專利名稱：一種短波射線追蹤技術(shù)中的電離層混合建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于國(guó)際參 考電離層模型和多層準(zhǔn)拋物模型的電離層混合建模 方法，尤其涉及一種短波射線追蹤技術(shù)中的電離層混合建模方法，屬于短波通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在短波波段，電離層在一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)的變化很小，可以把電波近似為射線，利用射線 追蹤技術(shù)來研究電波在電離層中的傳播和反射。電離層中的電子濃度分布稱為電離層模 型，射線追蹤技術(shù)必須結(jié)合電離層模型進(jìn)行，目前，在我國(guó)電離層射線追蹤技術(shù)中使用的典 型電離層模型主要有兩種一是國(guó)際參考電離層(International Reference Ionosphere) 模型，簡(jiǎn)稱IRI模型；二是多層準(zhǔn)拋物(Quasi-Parabolic Segments)模型，也稱QPS模型。 電離層模型直接影響著短波射線追蹤的效果，因此電離層模型的選擇在短波通信、超視距 雷達(dá)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用中具有重要意義。電離層是地球大氣層受太陽輻射電離產(chǎn)生的一種電中性媒質(zhì)，由于電離層受太陽 輻射、宇宙射線、地磁場(chǎng)等多種因素共同影響，其作用機(jī)理復(fù)雜，至今還沒有一種模型能準(zhǔn) 確預(yù)報(bào)電離層變化。目前，在國(guó)內(nèi)理論和工程領(lǐng)域應(yīng)用的電離層模型主要是國(guó)際參考電離 層和多層準(zhǔn)拋物模型。國(guó)際參考電離層(IRI)由國(guó)際空間委員會(huì)和國(guó)際無線電科學(xué)聯(lián)合會(huì)共同推薦，是 一種基于大量觀測(cè)數(shù)據(jù)的電離層統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)模式，反映了寧靜電離層的平均狀態(tài)。其電離層 參量的高度變化由簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)函數(shù)描述，經(jīng)度、緯度變化由正交多項(xiàng)式描述，采用CCIR和 URSI系數(shù)來計(jì)算F2層臨界頻率和F2層最大電子濃度高度。該模型以一定精度普適于全 球，是一種通用的電離層經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停琁RI模型每5年更新一次，目前最新的是IRI-2007。同 時(shí)國(guó)際無線電聯(lián)合會(huì)還編制了 IRI模型的計(jì)算軟件，只要輸入日期、具體時(shí)間和觀測(cè)點(diǎn)經(jīng) 緯度，就可算出對(duì)應(yīng)時(shí)間觀測(cè)點(diǎn)處電離層各層的最大電子濃度、臨界頻率、最大電子濃度高 度、半厚等多種參數(shù)，通過該模型可以預(yù)測(cè)未來幾年內(nèi)地球上任意位置處的電離層狀態(tài)，在 與電離層狀態(tài)密切相關(guān)的短波通信、超視距雷達(dá)、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域具有重要指導(dǎo)意義。IRI 電離層模型和相關(guān)計(jì)算軟件可以從有關(guān)網(wǎng)站下載得到。雖然在模型編制過程中，因中國(guó)地 區(qū)電離層觀測(cè)數(shù)據(jù)較少，對(duì)中國(guó)地區(qū)電離層狀態(tài)的預(yù)報(bào)精度不如對(duì)歐美地區(qū)電離層狀態(tài)預(yù) 報(bào)精度高，但該模型輸入簡(jiǎn)單，使用方便，并且描述了未來幾年全球的電離層狀態(tài)，在我國(guó) 仍然得到了廣泛應(yīng)用。另一種常用的電離層模型是準(zhǔn)拋物模型，因其采用準(zhǔn)拋物線方程來描述空間中的 電子濃度分布而得名。因?yàn)殡娮訚舛萅與等離子體頻率fN間存在以下關(guān)系fl = 80.67V所以常用等離子體頻率分布表示電子濃度分布，下式為單層準(zhǔn)拋物模型
,a-b(l-^)2η <r</N=\rrt-yj
0others
式中，r為空間位置距地心的距離(單位km)，rb為電離層底高(距地心的距離， 單位km)，yffl為層的半厚度(單位km)，rffl = rb+yffl為最大電子濃度對(duì)應(yīng)的高度(單位km)， a = frf,h = a(rb/jm)2, &為等離子體頻率(單位MHz)，大小只與電子濃度有關(guān)，f。為電離 層臨界頻率(單位MHz)，代表電離層能夠反射的最高頻率。1988年，Dyson和Bennett引入了多層準(zhǔn)拋物模型(QPS模型)。設(shè)電離層由E層、 Fl層、F2層組成，且各層均為寧靜電離層，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
-子第一連接層，連接E層和Fl層
(1 第二連接層，連接F1層和F2層 上式中，r為空間位置距地心的距離，fNE為E層等離子體頻率，f。E*E層臨界頻率， rbE為E層底高，yfflE為E層的半厚度，rfflE = rbE+yfflE為E層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高度， =f:， bE = aE(rbE/yfflE)2 ；fNJ1為第一連接層等離子體頻率，f0J,為第一連接層臨界頻率，rbJ1為第一 連接層底高，Ynui為第一連接層的半厚度，I1 = rbJ1+yfflJ1為第一連接層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高 度，Oyl = fl, ^bjl = Bjl (rbJ1/yfflJ1)2 ；fNF1 為 Fl 層等離子體頻率，foF1 為 Fl 層臨界頻率，rbF1 為 Fl 層底高，ymF1為Fl層的半厚度，rmF1 = rbF1+ymF1為Fl層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高度，=/丄，bF1 =aF1(rbF1/yfflF1)2 ；fNJ2為第二連接層等離子體頻率，f0J,為第二連接層臨界頻率，rbJ2為第二 連接層底高，Ynu2為第二連接層的半厚度，= rbJ2+yfflJ2為第二連接層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高 度，…2 = fh，bJ2 = aJ2 (rbJ2/ymJ2)2 ；fNF2為F2層等離子體頻率，foF2為F2層臨界頻率，rbF2為 F2層底高，yfflF2為F2層的半厚度，rmF2 = rbF2+yfflF2為F2層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高度， 2 二 /j,2， bF2 = aF2(rbF2/yfflF2)20其中，兩個(gè)連接層僅起平滑連接E層、Fl層、F2層的作用，厚度很薄。上面介紹的兩種電離層模型是使用較多的兩種通用模型，兩種模型采用不同的方 程來描述空間中的電子濃度分布，在實(shí)際使用中各有優(yōu)缺點(diǎn)。IRI模型輸入?yún)?shù)簡(jiǎn)單，但在我國(guó)使用該模型進(jìn)行射線追蹤結(jié)果精度較低，特別是 在F2層估算結(jié)果與實(shí)測(cè)值差異較大，不適用于如超視距雷達(dá)等對(duì)計(jì)算精度要求較高的場(chǎng) 合。雖然采用解析式的方法來描述電離層，只需要知道各層的特征參數(shù)(底高、半厚、臨界 頻率)就可建立相應(yīng)的電離層模型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，同時(shí)經(jīng)過中國(guó)電波傳播研究所的 驗(yàn)證，在我國(guó)中緯度地區(qū)使用QPS模型進(jìn)行射線追蹤能夠得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果，但在使用 該模型進(jìn)行射線追蹤時(shí)必須先輸入電波反射區(qū)上空各層的電離層基本參數(shù)(如底高、半 厚、臨界頻率等特征參數(shù))用來建立模型，而這些重要的參數(shù)往往事先并不知道，需要對(duì)電 波反射區(qū)進(jìn)行探測(cè)獲得或輸入經(jīng)驗(yàn)值。在無法開展電離層探測(cè)和無法取得準(zhǔn)確經(jīng)驗(yàn)值的情 況下，使用該模型進(jìn)行射線追蹤的誤差反而會(huì)增大，不便進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤和預(yù)測(cè)，這樣就限制 了 QPS模型的使用。而IRI模型能對(duì)過去幾十年以及未來五年(自發(fā)布之日算起)內(nèi)全 球各地的電離層狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過IRI模型能夠得到給定時(shí)間地點(diǎn)下電離層各層底高、半厚、臨界頻率等參數(shù)，恰好彌補(bǔ)了 QPS模型無法預(yù)測(cè)電離層參數(shù)的不足，因此，IRI模型和 QPS模型混合建模的數(shù)字射線追蹤技術(shù)就具有了重要意義。為了完善IRI模型和QPS模型 在工程應(yīng)用中的不足，在此基礎(chǔ)上，提出了混合使用IRI模型和QPS模型進(jìn)行電離層建模的 方法。

發(fā)明內(nèi)容
(1)發(fā)明目的IRI模型和QPS模型是在短波射線追蹤技術(shù)中使用的兩種典型模型，IRI模型使用 方便，只需輸入時(shí)間、發(fā)射/接收機(jī)位置即可預(yù)測(cè)地球任意區(qū)域上空的電離層變化情況，在 無法 獲知電波反射區(qū)域電離層參數(shù)時(shí)，可以使用該模型進(jìn)行射線追蹤，預(yù)測(cè)電波群路徑、地 面距離、電波反射高度、發(fā)射仰角等信息，但該模型在我國(guó)中緯度地區(qū)的預(yù)測(cè)精度較低，特 別是在F2層與實(shí)測(cè)結(jié)果相差較大，單一使用該模型進(jìn)行射線追蹤，估算結(jié)果無法滿足諸如 導(dǎo)航、超視距雷達(dá)等對(duì)電離層參數(shù)精度要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域。QPS模型簡(jiǎn)單，易于構(gòu)造，只 需知道各層的底高、半厚和臨頻就可建立電離層電子濃度分布，相對(duì)IRI模型，其仿真值與 我國(guó)中緯地區(qū)實(shí)測(cè)值更為接近，但在使用該模型進(jìn)行射線追蹤時(shí)，必須獲得反射區(qū)域電離 層臨頻、底高、最大電子濃度高度等基本參數(shù)，在無法獲知電離層信息時(shí)使用不便。本發(fā)明 提供一種短波射線追蹤技術(shù)中的電離層混合建模方法，它將IRI模型和QPS模型混合應(yīng)用， 由IRI模型計(jì)算出反射區(qū)電離層參數(shù)后代入QPS模型中進(jìn)行射線追蹤，既確保了仿真輸入 條件的簡(jiǎn)潔方便，解決了 QPS模型輸入?yún)?shù)獲取不便的難題，同時(shí)又提高了仿真估值的精 確程度，避免了單純使用IRI模型仿真結(jié)果精度低的問題。經(jīng)過與實(shí)測(cè)結(jié)果的比對(duì)，使用混 合模型進(jìn)行射線追蹤對(duì)白天F2層的計(jì)算精度要高于由IRI模型進(jìn)行射線追蹤的計(jì)算精度， 驗(yàn)證了該方法的可行性與有效性。(2)技術(shù)方案該方法是由四個(gè)模塊組成方法步驟本發(fā)明一種短波射線追蹤技術(shù)中的電離層混合建模方法，它是基于國(guó)際參考電離 層和多層準(zhǔn)拋物電離層模型的混合應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)一種新的電離層建模方法，該方法兼具兩種 電離層模型的優(yōu)點(diǎn)，圖1是電離層混合建模方法的流程圖。該方法由四個(gè)模塊組成方法步 驟它們是輸入模塊、IRI模塊，QPS模塊，射線追蹤模塊。四個(gè)模塊間的位置、連接關(guān)系及信 號(hào)走向如下述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 及工作頻率等初始參數(shù)，由該模塊自動(dòng)算出電波反射中點(diǎn)地理坐標(biāo)、地心角、大圓距離及方 位角，該模塊將待測(cè)時(shí)間和算出的電波反射點(diǎn)坐標(biāo)傳遞給IRI模塊供生成相應(yīng)的電離層參 數(shù)使用，同時(shí)將除待測(cè)時(shí)間和反射點(diǎn)位置外的其他參數(shù)傳遞給射線追蹤模塊供射線追蹤計(jì) 算使用；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。所述輸入模塊是用戶與算法的主要交互接口，以界面形式內(nèi)嵌在電離層混合建模 方法中，該模塊流程圖參見圖2所示。該模塊與用戶的主要接口包括時(shí)間、發(fā)射機(jī)坐標(biāo)、接收機(jī)坐標(biāo)、工作頻率、天線仰角范圍。它供用戶輸入相關(guān)使用參數(shù)，用戶在此模塊中可設(shè)置待測(cè)時(shí)間、工作頻率、發(fā)射機(jī)坐標(biāo)、接收機(jī)坐標(biāo)、天線仰角范圍等初始參數(shù)，該模塊可以根據(jù) 發(fā)射機(jī)、接收機(jī)坐標(biāo)算出電波反射中點(diǎn)位置、地心角、大圓距離及從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的方位 角，以上參數(shù)是射線追蹤方程組的初始值，該模塊一方面將電波反射點(diǎn)位置和待測(cè)時(shí)間傳 遞給IRI模塊供生成相應(yīng)的電離層參數(shù)使用，同時(shí)將除去待測(cè)時(shí)間和反射點(diǎn)位置外的其他 參數(shù)傳遞給射線追蹤模塊供射線追蹤計(jì)算使用。所述IRI模塊是由國(guó)際參考電離層模型來構(gòu)建電子濃度分布的計(jì)算模塊，該模塊 所用到的國(guó)際參考電離層(IRI)模型和計(jì)算程序都可從美國(guó)宇航局網(wǎng)站下載獲得。該模塊 流程圖見圖3所示，它以軟件封裝的形式存在，模型所用到的公式和CCIR系數(shù)都已封裝在 軟件中，使用由上一模塊中傳來的反射點(diǎn)位置和時(shí)間即可生成反射區(qū)域各層電離層的關(guān)鍵 參數(shù)并傳遞給QPS模塊用以建立反射區(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。所述QPS模塊是由多層準(zhǔn)拋物模型來構(gòu)建等離子體頻率分布的計(jì)算模塊，是自行 開發(fā)的程序，流程圖見圖4所示，該模塊以封裝的形式內(nèi)嵌在電離層混合建模方法中，作為 混合建模方法的一個(gè)模塊，QPS模型所用到的公式都封裝在該程序模塊中。該模塊使用上 一步中由IRI模塊估計(jì)的各層電離層關(guān)鍵參數(shù)來構(gòu)建反射區(qū)域上空等離子體頻率分布，并 將各點(diǎn)等離子體頻率傳遞給射線追蹤模塊。該模塊中設(shè)電離層由E層、Fl層、F2層組成，且各層均為寧靜電離層，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fl,-aE-bK{\-r-^f E 層f2m = αβ -b, O 第一連接層，連接E層和Fl層/二 = ，-‘(l-^^Fl 層f2m=aj2 -δ,2(1-^)2第二連接層，連接 Fl 層和 F2 層fL· = F2 — Ki (！ - t^y-)2 F2 層上式中，r為空間位置距地心的距離，fNE為E層等離子體頻率，f。E*E層臨界頻率， rbE為E層底高，yfflE為E層的半厚度，rfflE = rbE+yfflE為E層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高度， =^， bE = aE(rbE/yfflE)2 ；fNJ1為第一連接層等離子體頻率，f0J,為第一連接層臨界頻率，rbJ1為第一 連接層底高，Ynui為第一連接層的半厚度，I1 = rbJ1+yfflJ1為第一連接層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高 度， =X^bjl = Bjl (rbJ1/yfflJ1)2 ；fNF1為Fl層等離子體頻率，foF1為Fl層臨界頻率，rbF1為Fl 層底高，ymF1為Fl層的半厚度，rmF1 = rbF1+ymF1為Fl層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高度，α, = flFX，bF =aF1(rbF1/yfflF1)2 ；fNJ2為第二連接層等離子體頻率，f0J,為第二連接層臨界頻率，rbJ2為第二 連接層底高，Ynu2為第二連接層的半厚度，= rbJ2+yfflJ2為第二連接層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高 度，…2 = foji，bJ2 = aJ2 (rbJ2/ymJ2)2 ；fNF2為F2層等離子體頻率，foF2為F2層臨界頻率，rbF2為 F2層底高，yfflF2為F2層的半厚度，rmF2 = rbF2+yfflF2為F2層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高度， aF2 = foFl， bF2 = aF2(rbF2/ymF2)2。其中，兩個(gè)連接層僅起平滑連接E層、Fl層、F2層的作用，厚度很薄。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
將下述步驟三中得到的E層臨界頻率f。E、E層最大電子濃度高度rmE、E層半厚ymE、 F2層臨界頻率f。F2、F2層最大電子濃度高度rmF2、F2層半厚ymF2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，假設(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Bjl = aErjl = rmE設(shè)第一連接層與Fl層的交點(diǎn)在r = rcl處，則在rel處兩層的等離子體頻率及其梯 度分別相等，有 聯(lián)立上兩式解得 同理得到
「00511 其中，為第一連接層與E層交點(diǎn)處的高度，r。2為第二連接層與F2層交點(diǎn)處的尚度。所述射線追蹤模塊是電波群路徑的計(jì)算模塊，該模塊系自行開發(fā)的程序，流程圖 可參考圖5所示，所用到的射線追蹤方程組都封裝在該模塊中。它以輸入模塊中的工作頻 率、天線仰角范圍、方位角等參數(shù)作為射線追蹤方程組的初值，根據(jù)反射區(qū)域上空等離子體 頻率分布由發(fā)射機(jī)開始迭代計(jì)算電波傳播位置及方向，最后取距接收機(jī)最近的一點(diǎn)作為從 發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的傳播軌跡，將傳播軌跡描跡顯示并得到電波群路徑。該模塊從球坐標(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)；kp k0、、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，η為折射指數(shù)，與電子濃度分布有關(guān)。 式中，Z= ^v2//2, Y = fH/f, Yt = Ysin Ψ，Yl = Ycos Ψ，Z= υ/2 π f, fl 二 Ne1IAn2MS0，fH = eB/2 π m。其中，fN為等離子體頻率，是一個(gè)與電子濃度有關(guān)的物理 量，由上一步的QPS模型構(gòu)建；f為電波頻率；fH為磁旋頻率；Ψ為波矢量與地磁場(chǎng)間的夾 角；u為電子碰撞頻率；N為電子濃度；e為電子電量；m為電子質(zhì)量；ε ^為真空中介電常 數(shù)；B為地磁場(chǎng)強(qiáng)度?！?+ ”對(duì)應(yīng)尋常波(O波)，“-”對(duì)應(yīng)非常波(X波)。因碰撞只造成能量的吸收，不影響電波傳播方向，故在射線追蹤中無須考慮碰撞 效應(yīng)，取Z = 0，在不考慮地磁場(chǎng)影響時(shí)，取Y = 0，則折射指數(shù)簡(jiǎn)化為 若在射線追蹤過程中不考慮電離層梯度變化的影響，則加2 /洲M /卸為0。設(shè)電波發(fā)射仰角為β，方位角為α，工作圓頻率為ω，發(fā)射機(jī)緯度、經(jīng)度分別為 入。和釣，則射線的初始位置為r = r0θ = Ji /2-λ 0
(ρ = φ<>K =|^|cos(^/2-y9) = iWsin/ /cke =-I^l cos ,β cos α = -i cos々cosa/c
k(p =問 cos 々 cos(| - or) = ω cos β ηα! c
式中，r、θ、識(shí)是射線路徑上點(diǎn)在球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；kpk0、、是波矢量；^在球坐標(biāo) 系中的三個(gè)分量；A為地球半徑，根據(jù)r、θ…、k,、k0、~六個(gè)參數(shù)的初始值，即可開始射線 軌跡的計(jì)算。在射線路徑上，以群路徑為自變量，射線的坐標(biāo)矢量和波矢量隨著群路徑的變化 而變化，利用常微分方程數(shù)值解法Rimge-Kutta法以固定步長(zhǎng)逐點(diǎn)求解該射線追蹤方程 組，得到射線路徑上各點(diǎn)的r、θ、^ b、k0、~，其中每換一點(diǎn)，都要計(jì)算一次該點(diǎn)的等離子 體參量變化率SZ/辦。將這些點(diǎn)連接起來，即得到一條球坐標(biāo)系中的射線軌跡，在終點(diǎn)處， 可得到電波群路徑、地面距離、接收點(diǎn)經(jīng)緯度等信息。本發(fā)明一種短波射線追蹤技術(shù)中的電離層混合建模方法，該方法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 線仰角范圍等初始參數(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)算公式參見下式 上式中，Μω為反射中點(diǎn)緯度，M^為反射中點(diǎn)經(jīng)度，IYat為發(fā)射機(jī)緯度， Υ。η為發(fā)射 機(jī)經(jīng)度，Ru為接收機(jī)緯度，R^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，A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。將算出的反射點(diǎn)地理坐標(biāo)和待測(cè)時(shí)間 傳遞給IRI模塊，將其他參數(shù)送入射線追蹤模塊。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模型計(jì)算程序中，由國(guó)際無線電聯(lián) 合會(huì)推薦使用，該模型和計(jì)算程序可從美國(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)可以由軟件自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)位置上空的E層臨界頻率f。E、E層最大 電子濃度高度rmE、E層半厚ymE、F2層臨界頻率f。F2、F2層最大電子濃度高度rmF2、F2層半厚 ymF2等參數(shù)，得到待測(cè)時(shí)間電波反射點(diǎn)區(qū)域的等離子體頻率分布。將以上算出的電離層各層 關(guān)鍵參數(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模型算出反射區(qū)域等離子體頻率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?立反射空間的多層準(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、Fl層、F2層組成，且各層均為寧靜電離層，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hW’、層f2m = -^)2第一連接層，連接E層和Fl層 (I-^kl)2Fl 層
rf2m=aj2 -bj2{\ 第二連接層，連接 F1 層和 F2 層
fL· -aF2" bF2 (1 -卞)2 F2 層上式中各參數(shù)物理意義可參見背景技術(shù)中的說明。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^ =
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dr嚴(yán)、r 乂d^n ~ 2 "· ι "' 1 .
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ar‘‘ \ rJdf^'2 = _ lr^Fi (1 _ Wll .
drr2r J將步驟三中得到的E層臨界頻率f。E、E層最大電子濃度高度rmE、E層半厚ymE、F2 層臨界頻率f。F2、F2層最大電子濃度高度rmF2、F2層半厚ymF2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，假設(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aj1 = aErj1 = rmE設(shè)第一連接層與Fl層的交點(diǎn)在r = rcl處，則在rel處兩層的等離子體頻率及其梯 度分別相等，有 聯(lián)立上兩式解得 同理得到 其中，為第一連接層與E層交點(diǎn)處的高度，r。2為第二連接層與F2層交點(diǎn)處的尚度。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、識(shí)是射線路徑上點(diǎn)在球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；b、k0、~是波矢量系在球坐標(biāo)系中的三個(gè)分量； ω為圓頻率，c為光速，η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 = I-X式中，X 二人2//2 J^Ne2 /4π2Με0，fN為等離子體頻率，f為電波頻率。
r ^ dX 1 dfl-^-ψ-t若在射線追蹤過程中不考慮電離層梯度變化的影響，則徹2 / ΘΘ Sn2 / 3爐為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λ ^和經(jīng)度釣可以確定射線的初始位置為 式中，r、θ #是射線路徑上點(diǎn)在球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；kpk0、、是波矢量^在球坐標(biāo) 系中的三個(gè)分量；rQ為地球半徑，根據(jù)r、θ、i3、k,、k0、~六個(gè)參數(shù)的初始值，即可開始射線 軌跡的計(jì)算。采用Rimge-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、識(shí)和波矢量b、k0、~，計(jì)算該位置處的等離子體濃度fN和折射 指數(shù)n，再將解得的r、θ、9)、l^、k0、~、fN、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，得到射線軌跡后， 改變電波初始仰角，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模塊直接計(jì)算出的(所需CCIR系數(shù)和算法已內(nèi)嵌到模型 中)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fN，然后重復(fù)步驟五的射線追蹤過程，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)電波傳播研究所現(xiàn)有實(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 式中，Xi是i時(shí)刻對(duì)應(yīng)的仿真群路徑，Yi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。 上式中，S%為均方距離差異率，S為均方距離，歹為實(shí)測(cè)群路徑均值。3%越小，仿 真值與實(shí)測(cè)值越接近。(3)優(yōu)點(diǎn)及功效本發(fā)明一種短波射線追蹤技術(shù)中的電離層混合建模方法，它由IRI模型計(jì)算出反 射區(qū)電離層參數(shù)后代入QPS模型中進(jìn)行射線追蹤，既確保了仿真輸入條件的簡(jiǎn)潔方便，解 決了 QPS模型輸入?yún)?shù)獲取不便的難題，同時(shí)又提高了仿真估值的精確程度，避免了單純 使用IRI模型仿真結(jié)果精度低的問題。經(jīng)過與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，使用混合模型進(jìn)行射線追 蹤對(duì)白天F2層的計(jì)算精度要高于由IRI模型進(jìn)行射線追蹤的計(jì)算精度，驗(yàn)證了該方法的可 行性與有效性。同時(shí)所需設(shè)備簡(jiǎn)單，僅需要一臺(tái)可以順利運(yùn)行Visual C++開發(fā)軟件的普通 個(gè)人計(jì)算機(jī)(如P4 1. 6GHz主頻CPU、1G內(nèi)存、Windows XP操作系統(tǒng))就可進(jìn)行電離層混 合建模仿真工作，便于廣泛開展。


圖1混合建模流程示意2輸入模塊流程示意3IRI模塊流程示意4QPS模塊流程示意5射線追蹤模塊流程示意6電離層斜向探測(cè)示意710月28日E層群路徑仿真值與實(shí)測(cè)值對(duì)比示意圖
圖810月28日F2層群路徑仿真值與實(shí)測(cè)值對(duì)比示意910月31日E層群路徑仿真值與實(shí)測(cè)值對(duì)比示意1011月1日F2層群路徑仿真值與實(shí)測(cè)值對(duì)比示意圖
圖中符號(hào)說明如下IRI為國(guó)際參考電離層；QPS模型為多層準(zhǔn)拋物模型；r為球坐標(biāo)下射線距地心的距離；6370為地球半徑；T表示探測(cè)時(shí)間；G表示電波群路徑，單位為km; E表示電離層的E層；F2表示電離層的F2層；f表示電波頻率；圖7、圖8、圖9、圖10中的圖示符號(hào)說明*表示在IRI模型下仿真得到的群路徑；+表示在IRI和QPS混合建模下仿真得到的群路徑；I表示由實(shí)測(cè)得到的群路徑。
具體實(shí)施例方式1.組成本發(fā)明一種短波射線追蹤技術(shù)中的電離層混合建模方法，它是基于國(guó)際參考電離 層和多層準(zhǔn)拋物電離層模型的混合應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)一種新的電離層建模方法，該方法兼具兩種 電離層模型的優(yōu)點(diǎn)，圖1是電離層混合建模方法的流程圖。該方法由四個(gè)模塊組成它們是 輸入模塊、IRI模塊，QPS模塊，射線追蹤模塊。四個(gè)模塊間的位置、連接關(guān)系及信號(hào)走向如 下述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 率等初始參數(shù)，由該模塊自動(dòng)算出電波反射中點(diǎn)地理坐標(biāo)、地心角、大圓距離及方位角，該 模塊將待測(cè)時(shí)間和算出的電波反射點(diǎn)坐標(biāo)傳遞給IRI模塊供生成相應(yīng)的電離層參數(shù)使用， 同時(shí)將除待測(cè)時(shí)間和反射點(diǎn)位置外的其他參數(shù)傳遞給射線追蹤模塊供射線追蹤計(jì)算使用； 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。所述輸入模塊是用戶與算法的主要交互接口，以軟件封裝形式內(nèi)嵌在電離層混合 建模方法中，該模塊流程圖見圖2所示。該模塊與用戶的主要接口包括時(shí)間、發(fā)射機(jī)坐標(biāo)、 接收機(jī)坐標(biāo)、工作頻率、天線仰角范圍。它供用戶輸入相關(guān)使用參數(shù)，用戶在此模塊中可設(shè) 置待測(cè)時(shí)間、工作頻率、發(fā)射機(jī)坐標(biāo)、接收機(jī)坐標(biāo)、天線仰角范圍等初始參數(shù)，該模塊可以根 據(jù)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)坐標(biāo)算出電波反射中點(diǎn)位置、地心角、大圓距離及從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的方 位角，以上參數(shù)是射線追蹤方程組的初始值，該模塊一方面將電波反射點(diǎn)位置和待測(cè)時(shí)間 傳遞給IRI模塊供生成相應(yīng)的電離層參數(shù)使用，同時(shí)將除去待測(cè)時(shí)間和反射點(diǎn)位置外的其 他參數(shù)傳遞給射線追蹤模塊供射線追蹤計(jì)算使用。所述IRI模塊是由國(guó)際參考電離層模型來構(gòu)建電子濃度分布的計(jì)算模塊，該模塊 所用到的國(guó)際參考電離層(IRI)模型和計(jì)算程序都可從美國(guó)宇航局網(wǎng)站公開下載獲得。該 模塊流程圖見圖3所示，它以軟件封裝的形式存在，模型所用到的公式和CCIR系數(shù)都已封裝在軟件中，使用由上一模塊中傳來的反射點(diǎn)位置和時(shí)間即可生成反射區(qū)域各層電離層的 關(guān)鍵參數(shù)并傳遞給QPS模塊用以建立反射區(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。所述QPS模塊是由多層準(zhǔn)拋物模型來構(gòu)建等離子體頻率分布的計(jì)算模塊，該模塊 是自行開發(fā)的計(jì)算程序，該模塊流程圖見圖4所示，該模塊以封裝的形式內(nèi)嵌在電離層混 合建模方法中，作為混合建模方法的一個(gè)模塊，QPS模型所用到的公式都封裝在該程序模塊 中。該模塊使用上一步中由IRI模塊估計(jì)的各層電離層關(guān)鍵參數(shù)來構(gòu)建反射區(qū)域上空等離 子體頻率分布，并將各點(diǎn)等離子體頻率傳遞給射線追蹤模塊。該模塊中設(shè)電離層由E層、Fl層、F2層組成，且各層均為寧靜電離層，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
第一連接層，連接E層和Fl層
第二連接層，連接 F1 層和 F2 層 上式中，r為空間位置距地心的距離，fNE為E層等離子體頻率，f。E*E層臨界頻率， rbE為E層底高，yfflE為E層的半厚度，rfflE = rbE+yfflE為E層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高度， =β,, bE = aE(rbE/yfflE)2 ；fNJ1為第一連接層等離子體頻率，f0J,為第一連接層臨界頻率，rbJ1為第一 連接層底高，Ynui為第一連接層的半厚度，I1 = rbJ1+yfflJ1為第一連接層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高 度， =/J1 ^bjl = Bjl (rbJ1/yfflJ1)2 ；fNF1為Fl層等離子體頻率，foF1為Fl層臨界頻率，rbF1為Fl 層底高，ymF1為Fl層的半厚度，rmF1 = rbF1+yfflF1為Fl層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高度，=/丄，bF1 =aF1(rbF1/yfflF1)2 ；fNJ2為第二連接層等離子體頻率，f0J,為第二連接層臨界頻率，rbJ2為第二 連接層底高，Ynu2為第二連接層的半厚度，= rbJ2+yfflJ2為第二連接層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高 度，…2 = /i，bJ2 = aJ2 (rbJ2/ymJ2)2 ；fNF2為F2層等離子體頻率，foF2為F2層臨界頻率，rbF2為 F2層底高，yfflF2為F2層的半厚度，rmF2 = rbF2+yfflF2為F2層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高度， 2 = f02F2， bF2 — aF2 (rbF2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 將步驟三中得到的E層臨界頻率r。E、E層最大電子濃度高度rmE、E層半厚ymE、F2 層臨界頻率f。F2、F2層最大電子濃度高度rmF2、F2層半厚ymF2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，假設(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ajl = aErjl = rfflE設(shè)第一連接層與F1層的交點(diǎn)在r = rcl處，則在rel處兩層的等離子體頻率及其梯 度分別相等，有 聯(lián)立上兩式解得
其中，rcl為第一連接層與E層交點(diǎn)處的高度，r。2為第二連接層與F2層交點(diǎn)處的高度。所述射線追蹤模塊是電波群路徑的計(jì)算模塊，該模塊是自行開發(fā)的計(jì)算程序，所 用到的射線追蹤方程組都封裝在該模塊中。該模塊流程圖參見圖5所示，它以輸入模塊中 的工作頻率、天線仰角范圍、方位角等參數(shù)作為射線追蹤方程組的初值，根據(jù)反射區(qū)域上空 等離子體頻率分布由發(fā)射機(jī)開始迭代計(jì)算電波傳播位置及方向，最后取距接收機(jī)最近的一 點(diǎn)作為從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的傳播軌跡，將傳播軌跡描跡顯示并得到電波群路徑。該模塊從球坐標(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)；b、k0、~是波矢量$在球坐標(biāo)系中的三個(gè)分量；
ω為圓頻率，c為光速，η為折射指數(shù)，與電子濃度分布有關(guān)。
「0188] 式中，X= fN2/f2，Y = fH/f, YI = Ysin Ψ，Yl = Ycos Ψ , Z = υ/2 π f, f2N=Ne2 IAn2ms0,fu =其中，fN為等離子體頻率，是一個(gè)與電子濃度有關(guān)的物 理量，由上一步的QPS模型構(gòu)建；f為電波頻率；fH為磁旋頻率；Ψ為波矢量與地磁場(chǎng)間的 夾角；u為電子碰撞頻率；N為電子濃度；e為電子電量；m為電子質(zhì)量；ε C1為真空中介電常 數(shù)；B為地磁場(chǎng)強(qiáng)度。“ + ”對(duì)應(yīng)尋常波(O波)，“-”對(duì)應(yīng)非常波(X波)。因碰撞只造成能量的吸收，不影響電波傳播方向，故在射線追蹤中無須考慮碰撞 效應(yīng)，取Z = 0，在不考慮地磁場(chǎng)影響時(shí)，取Y = 0，則折射指數(shù)簡(jiǎn)化為n2 = I-X有 若在射線追蹤過程中不考慮電離層梯度變化的影響，則徹2 、d#丨d(p% O。設(shè)電波發(fā)射仰角為β，方位角為α，工作圓頻率為ω，發(fā)射機(jī)緯度、經(jīng)度分別為 入。和釣，則射線的初始位置為r = r0θ = π /2-λ。
φ = φ。
式中，r、θ、爐是射線路徑上點(diǎn)在球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；k,、k0、、是波矢量$在球坐標(biāo)系中的三個(gè)分量；A為地球半徑，根據(jù)r、θ、p、k,、k0、~六個(gè)參數(shù)的初始值，即可開始射線 軌跡的計(jì)算。在射線路徑上，以群路徑為自變量，射線的坐標(biāo)矢量和波矢量隨著群路徑的變化 而變化，利用常微分方程數(shù)值解法Rimge-Kutta法以固定步長(zhǎng)逐點(diǎn)求解該射線追蹤方程 組，得到射線路徑上各點(diǎn)的r、Q、φ、k,、ke、K，其中每前進(jìn)一點(diǎn)，都要計(jì)算一次該點(diǎn)的等 離子體參量變化率議/務(wù)，將這些點(diǎn)連接起來，即得到一條球坐標(biāo)系中的射線軌跡，在終點(diǎn) 處，可得到電波群路徑、地面距離、接收點(diǎn)經(jīng)緯度等信息。本發(fā)明具有較高實(shí)用性，根據(jù)兩種常用電離層模型，開展混合建模工作，彌補(bǔ)了各 自的不足，使用簡(jiǎn)單方便，只需要一臺(tái)可正常運(yùn)行Visual C++開發(fā)軟件的普通個(gè)人計(jì)算機(jī) 即可實(shí)現(xiàn)(如P4 1. 6GHz主頻CPU、IG內(nèi)存、Windows XP操作系統(tǒng))，不需要特定設(shè)備和環(huán) 境條件。2.步驟本發(fā)明一種短波射線追蹤技術(shù)中的電離層混合建模方法，該方法具體步驟如下步驟一在輸入模塊中首先輸入發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的地理坐標(biāo)、待測(cè)時(shí)間、工作頻率、 天線仰角范圍等初始參數(shù)。發(fā)射機(jī)位于青島，坐標(biāo)為東經(jīng)120. 30°，北緯36. 10°，接收機(jī) 位于長(zhǎng)春，坐標(biāo)為東經(jīng)125. 28°，北緯43. 84°，待測(cè)時(shí)間設(shè)為2008年10月28日、10月31 日和11月1日的白天，三天選用不同的工作頻率，分別為9. 322MHz,8MHz和10MHz，天線仰 角范圍20° -60° ；步驟二由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)地理坐標(biāo)按以下公式計(jì)算出反射中點(diǎn)M地理坐標(biāo) (東經(jīng)122.79°，北緯39.97° )、地心角d (0. 15rad)、大圓距離D (959km)和方位角為 α (24. 67° )； 上式中，Μω為反射中點(diǎn)緯度，M^為反射中點(diǎn)經(jīng)度，IYat為發(fā)射機(jī)緯度， Υ。η為發(fā)射 機(jī)經(jīng)度，Ru為接收機(jī)緯度，R^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，以弧度為單位，A為地球半 徑，為6370km，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模塊中輸入待測(cè)時(shí)間和反射點(diǎn)坐標(biāo)，由IRI模型自動(dòng)生成待測(cè)時(shí) 間電波反射點(diǎn)處的電離層參數(shù)值和反射區(qū)域的等離子體頻率分布，計(jì)算所需的CCIR系數(shù) 和算法已封裝在IRI模型中，直接使用即可，該模型可從美國(guó)宇航局網(wǎng)站下載獲得。生成的 電離層參數(shù)包括E層臨界頻率f。E、E層最大電子濃度高度rmE、E層半厚ymE、F2層臨界頻率 f。F2、F2層最大電子濃度高度rmF2、F2層半厚ymF2。表1_表3是由IRI模型推算出的青島至 長(zhǎng)春短波電路于2008年10月28日、10月31日和11月1日白天不同時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的電離層 參數(shù)，因未出現(xiàn)Fl層，所以表中沒有Fl層的相關(guān)參數(shù)。表1. 10月28日電離層參數(shù) 表2.10月31日電離層參數(shù) 表3.11月1日電離層參數(shù) 步驟四將步驟三中由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看隥PS公式建立反射空間的多層準(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、Fl層、F2層組成，且各層均為寧靜電離層，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
第一連接層，連接E層和Fl層
(1 第二連接層，連接Fl層和F2層
(1 -卞)2 F2 層上式中各參數(shù)物理意義可參見背景技術(shù)中的說明。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 將步驟三中得到的E層臨界頻率f。E、E層最大電子濃度高度rmE、E層半厚ymE、F2 層臨界頻率f。F2、F2層最大電子濃度高度rmF2、F2層半厚ymF2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，假設(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 設(shè)第一連接層與Fl層的交點(diǎn)在r = rcl處，則在處兩層的等離子體頻率及其梯 度分別相等，有斗時(shí) 同理 其中，1^為第一連接層與E層交點(diǎn)處的高度，r。2為第二連接層與F2層交點(diǎn)處的尚度。步驟五利用步驟四中建立的反射空間多層準(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)位置開始使用Rimge-Kutta法以固定步長(zhǎng)迭代求解射線追蹤方程組，每次 求解方程組得到當(dāng)前電波軌跡位置和傳播方向，將以上參數(shù)代入方程組中再次計(jì)算，得到 下一步電波軌跡位置和傳播方向，如此迭代，至電波到達(dá)接收機(jī)為止，最終得到待測(cè)時(shí)間由 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、ρ是射線路徑上點(diǎn)在球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；kp k0、、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，η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 = I-X式中，
，fN為等離子體頻率，f為電波頻率。 _ 若在射線追蹤過程中不考慮電離層梯度變化的影響，則徹2 、徹2 /3識(shí)為0。由步驟一和步驟二得到的參量，電波發(fā)射仰角β =20° 60°、方位角α =24.67°、三天中工作圓頻率分別對(duì)應(yīng)ω = 2ji Χ9. 322/8/ΙΟΜΗζ、發(fā)射機(jī)緯度λ。= 36. 10°和經(jīng)度外二 120. 30°可以確定射線的初始位置為 式中，r、θ、爐是射線路徑上點(diǎn)在球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；k,、k0、\是波矢量{在球坐標(biāo) 系中的三個(gè)分量；rQ為地球半徑，根據(jù)r、θ、p、k,、k0、~六個(gè)參數(shù)的初始值，即可開始射線軌跡的計(jì)算。采用Rimge-Kutta法求解射線追蹤方程組，群路徑P ‘取固定步長(zhǎng)1km，每次求解 方程組得到當(dāng)前電波位置r、θ、(^和波矢量b、k0、、，由電波位置計(jì)算等離子體濃度fN和 折射指數(shù)n，再將解得的r、Q、φ、kr, k0、~、fN、η代入方程組中求得下一步電波位置和波 矢量，如此迭代，直到電波到達(dá)地面，電波仰角以0.5°為步長(zhǎng)從20°掃描到60°，每個(gè)仰 角對(duì)應(yīng)不同的電波軌跡，分別選取由E層反射和F2層反射的落點(diǎn)位置距接收機(jī)最接近的一 條射線，得到E層群路徑和F2層群路徑。仿真結(jié)果見表4，表中“-”代表在該時(shí)刻對(duì)應(yīng)頻點(diǎn) 沒有仿真值。表4.混合建模仿真群路徑 步驟六用步驟三中IRI模型軟件直接計(jì)算出的(所需CCIR系數(shù)和算法已內(nèi)嵌到 模型中)待測(cè)時(shí)間反射區(qū)域IRI模型下的等離子體頻率替換步驟四中由QPS模塊算出的等 離子體頻率fN，然后重復(fù)步驟五的射線追蹤過程，得到IRI模型下的電波群路徑，見表5。表5. IRI模型仿真群路徑 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；為了考察混合模型仿真效果的有效性，以電波群路徑作為測(cè)量參量進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn) 證，如圖6所示，按照仿真條件在青島_長(zhǎng)春間建立短波電離層斜向探測(cè)電路，發(fā)射機(jī)位于 青島，坐標(biāo)為東經(jīng)120. 30°，北緯36. 10°，接收機(jī)位于長(zhǎng)春，坐標(biāo)為東經(jīng)125. 28°，北緯 43.84° ；試驗(yàn)時(shí)間為2008年10月28日、10月31日和11月1日，從00:15開始，每隔30 分鐘探測(cè)一次，發(fā)射信號(hào)為脈沖周期信號(hào)，脈沖重復(fù)周期ls，以掃頻方式工作，載波范圍從 2M到30M，頻點(diǎn)間隔50k，測(cè)量參量為電波群路徑，接收機(jī)群路徑最小分辨率5km。收發(fā)機(jī)間 地面距離為958. 97km，方位角為24. 68°。由實(shí)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)的三天中未出現(xiàn)Fl層，且 在夜間F2層消失，實(shí)測(cè)電波群路徑見表6所示，其中10月28日實(shí)測(cè)電波群路徑對(duì)應(yīng)頻率 9. 322MHz，10月31日實(shí)測(cè)電波群路徑對(duì)應(yīng)頻率8MHz，11月1日實(shí)測(cè)電波群路徑對(duì)應(yīng)頻率 IOMHz0表中“-”代表在探測(cè)時(shí)刻沒有得到實(shí)測(cè)值。表6.實(shí)測(cè)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，說明采用混合模型進(jìn)行射線追蹤的精 確程度更高。圖7是10月28日工作頻率取9. 322MHz下E層群路徑仿真值與實(shí)測(cè)值隨探測(cè)時(shí) 間的變化曲線，圖8是相同條件下F2層群路徑仿真值與實(shí)測(cè)值隨探測(cè)時(shí)間的變化曲線，從 曲線上可以發(fā)現(xiàn)混合模型的仿真值與實(shí)測(cè)值更為接近。除圖中所列探測(cè)時(shí)間，在其他探測(cè) 時(shí)間未能接收到9. 322MHz工作頻率的反射信號(hào)，故其他時(shí)間在圖中未列出。圖9是10月31日工作頻率為8MHz下的E層群路徑仿真值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比曲線， 圖10是11月1日工作頻率為IOMHz下的F2層群路徑仿真值與實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線。從圖中 可以發(fā)現(xiàn)，由IRI-QPS混合模型得到的仿真值與實(shí)測(cè)值更加接近。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為 式中，Xi是i時(shí)刻對(duì)應(yīng)的仿真群路徑，Yi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。 上式中，為均方距離差異率，S為均方距離，7為實(shí)測(cè)群路徑均值。表7.群路徑仿真值與實(shí)測(cè)值間的均方距離 表8.群路徑均方距離差異率 表7是仿真值與實(shí)測(cè)值的均方距離，可以發(fā)現(xiàn)，IRI模型和混合模型在E層反射電 波的群路徑與實(shí)測(cè)值較接近，在F2層反射的群路徑與實(shí)測(cè)值相差較大，可能與IRI模型中 國(guó)地區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不足有關(guān)，也可能與對(duì)電離層進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略梯度、擾動(dòng)、地磁影響等因素 有關(guān)，說明IRI模型對(duì)應(yīng)的寧靜電離層只是實(shí)際電離層的一種近似，與實(shí)際電離層相比仍 有較大差距，特別是在F2層。將均方距離除以實(shí)測(cè)均值可以得到均方距離差異率，反映了 仿真值與實(shí)測(cè)值的總體差異程度，見表8。10月28日在E層，IRI模型的均方距離與實(shí)測(cè) 均值之比為1.82%，混合模型的均方距離與實(shí)測(cè)均值相比達(dá)到1.88%，在？2層，IRI模型 的均方距離與實(shí)測(cè)均值相比達(dá)到5. 90%，混合模型的均方距離與實(shí)測(cè)均值相比為4. 83%。 由表8，在F2層IRI-QPS混合模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值更為接近，可以看出在E層IRI-QPS混 合模型與IRI模型的估計(jì)值比較接近，而在F2層使用IRI-QPS混合模型估計(jì)值的準(zhǔn)確程度 要優(yōu)于僅使用IRI模型的估計(jì)值。由表8發(fā)現(xiàn)，IRI-QPS混合建模在白天對(duì)F2層的射線追蹤仿真結(jié)果比僅使用IRI 模型射線追蹤的仿真結(jié)果更精確，對(duì)E層的仿真結(jié)果精確程度兩者相當(dāng)，同時(shí)混合建模的 方法還避免了 QPS模型輸入?yún)?shù)的盲目性，擴(kuò)展了 QPS模型的使用范圍。
權(quán)利要求
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)算公式參見下式 <mrow><msub> <mi>M</mi> <mi>Lat</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>T</mi> <mi>Lat</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mi>R</mi> <mi>Lat</mi></msub> </mrow> <mn>2</mn></mfrac><mo>,</mo> </mrow> <mrow><msub> <mi>M</mi> <mi>Lon</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>T</mi> <mi>Lon</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mi>R</mi> <mi>Lon</mi></msub> </mrow> <mn>2</mn></mfrac><mo>,</mo> </mrow> <mrow><mi>&alpha;</mi><mo>=</mo><mi>arccos</mi><mfrac> <mrow><mi>sin</mi><msub> <mi>R</mi> <mi>Lat</mi></msub><mo>-</mo><mi>sin</mi><msub> <mi>T</mi> <mi>Lat</mi></msub><mi>cos</mi><mi>d</mi> </mrow> <mrow><mi>cos</mi><msub> <mi>T</mi> <mi>Lat</mi></msub><mi>sin</mi><mi>d</mi> </mrow></mfrac> </mrow>d＝arccos(sinTLat sinRLat+cosTLat cosRLat cos(TLon-RLon))，D＝r0·d上式中，MLat為反射中點(diǎn)緯度，MLon為反射中點(diǎn)經(jīng)度，TLat為發(fā)射機(jī)緯度，TLon為發(fā)射機(jī)經(jīng)度，RLat為接收機(jī)緯度，RLon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foE、E層最大電子濃度高度rmE、E層半厚ymE、F2層臨界頻率foF2、F2層最大電子濃度高度rmF2、F2層半厚ymF2參數(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，且各層均為寧靜電離層，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 <mrow><msubsup> <mi>f</mi> <mi>NE</mi> <mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msub> <mi>a</mi> <mi>E</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>b</mi> <mi>E</mi></msub><msup> <mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac> <msub><mi>r</mi><mi>mE</mi> </msub> <mi>r</mi></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </mrow>E層 <mrow><msubsup> <mi>f</mi> <mrow><mi>Nj</mi><mn>1</mn> </mrow> <mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msub> <mi>a</mi> <mrow><mi>j</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>-</mo><msub> <mi>b</mi> <mrow><mi>j</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><msup> <mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>j</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mi>r</mi></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </mrow>第一連接層，連接E層和F1層 <mrow><msubsup> <mi>f</mi> <mrow><mi>NF</mi><mn>1</mn> </mrow> <mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msub> <mi>a</mi> <mrow><mi>F</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>-</mo><msub> <mi>b</mi> <mrow><mi>F</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><msup> <mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>mF</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mi>r</mi></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </mrow>F1層 <mrow><msubsup> <mi>f</mi> <mrow><mi>Nj</mi><mn>2</mn> </mrow> <mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msub> <mi>a</mi> <mrow><mi>j</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><mo>-</mo><msub> <mi>b</mi> <mrow><mi>j</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><msup> <mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>j</mi> <mn>2</mn></mrow> </msub> <mi>r</mi></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </mrow>第二連接層，連接F1層和F2層 <mrow><msubsup> <mi>f</mi> <mrow><mi>NF</mi><mn>2</mn> </mrow> <mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msub> <mi>a</mi> <mrow><mi>F</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><mo>-</mo><msub> <mi>b</mi> <mrow><mi>F</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><msup> <mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>mF</mi> <mn>2</mn></mrow> </msub> <mi>r</mi></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </mrow>F2層上式中，r為空間位置距地心的距離，fNE為E層等離子體頻率，foE為E層臨界頻率，rbE為E層底高，ymE為E層的半厚度，rmE＝rbE+ymE為E層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高度，bE＝aE(rbE/ymE)2；fNj1為第一連接層等離子體頻率，foj1為第一連接層臨界頻率，rbj1為第一連接層底高，ymj1為第一連接層的半厚度，rj1＝rbj1+ymj1為第一連接層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高度，bj1＝aj1(rbj1/ymj1)2；fNF1為F1層等離子體頻率，foF1為F1層臨界頻率，rbF1為F1層底高，ymF1為F1層的半厚度，rmF1＝rbF1+ymF1為F1層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高度，bF1＝aF1(rbF1/ymF1)2；fNh2為第二連接層等離子體頻率，foj2為第二連接層臨界頻率，rbj2為第二連接層底高，ymj2為第二連接層的半厚度，rj2＝rbj2+ymj2為第二連接層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高度，bj2＝aj2(rbj2/ymj2)2；fNF2為F2層等離子體頻率，foF2為F2層臨界頻率，rbF2為F2層底高，ymF2為F2層的半厚度，rmF2＝rbF2+ymF2為F2層最大電子濃度對(duì)應(yīng)高度，bF2＝aF2(rhF2/ymF2)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 <mrow><mfrac> <msubsup><mi>df</mi><mi>NE</mi><mn>2</mn> </msubsup> <mi>dr</mi></mfrac><mo>=</mo><mo>-</mo><mfrac> <mrow><msub> <mrow><mn>2</mn><mi>r</mi> </mrow> <mi>mE</mi></msub><msub> <mi>b</mi> <mi>E</mi></msub> </mrow> <msup><mi>r</mi><mn>2</mn> </msup></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac><msub> <mi>r</mi> <mi>mE</mi></msub><mi>r</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mfrac> <msubsup><mi>df</mi><mrow> <mi>Nj</mi> <mn>1</mn></mrow><mn>2</mn> </msubsup> <mi>dr</mi></mfrac><mo>=</mo><mo>-</mo><mfrac> <mrow><msub> <mrow><mn>2</mn><mi>r</mi> </mrow> <mrow><mi>j</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><msub> <mi>b</mi> <mrow><mi>j</mi><mn>1</mn> </mrow></msub> </mrow> <msup><mi>r</mi><mn>2</mn> </msup></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac><msub> <mi>r</mi> <mrow><mi>j</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mi>r</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mfrac> <msubsup><mi>df</mi><mrow> <mi>NF</mi> <mn>1</mn></mrow><mn>2</mn> </msubsup> <mi>dr</mi></mfrac><mo>=</mo><mo>-</mo><mfrac> <mrow><msub> <mrow><mn>2</mn><mi>r</mi> </mrow> <mrow><mi>mF</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><msub> <mi>b</mi> <mrow><mi>F</mi><mn>1</mn> </mrow></msub> </mrow> <msup><mi>r</mi><mn>2</mn> </msup></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac><msub> <mi>r</mi> <mrow><mi>mF</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mi>r</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mfrac> <msubsup><mi>df</mi><mrow> <mi>Nj</mi> <mn>2</mn></mrow><mn>2</mn> </msubsup> <mi>dr</mi></mfrac><mo>=</mo><mo>-</mo><mfrac> <mrow><msub> <mrow><mn>2</mn><mi>r</mi> </mrow> <mrow><mi>j</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><msub> <mi>b</mi> <mrow><mi>j</mi><mn>2</mn> </mrow></msub> </mrow> <msup><mi>r</mi><mn>2</mn> </msup></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac><msub> <mi>r</mi> <mrow><mi>j</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><mi>r</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mfrac> <msubsup><mi>df</mi><mrow> <mi>NF</mi> <mn>2</mn></mrow><mn>2</mn> </msubsup> <mi>dr</mi></mfrac><mo>=</mo><mo>-</mo><mfrac> <mrow><msub> <mrow><mn>2</mn><mi>r</mi> </mrow> <mrow><mi>mF</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><msub> <mi>b</mi> <mrow><mi>F</mi><mn>2</mn> </mrow></msub> </mrow> <msup><mi>r</mi><mn>2</mn> </msup></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac><msub> <mi>r</mi> <mrow><mi>mF</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><mi>r</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>將步驟三中得到的E層臨界頻率foE、E層最大電子濃度高度rmE、E層半厚ymE、F2層臨界頻率foF2、F2層最大電子濃度高度rmF2、F2層半厚ymF2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aj1＝aErj1＝rmE設(shè)第一連接層與F1層的交點(diǎn)在r＝rc1處，則在rc1處兩層的等離子體頻率及其梯度分別相等，有 <mrow><mo>-</mo><mfrac> <mrow><msub> <mrow><mn>2</mn><mi>r</mi> </mrow> <mrow><mi>j</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><msub> <mi>b</mi> <mrow><mi>j</mi><mn>1</mn> </mrow></msub> </mrow> <msup><msub> <mi>r</mi> <mrow><mi>c</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mn>2</mn> </msup></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac><msub> <mi>r</mi> <mrow><mi>j</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><msub> <mi>r</mi> <mrow><mi>c</mi><mn>1</mn> </mrow></msub> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mrow><mn>2</mn><mi>r</mi> </mrow> <mrow><mi>mF</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><msub> <mi>b</mi> <mrow><mi>F</mi><mn>1</mn> </mrow></msub> </mrow> <msup><msub> <mi>r</mi> <mrow><mi>c</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mn>2</mn> </msup></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac><msub> <mi>r</mi> <mrow><mi>mF</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><msub> <mi>r</mi> <mrow><mi>c</mi><mn>1</mn> </mrow></msub> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>a</mi> <mrow><mi>j</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>-</mo><msub> <mi>b</mi> <mrow><mi>j</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><msup> <mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>j</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>c</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>=</mo><msub> <mi>a</mi> <mrow><mi>F</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>+</mo><msub> <mi>b</mi> <mrow><mi>F</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><msup> <mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>mF</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>c</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </mrow>聯(lián)立上兩式解得 <mrow><msub> <mi>r</mi> <mrow><mi>c</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>r</mi> <mrow><mi>mF</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><msub> <mi>b</mi> <mrow><mi>F</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>mF</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mo>/</mo> <msub><mi>r</mi><mi>mE</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>a</mi> <mrow><mi>F</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>-</mo><msub> <mi>a</mi> <mi>E</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mi>b</mi> <mrow><mi>F</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>mF</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mo>/</mo> <msub><mi>r</mi><mi>mE</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow> <mrow><msub> <mi>b</mi> <mrow><mi>j</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>r</mi> <mrow><mi>mF</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><msub> <mi>r</mi> <mrow><mi>c</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><msub> <mi>b</mi> <mrow><mi>F</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>-</mo><msubsup> <mi>r</mi> <mrow><mi>mF</mi><mn>1</mn> </mrow> <mn>2</mn></msubsup><msub> <mi>b</mi> <mrow><mi>F</mi><mn>1</mn> </mrow></msub> </mrow> <mrow><msubsup> <mi>r</mi> <mi>mE</mi> <mn>2</mn></msubsup><mo>-</mo><msub> <mi>r</mi> <mi>mE</mi></msub><msub> <mi>r</mi> <mrow><mi>c</mi><mn>1</mn> </mrow></msub> </mrow></mfrac> </mrow>同理得到aj2＝aF1，rj2＝rmF1， <mrow><msub> <mi>r</mi> <mrow><mi>c</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>r</mi> <mrow><mi>mF</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><msub> <mi>b</mi> <mrow><mi>F</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>mF</mi> <mn>2</mn></mrow> </msub> <mo>/</mo> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>j</mi> <mn>2</mn></mrow> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>a</mi> <mrow><mi>j</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><mo>-</mo><msub> <mi>a</mi> <mrow><mi>F</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><mo>+</mo><msub> <mi>b</mi> <mrow><mi>F</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>mF</mi> <mn>2</mn></mrow> </msub> <mo>/</mo> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>j</mi> <mn>2</mn></mrow> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow> <mrow><msub> <mi>b</mi> <mrow><mi>j</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msubsup> <mi>r</mi> <mrow><mi>mF</mi><mn>2</mn> </mrow> <mn>2</mn></msubsup><msub> <mi>b</mi> <mrow><mi>F</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><mo>-</mo><msub> <mi>r</mi> <mrow><mi>mF</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><msub> <mi>r</mi> <mrow><mi>c</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><msub> <mi>b</mi> <mrow><mi>F</mi><mn>2</mn> </mrow></msub> </mrow> <mrow><msubsup> <mi>r</mi> <mrow><mi>j</mi><mn>2</mn> </mrow> <mn>2</mn></msubsup><mo>-</mo><msub> <mi>r</mi> <mrow><mi>j</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><msub> <mi>r</mi> <mrow><mi>c</mi><mn>2</mn> </mrow></msub> </mrow></mfrac> </mrow>其中，rc1為第一連接層與E層交點(diǎn)處的高度，rc2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)；kr、kθ、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，fN為等離子體頻率，f為電波頻率； <mrow><mfrac> <mi>dX</mi> <mi>dr</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msup><mi>f</mi><mn>2</mn> </msup></mfrac><mfrac> <msubsup><mi>df</mi><mi>N</mi><mn>2</mn> </msubsup> <mi>dr</mi></mfrac> </mrow>若在射線追蹤過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＝r0θ＝π/2-λ0 <mrow><msub> <mi>k</mi> <mi>r</mi></msub><mo>=</mo><mo>|</mo><mover> <mi>k</mi> <mo>&RightArrow;</mo></mover><mo>|</mo><mi>cos</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>&pi;</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>-</mo> <mi>&beta;</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>&omega;</mi><mi>sin</mi><mi>&beta;</mi><mo>/</mo><mi>c</mi> </mrow> <mrow><msub> <mi>k</mi> <mi>&theta;</mi></msub><mo>=</mo><mo>-</mo><mo>|</mo><mover> <mi>k</mi> <mo>&RightArrow;</mo></mover><mo>|</mo><mi>cos</mi><mi></mi><mi>&beta;</mi><mi>cos</mi><mi>&alpha;</mi><mo>=</mo><mo>-</mo><mi>&omega;</mi><mi>cos</mi><mi></mi><mi>&beta;</mi><mi>cos</mi><mi>&alpha;</mi><mo>/</mo><mi>c</mi> </mrow>式中，r、θ、是射線路徑上點(diǎn)在球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；kr、kθ、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、kr、kθ、六個(gè)參數(shù)的初始值，即可開始射線軌跡的計(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kr、kθ、計(jì)算該位置處的等離子體濃度fN和折射指數(shù)n，再將解得的r、θ、kr、kθ、fN、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fN，然后重復(fù)步驟五的射線追蹤過程，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 <mrow><mi>S</mi><mo>=</mo><msqrt> <mfrac><mrow> <munderover><mi>&Sigma;</mi><mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn></mrow><mi>N</mi> </munderover> <msup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>x</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>y</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup></mrow><mrow> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn></mrow> </mfrac></msqrt> </mrow>式中，xi是i時(shí)刻對(duì)應(yīng)的仿真群路徑，yi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； <mrow><mi>S</mi><mo>%</mo><mo>=</mo><mi>S</mi><mo>/</mo><mover> <msup><mi>P</mi><mo>&prime;</mo> </msup> <mo>&OverBar;</mo></mover><mo>&times;</mo><mn>100</mn><mo>%</mo> </mrow>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。FSA00000100210100026.tif,FSA00000100210100027.tif,FSA00000100210100028.tif,FSA00000100210100029.tif,FSA000001002101000210.tif,FSA00000100210100037.tif,FSA00000100210100038.tif,FSA00000100210100039.tif,FSA000001002101000310.tif,FSA000001002101000311.tif,FSA000001002101000312.tif,FSA00000100210100042.tif,FSA00000100210100043.tif,FSA00000100210100044.tif,FSA00000100210100045.tif,FSA00000100210100048.tif,FSA00000100210100049.tif,FSA000001002101000410.tif,FSA000001002101000411.tif,FSA000001002101000412.tif,FSA000001002101000413.tif,FSA000001002101000414.tif,FSA000001002101000415.tif,FSA000001002101000416.tif,FSA000001002101000417.tif,FSA00000100210100052.tif
全文摘要
一種短波射線追蹤技術(shù)中的電離層混合建模方法，它由輸入模塊、IRI模塊、QPS模塊和射線追蹤模塊組成八個(gè)步驟一輸入待測(cè)時(shí)間、工作頻率、發(fā)射機(jī)坐標(biāo)、接收機(jī)坐標(biāo)、天線仰角范圍等初始參數(shù)；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、地心角、大圓距離、方位角；三由IRI模型軟件計(jì)算待測(cè)時(shí)間電波反射中點(diǎn)處的E層、F2層的有關(guān)參數(shù)；四將由IRI模型算出的各層參數(shù)傳遞給QPS模型作為輸入?yún)⒘拷⒎瓷淇臻g的多層準(zhǔn)拋物等離子體頻率分布；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)位置開始逐步求解射線追蹤方程組，得到由發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的電波群路徑仿真值；六在IRI模型等離子體頻率分布下進(jìn)行射線追蹤計(jì)算，得到IRI模型下的電波群路徑仿真值；七開展試驗(yàn)，得到實(shí)測(cè)電波群路徑；八比較仿真值與實(shí)測(cè)值間的差距，驗(yàn)證混合建模方法的有效性。
文檔編號(hào)H04B7/00GK101860384SQ20101015993
公開日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者栗偉珉, 田國(guó)亮, 謝樹果, 閻照文 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)