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海上艦艇短波通信系統(tǒng)應(yīng)用展望及優(yōu)化研究

來源:期刊VIP網(wǎng)所屬分類:通信時間:瀏覽:

  【摘要】 短波通信是海上艦艇使用的重要通信手段,因短波自身特點通信不夠穩(wěn)定,很難滿足通信需求。本文針對海上艦艇短波通信應(yīng)用現(xiàn)狀,結(jié)合短波通信領(lǐng)域出現(xiàn)的新技術(shù),就如何改進短波通信可靠性、提升艦艇通信保障能力進行了分析研究,提出了解決方案。

  【關(guān)鍵詞】 短波通信 分集合并 自適應(yīng) 人工智能

  引言:

  艦艇在海上航行過程中,受客觀條件影響,主要依托無線通信同其它艦艇或岸基指揮所保持通聯(lián)。在海面常用的無線通信方式中,根據(jù)波段劃分,主要分為中波、短波、超短波、微波、衛(wèi)星通信等,在20世紀(jì),短波通信作為主要通信手段,是航海時代除導(dǎo)航儀器外最重要的現(xiàn)代化通導(dǎo)裝備。

  隨著21世紀(jì)太空衛(wèi)星資源的不斷豐富和衛(wèi)星通信技術(shù)的飛速發(fā)展,衛(wèi)星通信已越來越成為海上通信的主要手段。但衛(wèi)星通信的特點決定了在特殊情況下,其受摧毀或故障性中斷的可能性較大,短波通信的特點決定了其抗毀性強,且可全球通信,因此近年來關(guān)于短波通信技術(shù)的跟蹤研究又在不斷成為熱點。

  一、當(dāng)前短波通信存在的問題

  海上短波通信是指艦艦、艦岸間利用3-30M頻率進行無線長距離通信的總稱。因短波通信屬于超視距通信,該波段可通過地波或天波的方式進行傳輸,理論上可以實現(xiàn)全球通信。

  但隨著無線電頻譜技術(shù)的發(fā)展和艦艇用頻裝備的不斷增加,艦用短波電臺通信質(zhì)量和通信可靠率近年來成逐漸下降趨勢。

  以我國黃海北部海域使用情況統(tǒng)計,2001年,一部125w短波電臺在采用定頻通信時,在100-150海里范圍內(nèi),可通率達(dá)到80%以上,話音質(zhì)量保持在信號3以上;但在實踐中對2020年全年艦艇通信質(zhì)量進行測試,相同功率電臺在相同工作模式下,在70海里內(nèi)仍可保持通信,但可通時間及通信質(zhì)量均出現(xiàn)了較大幅度下降,在70海里-150海里區(qū)間內(nèi),可通率僅能保持在20%左右。

  此外,隨著艦艇用頻裝備的增加,艦艇各裝備間通信互擾現(xiàn)象變得異常突出,因艦艇自身面積狹小,且受隱身技術(shù)和艦艇動力、自持力需求持續(xù)增加,艦艇天線布設(shè)變得異常困難,一艘千噸左右艦艇已部署的各類型天線約20余幅,而短波天線因傳輸特性所限,往往需要占用較大的占地面積,受艦艇電磁兼容性設(shè)計約束,很難利用布設(shè)大型天線陣的方式來提升通信質(zhì)量。

  短波通信在海上航行期間主要用于話音和低速率數(shù)據(jù)通信,因艦艇在海上值勤期間,各種搶險救援、漁業(yè)執(zhí)法等任務(wù)需要傳遞的是現(xiàn)場即時情況通報、多艦艇任務(wù)協(xié)同,緊急事態(tài)應(yīng)答處置等信息,上述信息對時效性要求較高,話音作為傳輸即時信息的介質(zhì)具有天然的優(yōu)勢。但短波通信作為一種變參信道,受地域、季節(jié)、氣象、波浪等因素影響較大,話音質(zhì)量普遍較差,在進行通聯(lián)時更多依賴于電臺值守人員經(jīng)長期訓(xùn)練獲得的經(jīng)驗,可以對系統(tǒng)的工作參數(shù)進行實時調(diào)整。

  以前艦艇報務(wù)員工作經(jīng)驗都在數(shù)十年以上,但隨著人員崗位調(diào)整和人才流動性加大,電臺值守因經(jīng)驗缺乏也面臨著越來越多的困難。

  二、短波新技術(shù)應(yīng)用研究

  為提高短波通信質(zhì)量,滿足海上任務(wù)協(xié)同通信需求,近年來,國內(nèi)外在相關(guān)領(lǐng)域開展了大量研究,其中短波分集合并技術(shù)、頻率自適應(yīng)技術(shù)和人工智能認(rèn)知技術(shù)等成為了研究重點。

  2.1 分集合并技術(shù)

  所謂分集,就是將需要傳遞的信息以空間、頻率或時間劃分的方式分隔成若干個衰落基本不相關(guān)的信號。分集種類包括空間分集、頻率分集、角分集、時間分集等。

  信號分集后還需要進行信號合并,即在接收端接收到若干條相互獨立的支路信號以后,可以通過合并技術(shù)來得到分集增益。根據(jù)位置不同,可分為檢測前合并和檢測后合并技術(shù)。

  短波傳輸信道分為地波和天波兩種,其中地波通信主要用于近距離通信,受多徑效應(yīng)影響較大。而天波通信系主要用于中遠(yuǎn)距離通信,其利用電離層反射實現(xiàn)超視距通信,屬于變參信道,信號傳輸穩(wěn)定性差。

  主要原因是:

  1.電離層的變化會使信號產(chǎn)生衰落,在衰落過程中信號幅度和頻率會發(fā)生相應(yīng)變化;

  2.天波通信也存在著多徑效應(yīng),會產(chǎn)生頻率選擇性衰落和多路徑延時。

  選擇性衰落造成信號失真,多徑延時使信號在時間維度發(fā)生變化,嚴(yán)重限制了短波鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。

  而分集接收可以有效抵消信號衰落、提高系統(tǒng)信噪比。短波分集接收就是利用多個路徑或頻率、不同到達(dá)時間、不同編碼或調(diào)制等方式去接收含有同一信息的短波信號,并將采集來的多個信號按照某種方法合并后再提取信息。它能利用多路徑接收信號的不相關(guān)性獲取分集效果,有效提升短波臺站接收信噪比,從而減小接收信號衰落造成的影響,進一步降低誤碼率。只要分集接收的幾個信號之間是相對獨立的,則經(jīng)過適當(dāng)合并后就能使通信性能大為改善。但分集設(shè)計方案不夠優(yōu)秀,也可能無法正常解調(diào)電平很高的信號,因空中信道傳輸帶來的的信息錯誤也得不到有效抑制,通信質(zhì)量沒有保證。

  如艦艇編隊在同一海域共同執(zhí)行任務(wù)時,指揮艦需與岸基指揮所進行通信聯(lián)絡(luò),在不改變現(xiàn)有短波臺站部署前提下,可通過編隊內(nèi)多部電臺聯(lián)網(wǎng)方式,同時發(fā)射、接收同一信號,采取分集合并技術(shù)進一步提升短波通信質(zhì)量;岸基臺站則可采取多臺站組網(wǎng)方式提高分集接收能力。

  2.2 頻率自適應(yīng)技術(shù)

  短波通信頻率使用范圍有限(約27Mhz),為滿足全球各行業(yè)通信需求,信道擁擠狀況突出。受天氣、地域、潮汐、電離層變化、海浪等多種因素影響,短波通信使用的頻率對通信影響非常大,甚至白天與夜晚的用頻也呈現(xiàn)完全不一樣的特點。

  通過使用實踐來看,選擇合適的短波通信頻率能大大提升通信質(zhì)量。但受限于操作人員技術(shù)水平,很難保證在海上航行期間動態(tài)選擇理想的通信頻率,通常預(yù)置的都是在艦艇離港前進行測試后固定使用的頻率。

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