基于C3I系统的短波通信仿真建模

1 引言
短波通信是指利用波长为100~10 m的电磁波进行无线电通信。短波通信多年来被广泛用于政府、军事、气象、商业等领域，用以传送语言、文字、图像、数据等信息。尤其在军事领域，短波通信始终是军事指挥的重要手段之一。如今计算机技术飞速发展，数据库的提出，及仿真技术的应用，使军事指挥自动化进入一个新的阶段。短波战术平台是指挥自动化系统(C3I)的一个子系统，该平台充分利用计算机技术和电子地图数据库，实现遂行通信，保障谋划、仿生拉试预决策、通信作战文书的生成。这里仅对通信仿真建模进行讨论。

2 短波信道的传播损耗模型
短波天波通信是以电离层为媒介传播的，电离层的密度随昼夜、季节、太阳活动周期和经纬度变化而变化，因此传播损耗与时间、季节、经纬度位置、地形等诸多实时变化因素有关。考虑到目前所能计算的损耗，电离层传播损耗可表示为

式中，LP0是自由空间传播损耗，La是电离层吸收损耗，Ln是多跳地面反射损耗，Yp是额外系统损耗。
2．1 自由空间传播损耗
在短波信号传播过程中，由于电波逐渐远离发射点，能量扩散的面积越来越大，从而使得接收点的场强越来越小。在计算该项损耗时，认为地球和电离层均是平面状态，反射是镜面反射，如图1所示，其中r表示天波传播中的射线距离：D是发射点A与接收点B 之间的大圆距离(地球表面距离)，收发两端点间的地球中心夹角用a表示。

自由空间传播损耗的计算公式：

式中，R是地球半径，h是电离层高度，△是射线仰角。

(1)求大圆距离D
由电子地图可知发射端A和接收端B的地理经纬度，则大圆距离为：

式中，x1为发射端的地理纬度；y1为发射端的地理经度；x2为接收端的地理纬度；y2为接收端的地理经度。北纬纬度取正值，南纬纬度取负值，(y1-y2)为收发两点间的经度间隔。
(2)求射线仰角△
由图1可得：

式中，h是电离层高度，其值可由经验值获得。
2．2 电离层吸收损耗
电离层吸收损耗La分为偏移吸收和非偏移吸收，前者指反射区的吸收，后者指电离层D、E区域的吸收。一般偏移吸收损耗极小(≤1 dB)，可以忽略。工程中常用以下半经验公式:

式中(以h=100 km为例，下同)，θ0是100 km高度处的电波入射角,fH是100 km高度处的平均值，单位为MHz，n是跳数，Ii是吸收系数。Ii的计算公式为：

式中，R12为12个月太阳黑子的流动平均值，xi为穿透吸收区的太阳天顶角平均值。
仿真中采用数学计算和选取典型值的方法模拟。
(1)求电波入射角θ0将h=100 km代人式(6)。
(2)求磁旋频率fH我国经纬度大致范围为北纬：22°~55°，东经75°~135°，查100 km处磁旋频率的世界地图可得FH的取值范围为1．2～1．5 MHz。为计算简便，定义如下：若反射点的纬度位于北纬22°～35°，fH=1．3 MHz；北纬35°～45°，fH=1．4 MHz；北纬45°～55°，fH=1．5 MHz。
(3)求12个月太阳黑子的流动平均值R12 该值无法计算，可查表求得。
(4)求太阳天顶角xi某地某时刻的太阳天顶角是指太阳射线(光线)直射到地球经纬度上，再继续延伸到地心，此延伸线(即太阳直射线)与电台所在地理经纬度到地心的直线之间的夹角。某地的太阳天顶角的大小和该地的地理位置、季节、时间有关。
仿真可按下列步骤进行：
(1)确定太阳直射线在地球上的经度太阳直射线1天(24 h)经过经度线360°，每小时经过15°，每分钟经过0．25°，每秒钟经过0．004 166 667°。太阳直射线投射到东经120°经度面时是我国中午12时0分0秒，计算120°E以西时间由12时减，计算120°E以东时间由12时加；计算 120°E以西的经度由120°E减，计算120°E以东的经度由120°E加。如12时30分，太阳直射位置在：120°-30x0．25°=112． 5°E
(2)确定太阳直射线在地球上的纬度太阳直射线经过的地球纬度线以1年为周期：由南纬23．5°到北纬23．5°，再回到南纬23．5°。春分和秋分这两天，太阳直射赤道，纬度为0°。夏至和冬至时太阳分别直射在北回归线23．5°N和南回归线23．5°S。太阳直射线经历纬度范同为0°～23．5°。太阳直射线每天经过的纬度是：23．5／91．25(1个季度的天数)=0．257 534 247°；每小时经过的纬度是：23．5／(91．25x24)=0．01O 730 594°；每分钟经过的纬度是：23．5／(91．25x24x60)=0．000 178 843°；每秒钟经过的纬度是：23．5／(91．25x24x60x60)=0．000 002 981°。例如，如果是第2个季度，计算某天某时某分钟的太阳直射线所在的纬度，要首先计算这一天到春分的天数。假设某年春分为4月3日。计算4月23日 12时30分太阳直射线所在的纬度：

{[20(天)x24(时)+12(时)]x60(分)+30(分)}x0．000 178 8