[發(fā)明專利]一種實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電離層法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)估計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111380985.1
• 申請(qǐng)日: 2021-11-20
• 公開（公告）號(hào): CN114065531B
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 歐明;熊雯;甄衛(wèi)民;許娜;陳龍江;吳家燕;王妍;陳麗;陳亮;馮健;於曉;劉鈍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)電波傳播研究所（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所）
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20;G06F17/16;G06F17/18
• 代理公司: 青島博雅知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 37317
• 代理人: 封代臣

1.一種實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電離層法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)估計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟A，輸入無線電信號(hào)的發(fā)射點(diǎn)位置和接收點(diǎn)位置，計(jì)算信號(hào)的傳播路徑：

步驟A1，將發(fā)射點(diǎn)位置和接收點(diǎn)位置的緯度、經(jīng)度和高度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為空間直角坐標(biāo)，分別標(biāo)記為(X₀,Y₀,Z₀)和(X₁,Y₁,Z₁)，轉(zhuǎn)換表達(dá)式為：

其中R_e為地球半徑，e²＝0.00669437999013；

步驟A2，將信號(hào)發(fā)射點(diǎn)位置和接收點(diǎn)位置轉(zhuǎn)換為站心直角坐標(biāo)(N,E,U)，轉(zhuǎn)換表達(dá)式為：

T為旋轉(zhuǎn)矩陣，計(jì)算方法如下：

分別表示發(fā)射點(diǎn)的經(jīng)度和緯度坐標(biāo)；

步驟A3，計(jì)算發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)間的仰角E，計(jì)算表達(dá)式為：

步驟A4，計(jì)算發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)間的方位角A，計(jì)算表達(dá)式為：

步驟A5，計(jì)算發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)間電波傳播路徑上，高度為h處網(wǎng)格點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)計(jì)算公式如下：

ψ₀為發(fā)射與接收點(diǎn)間的地心夾角，計(jì)算公式如下：

h₀表示發(fā)射點(diǎn)的高度坐標(biāo)；

步驟B，利用全球電離層TEC地圖分布，插值得到信號(hào)傳播路徑上的垂直總電子含量TEC：

步驟B1，從互聯(lián)網(wǎng)下載全球電離層TEC地圖；

步驟B2，輸入信號(hào)傳播路徑上網(wǎng)格點(diǎn)的地理坐標(biāo)查找其四個(gè)相鄰網(wǎng)格點(diǎn)的起始和終止緯度坐標(biāo)起始和終止經(jīng)度坐標(biāo)(λ₁,λ₂)；

步驟B3，計(jì)算歸一化的經(jīng)度變量和緯度變量(x_h,y_h)，計(jì)算方法如下：

式中：Δλ_h＝λ_h-λ₁，

步驟B4，插值得到信號(hào)傳播路徑上的全部坐標(biāo)點(diǎn)處的垂直總電子含量TEC，計(jì)算方法如下：

W₁(x,y)＝f(x,y)

W₂(x,y)＝f(1-x,y)

W₃(x,y)＝f(1-x,1-y)

W₄(x,y)＝f(x,1-y)

W(x,y)＝f(x,y)＝x²y²(9-6x-6y+4xy)

I為待求點(diǎn)的垂直電離層TEC，W_i(x_h,y_h)為Junkins加權(quán)函數(shù)，i為網(wǎng)格點(diǎn)的編號(hào)；表示網(wǎng)格點(diǎn)的垂直電離層TEC；

步驟C，利用信號(hào)傳播路徑上的實(shí)測(cè)TEC數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電離層模型，計(jì)算傳播路徑上的電子密度：

步驟C1，提取傳播路徑上任意點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地理緯度、經(jīng)度和電離層總電子含量，記為j為對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)編號(hào)，λ_j分別為第j個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)緯度和經(jīng)度；

步驟C2，利用NeQuick模型計(jì)算對(duì)應(yīng)穿刺點(diǎn)的電離層總電子含量，記為

步驟C3，計(jì)算觀測(cè)值與模型值兩者的差值dI_j，公式表達(dá)為：

ER_j為第j個(gè)穿刺點(diǎn)上NeQuick模型的等效太陽輻射活動(dòng)指數(shù)；

步驟C4，調(diào)整NeQuick模型中的等效太陽輻射活動(dòng)指數(shù)，并重新輸出相應(yīng)模型的電離層估計(jì)值I_MOD，直到搜索到滿足下式的ER參量，將其標(biāo)記為optER并保存，搜索公式如下：

式中，Num為觀測(cè)樣本的個(gè)數(shù)，ER_min表示ER搜索時(shí)取的最小值，ER_max表示ER搜索時(shí)取的最大值；

步驟C5，將搜索到的等效太陽輻射活動(dòng)指數(shù)輸入到NeQuick模型中，驅(qū)動(dòng)NeQuick模型計(jì)算得到更新后的電離層電子密度n_e；

步驟D，利用國(guó)際參考地磁場(chǎng)模型IGRF，計(jì)算傳播路徑上的地磁場(chǎng)強(qiáng)度：

步驟D1，利用國(guó)際參考地磁場(chǎng)模型IGRF，計(jì)算NED坐標(biāo)系下信號(hào)傳播路徑上的地磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向，包括北向磁場(chǎng)強(qiáng)度分量X、東向磁場(chǎng)強(qiáng)度分量Y和垂直向磁場(chǎng)強(qiáng)度分量Z；

步驟D2，計(jì)算地磁場(chǎng)總強(qiáng)度B，公式如下：

步驟D3，將磁場(chǎng)分量從NED坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為站心直角坐標(biāo)(N,E,U)，坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方法為：

步驟D4，將磁場(chǎng)分量從NEU坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為ECEF地心地固坐標(biāo)(X_B,Y_B,Z_B)；

步驟E，利用復(fù)合辛普森數(shù)值積分法，計(jì)算電離層法拉第旋轉(zhuǎn)角：

步驟E1，計(jì)算波傳播方向矢量與磁場(chǎng)方向矢量的夾角θ，采用矢量夾角公式計(jì)算：

(X_los,Y_los,Z_los)表示電波傳播方向矢量；

步驟E2，計(jì)算傳播路徑上任意網(wǎng)格點(diǎn)的法拉第旋轉(zhuǎn)角積分量f(p)，計(jì)算方法如下：

n_e(p)是位置p處的電子密度，c＝3×10⁸m/s是自由空間中的光速，e＝1.602×10^-19C是基本電荷，m_e＝9.109×10^-31kg是電子質(zhì)量，f是入射無線電波的頻率，ε₀＝8.854×10^-12C²/N·m²是自由空間的介電常數(shù)；B_z(p)是平行于波傳播方向的磁場(chǎng)分量，B是磁場(chǎng)強(qiáng)度；

步驟E3，利用復(fù)合辛普森數(shù)值積分法，計(jì)算法拉第旋轉(zhuǎn)角Ω，實(shí)現(xiàn)方法如下：

a，b分別表示積分函數(shù)的下限和上限，n表示積分子區(qū)間的個(gè)數(shù)，S表示積分步長(zhǎng)，p_j＝a+js,j＝0,1,...,n。