CN102539939A - 基于大地等效电导率反演的高精度海上asf修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大地等效电导率反演的高精度海上ASF修正方法，在ASF修正海域内，确定远离海岸效应区的测量航线，测量得到各测量点的经纬度及对应的电波传播时延；对测量航线的各测量点所对应的传播路径进行陆海分段处理；计算各测量点的ASF测量值；采用Millington经验公式作为正演算法，结合最优化方法，反演各测量点对应传播路径上陆地部分的大地等效电导率；建立大地等效电导率数据库；形成海上ASF修正模型，再根据该海上ASF修正模型对ASF修正海域进行ASF修正，得到该海域的全部ASF修正值。本发明解决了现有理论预测方法精度低，而实测方法费时耗力及无法进行大范围应用的问题。

Description

基于大地等效电导率反演的高精度海上ASF修正方法

技术领域

本发明属于电波传播理论计算技术领域，具体涉及一种基于大地等效电导率反演的高精度海上ASF修正方法。

背景技术

现有获取ASF的方法主要有两种：理论预测方法和实测方法。其中理论方法所采用的预测模型和对应的方法主要有：均匀光滑球面地模型(如：Fock的地波绕射计算方法)、分段均匀光滑球面地模型(如：Millington的经验公式方法、Wait积分方法、波模转换法)、不均匀不光滑球面地模型(如：积分方程方法、抛物线方法等)。理论预测方法较容易实现，但是其预测精度受限于模型中所采用大地电导率的精度，而现有的大地电导率(1992年CCIR公布的世界大地电导率地图集)无法满足ASF修正的精度需求，致使ASF理论修正结果与实测结果存在较大的误差。

实测方法分为主副台时差测量(即TD测量)和到达时刻测量(即TOA测量)。早期的长波接收机只能进行ASF-TD测量，得到的是主副台时差值而非单台站发射信号到达接收点的时延值。现代接收机可以进行ASF-TOA测量，得到的是单台站发射信号到接收点的时延值。实测方法所获得的ASF修正值较理论预测方法准确、可信度高。然而这一方法的主要困难在于逐点测试，存在费用高，测量周期长等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于大地等效电导率反演的高精度海上ASF修正方法，能在降低计算复杂度和减少测量的基础上提高海上ASF修正精度，解决了现有理论预测方法精度低，而实测方法费时耗力及无法进行大范围应用的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于大地等效电导率反演的高精度海上ASF修正方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1、在ASF修正海域内，确定位于远离海岸效应区内的测量航线，测量该测量航线上多个测量点的经纬度，并在各测量点上分别接收来自发射台的电波信号，得到各测量点的电波传播时延T_p；

步骤2、对各测量点所对应的传播路径，结合世界矢量海岸线数据库进行陆海分段处理，得到各测量点对应传播路径上的陆地部分距离R_陆地和海洋部分距离R_海洋；

步骤3、根据步骤1和步骤2得到的数据信息，计算各测量点的ASF测量值ASF_实测值；

步骤4、采用Millington经验公式作为正演算法，结合最优化方法，利用各测量点的经纬度、以及对应的R_陆地、R_海洋和ASF_实测值，反演该测量点对应传播路径上陆地部分的大地等效电导率σ_陆地；

步骤5、对步骤4得到的大地等效电导率σ_陆地以一定的方位角间隔进行加权平均，建立该ASF修正海域所对应的大地等效电导率数据库；

步骤6、采用Millington经验公式结合步骤5得到的大地等效电导率数据库形成海上ASF修正模型，再根据该海上ASF修正模型对ASF修正海域进行ASF修正，得到该海域的全部ASF修正值。

步骤1中测量航线要求满足以下条件：该测量航线与发射台所形成的最大扇形区域包含ASF修正海域。

步骤3的具体方法为：

根据T_p＝PF+SF+ASF，PF＝n_sR/c×10⁶，得到：ASF＝T_p-PF-SF，

其中，T_p为步骤1得到的测量点的电波传播时延；PF为一次相位因子；SF为二次相位因子；ASF为附加二次相位因子；R是测量点与发射台之间的大圆距离、且等于对应的R_陆地和R_海洋之和；n_s是测量点对应传播路径上平均大气折射指数；c是光速；

同时，SF+ASF＝arg(W_g)/ω×10⁶，其中，ω是角速度；W_g是地波衰减因子，arg(W_g)是地波衰减因子的幅角；在传播路径为纯海水时，ASF＝0，得：

其中，W_g|_全海水为传播距离为R、且电导率为σ_海洋时均匀光滑路径模式下的衰减因子，海洋电导率σ_海洋取值为5S/m；

可得：即为测量点的ASF测量值ASF_实测值。

步骤4中最优化方法是指黄金分割法，采用黄金分割法求解出各测量点的大地等效电导率σ_陆地的具体步骤为：根据各测量点的经纬度和ASF_实测值，选择分段均匀光滑路径模型作为传播路径模型，并将Millington经验公式作为正演算法；给定大地等效电导率σ_陆地初始值，并使用该初始值正演计算ASF的理论观察值ASF_理论，将得到的ASF_理论与步骤3得到的ASF_实测值进行比对；评定ASF_理论与ASF_实测值之间的差异小于等于10ns，如果不满足，修改大地等效电导率σ_陆地的取值，以使ASF_理论与ASF_实测值之间的差异不断减小，如此反复迭代，直到ASF_理论与ASF_实测值之间的差异小于等于10ns，此时的大地等效电导率σ_陆地即为所求；

其中，

W_g|_实际路径为测量点对应传播路径的地波衰减因子，根据Millington经验公式计算W_g|_实际路径的具体过程如下：

其中，

W_正和W_反分别代表正向和反向地波衰减因子，W(R_i，σ_i)为传播距离为R_i、电导率为σ_i时均匀光滑路径模式下的衰减因子。

步骤5中加权平均的具体方法是：

其中，σ_ex为大地等效电导率σ_陆地在任意网格点x的值，σ_ei是在[Az_x-δ/2，Az_x+δ/2]区间内第i个点的大地等效电导率，n为在此区间内的大地等效电导率反演数据个数，δ是方位角间隔；w_i是权重，

i＝1....n，Az_x是该网格点x方位角，Az_i为在[Az_x-δ/2，Az_x+δ/2]区间内第i个点的方位角。

步骤6的具体方法是：

计算方位角为Az_x的传播路径上海上任意j点的地波衰减因子

其中，σ_ex是步骤5中获得的大地等效电导率数据库中方位角为Az_x的传播路径的大地等效电导率，R_陆地x和

分别是方位角为Az_x的传播路径的陆地部分距离和海洋部分距离，W(R_i，σ_i)为传播距离为R_i、电导率为σ_i时均匀光滑路径模式下的衰减因子；

再计算方位角为Az_x的传播路径上海上任意j点的ASF修正值

即得海上ASF修正模型；

最后，通过改变该海上ASF修正模型中的σ_ex、R_陆地x和

来得到该海域的全部ASF修正值。

本发明方法的有益效果是：仅需要对ASF修正海域内的一条测量航线进行ASF测量，就能最终得到该ASF修正海域的全部ASF修正值。该方法在减少测量工作量和降低计算复杂度的前提下，能够得到较大海域的具有较高精度的海上ASF修正模型和全部ASF修正值数据。

附图说明

图1是本发明方法的原理图；

图2是实施例1中ASF修正海域及测量航线示意图；

图3是实施例1中用于进行修正结果验证分析的测量航线分布图；

图4是实施例1中通过航线1得到的ASF测量值与修正值比较图；

图5是实施例1中通过航线2得到的ASF测量值与修正值比较图；

图6是实施例1中通过航线3得到的ASF测量值与修正值比较图；

图7是实施例1中通过航线4得到的ASF测量值与修正值比较图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明方法基于大地等效电导率反演的高精度海上ASF修正方法，理论基础及原理是：

ASF是指电波在传播的过程中由陆地部分阻滞电波传播所贡献的附加二次相位延时。当只关心海上ASF修正时，发射台建在内陆，电波信号实际的传播路径为陆地——海洋，把陆地等效为均匀光滑路径，用大地等效电导率(EGC：Equivalent Ground Conductivity)等效陆地的地形起伏和电导率变化，并采用Minllington经验公式进行ASF预测。理论预测结果常与实际测量结果存在较大误差，这主要是由于理论预测模型对大地电参数的不合理选取所致，另外近海区存在的海岸效应影响也会导致近海区ASF的理论预测误差过大。

如图1所示，当测得远离海岸效应的海上某测量点的ASF测量值时，可用测量结果反演该点所在传播路径陆地段的大地等效电导率，并用该结果计算该传播路径上整个海域的ASF，实现对本路径海上ASF数据的修正。基于这一原理，对于某一发射台所覆盖的海域，只需知道海上远离海岸效应区一条测量航线(如图1中箭头所指航线)上的ASF测量值，就可以反演理论预测模型中陆地区域的大地等效电导率，进而对整个海域(如图1所示扇形区域中的海域)ASF值进行计算，得到整个海域的ASF修正数据。这样可以弥补理论预测方法由于电导率数据库精度不足而导致的预测精度较差问题，同时无需像实测方法那样进行大面积高密度的逐点测量。本发明方法能用于大范围海域的较高精度的ASF修正。

本发明方法基于大地等效电导率反演的高精度海上ASF修正方法，具体步骤如下：

步骤1、在ASF修正海域内，确定位于远离海岸效应区内的测量航线，测量该测量航线上多个测量点的经纬度，并在各测量点上分别接收来自发射台的电波信号，得到各测量点的电波传播时延T_p。

发射台指设在陆地上的低频地波导航台或低频授时台，其频率范围为30Hz～300MHz。远离海岸效应区是指与海岸线大圆距离大于等于100km的海域。确定测量航线要求其满足以下条件：该测量航线与发射台所形成的最大扇形区域包含ASF修正海域。

步骤1中使用的装置包括用于提供从发射台到测量点的到达时刻的长波接收机，用于提供测量点的位置信息和lpps信号的GPS接收机，用于比对长波接收机1pps信号与GPS接收机lpps信号的时间间隔计数器，以及用于收集数据的PC机。其中，长波接收机、时间间隔计数器以及GPS接收机依次导线连接，长波接收机、时间间隔计数器以及GPS接收机再分别经串口转换和PC机连接。

步骤2、对各测量点所对应的传播路径，结合世界矢量海岸线数据库进行陆海分段处理，得到各测量点对应传播路径上的陆地部分距离R_陆地和海洋部分距离R_海洋。

步骤3、根据步骤1和步骤2得到的数据信息，计算各测量点的ASF测量值ASF_实测值。

步骤3的具体方法为：

根据T_p＝PF+SF+ASF，PF＝n_sR/c×10⁶，得到：ASF＝T_p-PF-SF；其中，T_p为步骤1得到的测量点的电波传播时延，即长波接收机测得的传播时延，单位为μs；PF为一次相位因子，即地波通过自由空间传播的时间延迟，单位为μs；SF为二次相位因子，即地波通过纯海水传播相对于大气传播的时延，单位为μs；ASF为附加二次相位因子，即实际路径上陆地部分阻滞电波速度贡献的附加时间延迟，单位为μs；R是测量点与发射台之间的大圆距离、且等于对应的R_陆地和R_海洋之和，单位为km；n_s是测量点对应传播路径上平均大气折射指数；c是光速。

同时，SF+ASF＝arg(W_g)/ω×10⁶，其中，ω是角速度；W_g是地波衰减因子，arg(W_g)是地波衰减因子的幅角；在传播路径为纯海水时，ASF＝0，得：

其中，W_g|_全海水为传播距离为R、且电导率为σ_海洋时均匀光滑路径模式下的衰减因子，海洋电导率σ_海洋取值为5S/m。

可得：

即为测量点的ASF测量值ASF_实测值。

步骤4、采用Millington经验公式作为正演算法，结合最优化方法，利用各测量点的经纬度、以及对应的R_陆地、R_海洋和ASF_实测值，反演该测量点对应传播路径上陆地部分的大地等效电导率σ_陆地。

步骤4中最优化方法是指黄金分割法，采用黄金分割法求解出各测量点的大地等效电导率σ_陆地的具体步骤为：根据各测量点的经纬度和ASF_实测值，选择分段均匀光滑路径模型作为传播路径模型，并将Millington经验公式作为正演算法；给定大地等效电导率σ_陆地初始值，并使用该初始值正演计算ASF的理论观察值ASF_理论，将得到的ASF_理论与步骤3得到的ASF_实测值进行比对；评定ASF_理论与ASF_实测值之间的差异小于等于10ns，如果不满足，修改大地等效电导率σ_陆地的取值，以使ASF_理论与ASF_实测值之间的差异不断减小，如此反复迭代，直到ASF_理论与ASF_实测值之间的差异小于等于10ns，此时的大地等效电导率σ_陆地即为所求。

其中，

W_g|_实际路径为测量点对应传播路径的地波衰减因子，根据Millington经验公式(即米林顿经验公式)计算W_g|_实际路径的具体过程如下：

其中，

W_正和W_反分别代表正向和反向地波衰减因子，W(R_i，σ_i)为传播距离为R_i、电导率为σ_i时均匀光滑路径模式下的衰减因子。

上述有关公式的推导及数值实现参见文献：潘威炎.长波超长波极长波传播[M].成都，电子科技大学出版社.2004。

步骤5、对步骤4得到的大地等效电导率σ_陆地地以一定的方位角间隔进行加权平均，建立该ASF修正海域所对应的大地等效电导率数据库。

步骤5中加权平均的具体方法是：

其中，σ_ex为大地等效电导率σ_陆地在任意网格点x的值，σ_ei是在[Az_x-δ/2，Az_x+δ/2]区间内第i个点的大地等效电导率，n为在此区间内的大地等效电导率反演数据个数，δ是方位角间隔；w_i是权重，

i＝1....n，Az_x是该网格点x方位角，Az_i为在[Az_x-δ/2，Az_x+δ/2]区间内第i个点的方位角。

步骤6、采用Millington经验公式结合步骤5得到的大地等效电导率数据库形成海上ASF修正模型，再根据该海上ASF修正模型对ASF修正海域进行ASF修正，得到该海域的全部ASF修正值。

步骤6的具体方法是：

计算方位角为Az_x的传播路径上海上任意j点的地波衰减因子

其中，σ_ex是步骤5中获得的大地等效电导率数据库中方位角为Az_x的传播路径的大地等效电导率，R_陆地x和

分别是方位角为Az_x的传播路径的陆地部分距离和海洋部分距离，W(R_i，σ_i)为传播距离为R_i、电导率为σ_i时均匀光滑路径模式下的衰减因子；

再计算方位角为Az_x的传播路径上海上任意j点的ASF修正值

即得海上ASF修正模型；

最后，通过改变该海上ASF修正模型中的σ_ex、R_陆地x和来得到该海域的全部ASF修正值。

实施例1

我国东海局部海域ASF修正。

如图2所示，发射台为中国长河二号系统8390台链中的宣城台，即A点位置；L4为测量航线，其距离海岸线约170km～210km；实测数据为各测量点的经纬度及宣城台发射信号的传播时延；ASF修正海域为以发射台为中心，北向为参考，方位角为127.54°～128.75°的扇形区域中的的海域。加权平均时方位角间隔为0.01度。

对该待修正海域，采用本发明方法进行ASF修正。同时为了验证本发明方法的可行性及分析所得ASF修正数据的精度，在该待修正海域又进行了部分测量，其测量航线分布如图3所示，分别比较了各测量航线ASF修正值与实测值。各条航线到海岸线的距离分别为：L1为航线1且距离海岸线19km～65km、L2为航线2且距离海岸58km～61km、L3为航线3且距离海岸63km～67km，L4为航线4且是本发明方法中进行ASF修正的测量航线。如图4至图7所示为本实施例通过航线1至航线4到的ASF测量值与修正值比较图，其中，曲线a为对应航线的ASF测量值曲线，曲线b为对应航线的ASF修正值曲线，可以看出，本发明方法得到的ASF修正值与ASF实测值吻合较好，在远海其均方根误差小于100ns，在近海处其均方根误差在200ns左右。由此可见，本发明方法无需像实测方法那样进行大范围高密度的测量，而仅需进行一条航线的实测，就可以获得较高精度、较大范围的海上ASF修正数据。

Claims (6)

1.一种基于大地等效电导率反演的高精度海上ASF修正方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1、在ASF修正海域内，确定位于远离海岸效应区内的测量航线，测量该测量航线上多个测量点的经纬度，并在各测量点上分别接收来自发射台的电波信号，得到各测量点的电波传播时延T_p；

步骤2、对各测量点所对应的传播路径，结合世界矢量海岸线数据库进行陆海分段处理，得到各测量点对应传播路径上的陆地部分距离R_陆地和海洋部分距离R_海洋；

步骤3、根据步骤1和步骤2得到的数据信息，计算各测量点的ASF测量值ASF_实测值；

步骤4、采用Millington经验公式作为正演算法，结合最优化方法，利用各测量点的经纬度、以及对应的R_陆地、R_海洋和ASF_实测值，反演该测量点对应传播路径上陆地部分的大地等效电导率σ_陆地；

步骤5、对步骤4得到的大地等效电导率σ_陆地以一定的方位角间隔进行加权平均，建立该ASF修正海域所对应的大地等效电导率数据库；

步骤6、采用Millington经验公式结合步骤5得到的大地等效电导率数据库形成海上ASF修正模型，再根据该海上ASF修正模型对ASF修正海域进行ASF修正，得到该海域的全部ASF修正值。

2.按照权利要求1所述基于大地等效电导率反演的高精度海上ASF修正方法，其特征在于，步骤1中测量航线要求满足以下条件：该测量航线与发射台所形成的最大扇形区域包含ASF修正海域。

3.按照权利要求2所述基于大地等效电导率反演的高精度海上ASF修正方法，其特征在于，步骤3的具体方法为：

根据T_p＝PF+SF+ASF，PF＝n_sR/c×10⁶，得到：ASF＝T_p-PF-SF，

其中，T_p为步骤1得到的测量点的电波传播时延；PF为一次相位因子；SF为二次相位因子；ASF为附加二次相位因子；R是测量点与发射台之间的大圆距离、且等于对应的R_陆地和R_海洋之和；n_s是测量点对应传播路径上平均大气折射指数；c是光速；

同时，SF+ASF＝arg(W_s)/ω×10⁶，其中，ω是角速度；W_g是地波衰减因子，arg(W_g)是地波衰减因子的幅角；在传播路径为纯海水时，ASF＝0，得：

其中，W_g|_全海水为传播距离为R、且电导率为σ_海洋时均匀光滑路径模式下的衰减因子，海洋电导率σ_海洋取值为5S/m；

可得：

即为测量点的ASF测量值ASF_实测值。

4.按照权利要求3所述基于大地等效电导率反演的高精度海上ASF修正方法，其特征在于，步骤4中最优化方法是指黄金分割法，采用黄金分割法求解出各测量点的大地等效电导率σ_陆地的具体步骤为：根据各测量点的经纬度和ASF_实测值，选择分段均匀光滑路径模型作为传播路径模型，并将Millington经验公式作为正演算法；给定大地等效电导率σ_陆地初始值，并使用该初始值正演计算ASF的理论观察值ASF_理论，将得到的ASF_理论与步骤3得到的ASF_实测值进行比对；评定ASF_理论与ASF_实测值之间的差异小于等于10ns，如果不满足，修改大地等效电导率σ_陆地的取值，以使ASF_理论与ASF_实测值之间的差异不断减小，如此反复迭代，直到ASF_理论与ASF_实测值之间的差异小于等于10ns，此时的大地等效电导率σ_陆地即为所求；

其中，W_g|_实际路径为测量点对应传播路径的地波衰减因子，根据Millington经验公式计算W_g|_实际路径的具体过程如下：

其中，

W_正和W_反分别代表正向和反向地波衰减因子，W(R_i，σ_i)为传播距离为R_i、电导率为σ_i时均匀光滑路径模式下的衰减因子。

5.按照权利要求4所述的基于大地等效电导率反演的高精度海上ASF修正方法，其特征在于，步骤5中加权平均的具体方法是：

其中，σ_ex为大地等效电导率σ_陆地在任意网格点x的值，σ_ei是在[Az_x-δ/2，Az_x+δ/2]区间内第i个点的大地等效电导率，n为在此区间内的大地等效电导率反演数据个数，δ是方位角间隔；w_i是权重，

i＝1....n，Az_x是该网格点x方位角，Az_i为在[Az_x-δ/2，Az_x+δ/2]区间内第i个点的方位角。

6.按照权利要求5所述的基于大地等效电导率反演的高精度海上ASF修正方法，其特征在于，步骤6的具体方法是：

计算方位角为Az_x的传播路径上海上任意j点的地波衰减因子

其中，σ_ex是步骤5中获得的大地等效电导率数据库中方位角为Az_x的传播路径的大地等效电导率，R_陆地x和

分别是方位角为Az_x的传播路径的陆地部分距离和海洋部分距离，W(R_i，σ_i)为传播距离为R_i、电导率为σ_i时均匀光滑路径模式下的衰减因子；

再计算方位角为Az_x的传播路径上海上任意j点的ASF修正值

即得海上ASF修正模型；

最后，通过改变该海上ASF修正模型中的σ_ex、R_陆地x和

来得到该海域的全部ASF修正值。

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