王`罡 胡秉晨 曹红艳 弓勇义

摘要：利用南极地区的电离层结构特性以及中山站、泰山站、昆仑站电离层临界频率的时间分布，对南极地区短波通信链路上的电离层特性进行分析，提出采用国产化短波通信控制系统搭配水平偶极子天线的设计方案，并进行系统通信链路和可通频率等的技术论证，得到南极地区的电离层变化情况及系统的可通信率，从而验证南极地区各考察站之间建设短波通信系统的可行性问题。

关键词：南极;电离层;短波通信系统;临界频率;水平偶极子

中图分类号：TN914     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）11-0017-04

The Design of Shortwave Communication System in Antarctic Research Station

WANG Gang1，HU Bing-chen2，CAO Hong-yan1，GONG Yong-yi1

（1.China Research Institute of Radiowave Propagation，Qingdao 266107， China; 2.Polar Research Institute of China， Shanghai 200136， China）

Abstract： Using the structural characteristics of the ionosphere in the Antarctic region and the time distribution of ionospheric critical frequencies at Zhongshan Station， Taishan Station and Kunlun Station， to analyze ionospheric the characteristics on the shortwave communication link in the Antarctic region， and proposed the scheme of using a localized shortwave communication control system with the horizontal dipole antenna， and carried out the technical demonstration of the systematic communication link and the passable frequency， the ionospheric changes in the Antarctic area and communicable rate of the system are obtained. Thus， the feasibility of constructing shortwave communication system between the various research stations in the Antarctic area was verified.

Key words： antarctica; ionosphere; shortwave communication system; critical frequency; horizontal dipole

1 引言

隨着卫星通信和网络通信的发展，短波作为远距离与国内通信的方式逐渐被取代。目前南极中山站通信系统包括短波通信系统、甚高频通信系统、卫星通信系统，与周边近距离通信使用甚高频通信系统，远距离通信使用卫星通信系统。近些年短波通信技术有了较大发展，短波设备逐渐小型化、网络化、自动化，短波通信系统也能够满足中山站与昆仑站、泰山站的远距离无线通信。短波通信系统相比卫星通信系统，主要优势为：

1）短波通信系统设备组成和架设简单、使用灵活，卫星通信系统设备组成复杂;

2）短波通信系统购置和使用费用极低，卫星通信系统费用较高。短波通信设备价格低廉，安装成功后，只需极低的维护费用。卫星通信设备价格较高，后期也需要高昂的使用费用;

3）短波通信系统抗毁性强。卫星通信系统需要依赖卫星的正常运行。短波通信不需要建立中继站即可实现远距离传输，对自然灾害和战争的抗毁性能力强。

因此，短波通信系统是中山站与周边站点的极其合适的辅助通信手段。

2 电离层特性分析

远距离短波通信时发射的电波必须要经过电离层的反射才能到达接收设备，作为短波传播的中介，电离层对于通信质量的保证有着至关重要的作用。短波电离层反射信道是一种时变的色散信道，它的特点是路径损耗、时延散布、噪声和干扰等都是随频率、地点、季节、昼夜而不断变化。因此，短波通信系统设计时，必须对南极地区短波通信链路上的电离层特征进行系统分析，从而对短波通信系统中发射机功率、短波天线架设高度和短波天线架设形式等参数提供依据。

2.1 电离层结构特性

由于太阳高能电磁辐射、宇宙射线等作用于地球高层大气，使大气分子发生电离，产生大量的自由电子、离子和中性分子，构成等离子体区域，形成电离层，电离层高度大约处于60～1000km。在地球引力的作用下，地球大气基本上呈现水平分层结构，对于电离层而言，各区域的物理和化学变化与太阳辐射、粒子辐射、磁层扰动、地球磁场的变化关系不尽相同，造成在几个高度上有电子生成率的极大值，在一定高度以下，电子浓度的分布不可能是重力扩散平衡的，人们通常按照电子浓度峰值高度将电离层分为四个区域： D区、E区、F区和顶部以上区域（上电离层）。其中上电离层对短波通信传播基本上没有什么影响，短波通信传播有影响的电离层模型一般要考虑下部电离层D、E、F区域，各层的时间变化主要取决于日照量的太阳天顶角关系。

南极极区电离层具有典型的电子浓度分层结构、时间变化特征和区域变化特征。南极极区电离层D层只在白天出现，D区出现冬季异常，即在几天内正午电子浓度异常增加，短波穿越D层会有严重的衰减，电离层对电磁波的吸收主要发生在D区域，频率越低，吸收越严重;E区以上电子浓度夜间较白天约小两个多量级;F1层区只在白天出现，夜间时F1层和F2层逐渐合并为F层区域，高纬夜间F2层在凌晨（日出前1～2h或太阳天顶角在110度～96度之间）电子浓度出现最小值。F2层出现“冬季异常”现象，即夏季日变化比较平缓，夏季中午电子浓度值较冬季的相应值小。

2.2 南极地区foF2的时间分布

电离层临界频率（foF2）是描述电离层形态的一个重要参量，电离层最大电子浓度决定了临界频率，它们之间存在如下关系：[Nm=1.24×104f20]。foF2数值随着太阳活动性的增强而增大，极区临界频率较低。根据中国电波传播研究所长期观测数据以及国际参考电离层模型（IRI）计算，图1至图3给出了中山站、泰山站、昆仑站，典型年份（太阳活动低年、中年、高年）、典型月份（一月份、四月份、七月份、十一月份）、不同时刻（24小时）foF2的分布情况。

研究表明，对于F2层临界频率foF2，国际参考电离层模型（IRI）模型计算结果与实际观测值较符合，夏季和秋季误差很小，通常主要在夏季保障南极短波通信，因此，IRI模型可以作为南极短波通信链路计算论证的基础模型。

根据南极地区各考察站电离层F层foF2的统计结果分析得到，一月份和十一月份08：00UT附近foF2出现主极大，相应时间为本地时间14：00;七月份日变化比较平缓;四月份在本地时间15：00达到极大值;foF2值随着太阳活动性的增强而增大。

3短波通信系统方案设计与论证

3.1 系統方案设计

短波通信系统方案分为短波通信发射机、短波通信接收机、短波通信控制器以及天线设计4部分组成。其中发射机、接收机、通信控制器组成短波通信控制系统。

3.1.1 通信控制系统设计

发射机采用国产TGX240-2型1000W短波发射机，该发射机具有远程遥控接口和CAN 总线接口，并具有现场可编程功能。接收机采用数字信号处理技术的优质通信接收机，频率范围10kHz到29.999999MHz。短波通信系统控制器通过实时控制短波接收机和发射机，自动建立通信线路，自动选择通信业务，自动保持通信线路，保证最佳通信质量。短波通信接收机能与短波通信发射机、短波通信系统控制器组成短波数字化通信控制系统。完成自动扫描搜索、自动选频、自动建立通信线路功能，实现两个通信系统之间的可靠联络。本系统的主要特点是内置自动通信控制模块、短波数传模块、声码话模块，无须外接终端即可完成数据和声码话通信;具有在呼叫信道建链以后快速探测通信信道重新建立通信链路的功能;具有对抗强干扰和恶劣电磁环境的低速数据通信功能和猝发通信功能;具有无线转接功能和位置报告功能。

3.1.2 天线设计

短波通信天线采用三线式水平偶极子天线。三线式水平偶极子天线是一种新型宽带天线，它是基于七十年代折合式短波宽带天线改进而成。天线由吸收电阻、阻抗变换器和三根辐射导线组成，是全频段短波基站天线，在近中远各种距离都能够保持良好的通信效果。线式水平偶极子天线采用三线偶极结构，辐射效率高，工作频带内性能均匀，不仅在宽边方向有强辐射，而且在窄边方向也有较强辐射，因而对360°全方向位都能沟通联络，三线式天线横拉固定架设状态平稳，保证了通信效果的稳定。本系统天线面长度40m，采用架高14m，尾端滑轮安装在桅杆上，吸收负载选用碳膜电阻，电阻装在玻璃钢筒中，承受功率大于2kW，为南极地区极端环境条件，天线中间采用软拉线固定电馈线的方式防止大风造成馈线连接点断裂等问题。

3.2 系统方案可行性论证

3.2.1 通信链路论证

中山站短波电台采用发射功率为1000W，天线增益3dB，采用全球短波通信计算方法进行计算，月份选用一年中典型的1月份、4月份、7月份和11月份的月中值，以中山站到昆仑站通信距离约为1300km为通信距离最大值论证通信链路问题。

通信距离1300km，计算到达接收端的场强。根据公式：

[E=107.2+20lgf+Gt+Pt-Lb]                 （1）

可以粗略计算出到达接收站的信号场强。

其中：[Lb=Lbf+Li+Lg+Yp]                                              （2）

[Lb]——基本传输损耗，dB;

[Lbf]——自由空间基本传输损耗dB;

[Li]——电离层吸收损耗dB;

[Lg]——地面反射损耗dB;

[Yp]——附加系统损耗dB。

[Lbf=32.44+20lgf+20lgD]，这里工作频率[f]取10MHz，[D]为有效几何路径长度，以通信距离1300km，电离层反射高度400km，得出[D]为1520km。经过相关计算，[Lbf]为116.1dB。

[Li]电离层吸收损耗，计算相对复杂，这里取[Li]为3dB。

[Lg]地面反射损耗，这种损耗只是两跳以上并经由地面反射的传输模式才有，通信距离在1300km时，[Lg]取0dB。

[Yp]附加系统损耗，是为了补偿信号强度随日起伏而考虑的余量。附加系统损耗的分布是地磁纬度、季节、本地时间和路径长度的函数，这里取14 dB。

通过公式（2）可得基本传输损耗为114.7+3+0+14=131.7dB。

根据[E=107.2+20lgf+Gt+Pt-Lb]

[f]取工作频率为10MHz，[Gt]发射天线的增益，这里取天线增益为0dB，[Pt]为电台发射功率125W（20.97dBW），经过计算得出：

[E=107.2+20lg10+0+20.97-129.7]=16.47[uV/m]

以地面站接收点的天线电长度为1m计算，可得接收端的电压值为16.47[μV]。

而短波电台接收灵敏度均在2[μV]左右，因此可以满足通信距离1300km的要求。

3.2.2 考察站间可通频率与可通率论证

中山站短波通信系统的通信范围的预测采用国际电联广泛应用的“全球频率预测及场强计算软件”计算，最佳可通频率计算过程中月份选取了一年中1月份、4月份、7月份、11月份四个典型月份，时段选取北京时间每个整点，可得出中山站与昆仑站、中山站与泰山站的短波通信频率范围。短波通信频率范围见表1。

每条通信链路上收发都采用1kW的短波通信系统，且每2MHz频率范围内短波电台可提供至少一个通信频率，根据上述计算的短波通信频率范围则可以得到短波通信系统的可通率见表2。

因此可以满足南极地区站区间通信的基本要求。

4 结论

本文提出了一种应用于我国南极地区科学考察站之间的短波通信系统设计，经过电离层特性分析研究及系统可行性论证，本系统设计可以满足中山站与昆仑站、泰山站之间的通信要求，通信距离可达1300km，各站之间的通信率达到78%-90%，可以满足南极地区短波通信需求，对改善南极考察站区现有通信条件提供了有力支撑。

参考文献：

[1] 劉瑞源，刘国华，吴健，等.中国地区电离层foF2重构方法及其在短期预报中的应用[J].地球物理学报，2008，51（2）：300-306.

[2] 王世凯，焦培南，柳文.改进的Kriging技术实时重构区域电离层foF2的分布[J].电波科学学报，2006，21（2）：166-171.

[3] Bilitza D.International reference ionosphere 2000[J].Radio Science，2001，36（2）：261-275.

[4] 胡中豫.现代短波通信[M].北京：国防工业出版社，2005.

[5] 左卫.短波通信系统发展及关键技术综述[J].通信技术，2014，47（8）：847-853.

[6] Zander J.Adaptive frequency hopping in HF communications[J].Proceedings of MILCOM '93 - IEEE Military Communications Conference，1993（2）：600-604.

[7] 刘成国，潘中伟.中国低空大气波导的极限频率和穿透角[J].通信学报，1998，19（10）：90.

【通联编辑：梁书】