CN102035608B - 一种分析接收点附近群路径空间差异性的方法 - Google Patents
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Abstract
一种分析接收点附近群路径空间差异性的方法，有九大步骤：一：确定发射点和接收点的经纬度和预测时间，构建传播环境；二：根据地理信息计算大圆距离和发射仰角取值范围；三：求解射线方程得到发射仰角估计值；四：进行线性插值计算，求解精确仰角值；五：对仰角值进行小角度扩展，重新求解方程并对数据进行处理，得到群路径在接收点附近的分布；六：重复步骤一至五，得到不同时间下的群路径分布；七：根据接收位置点坐标与射线群路径的对应关系，得到群路径差随时间和距离的分布；八：计算群路径分辨率并带入到步骤七中结果中，得到地面距离分辨率δL随时间的变化；九：对地面距离分辨率取均值，得到接收机地面距离分辨率。本发明有广阔的应用前景。
Description
(一)技术领域
本发明涉及基于三维射线追踪技术的一种分析接收点附近群路径空间差异性的方法，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，导致电波传输过程中存在多径效应，即电波分别沿不同的路径到达接收点。为了保证在地面一定范围内，电波群路径参数获取的唯一性，需要区分这些沿不同路径到达接收点的电波，并研究地面上不同位置处电波射线轨迹的变化，即电波群路径的空间差异性。当经电离层同一层反射的电波到达地面沿发射机-接收机径向的两个接收点间的群路径差小于接收机的群路径分辨率时，接收机无法分辨出群路径的变化，认为电波传播的轨迹无差异。若群路径差大于接收机的群路径分辨率时，此时接收机可以分辨出两接收点间电波传播路径的变化，认为电波轨迹存在差异。在群路径分辨率的基础上，找到在地面上相对应的值，便可以得到群路径的空间距离分辨率。
当前常用的预测电波参数方法主要是信道模拟的方法。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。该方法可以模拟非常广阔的地域，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(Wattersonmodel)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。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、多径时延、到达角等参量)，从中便可得出群路径的精确解。通常在射线追踪的应用中采用的主要是准抛物模型(QPS)，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：
式中Nem为电子浓度最大值，hm为电子浓度取最大值时所在的高度，Ym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。在通常情况下一版不考虑地磁场的影响，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分析接收点附近群路径空间差异性的方法，该方法克服了现有技术的不足，在国际参考电离层IRI和国际地磁场模型IGRF的基础上，采用三维射线追踪技术对电波传播进行仿真，得到更加符合实际情况的数据。结合仿真数据对接收点附近信号的空间差异性进行分析，引入瑞利距离分辨率作为群路径分辨率判据，并基于群路径分辨率提出了空间距离分辨率的概念及计算方法，实现对空间差异性的量化分析，为短波通信的建立提供指导。因此，基于该射线追踪技术来预测短波通信中的接收点附近空间距离分辨率，能够对短波通信的应用进行指导。
(2)技术方案：如图1所示，本发明一种分析接收点附近群路径空间差异性的方法，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。
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插值计算。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1°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，kr，kθ，
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：
步骤四：通过上述步骤三的计算，可以得到射线刚好能够到达接收点处的近似仰角值。在通常情况下，该值唯一，但在电离层分布相对不均匀时，可能得到多个仰角值，也即所谓的高角波和低角波。对得到的仰角值进一步进行线性插值计算，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：重复步骤一至步骤五，将预测时间设置为不同时间，其它条件不变。可以得到群路径在不同预测时间下在接收点附近的分布情况。
步骤七：以接收点位置为中心点，以接收点处的群路径为准，可以得到群路径差随时间和距接收点的距离的分布，即群路径的空间差异性分布。
步骤八：为了进一步研究空间差异性对接收机的影响，定义接收机地面距离分辨率δL。
根据瑞利距离分辨率公式：δ＝c/B，假设接收机带宽为0.1MHz，电波传播速度为光速，可得群路径分辨率为：3km。该群路径分辨率对应的地面距离即为接收机地面距离分辨率δL。将该值带入到步骤七中得到的群路径差随时间和距离的分布结果中，便可以得到相应的地面距离分辨率δL随时间的变化。
步骤九：对各时间下的地面距离分辨率取均值，最终得到接收机地面距离分辨率。
(3)优点及功效：
本发明以国际电离层参考IRI为基础建立射线传播环境，在准确性以及可信度上都有较大的提高。对接收点附近群路径空间差异性的分析弥补了当前的不足，可以指导短波通信的应用。
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附近信号空间差异性及径向距离分辨率进行预测，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本发明一种分析接收点附近群路径空间差异性的方法流程框图
图2一定条件下电离层电子密度分布示意图
图3经E层反射时电波群路径随时间和地面距离的变化示意图
图4经E层反射时电波群路径差随时间和地面距离差的变化示意图
图5经F2层反射时电波群路径随时间和地面距离的变化示意图
图6经F2层反射时电波群路径差随时间和地面距离差的变化示意图
(五)具体实施方式
见图1，本发明一种分析接收点附近群路径空间差异性的方法，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。
发射点坐标定位在郑州，其坐标为(E113.63°，N34.80°)，接收点坐标定位在青岛，其坐标为(E120.30°，N36.10°)，选择预测时间为2009年7月27日的9:15。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。两地中心在9:15时的电离层电子浓度分布情况，如图2所示。
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＝621.01km。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插值计算。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) 
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。kr，kθ，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，
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1°，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：
| 序号 | 发射频率(MHz) | 发射仰角(度) | 球面距离(公里) |
| 1 | 8 | 15.00 | 724.59 |
| 2 | 8 | 16.00 | 683.39 |
| 3 | 8 | 17.00 | 650.68 |
| 4 | 8 | 18.00 | 618.81 |
| 5 | 8 | 19.00 | 598.34 |
| 6 | 8 | 20.00 | 580.3l |
| 7 | 8 | 15.00 | 724.59 |
通过与实际大圆距离对比，我们可以看到，在仰角为18°左右时能够到达接收点。
步骤四：对得到的仰角值进一步进行插值计算，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。部分计算结果如下：
| 序号 | 发射频率(MHz) | 发射仰角(度) | 球面距离(公里) | 序号 | 发射频率(MHz) | 发射仰角(度) | 球面距离(公里) |
| 1 | 8 | 17.89 | 623.09 | 6 | 8 | 17.94 | 621.61 |
| 2 | 8 | 17.90 | 622.49 | 7 | 8 | 17.95 | 621.29 |
| 3 | 8 | 17.91 | 622.55 | 8 | 8 | 17.96 | 621.03 |
| 4 | 8 | 17.92 | 622.14 | 9 | 8 | 17.97 | 620.85 |
| 5 | 8 | 17.93 | 621.92 | 10 | 8 | 17.98 | 620.44 |
经过计算我们可以得到当仰角为17.96°时恰好到达接收点。
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。这里我们从16.96°到18.96°，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)
| 序号 | 发射频率 | 发射仰角 | 群路径 | 球面距离 | 序号 | 发射频率 | 发射仰角 | 群路径 | 球面距离 |
| 1 | 8.00 | 17.76 | 673.78 | 627.36 | 21 | 8.00 | 17.97 | 667.58 | 620.85 |
| 2 | 8.00 | 17.77 | 673.68 | 627.23 | 22 | 8.00 | 17.98 | 667.38 | 620.63 |
| 3 | 8.00 | 17.78 | 673.18 | 626.73 | 23 | 8.00 | 17.99 | 667.08 | 620.31 |
| 4 | 8.00 | 17.79 | 672.78 | 626.33 | 24 | 8.00 | 18.00 | 666.88 | 620.09 |
| 5 | 8.00 | 17.80 | 672.48 | 626.01 | 25 | 8.00 | 18.01 | 666.48 | 619.68 |
| 6 | 8.00 | 17.81 | 672.18 | 625.70 | 26 | 8.00 | 18.02 | 666.48 | 619.65 |
| 7 | 8.00 | 17.82 | 671.68 | 625.20 | 27 | 8.00 | 18.03 | 666.08 | 619.24 |
| 8 | 8.00 | 17.83 | 671.18 | 624.69 | 28 | 8.00 | 18.04 | 665.88 | 619.02 |
| 9 | 8.00 | 17.84 | 671.18 | 624.66 | 29 | 8.00 | 18.05 | 684.38 | 636.25 |
| 10 | 8.00 | 17.85 | 671.18 | 624.63 | 30 | 8.00 | 18.06 | 665.58 | 618.67 |
| 11 | 8.00 | 17.86 | 670.68 | 624.12 | 31 | 8.00 | 18.07 | 665.38 | 618.45 |
| 12 | 8.00 | 17.87 | 670.08 | 623.53 | 32 | 8.00 | 18.08 | 665.18 | 618.23 |
| 13 | 8.00 | 17.88 | 669.78 | 623.21 | 33 | 8.00 | 18.09 | 664.48 | 617.56 |
| 14 | 8.00 | 17.89 | 669.68 | 623.09 | 34 | 8.00 | 18.10 | 664.08 | 617.17 |
| 15 | 8.00 | 17.90 | 669.08 | 622.49 | 35 | 8.00 | 18.11 | 698.18 | 649.05 |
| 16 | 8.00 | 17.91 | 669.18 | 622.55 | 36 | 8.00 | 18.12 | 663.68 | 616.76 |
| 17 | 8.00 | 17.92 | 668.78 | 622.14 | 37 | 8.00 | 18.13 | 663.29 | 616.37 |
| 18 | 8.00 | 17.93 | 668.48 | 621.83 | 38 | 8.00 | 18.14 | 663.09 | 616.16 |
| 19 | 8.00 | 17.94 | 668.28 | 621.61 | 39 | 8.00 | 18.15 | 662.69 | 615.77 |
| 20 | 8.00 | 17.95 | 667.88 | 621.19 | 40 | 8.00 | 18.16 | 662.49 | 615.57 |
步骤六：重复步骤一至步骤五，将时间分别设置为10∶15、11∶15、12∶15、13∶15、14∶15、15∶15和16∶15，其它参数不变。
步骤七：根据接收位置附近点坐标与射线群路径的对应关系，利用上述仿真结果，可以得到接收点附近的群路径随距离和时间的分布。按照反射层的不同，分别考虑E层和F2层反射时的分布情况，如图3和图4所示。进一步，以接收点处的群路径为基准，可以得到群路径差随时间和距离的分布，如图5和图6所示。
步骤八：为了进一步研究空间差异性对接收机的影响，定义接收机地面距离分辨率δL。
根据瑞利距离分辨率公式：δ＝c/B，假设接收机带宽为0.1MHz，电波传播速度为光速，可得群路径分辨率为：3km。该群路径分辨率对应的地面距离即为接收机地面距离分辨率δL。将群路径分辨率带入到步骤七中得到的群路径差随时间和距离的分布结果中，便可以分别得到E层和F2层反射时相应的地面距离分辨率δL随时间的变化，如下表所示：
步骤九：由表中可以看到，在所选的时段内，E层反射时的地面距离分辨率为：3.20km，F2反射时的地面距离分辨率为6.15km。这里，E层反射时的地面距离分辨率3.20km表示：对于同一个发射电波，假设接收点的接收机为主接收机，附近另一点处的接收机为副接收机，当主副接收机之间的距离小于3.20km时，两接收机不能分辨出所接收电波的差别，认为接收到电波是相同的。对于F2层反射时6.15km的含义与E层反射时类似。
Claims (1)
1.一种分析接收点附近群路径空间差异性的方法，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，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取值范围；
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插值计算；即：在仰角的取值范围内，仰角值从某一初始值开始，每次计算后增加1°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：
P'为群路径，kr，kθ，
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：
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近似仰角值；在通常情况下，该值唯一，但在电离层分布相对不均匀时，得到多个仰角值，也即所谓的高角波和低角波；对得到的仰角值进一步进行插值计算，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：重复步骤一至步骤五，将预测时间设置为不同时间，其它条件不变；得到群路径在不同预测时间下在接收点附近的分布情况；
步骤七：以接收点位置为中心点，以接收点处的群路径为基准，得到群路径差随时间和距接收点的距离的分布；
步骤八：根据瑞利距离分辨率公式：δ=cB，设接收机带宽为B为0.1MHz，电波传播速度为光速，得到群路径分辨率为：3km；将该值代入到步骤七中得到的群路径差随时间和距离的分布结果中，得到相应的地面距离分辨率δL随时间的变化；
步骤九：对各时间下的地面距离分辨率取均值，最终得到接收机地面距离分辨率。
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| WO2008023103A1 (fr) * | 2006-08-04 | 2008-02-28 | Suez Environnement | Dispositif d'acquisition multi-voies pour transmetteurs radio |
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