[发明专利]一种短波射线追踪技术中的电离层混合建模方法

摘要

一种短波射线追踪技术中的电离层混合建模方法，它由输入模块、IRI模块、QPS模块和射线追踪模块组成八个步骤：一：输入待测时间、工作频率、发射机坐标、接收机坐标、天线仰角范围等初始参数；二：由发射机、接收机坐标计算出反射中点位置、地心角、大圆距离、方位角；三：由IRI模型软件计算待测时间电波反射中点处的E层、F2层的有关参数；四：将由IRI模型算出的各层参数传递给QPS模型作为输入参量建立反射空间的多层准抛物等离子体频率分布；五：利用反射空间多层准抛物等离子体频率分布以群路径为自变量从发射机位置开始逐步求解射线追踪方程组，得到由发射机到接收机的电波群路径仿真值；六：在IRI模型等离子体频率分布下进行射线追踪计算，得到IRI模型下的电波群路径仿真值；七：开展试验，得到实测电波群路径；八：比较仿真值与实测值间的差距，验证混合建模方法的有效性。

主权项

1.一种短波射线追踪技术中的电离层混合建模方法，其特征在于：它是由输入模块、IRI模块、QPS模块、射线追踪模块组成方法步骤，该四个模块间的位置、连接关系及信号走向是：用户在输入模块中输入待测时间、发射机与接收机地理坐标、天线仰角范围及工作频率初始参数，并由该模块自动算出电波反射中点地理坐标、地心角、大圆距离和方位角；IRI模块根据待测时间和电波反射中点位置计算出电波发射区域的E层临界频率、E层最大电子浓度高度、E层半厚、F2层临界频率、F2层最大电子浓度高度、F2层半厚等参数；将由IRI模块算出的电离层参数输入到QPS模块中，建立多层准抛物线形式的等离子体频率分布；射线追踪模块使用工作频率、方位角、天线仰角范围、多层准抛物等离子体频率分布作为初始参数以固定步长逐步计算由发射机到接收机的电波群路径；该方法的具体步骤如下：步骤一：在输入模块中首先输入待测时间、工作频率、发射机坐标、接收机坐标、天线仰角范围初始参数；步骤二：由发射机、接收机坐标计算出反射中点位置M、地心角d、大圆距离D和方位角为α，计算公式参见下式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为反射中点纬度，M_Lon为反射中点经度，T_Lat为发射机纬度，T_Lon为发射机经度，R_Lat为接收机纬度，R_Lon为接收机经度，α为从发射机到接收机的方位角，以正北为基准东偏为正，d为地心角，是收发两点与地心连线间的夹角，单位为弧度，r₀为地球半径，D为大圆距离，是收发两点间的地面距离，单位为km；步骤三：在IRI模块中，待测时间地点上空的电离层参数由国际电信联盟ITU推荐使用的CCIR系数得到，其具体系数和算法已封装到IRI模型中，由国际无线电联合会推荐使用，该模型可从美国宇航局网站下载获得；在模型中输入待测时间和电波反射中点地理坐标可以得到对应位置上空的E层临界频率f_oE、E层最大电子浓度高度r_mE、E层半厚y_mE、F2层临界频率f_oF2、F2层最大电子浓度高度r_mF2、F2层半厚y_mF2参数，将以上算出的电离层各层参数传递给QPS模块用以在步骤四中建立反射区域等离子体频率分布，同时IRI模块根据IRI模型自动生成反射区域等离子体频率分布并直接传递给射线追踪模块供步骤六使用；步骤四：将由IRI模型算出的各时刻电离层参数传递给QPS模块作为输入参量建立反射空间的多层准抛物等离子体频率分布和等离子体频率梯度分布；设电离层由E层、F1层、F2层组成，且各层均为宁静电离层，不考虑地磁、扰动、梯度等影响，则各层的等离子体频率剖面可表示如下：fNE2=aE-bE(1-rmEr)2]]>E层fNj12=aj1-bj1(1-rj1r)2]]>第一连接层，连接E层和F1层fNF12=aF1-bF1(1-rmF1r)2]]>F1层fNj22=aj2-bj2(1-rj2r)2]]>第二连接层，连接F1层和F2层fNF22=aF2-bF2(1-rmF2r)2]]>F2层上式中，r为空间位置距地心的距离，f_NE为E层等离子体频率，f_oE为E层临界频率，r_bE为E层底高，y_mE为E层的半厚度，r_mE＝r_bE+y_mE为E层最大电子浓度对应高度，b_E＝a_E(r_bE/y_mE)²；f_Nj1为第一连接层等离子体频率，f_oj1为第一连接层临界频率，r_bj1为第一连接层底高，y_mj1为第一连接层的半厚度，r_j1＝r_bj1+y_mj1为第一连接层最大电子浓度对应高度，b_j1＝a_j1(r_bj1/y_mj1)²；f_NF1为F1层等离子体频率，f_oF1为F1层临界频率，r_bF1为F1层底高，y_mF1为F1层的半厚度，r_mF1＝r_bF1+y_mF1为F1层最大电子浓度对应高度，b_F1＝a_F1(r_bF1/y_mF1)²；f_Nh2为第二连接层等离子体频率，f_oj2为第二连接层临界频率，r_bj2为第二连接层底高，y_mj2为第二连接层的半厚度，r_j2＝r_bj2+y_mj2为第二连接层最大电子浓度对应高度，b_j2＝a_j2(r_bj2/y_mj2)²；f_NF2为F2层等离子体频率，f_oF2为F2层临界频率，r_bF2为F2层底高，y_mF2为F2层的半厚度，r_mF2＝r_bF2+y_mF2为F2层最大电子浓度对应高度，b_F2＝a_F2(r_hF2/y_mF2)²；对各层等离子体频率分布求导，可以得到各层等离子体频率随高度的变化率dfNE2dr=-2rmEbEr2(1-rmEr)]]>dfNj12dr=-2rj1bj1r2(1-rj1r)]]>dfNF12dr=-2rmF1bF1r2(1-rmF1r)]]>dfNj22dr=-2rj2bj2r2(1-rj2r)]]>dfNF22dr=-2rmF2bF2r2(1-rmF2r)]]>将步骤三中得到的E层临界频率f_oE、E层最大电子浓度高度r_mE、E层半厚y_mE、F2层临界频率f_oF2、F2层最大电子浓度高度r_mF2、F2层半厚y_mF2及连接层参数代入上式中，得到电波反射区域等离子体频率的梯度分布；第一连接层和第二连接层的参数可由下式求得，设第一连接层与E层的交点在E层的最大电子浓度处，则根据两层的等离子体频率及其梯度分别相等，有a_j1＝a_Er_j1＝r_mE设第一连接层与F1层的交点在r＝r_c1处，则在r_c1处两层的等离子体频率及其梯度分别相等，有-2rj1bj1rc12(1-rj1rc1)=2rmF1bF1rc12(1-rmF1rc1)]]>aj1-bj1(1-rj1rc1)2=aF1+bF1(1-rmF1rc1)2]]>联立上两式解得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为第一连接层与E层交点处的高度，r_c2为第二连接层与F2层交点处的高度；步骤五：利用反射空间多层准抛物等离子体频率分布以群路径为自变量从发射机位置开始逐点求解射线追踪方程组，得到由发射机到接收机的电波群路径；从球坐标系下以电波传播群路径P′为自变量的射线追踪方程组出发方程组用于计算射线路径上点的坐标及该点处的波矢量，式中，P′为群路径；r、θ、是射线路径上点在球坐标系中的坐标；k_r、k_θ、是波矢量在球坐标系中的三个分量；ω为圆频率，c为光速，n为折射指数，与等离子体频率分布有关，在不考虑碰撞和地磁场时，折射指数可表示为n²＝1-X式中，f_N为等离子体频率，f为电波频率；dXdr=1f2dfN2dr]]>若在射线追踪过程中不考虑电离层梯度变化的影响，则为0；由步骤一和步骤二得到的参量，电波发射仰角β、方位角α、工作圆频率ω、发射机纬度λ₀和经度可以确定射线的初始位置为：r＝r₀θ＝π/2-λ₀kr=|k→|cos(π/2-β)=ωsinβ/c]]>kθ=-|k→|cosβcosα=-ωcosβcosα/c]]>式中，r、θ、是射线路径上点在球坐标系中的坐标；k_r、k_θ、是波矢量在球坐标系中的三个分量；r₀为地球半径，根据r、θ、k_r、k_θ、六个参数的初始值，即可开始射线轨迹的计算；采用Runge-Kutta法求解射线追踪方程组，群路径P′取固定步长，每次求解方程组得到当前电波位置r、θ、和波矢量k_r、k_θ、计算该位置处的等离子体浓度f_N和折射指数n，再将解得的r、θ、k_r、k_θ、f_N、n代入方程组中求得下一步电波位置和波矢量，如此循环，直到电波到达地面；电波仰角以固定步长在一定范围内扫描，每个仰角对应不同的电波轨迹，分别选取由E层和F层反射的落点位置距接收机最接近的一条射线，得到从发射机到接收机的E层反射群路径和F层反射群路径；步骤六：用步骤三中IRI模型软件直接计算出的待测时间反射区域IRI模型下的等离子体频率代替步骤四中由QPS模块算出的等离子体频率f_N，然后重复步骤五的射线追踪过程，得到IRI模型下的电波群路径；步骤七：按照步骤一中的仿真条件，利用中国电波传播研究所的实验设备和观测站点进行电波斜向探测试验，得到实测电波群路径；步骤八：比较由步骤五得到的混合模型下仿真群路径和由步骤六得到的IRI模型下仿真群路径与实测值间均方距离的大小，如果混合模型下仿真群路径与实测值间的均方距离小于IRI模型仿真群路径与实测值间均方距离，说明采用混合模型进行射线追踪的精确程度更高；为了描述模型仿真值与实测值间的差异程度，定义仿真值与实测值间的均方距离S和均方距离差异率，均方距离S为S=Σi=1N(xi-yi)2N-1]]>式中，x_i是i时刻对应的仿真群路径，y_i是i时刻对应的实测群路径，i取从1到N的整数，对应N个不同的试验时间；S越小，说明仿真值与实测值距离越小，总体上越接近实测值；S%=S/P′‾×100%]]>上式中，S％为均方距离差异率，S为均方距离，为实测群路径均值；S％越小，仿真值与实测值越接近。