查閱除圖4以外的完整計算數據，17MHz、19MHz和21MHz等頻率都具有良好的SNRxx和SNR值。但需要注意的是，對于短波通信來說，頻率越高，鏈路的MUFday參數值就越低，在這種情況下，即使 SNR 和 SNRxx讀數良好，只要電離層稍有變化，電波就會穿出電離層而不折回，傳輸鏈路穩定性就會大大降低。因此，選擇15.55MHz頻率作為常用傳播頻率則成為相對合理的最佳選擇。

3 結束語

VOACAP模型的優勢在于它使用電離層參數的世界地圖來構建電離層路徑，并使用特定路徑的統計數據來評估傳播系統性能因素，具有良好的性能分析能力。經過美國之音使用專業短波監測器進行的測試表明，VOACAP的預測非常準確，基本上可以達到或超過90%的預測可靠性；本文通過研究CNR7廣播實例的最佳頻率選擇問題，也基本驗證了其用于中長期短波通信鏈路規劃的準確性和合理性。但仍需指出的是，仿真預測的可靠性，源于用戶對系統建模和參數設置的仔細程度以及電離層、地磁條件與本月假設情況的接近程度，同時，設計的天線方向圖要合理地代表實際天線，且假設所需的信噪比可以接受，才可以實現較好的中長期或某個月的預測可靠性。