摘要本文對比分析了利用ITU半經驗模型和3種電子碰撞模型預測天波鏈路電離層吸收衰減的方法.利用中國參考電離層模型和質譜儀非相干散射大氣模型構建背景電離層和背景大氣，在構建的背景環境中利用三維射線追蹤方法仿真分析由半經驗模型和3種電子碰撞模型計算得到的電離層吸收衰減與電波頻率、出射仰角、大圓距離的關系.并進行了大圓距離100km、200km、400km的短波通信測試試驗，分析了各預測方法的準確度.從試驗結果來看，日間兩種模型性能差異不大，而日落期利用電子碰撞模型預測得到的電離層吸收衰減優于以往采用的ITU半經驗模型;在可用頻段的較大頻率處，實測值更接近電子碰撞模型.仿真與試驗均證實三種電子碰撞模型預測值相近，根據實際可獲得大氣中性成分數據.

　　關鍵詞吸收衰減;電子碰撞;短波;射線追蹤;電離層

　　引言

　　短波通信的高頻無線電波傳播模式大致可以劃分為地波傳播模式和天波傳播模式兩種.地波傳播模式下，電波傳播距離很近;天波傳播模式下，理論上，在特定電離層環境下，如果無線電波頻率低于電離層臨界頻率，則發射站到近距離區域的天波傳播鏈路均存在.通過對電離層特性的準確獲取并選擇最佳工作頻率，可以實現短波無盲區通信和偵察.頻率選取的準則主要包括信號能量與通信準確率，因此對近距離天波電離層吸收衰減的精確預測可以更好地為短波通信提供選頻指導和場強預估.

　　電離層吸收衰減是天波傳播過程中除自由擴散衰減外最大的衰減量，對于天波傳播總衰減、場強等的計算至關重要.遠距離傳播鏈路(收發點距離幾千千米)的吸收衰減預測值一般采用國際電信聯盟(InternationalTelecommunicationUnion,ITU)的方法，不超過7000km的路徑可進行射線路徑分析，超過9000km的路徑使用從擬合到測量數據的組合模經驗公式，7000~9000km距離范圍內則是兩種方法的平滑過渡[1].

　　2009年何昉等[2]提出了一種精確的計算電離層吸收衰減的方法，仿真分析了吸收衰減與電波頻率、仰角的關系.2019年王紅光等[3]提出了基于電磁波傳播的拋物方程，計算電離層短波鏈路衰減的方法.對于電離層吸收衰減的計算，大部分公開文獻使用了ITU半經驗方法，對于電子碰撞模型方法，文獻中僅介紹了其中一種電子碰撞模型的仿真，無試驗數據.缺乏ITU半經驗方法與電子碰撞模型方法預測吸收衰減的對比分析及試驗驗證.本文針對近距離(大圓距離400km以內)天波鏈路，利用半經驗模型和電子碰撞模型計算得到電離層吸收衰減，并進行仿真與試驗驗證，對比分析了各方法的準確性.

　　1三維射線追蹤方法

　　射線追蹤技術把波場的能量近似為沿著射線傳播，用光學的處理方法來簡化處理波場問題，已被廣泛應用于電波傳播領域.首先利用中國參考電離層(chinesereferenceionosphere,CRI)模型和質譜儀非相干散射2000模型(massspectrometerincoherentscatter2000models,MSISE00)構建電離層背景和大氣背景.CRI為基于可用數據源建立電離層的經驗模型，對于給定的位置、時間和日期，CRI模型可提供電離層高度范圍內電子密度、電子溫度、離子溫度等參數的月平均值.

　　電離層的中性氣體成分參數由MSISE00大氣模型使用質譜儀、非相干散射雷達、軌道及加速度探測數據、探空火箭等獲取的數據，采用最小二乘法進行數據擬合得到.MSISE00大氣模型以F10.7為太陽活動影響參數，以Ap指數為地磁作用影響參數.同時與IRI電離層模型一樣，MSISE00大氣模型受經緯度、季節、地方時等影響.對于給定的位置、時間和日期，MSISE00模型提供對應時間、位置中性成分的濃度.

　　2電離層吸收衰減模型

　　2.1半經驗模型

　　電離層吸收衰減的半經驗模型是根據大量的試驗數據得出的.對于天波多跳傳播路徑，2019版的ITU-RP.533-14報告[1]提供了點對點短波電離層反射鏈路吸收衰減的半經驗模型，La(dB)為大圓距離7000km以內m個控制點的天波n跳吸收衰減，控制點是根據300km的一個固定反射高度和90km控制高度(每跳有兩個控制點)決定的.2.2電子碰撞模型電離層吸收衰減是指電波通過電離層時，波的電矢量引起電子運動，電子同中性粒子及正離子發生碰撞，部分能量轉移到中性分子，最終變成熱能，從而引起的電波振幅的吸收衰減.

　　對于短波天波傳播，發生在D層的吸收衰減為非偏移吸收衰減，發生在E層或F層的吸收衰減為偏移吸收衰減，因為D層內中性分子較多，碰撞衰減較大，所以非偏移吸收衰減較大;而發生在E層或F層的偏移吸收衰減很小(≤1dB)，一般可以忽略，所以電離層吸收衰減主要指發生在D層的非偏移吸收衰減.本文由折射指數的路徑積分推導得到電子碰撞吸收衰減.

　　3仿真實驗

　　利用IRI模型和MSISE00大氣模型生成一個以新鄉(35.30°N，113.93°E)為圓心，半徑800km，圓心角4°，高度400km的正南方向扇形區域的電離層環境和大氣環境.以0高度圓心為發射點進行三維射線追蹤，設置射線方向是正南;電波頻率為1~10MHz，間隔為0.1MHz;電波出射仰角為40°~90°，間隔為1°.在生成的所有鏈路中，找到所有可以到達地面的鏈路.選用一組典型值來三維展示射線電波頻率-出射仰角-大圓距離-電離層吸收衰減的關系.

　　4試驗驗證

　　2020年9月下旬(R12=6)在北半球中緯度地區開展了多組短波電臺通信試驗，驗證近距離天波電離層吸收衰減預測.其中該試驗系統的天線增益根據出射仰角、電波頻率由天線方向圖計算.系統損耗根據該試驗系統的工程經驗計算得出，誤差≤1dB.序號1~9對應的試驗時間分別為：26日15：30、27日10：30、27日17：00、25日10：30、25日15：30、26日10：30、28日15：30、29日10：30、29日15：30和29日19：00.根據全部測試試驗結果及對應時間、收發站位置的不同，預測方法得到的仿真預測值統計結果.

　　仿真了各個時間點1~10MHz，0.1MHz步進，出射仰角40~90°，1°步進的電波射線路徑，統計的預測值最大頻率(maximumfrequency,MF)、最小頻率(lowestfrequency,LUF)根據實測的最大可用頻率(maximumusablefrequency,MUF)、最小可用頻率(lowestusablefrequency,LUF)選取，選擇有實測數據的部分頻段，仿真值頻段略寬于實測值頻段.在選取的仿真頻段內，利用射線追蹤可到達大圓距離D的頻點個數即為仿真值的數據量.在D處無落點但在D的前后均有落點的頻率，認為該頻率可到達D，根據前后落點射線計算該射線相關參數.

　　電力論文投稿刊物：電波科學學報(雙月刊)創刊于1986年，是中國科協主管、中國電子學會主辦、中國電波傳播研究所承辦的國內外公開發行的學術性刊物。始終把反映我國電波科學事業發展最新水平，繁榮和推動我國電波科學事業的進步，促進國內外電波科學領域的學術與成果交流，攀登世界科技選進水平作為辦刊的宗旨和奮斗目標，它被電波科學界公認為"是國內電波科學權威性的刊物"。

　　5結論

　　本文針對天波鏈路的電離層吸收衰減，利用ITU提供的半經驗模型和三種電子碰撞模型進行了預測值的仿真分析與試驗驗證，僅從試驗結果來看日間兩種模型性能差異不大，而日落期利用電子碰撞模型預測得到的電離層吸收衰減優于以往采用的ITU半經驗模型;在可用頻段的較大頻率處，實測值更接近電子碰撞模型.仿真與試驗均證實三種電子碰撞模型預測值相近，根據實際可獲得大氣中性成分數據.對于吸收衰減的準確預測是短波通信與偵察總衰減預測、場強預測、信噪比預測等的必要基礎和關鍵環節.電子碰撞模型是基于試驗場景的，若試驗區域可獲得的電離層環境和大氣環境數據準確度提高，則電子碰撞模型預測準確度也可以提高.而ITU半經驗模型是基于大量實驗數據的統計結果，對于未統計到的某些區域、某些時間可能會存在比較大的誤差.

　　參考文獻：

　　[1]InternationalTelecommunicationUnion.RecommendationITU-RP.533-14methodforthepredictionoftheperformanceofHFcircuits[S].Geneva:ITU,2019.

　　[2]何昉,趙正予.電離層對高頻電波吸收衰減的影響研究[J].電波科學學報,2009,24(4):720-723.HEF,ZHAOZY.Ionosphericlossofhighfrequencyradiowavepropagatedintheionosphericregions[J].Chinesejournalofradioscience,2009,24(4):720-723.(inChinese)

　　[3]王紅光,張利軍,孫方,等.基于拋物方程的短波電離層傳播數值模擬研究[J].電波科學學報,2019,34(5):545-551.WANGHG,ZHANGLJ,SUNF,etal.NumericalsimulationofionosphericpropagationlossatHFbasedonparabolicequation[J].Chinesejournalofradioscience,2019,34(5):545-551.(inChinese)

　　作者：王嚴1李雪1尹文祿2蔚娜1婁鵬1