中國(guó)集群通信網(wǎng)
如何在國(guó)內(nèi)與中國(guó)南極考察站進(jìn)行無線通聯(lián)？（附最佳時(shí)段和頻率）
40年前，1985年2月20日，中國(guó)第一座南極考察站——長(zhǎng)城站，在南極喬治王島落成。廣袤無垠的白色大地上，從此有了中國(guó)人的身影。長(zhǎng)城站建成運(yùn)行以來，中國(guó)科研工作者就著手研究南極與北京的短波通信線路�！氨本┍本@里是南極長(zhǎng)城站！”神奇的電波，架起了長(zhǎng)城站與祖國(guó)的溝通之橋。一起來看看當(dāng)時(shí)的研究成果。
1.前言
南極長(zhǎng)城站位于大西洋南部南極半島東北部的喬治王島上，與北京直線距離17000多公里，無線電波傳播大圓距離27000公里。
南極長(zhǎng)城站落成典禮。圖源：雪龍?zhí)綐O官微
自1984年以來，我國(guó)先后4次派船赴南極考察（注：文章發(fā)表時(shí)的數(shù)據(jù)），船上裝有長(zhǎng)城、中山兩站配備的1600瓦單邊帶發(fā)射機(jī)、接收機(jī)及菱形天線，與北京進(jìn)行了多點(diǎn)試通，初步總結(jié)出南極至北京間短波通信的一些規(guī)律。
2.電波傳輸條件及時(shí)段選擇
短波是遠(yuǎn)距離通信的最佳波長(zhǎng)，是通過地球表面電離層多次反射而抵達(dá)目的地的。電波反射一次可傳輸3500-4000公里的距離。南極至北京的通信電路，一般要經(jīng)過7次反射才能到達(dá)。
2025年1月28日，長(zhǎng)城站全景。圖源：自然資源部官微
眾所周知，電子密度越大，電離層越厚，電子密度越小，電離層越薄。北京位于東半球，長(zhǎng)城站位于西半球，兩地時(shí)差12小時(shí)，白天、黑夜恰好顛倒，因此，電離層的變化、溫差和季節(jié)對(duì)通信時(shí)段的選擇至關(guān)重要。
2.1 根據(jù)電離層變化選擇通信最佳時(shí)段
通信時(shí)段應(yīng)選在電離層最穩(wěn)的時(shí)間內(nèi)，當(dāng)北京時(shí)間在09:00-17:00時(shí)，太陽(yáng)光線照射較強(qiáng)或最強(qiáng)，電離層的高度較低或最低，而這時(shí)南極時(shí)間為21:00-05:00，電離層高度最高。在這個(gè)時(shí)段內(nèi)，由于一方的電離層不穩(wěn)定，影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量，因此不宜選擇這個(gè)時(shí)段作為通信的最佳時(shí)段。
北京時(shí)間20:00-22:00恰是南極時(shí)間08:00-10:00，這個(gè)時(shí)段內(nèi)一方的電離層趨于穩(wěn)定，而另一方的電離層高度剛剛開始升高，所以此時(shí)為通信的最佳時(shí)段。
2.2 根據(jù)溫差變化選擇通信時(shí)段
通過北京至南極（長(zhǎng)城站、中山站）多次多點(diǎn)的通信實(shí)驗(yàn)表明，溫差對(duì)通信時(shí)段的選擇關(guān)系極大。
南極長(zhǎng)城站、中山站的夏季平均氣溫為0-4℃。我們?cè)谶@兩站做過4次試驗(yàn)，結(jié)果表明，在南極日落前和北京日出前一兩個(gè)小時(shí)內(nèi)為通信工作時(shí)間。這個(gè)時(shí)段的北京上空電離層電子密度尚未達(dá)到最大，南極至北京間的電子密度趨于接近，溫差相對(duì)縮小，此時(shí)段的通信效果最佳。
2.3 根據(jù)季節(jié)變化選擇通信時(shí)段
北京從春季進(jìn)入夏季，日照時(shí)間增長(zhǎng)，氣溫逐漸升高，而長(zhǎng)城站則從夏季進(jìn)入冬季，日照時(shí)間縮短，氣溫逐漸降低，可通時(shí)段也從08:00-14:00（北京時(shí)間）縮至23:00-01:00。
北京從秋季進(jìn)入冬季，日照時(shí)間由長(zhǎng)變短，氣溫逐漸下降，南極和北京的溫差縮小，可通時(shí)段由北京時(shí)間23:00-01:00提前到20:00-01:00。但有時(shí)，北京的春秋兩季，早晚通信較為理想，而進(jìn)入冬季后，通信的最佳時(shí)段為08:00-11:00。
1986年12月至1987年2月，我國(guó)南極科考船“極地”號(hào)，在喬治王島附近多點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果與長(zhǎng)城站基本一致，08:00-14:00時(shí)與北京聯(lián)絡(luò)較好。1988年1月至2月，該船在普里茲灣拉斯曼海域17個(gè)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果與中山站類似，與北京的最佳通信時(shí)間為08:00-13:00。
3.頻段選擇與信號(hào)質(zhì)量
大家知道，頻率的高低與波長(zhǎng)成反比。而波長(zhǎng)的長(zhǎng)短又表示了電波穿透電離層的能力，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，穿透力越弱，波長(zhǎng)越短，穿透力越強(qiáng)。此外，頻率隨電子密度而變化，如果在電子密度大的情況下，選擇低頻率，則大部分電波被D層和E層吸收，不能達(dá)到F層進(jìn)行反射，從而達(dá)不到良好的通信效果。
2024年12月22日，科考隊(duì)員在阿德利島開展企鵝繁殖情況調(diào)查。圖源：自然資源部官微
3.1 F1段
北京時(shí)間：08:00-11:30；南極時(shí)間：20:00-23:30。如前所述，這段時(shí)間是長(zhǎng)城站電離層最穩(wěn)定的時(shí)候，頻率變化不大。
長(zhǎng)城站和“極地”號(hào)均使用11MHz與北京通信，而北京則用13MHz工作，情況良好。
3.2 F2段
北京時(shí)間：07:00-12:00；南極時(shí)間：19:00-22:00。此時(shí)正是北京日出前1小時(shí)，氣溫由低變高，電子密度增加，頻率急驟變化，長(zhǎng)城站使用頻率最高達(dá)14MHz。
3.3 F3段
北京時(shí)間：07:00-08:00，19:30-21:30和06:00-08:00，17:00-22:00；南極時(shí)間：12:00-13:30，07:00-08:30和12:00，07:00-10:00。盡管這些時(shí)間也是日出日落前后，但南極已進(jìn)入夏末，電離層密度高而穩(wěn)定，長(zhǎng)城站使用13MHz通信最佳。
3.4 F4段
北京時(shí)間：07:00-08:00，19:00-00:00；南極時(shí)間：12:00-20:00，07:00-08:00。北京初夏正值南極初冬，電離層變化劇烈且密度減小，頻率降低，一般情況下，12MHz為理想通信頻率。
從以上3個(gè)表格可以看出，在可通時(shí)段內(nèi)，長(zhǎng)城站、中山站在夏季，北京在冬季，頻率選擇要高一些，頻率范圍為9-14MHz；長(zhǎng)城站、中山站在冬季，北京在夏季，頻率選擇要低一些，頻率范圍為8-12MHz。
在選定的時(shí)段和頻段內(nèi)工作，北京至南極的通話信號(hào)良好，可分等級(jí)辨清信號(hào)，各級(jí)信號(hào)所占比例統(tǒng)計(jì)如下：
從以上各表可見，北京和南極長(zhǎng)城站、中山站的通話信號(hào)質(zhì)量多在3、4級(jí)，如選擇合適的時(shí)段和頻段，偶有5級(jí)信號(hào)出現(xiàn)。
相反，如遇惡劣天氣和其他特殊情況，通信信號(hào)質(zhì)量極差，有時(shí)根本無法通信。
4.改善北京-南極短波通信的設(shè)想
幾年來北京對(duì)南極的短波通信實(shí)踐證明，長(zhǎng)城站、中山站至北京的短波通信電路是可通的，但也確實(shí)存在一些影響短波通信的障礙和不利因素。
4.1 電離層突然被騷擾
如遇太陽(yáng)黑子爆發(fā)等，都會(huì)出現(xiàn)局部電離層密度增加或減小，形成突發(fā)性Es層，影響電波的傳播，中斷信號(hào)傳輸達(dá)幾十秒甚至幾十分鐘。
4.2 極地強(qiáng)磁場(chǎng)干擾
由于普里茲灣和喬治王島大部分被冰雪覆蓋，島東岸常有大雪崩和地滑發(fā)生，岸上多巖石和暗礁，極地強(qiáng)磁場(chǎng)干擾嚴(yán)重，電離層常發(fā)生爆變。爆變初期，電離層呈混亂狀態(tài)，層次不清。爆變后，上層電離層，尤其是F2層逐漸擴(kuò)張，臨界頻率降低，而電離層對(duì)低頻的吸收能力強(qiáng)，使信號(hào)變?nèi)�，�?huì)較長(zhǎng)時(shí)間影響通信。
4.3 天電干擾
雷電對(duì)短波通信干擾很大，這種情況多半出現(xiàn)在北京的夏季。由于長(zhǎng)城站、中山站使用設(shè)備的發(fā)射功率小，北京接收長(zhǎng)城站、中山站信號(hào)時(shí)，天電干擾會(huì)把信號(hào)全部淹沒，嚴(yán)重時(shí)會(huì)中斷通信。
4.4 天線包冰干擾
冬季收、發(fā)信設(shè)備天線上的包冰（直徑10-15cm）會(huì)影響短波通信。這是因?yàn)殡姴ń?jīng)包冰天線后，有一部分功率被損耗，使收到的信號(hào)下降1-2個(gè)等級(jí)。
克服以上不利因素的方法：
（1）合理選擇工作時(shí)段，以防電離層突然被騷擾。一旦發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)黑子爆發(fā)等特殊情況，要重新確定雙方出聯(lián)時(shí)間，盡量避開電離層密度突然增加或減少的時(shí)間。
（2）根據(jù)極地強(qiáng)磁場(chǎng)的變化規(guī)律選擇通信時(shí)段和頻段。
1986年春，我國(guó)有關(guān)部門已在南極安裝極地強(qiáng)磁場(chǎng)測(cè)量裝置，建議越冬考察隊(duì)員密切注意極地強(qiáng)磁場(chǎng)的變化，選擇合適的時(shí)間和頻率。
（3）充分利用現(xiàn)有通信設(shè)備，發(fā)揮人的主觀能動(dòng)性。實(shí)踐證明，南極與北京雙方使用菱形收、發(fā)信天線效果較好。菱形天線具有方向性強(qiáng)、增益高等優(yōu)點(diǎn)，在同等條件下，比10米鞭狀天線提高2個(gè)信號(hào)等級(jí)。為減少電波在包冰天線上的損耗，除定期敲打天線包冰外，還要適當(dāng)增加天線防包冰裝置。
(責(zé)任編輯：李俊勇)