CN101777958B - 一种预测接收点附近一定范围内群时延的方法 - Google Patents

Abstract

一种预测接收点附近一定范围内群时延的方法，有七大步骤：一：确定发射及接收点经纬度坐标和预测的时间，构建射线传播环境；二：根据发射与接收点的地理信息，得到该两点间沿地球表面的大圆距离及发射仰角取值范围；三：在已构建好的射线传播环境下，求解射线方程和发射仰角的线性差值计算；四：对上步射线到达接收点处的近似仰角值进行差值计算，得到精确的仰角值；五：对仰角值进行小角度扩展，重新求解射线方程并对射线数据进行处理获得接收点附近的一簇射线轨迹；六：根据接收位置点坐标与射线群路径的对应关系，得到接收点附近的群路径分布；七：据射线传播的路径与时间关系，最终获得接收点附近一定范围内的群时延分布。本发明有应用前景。

Description

一种预测接收点附近一定范围内群时延的方法

(一)技术领域

本发明涉及基于射线追踪技术的一种预测接收点附近一定范围内群时延的方法，属于短波通信技术领域。

(二)背景技术

在短波通信的应用中，由于受到电离层电子密度分布不均匀的影响，导致信号传输过程中存在多径效应，即信号分别沿不同的路径到达接收点。因此，在相同传输速率的情况下各路径到达接收点的时间也就存在差异，我们称其中最大的传输时延与最小的传输时延之差为群时延。群时延与信号传输失真有着密切的关系，当时延较大时，使得信号相位失真严重，从相位中提取出来的信息已与原信号有较大差别，直接影响到信号传输的质量。因此，为了能够确保信号传输的有效性，就必须对群时延有准确的预测和估计。

射线追踪技术，是指在高频的情况下，将电磁波近似为射线，根据射线传播所在的环境条件，对电磁波轨迹进行计算。因此利用这项技术就可以计算出发射点到接收点的所有射线，并且，根据射线轨迹我们可以计算每条射线的所有基本特性(如接收点场强、时延、到达角等参量)，从中便可得出群时延的精确解。

当前常用的预测信号群延迟的方法主要有两种：一种是实验测试，另一种是信道模拟。其中实验测试需要在实际电离层链路上进行，并且，电离层的基本特性会随时间、季节等自然因素发生变化，需要多次测量才能得到精确解，使得实验测试的方法成本非常高，因此在一般条件下，通常选用信道模拟的方法。信道模拟方法是指通过对信道特性进行理论分析，建立信道模型，在实验室环境下进行与实际信道类似的模拟，它可以很容易地制造各种典型信道特性环境和电磁环境，能够模拟的地域非常广阔，不受气候条件限制，可以随时进行多次重复实验，而且测试费用少，可以缩短通信设备的研制周期。在各种典型短波信道模型中，沃特森模型(Watterson model)由于大多数情况下能够模拟短波信道的特性，且复杂度低，而被国际无线电咨询委员会(CCIR)推荐并广泛使用。但该模型的局限性在于精度不高，需要使用者对特定区域的电离层和地磁特性有一定的预判和了解，操作起来很不方便，并且仅能够实现对典型环境的模拟，普适性不高。

利用射线追踪技术来预测短波通信应用中的一些特性参数，只要利用的模型能够最大程度的贴近实际，便可以与实际情况吻合到一个比较精确的程度，通常在射线追踪的应用中采用的主要是准抛物模型，该模型介绍如下：

一般采用形式简单的抛物曲线来近似该层内电子浓度随高度的变化的层称之为抛物层，其数学表达式为：

$N_e=\left\{\begin{array}{cc}{N}_{\mathrm{em}}[1-{\left(\frac{h-h_m}{Y_m}\right)}^2]& \left(\right|h-h_m|\≤Y_m)\\ 0& \left(\right|h-h_m|\≥Y_m)\end{array}\right.$

式中N_em为电子浓度最大值，h_m为电子浓度取最大值时所在的高度，Y_m为抛物层的半厚度。由于该数学表达式比较简单，故常被采用。

对于射线追踪技术，一般都采用二维的计算形式，显示的情况一般只有通信两地的大圆距离，因此，在电离层模型的引入以及地磁场的引入大多数是简单的近似模型，另外在模型的使用上只能是采用平均形式，不能够采用步步重构环境模型，这样在使用的精度上存在的误差较大。地磁场的模型一般不会引入。但实际情况下地磁场对射线的影响较大。采用准抛物电离层模型作为射线追踪技术的基础并不被广泛认可，另外，在模型使用过程中，模型的外形参数获取存在问题，并且电离层是根据时间地点不断变化的，并且根据当地地方时间会出现分层的情况，这种情况在利用准抛物模型时很难体现，模型的可信性以及切合实际的情况大大降低。在一般的应用中很少引入地磁场模型，并对地磁场模型的引入很少做出说明。另外，采用二维的显示及计算方式，对计算出的参数的可利用性不高(如射线的到达角等)。所以现有的技术在计算准确性以及符合实际的情况都不高，对计算的参数进一步应用也很难做到。

(三)发明内容

(1)发明目的：本发明的目的是提供一种预测接收点附近一定范围内群时延的方法，该方法克服了现有技术的不足，它采用国际参考电离层IRI作为射线追踪的基础，解决了电离层模型外形参数获取方法，以及电离层电子浓度三维分布预测，将根据任意时刻，任意地点的经纬度，来建立该位置上空的电子浓度分布。引入国际地磁场模型IGRF，该模型可以预测任意时刻的任意地点海拔上空的地磁场分布，获得场强大小以及地磁倾角和地磁偏角。将不可忽略的地磁场的影响加入到射线追踪技术中，从而进一步修正射线传播的环境，得到更加切合实际的计算参数。引入这两个标准模型后，可以实现三维环境下的射线追踪，在三维的环境下计算，完全依据实际大小比例来进行，从而计算出的数据更能体现出当时实际的情况，更好的指导通信双方。因此，基于该射线追踪技术来预测短波通信中的群时延，实现对短波通信的应用指导。

(2)技术方案：

如图1所示，本发明一种预测接收点附近一定范围内群时延的方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：确定发射点以及接收点的地理经纬度坐标以及预测时间，据此构建电离层电子浓度分布以及地磁场分布，并按照磁离子理论，进一步确定折射指数的空间分布；

步骤二：根据发射点与接收点的地理位置信息，可以得到发射点与接收点间沿地球表面的大圆距离，并粗略估计发射仰角的可能取值范围；

大圆距离的计算公式为：

设地球半径为R，球面上两点A、B的经纬度为A(α1，β1)，B(α2，β2)，大圆距离为D，则有：

其中

为A、B两点之间的夹角并由下式确定：

步骤三：对于某一发射频率，在已构建好的射线传播空间环境下，求解球坐标系(r、θ、

)下的射线方程，并对发射仰角进行线性差值计算，得到最佳仰角近似值；即：在仰角的可能取值范围内，仰角值从某一初始值开始，每次计算后增加0.5°后重复计算，直至达到终止值；

在球坐标系中，射线方程可写成分量的形式：

P′为群路径，k_r，k_θ，为波矢量在球坐标系中的三个分量，c为光速，H为哈密尔顿算符；H与波矢量k、相折射指数n的关系为：

其中，Re代表取实部；w为角频率；

步骤四：通过上一步骤的计算，可以得到射线刚好能够到达接收点处的最佳仰角近似值；对得到的该最佳仰角近似值进一步进行差值计算，得到相对精确的仰角值，使得在该仰角发射出的射线正好到达接收点；通过步骤三的计算得到射线刚好能够到达接收点处的最佳仰角近似值后，对得到的该最佳仰角近似值进一步进行差值计算，得到相对精确的仰角值，使得在该仰角发射出的射线正好到达接收点；

步骤五：对得到的仰角值进行小角度扩展，重新求解射线方程，获得到达接收点附近的一簇射线轨迹。对射线数据进行处理，提取射线群路径与大圆距离的对应映射，以此为依据进行线性插值计算，得到接收点附近位置点与发射点之间的大圆距离及射线群路径信息；

步骤六：根据接收位置附近点坐标与射线群路径的对应关系，得到接收点附近的群路径分布；

步骤七：据射线传播的路径与时间关系：t＝l/v(t为时间延迟、l为路径差、v为传播速度)，即上述步骤五对精确仰角值小角度扩展后，重新求解方程，最终获得接收点附近一定范围内的群时延分布。

(3)优点及功效：

本发明采用了国际电离层参考IRI以及IGRF作为基础，来建立射线的传播环境，在准确性以及可信度上都有较大的提高。

在使用上，对于用户来讲只需要对发射、接收点的相应地理位置、预测使用时的时间、天线方向性等参数就可以对接收点30公里范围内的群时延进行预测，在实用性上有较大的突破。另外作为三维的射线追踪技术，在可视化方面有较大的优势，更直观的来使用该方法。

(四)附图说明

图1本发明所述的群时延方法流程图

图2一定条件下电离层电子密度分布示意图

图3仰角分别为10.25°和25.68°时，发射点到接收点的射线轨迹示意图

图4仰角为25.68°时接收点附近的群路径分布示意图

图5仰角为25.68°时接收点附近的群路径差分布示意图

图6接收点附近25公里范围内的群时延分布示意图

(五)具体实施方式

见图1，本发明一种预测接收点附近一定范围内群时延的方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：确定发射点和接收点地理坐标及预测时间段，构建折射指数的空间分布。

发射点坐标定位在青岛，其坐标为(36.1，120.3)，接收点坐标定位在长春，其坐标为(43.84，125.28)，选择预测时间为2009-12-1012:00。利用国际参考电离层IRI以及国际地磁场参考IGRF预测计算得到当前条件下的射线传播环境条件。在该情况下两地中心的电离层电子浓度分布情况如图2。

步骤二：根据发射点与接收点的地理位置信息，可以得到发射点与接收点间沿地球表面的大圆距离，并粗略估计发射仰角的可能取值范围。

大圆距离的计算公式为：

设地球半径为R，球而上两点A、B的经纬度为A(α1，β1)，B(α2，β2)，大圆距离为D，则有：其中

为A、B两点之间的夹角并由下式确定：

具体实施时，大圆距离计算公式为：D＝R×φ其中：D为大圆距离，R为地球半径，取为6370km，φ为由经纬度确定的相应弧度，可以计算得到D＝958.974km。粗略估计，仰角在5°到45°之间，以此作为发射仰角范围。

步骤三：设置发射频率为8MHz，在已构建好的射线传播空间环境下，求解球坐标系(r、θ、

)下的射线方程，并对发射仰角进行线性差值计算，得到最佳仰角近似值；在球坐标系中，射线方程可写成分量的形式：

其中P′为群路径，一般情况，r为地球半径，θ为pi/2-地理纬度，

为地理经度(0-360) $k_r=\frac{\mathrm{\ω}}{c}\cos \mathrm{\β}{k}_{\mathrm{\θ}}=-\frac{\mathrm{\ω}}{c}\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α},$

式中β为发射倾角，α为发射偏角，具体由发射点与接收点两地的经纬度来计算获取。k_r，k_θ，

为波矢量在球坐标系中的三个分量，c为光速，H为哈密尔顿算符。H与波矢量k、相折射指数n的关系为：

其中，Re代表取实部；w为角频率。

设置初始值为：

r为6370，          θ为pi/2-36.1*pi/180，

为120.3*pi/180，

$k_r=\frac{\mathrm{\ω}}{c}\cos \mathrm{\β},$ $k_{\mathrm{\θ}}=-\frac{\mathrm{\ω}}{c}\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α},$

在固定仰角值设为5°下，将变量的初始值代入方程右端，得到新的变量值，再次带入方程右端，如此循环，最终的到在仰角为5°时的射线轨迹。然后，将仰角值增加0.5°，重新计算射线轨迹，如此循环下去，直到到达仰角范围的最大值45°。将得到的射线轨迹数据进行处理，根据得到的大圆距离与实际的大圆距离对比，判断能否到达接收点，并保存数据。可以得到部分计算结果如下：

序       发射频率

号       (MHz)        发射仰角(度)    球面距离(公里)

1        8            10.5            5992.47

2        8            11              918.1

3        8            11.5            1189.93

4        8            25              964.74

5        8            25.5            957.89

6        8            26              951.28

7        8            26.5            943.56

通过与实际大圆距离对比，我们可以看到，在仰角分别为11°和26°左右时能够到达接收点。

步骤四：通过上一步骤的计算，可以得到射线刚好能够到达接收点处的最佳仰角近似值。在通常情况下，该值唯一，但在此例中我们可以看到电离层的电子密度分布相对不均匀，因此得到两个仰角值，分别为11°和26°。对得到的仰角值进一步进行差值计算，以0.01度作为步长，重复上一步骤的计算过程，得到相对精确的仰角值，使得在该仰角发射出的射线正好到达接收点。

序       发射频   发射仰角     球面距离(公   序       发射频   发射仰角     球面距离(公

号       率(MHz)  (度)         里)           号       率(MHz)  (度)         里)

1        8        10.23        967.79        6        8        25.66        956.99

2        8        10.24        967.76        7        8        25.67        954.76

3        8        10.25        958.92        8        8        25.68        958.51

4        8        10.26        966.06        9        8        25.69        955.75

5        8        10.27        1264.78       10       8        25.7         955.6

经过计算我们可以得到当仰角为10.25°和25.68°时恰好到达接收点。如图3所示，发射点到接收点按照这两个仰角到达的射线轨迹。

步骤五：对得到的精确仰角值进行小角度扩展，重新求解射线方程，获得到达接收点附近的一簇射线轨迹。对射线数据进行处理，提取射线群路径与大圆距离的对应映射，以此为依据进行线性插值计算，得到接收点附近位置点与发射点之间的大圆距离及射线群路径信息。这里我们仅对仰角为25.68°的射线进行处理，从24.68°到26.68°之间，以0.01°为步长，重新求解方程得到群路径与大圆的关系，如下表所示：(这里仅给出前40组数据)

      发射频  发射仰            球面距   序   发射频 发射仰            球面距

序号  率      角      群路径    离       号   率     角      群路径    离

1     8.00    24.68   1100.28   967.60   21   8.00   24.88   1101.18   966.64

2     8.00    24.69   1098.38   965.88   22   8.00   24.89   1100.78   966.19

3     8.00    24.70   1101.08   968.12   23   8.00   24.90   1097.78   963.53

4     8.00    24.71   1098.78   966.04   24   8.00   24.91   1098.38   963.96

5     8.00    24.72   1083.98   952.75   25   8.00   24.92   1100.18   965.44

6     8.00    24.73   1101.48   968.20   26   8.00   24.93   1098.88   964.22

7     8.00    24.74   1096.28   963.62   27   8.00   24.94   1098.18   963.55

8     8.00    24.75   1098.18   965.17   28   8.00   24.95   1098.28   963.54

9     8.00    24.76   1099.48   966.20   29   8.00   24.96   1099.28   964.33

10    8.00    24.77   1100.98   967.40   30   8.00   24.97   1098.28   963.38

11    8.00    24.78   1098.58   965.24   31   8.00   24.98   1099.18   964.09

12    8.00    24.79   1100.78   967.07   32   8.00   24.99   1099.78   964.52

13    8.00    24.80   1100.68   966.91   33   8.00   25.00   1098.88   963.68

14    8.00    24.81   1096.78   963.44   34   8.00   25.01   1086.48   953.69

15    8.00    24.82   1097.08   963.60   35   8.00   25.02   1097.48   962.30

16    8.00    24.83   1101.28   967.15   36   8.00   25.03   1099.98   964.39

17    8.00    24.84   1098.38   964.53   37   8.00   25.04   1096.68   961.43

18    8.00    24.85   1092.68   959.36   38   8.00   25.05   1098.48   962.92

19    8.00    24.86   1097.78   963.86   39   8.00   25.06   1101.08   965.08

20    8.00    24.87   1098.68   964.55   40   8.00   25.07   1102.08   965.87

步骤六：根据接收位置附近点坐标与射线群路径的对应关系，得到接收点附近的群路径分布。以发射点为圆心，以得到的球面距离为半径，可以得到一簇在接收点附近的弧线，以及该弧线上的点与群路径的关系，若把坐标原点移至接收点处，即可得到接收点附近一定范围内的群路径分布，如图4所示。进一步把得到的接收点附近各点的群路径与到达接收点处的群路径做差(减去1095.98)，即可得到接收点附近的群路径差分布，如图5所示。

步骤七：据射线传播的路径与时间关系：t＝l/v(t为时间延迟、l为路径差、v为传播速度)，即上述步骤五对精确仰角值小角度扩展后，重新求解方程，最终获得接收点附近一定范围内的群时延分布。如图6所示。可以看到在当前情况下最大群时延为0.12毫秒。

Claims (1)

1.一种预测接收点附近一定范围内群时延的方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：确定发射点以及接收点的地理经纬度坐标，输入当前需要预测的时间，构建射线传播环境；

步骤二：根据发射点与接收点的地理位置信息，得到发射点与接收点间沿地球表面的大圆距离及发射仰角可能的取值范围；

大圆距离的计算公式为：

设地球半径为R，球面上两点A、B的经纬度为A（α1，β1），B（α2，β2），大圆距离为D，则有：

其中

为A、B两点之间的夹角并由下式确定：

步骤三：对于某一发射频率，在已构建好的射线传播空间环境下，求解球坐标系即r、θ、

下的射线方程，并对发射仰角进行线性差值计算，得到最佳仰角近似值；

即：在仰角的可能取值范围内，仰角值从某一初始值开始，每次计算后增加0.5°后重复计算，直至达到终止值；

在球坐标系中，射线方程写成分量的形式：

其中P'为群路径，k_r，k_θ，

为波矢量在球坐标系中的三个分量，c为光速，H为哈密尔顿算符，r、θ、表示球坐标系的坐标变量；H与波矢量k、相折射指数n的关系为：

其中，Re代表取实部；w为角频率；

步骤四：通过步骤三的计算得到射线刚好能够到达接收点处的最佳仰角近似值后，对得到的该最佳仰角近似值进一步进行差值计算，得到相对精确的仰角值，使得在该仰角发射出的射线正好到达接收点；

步骤五：对得到的仰角值进行小角度扩展，重新求解射线方程，获得到达接收点附近的一簇射线轨迹；对射线数据进行处理，提取射线群路径与大圆距离的对应映射，以此为依据进行线性插值计算，得到接收点附近位置点与发射点之间的大圆距离及射线群路径信息；

步骤六：根据接收位置附近点坐标与射线群路径的对应关系，得到接收点附近的群路径分布；

步骤七：据射线传播的路径与时间关系：t＝l/v，其中，t为时间延迟、l为路径差、v为传播速度，再次通过上述步骤五对精确仰角值小角度扩展后，重新求解步骤三中的方程，最终获得接收点附近一定范围内的群时延分布。

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