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基于电离层的短波通信选频的文献总结（2018.8）
电离层 $ ^{[1]}$
地球受到来自宇宙天体（主要为太阳）的射线影响，使得大气层中的氮分子、氧分子、氮原子氧原子电离，产生正离子和电子，从而在\(50km\)到\(1000km\)的地球上空产生了一个由自由电子、正负离子和中性分子、原子等组成的等离子体。根据电离层电子浓度的高度分布，可以划分为\(D ， E ， F 1， F 2\)层，各层的中部电子密度最大、状态都有复杂的变化，层与层之间没有明显的分界线。
短波在电离层的传播\(^{[1]}\)
短波通信频率范围为\(3-30MHz\)当频率为\(f\)的无线电波以入射角 \(\theta_0\) 由空气射入电离层后，在电离层不断发生折射，当电磁波传播到电离层的某一高度时，该处的电子密度 \(N\) 刚好使得电波发生全反射，电波从电离层返回地面。若入射电波到达电离层的电子密度最大处 \(N_{max}\) 仍不能发生全反射，则该电波穿透电离层，无法实现通信。
电波从电离层反射下来的条件为：
\[sin \theta_0=\sqrt{(1-\frac{80.8N_n}{f^2})}\]
式中，\(N_n\)为反射点的电子密度，\(\theta_0\)为入射角，\(f\)为电波频率。
由式子\(（1）\)可以看出：
1).在入射角\(\theta_0\)一定时，电波频率\(f\)越低越容易反射。
2).在电波频率\(f\)一定时，入射角\(\theta_0\)越大越容易反射。极端例子就是垂直发射，此时达到能从电离层反射回来的最高频率为：\(f_c=\sqrt{80.8N_{max}}\)。
3).反射点的电子密度变化无常，既有规律性变化也有非规律性变化。
短波通信传输模式和特性\(^{[2]}\)
传输模式
短波天波传输模式通常是指短波传播的路径 。由于短波天波波束较宽 , 射线发散性较大 电离层是分层的电波传播时可能多次反射等原因，因此 ，在一条通信电路中通常存在多种传播路径 , 即存在多种传播模式 。当电波以与地球表面相切的方向即射线仰角为零度的方向发射时 , 可以得到电波经电离层一次反射（称为一跳）时最长的地面 距离 。按平均情况来说 , 从\(E\) 区反射的一跳约为\(2000Km\)，从\(F\)区反射的一跳反射最远距离约为\(4000Km\)。若通信距离更远时 , 必须经过几跳才能到达。对于具体的某一通信电路而言，可能存在的传输模式是与通信距离、工作频率、电离层的状态等因素相关的。
传输特性
根据引起传输损耗的各种物理原因 , 将电波在真个传输过程中引起的基本传输损耗\(L_b\)分为四个部分:自由空间传输损耗\(L_{bf}\) , 地面反射损耗\(L_g\) ,电离层吸收损耗 \(L_a\),额外系统损耗\(Y_p\)等。计算公式如下：
\[ L_b=L_{bf}+L_g+L_a+Y_p \quad (dB) \]
其中自由空间损耗\(L_{bf}\)是由于电波传输时随着距离的增大而引起的能量下降造成的衰减，它是主要的传输损耗分量。计算公式为：
\[ L_{bf}=32.45+20log\ f(MHz)+20log\ d(Km) \]
地面反射损耗\(L_g\)只在多跳模式下才存在，计算比较复杂。
电离层吸收损耗\(L_a\)是天波传输损耗中的第二因素 。对短波而言 , 主要是指 电波穿过 电离层 时由 区 、 区引
起 的吸收损耗 , 也叫非偏移吸收。其衰减常数\(\alpha\)约与频率的平方成反比，因而短波应选用较高的工作频率。
基于电离层资料（模型）的自适应短波通信选频\(^{[3,4,5,6]}\)
中南民族大学余涛教授团队在基于电离层资料的短波通信选频方向做了相当的工作\(^{[3,4,5]}\)，中国科学院国家科学研究中心也做了一些工作\(^{[6]}\)，他们的成果在中国科学院空间环境预报中心每天进行发布，其缺点就是他们只是建立了一个二维的电离层反演模型，对于电离层的垂直结构没有处理。其中文献\([4]和[5]\)利用测高仪和GPS观测数据进行了单站电离层电子密度的同化反演，提出了一套基于\(Kalman\)滤波的电离层数据同化反演系统，采用了水平和垂直方向可分离的高斯型误差协方差矩阵，利用\(IRI2000\)作为同化反演的背景场，分别使用了测高仪数据和GPS 数据进行了联合同化反演。其流程图如下：
余涛团队的中文发明专利\([3]\)中，介绍了他们将电离层资料用于短波通信选频的方法。其流程图如下：
其步骤如下：
（1） 根据短波通信链路定时利用电离层资料得到信道的最大可用频率；
（2） 根据最大可用频率并综合通信效率和/或可通频率的持续时间确定可用频率范围；
（3） 将可用频率范围发送给同步自适应短波通信系统；
（4） 同步自适应短波通信系统在可用频率范围内通过同步自适应选频方式得到最佳可用频率。
在文献\([4]\)第四章中，作者对于电离层同化系统进行了短波通信的实验，将同步自适应短波通信系统和电离层测高仪、电离层数据同化系统进行结合进行了武汉、广州、福州、厦门、吉安五地的短波通信实验。
先通过以IRI作为背景场，结合测高仪和GPS数据得到电离层三维结构，然后利用射线跟踪技术\(^{[7]}\)，得到三维电波传播路径信息，从而得到最优发射频率。
参考文献
[1] 徐彪, 万莎, 江建兴. 电离层影响短波天波传播的仿真及实测[J]. 数字通信世界, 2017(3):59-62.
[2] 赵鹏飞. 电离层对短波广播天波传输的影响[J]. 西部广播电视, 2013(7):145-146.
[3] 余涛, 王云冈, 曾中超,等. 基于电离层资料的同步自适应短波通信选频方法:,CN104270190A[P]. 2015.
[4] 张雨田. 基于GPS和测高仪数据的电离层数据同化系统[D]. 中南民族大学, 2014.
[5] 林兆祥, 张雨田, 吴祺,等. 利用单站电离层测高仪与GPS数据的同化反演试验[J]. 中南民族大学学报(自然科学版), 2014, 33(2):85-88.
[6] 阿尔察, 刘四清, 黄文耿,等. 中国电离层TEC同化现报系统[J]. 地球物理学报,2018, 61(6).
[7] 曾中超, 余涛, 毛田,等. 电离层高频传播点对点射线追踪仿真器[J]. 电波科学学报, 2014, 29(3).