[發(fā)明專利]一種短波射線追蹤技術(shù)中的電離層混合建模方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010159934.1
• 申請(qǐng)日: 2010-04-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101860384A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-10-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 閻照文;栗偉珉;謝樹(shù)果;田國(guó)亮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): H04B7/00
• 分類號(hào): H04B7/00
• 代理公司: 北京慧泉知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛(ài)華

1.一種短波射線追蹤技術(shù)中的電離層混合建模方法，其特征在于：它是由輸入模塊、IRI模塊、QPS模塊、射線追蹤模塊組成方法步驟，該四個(gè)模塊間的位置、連接關(guān)系及信號(hào)走向是：用戶在輸入模塊中輸入待測(cè)時(shí)間、發(fā)射機(jī)與接收機(jī)地理坐標(biāo)、天線仰角范圍及工作頻率初始參數(shù)，并由該模塊自動(dòng)算出電波反射中點(diǎn)地理坐標(biāo)、地心角、大圓距離和方位角；IRI模塊根據(jù)待測(cè)時(shí)間和電波反射中點(diǎn)位置計(jì)算出電波發(fā)射區(qū)域的E層臨界頻率、E層最大電子濃度高度、E層半厚、F2層臨界頻率、F2層最大電子濃度高度、F2層半厚等參數(shù)；將由IRI模塊算出的電離層參數(shù)輸入到QPS模塊中，建立多層準(zhǔn)拋物線形式的等離子體頻率分布；射線追蹤模塊使用工作頻率、方位角、天線仰角范圍、多層準(zhǔn)拋物等離子體頻率分布作為初始參數(shù)以固定步長(zhǎng)逐步計(jì)算由發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的電波群路徑；該方法的具體步驟如下：

步驟一：在輸入模塊中首先輸入待測(cè)時(shí)間、工作頻率、發(fā)射機(jī)坐標(biāo)、接收機(jī)坐標(biāo)、天線仰角范圍初始參數(shù)；

步驟二：由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)坐標(biāo)計(jì)算出反射中點(diǎn)位置M、地心角d、大圓距離D和方位角為α，計(jì)算公式參見(jiàn)下式

MLat=TLat+RLat2,]]>MLon=TLon+RLon2,]]>α=arccossinRLat-sinTLatcosdcosTLatsind]]>

d＝arccos(sinT_Lat?sinR_Lat+cosT_Lat?cosR_Lat?cos(T_Lon-R_Lon))，D＝r₀·d

上式中，M_Lat為反射中點(diǎn)緯度，M_Lon為反射中點(diǎn)經(jīng)度，T_Lat為發(fā)射機(jī)緯度，T_Lon為發(fā)射機(jī)經(jīng)度，R_Lat為接收機(jī)緯度，R_Lon為接收機(jī)經(jīng)度，α為從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的方位角，以正北為基準(zhǔn)東偏為正，d為地心角，是收發(fā)兩點(diǎn)與地心連線間的夾角，單位為弧度，r₀為地球半徑，D為大圓距離，是收發(fā)兩點(diǎn)間的地面距離，單位為km；

步驟三：在IRI模塊中，待測(cè)時(shí)間地點(diǎn)上空的電離層參數(shù)由國(guó)際電信聯(lián)盟ITU推薦使用的CCIR系數(shù)得到，其具體系數(shù)和算法已封裝到IRI模型中，由國(guó)際無(wú)線電聯(lián)合會(huì)推薦使用，該模型可從美國(guó)宇航局網(wǎng)站下載獲得；在模型中輸入待測(cè)時(shí)間和電波反射中點(diǎn)地理坐標(biāo)可以得到對(duì)應(yīng)位置上空的E層臨界頻率f_oE、E層最大電子濃度高度r_mE、E層半厚y_mE、F2層臨界頻率f_oF2、F2層最大電子濃度高度r_mF2、F2層半厚y_mF2參數(shù)，將以上算出的電離層各層參數(shù)傳遞給QPS模塊用以在步驟四中建立反射區(qū)域等離子體頻率分布，同時(shí)IRI模塊根據(jù)IRI模型自動(dòng)生成反射區(qū)域等離子體頻率分布并直接傳遞給射線追蹤模塊供步驟六使用；

步驟四：將由IRI模型算出的各時(shí)刻電離層參數(shù)傳遞給QPS模塊作為輸入?yún)⒘拷⒎瓷淇臻g的多層準(zhǔn)拋物等離子體頻率分布和等離子體頻率梯度分布；

設(shè)電離層由E層、F1層、F2層組成，且各層均為寧?kù)o電離層，不考慮地磁、擾動(dòng)、梯度等影響，則各層的等離子體頻率剖面可表示如下：

fNE2=aE-bE(1-rmEr)2]]>E層

fNj12=aj1-bj1(1-rj1r)2]]>第一連接層，連接E層和F1層

fNF12=aF1-bF1(1-rmF1r)2]]>F1層

fNj22=aj2-bj2(1-rj2r)2]]>第二連接層，連接F1層和F2層

fNF22=aF2-bF2(1-rmF2r)2]]>F2層

上式中，r為空間位置距地心的距離，f_NE為E層等離子體頻率，f_oE為E層臨界頻率，r_bE為E層底高，y_mE為E層的半厚度，r_mE＝r_bE+y_mE為E層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高度，b_E＝a_E(r_bE/y_mE)²；f_Nj1為第一連接層等離子體頻率，f_oj1為第一連接層臨界頻率，r_bj1為第一連接層底高，y_mj1為第一連接層的半厚度，r_j1＝r_bj1+y_mj1為第一連接層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高度，b_j1＝a_j1(r_bj1/y_mj1)²；f_NF1為F1層等離子體頻率，f_oF1為F1層臨界頻率，r_bF1為F1層底高，y_mF1為F1層的半厚度，r_mF1＝r_bF1+y_mF1為F1層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高度，b_F1＝a_F1(r_bF1/y_mF1)²；f_Nh2為第二連接層等離子體頻率，f_oj2為第二連接層臨界頻率，r_bj2為第二連接層底高，y_mj2為第二連接層的半厚度，r_j2＝r_bj2+y_mj2為第二連接層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高度，b_j2＝a_j2(r_bj2/y_mj2)²；f_NF2為F2層等離子體頻率，f_oF2為F2層臨界頻率，r_bF2為F2層底高，y_mF2為F2層的半厚度，r_mF2＝r_bF2+y_mF2為F2層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高度，b_F2＝a_F2(r_hF2/y_mF2)²；

對(duì)各層等離子體頻率分布求導(dǎo)，可以得到各層等離子體頻率隨高度的變化率

dfNE2dr=-2rmEbEr2(1-rmEr)]]>

dfNj12dr=-2rj1bj1r2(1-rj1r)]]>

dfNF12dr=-2rmF1bF1r2(1-rmF1r)]]>

dfNj22dr=-2rj2bj2r2(1-rj2r)]]>

dfNF22dr=-2rmF2bF2r2(1-rmF2r)]]>

將步驟三中得到的E層臨界頻率f_oE、E層最大電子濃度高度r_mE、E層半厚y_mE、F2層臨界頻率f_oF2、F2層最大電子濃度高度r_mF2、F2層半厚y_mF2及連接層參數(shù)代入上式中，得到電波反射區(qū)域等離子體頻率的梯度分布；

第一連接層和第二連接層的參數(shù)可由下式求得，設(shè)第一連接層與E層的交點(diǎn)在E層的最大電子濃度處，則根據(jù)兩層的等離子體頻率及其梯度分別相等，有

a_j1＝a_E

r_j1＝r_mE

設(shè)第一連接層與F1層的交點(diǎn)在r＝r_c1處，則在r_c1處兩層的等離子體頻率及其梯度分別相等，有

-2rj1bj1rc12(1-rj1rc1)=2rmF1bF1rc12(1-rmF1rc1)]]>

aj1-bj1(1-rj1rc1)2=aF1+bF1(1-rmF1rc1)2]]>

聯(lián)立上兩式解得

rc1=rmF1bF1(1-rmF1/rmE)aF1-aE+bF1(1-rmF1/rmE)]]>

bj1=rmF1rc1bF1-rmF12bF1rmE2-rmErc1]]>

同理得到

a_j2＝a_F1，r_j2＝r_mF1，rc2=rmF2bF2(1-rmF2/rj2)aj2-aF2+bF2(1-rmF2/rj2),]]>bj2=rmF22bF2-rmF2rc2bF2rj22-rj2rc2]]>

其中，r_c1為第一連接層與E層交點(diǎn)處的高度，r_c2為第二連接層與F2層交點(diǎn)處的高度；

步驟五：利用反射空間多層準(zhǔn)拋物等離子體頻率分布以群路徑為自變量從發(fā)射機(jī)位置開(kāi)始逐點(diǎn)求解射線追蹤方程組，得到由發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的電波群路徑；

從球坐標(biāo)系下以電波傳播群路徑P′為自變量的射線追蹤方程組出發(fā)

方程組用于計(jì)算射線路徑上點(diǎn)的坐標(biāo)及該點(diǎn)處的波矢量，式中，P′為群路徑；r、θ、是射線路徑上點(diǎn)在球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；k_r、k_θ、是波矢量在球坐標(biāo)系中的三個(gè)分量；ω為圓頻率，c為光速，n為折射指數(shù)，與等離子體頻率分布有關(guān)，在不考慮碰撞和地磁場(chǎng)時(shí)，折射指數(shù)可表示為

n²＝1-X

式中，f_N為等離子體頻率，f為電波頻率；

dXdr=1f2dfN2dr]]>

若在射線追蹤過(guò)程中不考慮電離層梯度變化的影響，則為0；

由步驟一和步驟二得到的參量，電波發(fā)射仰角β、方位角α、工作圓頻率ω、發(fā)射機(jī)緯度λ₀和經(jīng)度可以確定射線的初始位置為：

r＝r₀

θ＝π/2-λ₀

kr=|k→|cos(π/2-β)=ωsinβ/c]]>

kθ=-|k→|cosβcosα=-ωcosβcosα/c]]>

式中，r、θ、是射線路徑上點(diǎn)在球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；k_r、k_θ、是波矢量在球坐標(biāo)系中的三個(gè)分量；r₀為地球半徑，根據(jù)r、θ、k_r、k_θ、六個(gè)參數(shù)的初始值，即可開(kāi)始射線軌跡的計(jì)算；

采用Runge-Kutta法求解射線追蹤方程組，群路徑P′取固定步長(zhǎng)，每次求解方程組得到當(dāng)前電波位置r、θ、和波矢量k_r、k_θ、計(jì)算該位置處的等離子體濃度f(wàn)_N和折射指數(shù)n，再將解得的r、θ、k_r、k_θ、f_N、n代入方程組中求得下一步電波位置和波矢量，如此循環(huán)，直到電波到達(dá)地面；電波仰角以固定步長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)掃描，每個(gè)仰角對(duì)應(yīng)不同的電波軌跡，分別選取由E層和F層反射的落點(diǎn)位置距接收機(jī)最接近的一條射線，得到從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的E層反射群路徑和F層反射群路徑；

步驟六：用步驟三中IRI模型軟件直接計(jì)算出的待測(cè)時(shí)間反射區(qū)域IRI模型下的等離子體頻率代替步驟四中由QPS模塊算出的等離子體頻率f_N，然后重復(fù)步驟五的射線追蹤過(guò)程，得到IRI模型下的電波群路徑；

步驟七：按照步驟一中的仿真條件，利用中國(guó)電波傳播研究所的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和觀測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行電波斜向探測(cè)試驗(yàn)，得到實(shí)測(cè)電波群路徑；

步驟八：比較由步驟五得到的混合模型下仿真群路徑和由步驟六得到的IRI模型下仿真群路徑與實(shí)測(cè)值間均方距離的大小，如果混合模型下仿真群路徑與實(shí)測(cè)值間的均方距離小于IRI模型仿真群路徑與實(shí)測(cè)值間均方距離，說(shuō)明采用混合模型進(jìn)行射線追蹤的精確程度更高；

為了描述模型仿真值與實(shí)測(cè)值間的差異程度，定義仿真值與實(shí)測(cè)值間的均方距離S和均方距離差異率，均方距離S為

S=Σi=1N(xi-yi)2N-1]]>

式中，x_i是i時(shí)刻對(duì)應(yīng)的仿真群路徑，y_i是i時(shí)刻對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)群路徑，i取從1到N的整數(shù)，對(duì)應(yīng)N個(gè)不同的試驗(yàn)時(shí)間；S越小，說(shuō)明仿真值與實(shí)測(cè)值距離越小，總體上越接近實(shí)測(cè)值；

S%=S/P′‾×100%]]>

上式中，S％為均方距離差異率，S為均方距離，為實(shí)測(cè)群路徑均值；S％越小，仿真值與實(shí)測(cè)值越接近。