CN106134520B - 中低纬地区电离层闪烁短期预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中低纬地区电离层闪烁短期预报方法，包括：对实测到的闪烁指数进行过滤及平均处理后得到电离层闪烁指数平均值，当确认存在电离层不均匀体时，利用信号的强度和相位，分析出电离层不均匀体特征参数，根据所述电离层不均匀体特征参数得出当前时刻电离层不均匀体分布状态；根据当前时刻电离层不均匀体的分布状态，利用分析出的电离层不均匀体特征参数，得出未来时刻电离层不均匀体的分布情况；根据未来时刻电离层不均匀体分布状态及用户信息，得出给定链路上的电离层闪烁强度；本发明为我国中低纬地区各种空间信息系统提供短期闪烁预报服务，根据系统参数和特定的使用环境实时或预先得知用户系统可能遭遇到的电离层闪烁造成的影响。

Description

中低纬地区电离层闪烁短期预报方法

技术领域

本发明涉及电离层物理研究领域，尤其涉及一种中低纬地区电离层闪烁短期预报方法。

背景技术

如图1所示，电离层闪烁是指当无线电信号穿越电离层时，受电离层结构的不均匀性影响，信号的幅度和相位会产生短周期不规则变化，这种现象称为电离层闪烁。电离层闪烁产生的影响效应，轻者会使得卫星通信系统、卫星导航系统、雷达监测系统等地空无线电系统的性能下降，严重时可能造成系统信号中断，无法工作。

因而对电离层闪烁现象进行研究，发展电离层闪烁预报方法，可以有效地规避或减缓电离层闪烁对空间信息链路的影响，确保空间信息系统(特别是军用空间信息系统)的安全。

在地理区域上，有两个强闪烁的高发区，一个集中在以磁赤道为中心±20°的低纬地区，另一个在高纬地区，电离层闪烁在磁低纬地区最强。我国的南方地区，特别是台湾、福建、广东、广西、海南及南海地区，均处在磁赤道异常区的峰值区域，其闪烁出现率和程度较磁赤道和极区都显著，在全球范围内是电离层闪烁衰落出现最频繁、影响最严重的地区之一。

目前，美国通过对长期闪烁观测数据的分析和理论研究，建立了WBMOD模型对电离层闪烁进行预报，可获得中长期的闪烁出现趋势预报结果。

欧空局与法国合作，发展了GISM模型。GISM利用NeQuick模型计算电离层电子密度分布，利用多重相位屏理论计算信号的传播效应，对电离层闪烁效应进行预报。

WBMOD和GISM是基于统计结果建立的预报模型，只能对闪烁趋势进行预报，并且由于受建模所用数据的限制，所以这两个模型不能为我国中低纬地区提供准确的电离层闪烁短期预报服务。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种中低纬地区电离层闪烁短期预报方法，用以解决现有技术中的电离层闪烁预报方法不能为我国中低纬地区提供准确的电离层闪烁短期预报服务的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种中低纬地区电离层闪烁短期预报方法，所述方法包括：

步骤A：对实测到的闪烁指数进行过滤及平均处理，进行处理后得到电离层闪烁指数平均值，根据所述电离层闪烁指数平均值判断电离层不均匀体是否存在，当确认存在时执行步骤B；

步骤B：利用实测的信号强度和相位分析出电离层不均匀体特征参数，根据所述电离层不均匀体特征参数得出当前时刻电离层不均匀体的分布状态；

步骤C：根据当前时刻电离层不均匀体的分布状态和分析出的电离层不均匀体特征参数，得出未来时刻特定区域电离层不均匀体的分布状态；

步骤D：根据未来时刻电离层不均匀体的分布状态及得到的用户信息，得出给定链路上的电离层闪烁强度。所述用户信息至少包括：用户的地面位置、用户使用的卫星的位置及卫星的工作频率。

进一步地，所述步骤A具体包括：

步骤A1：对实测的闪烁指数进行过滤；

步骤A2：对过滤后的闪烁指数进行分段并分别取平均，得到一组闪烁指数平均值；

步骤A3：对该组闪烁指数平均值进行判断：当连续预定数量的平均值超过预定门限值时，判定存在电离层不均匀体，否则不存在。

其中，所述步骤A1具体包括：

在实测的闪烁指数中剔除异常数据；

对低仰角数据进行排除。

所述步骤B具体包括：

利用实测的信号强度和相位进行闪烁谱分析，得到电离层不均匀体特征参数，根据电离层不均匀体征参数计算得出当前时刻电离层不均匀体的分布状态，包括当前时刻电离层不均匀体的范围和强度。

所述分析出的电离层不均匀体特征参数至少包括：电离层不均匀体谱指数、电离层不均匀体强度和电离层不均匀体漂移速度。

进一步地，所述步骤C具体包括：

利用分析出的电离层不均匀体特征参数，得出未来时刻电离层不均匀体的分布范围；

利用得出的不均匀体分布范围和分析出的电离层不均匀体强度，得出未来时刻各位置的电离层不均匀体强度，进而得出未来时刻特定区域的电离层不均匀体的分布状态。

进一步地，所述步骤D具体包括：

步骤D1：根据用户地面位置和卫星位置，确定该信息链路穿越电离层不均匀体的位置，即穿刺点位置；

步骤D2：根据穿刺点位置和未来时刻特定区域电离层不均匀体的强度，确定该信息链路上的电离层不均匀体强度；

步骤D3：根据链路上的电离层不均匀体强度和卫星的工作频率，确定未来时刻该信息链路上的电离层闪烁强度。

其中，所述步骤D1中，具体根据如下算法确定该信息链路穿越电离层不均匀体的位置：

在站心坐标系中，给定卫星坐标为(X，Y，Z)，则卫星相对用户的仰角E和方位角A分别为：

$E=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\arctan \frac{Z}{\sqrt{X^2+Y^2}}$

$A=arctan\frac{Y}{X}$

给定用户的经纬度(λ，Φ)，r为地球半径，则得到：

Ψ＝0.5π-E-sin^-1{[r/(r+350)]cos E}

Φ_IPP＝sin^-1(sinΦcosΨ+cosΦsinΨcos A)

λ_IPP＝λ+sin^-1(sinΨsin A/cosΦ_IPP)，其中，λ_IPP和Φ_IPP即为穿刺点位置的经度和纬度，进而得出卫星至电离层不均匀体的距离z₁、用户至电离层不均匀体的距离z₂。

所述步骤D3中，具体根据如下算法确定未来时刻该信息链路上的电离层闪烁强度：

$\mathrm{\λ}=\frac{c}{f},$

$Z=\sqrt{\frac{{\mathrm{\λz}}_1{z}_2}{z_1+z_2}},$

$S_{4w}^2={\mathrm{KZ}}^{(p-1)}{\mathrm{\λ}}^2{C}_{k}L,$

其中，c为光速、K为系数、p为不均匀体谱指数、z₁为卫星至电离层不均匀体的距离、z₂为用户至电离层不均匀体的距离、S4为未来时刻该信息链路上的电离层闪烁指数。

本发明有益效果如下：

本发明可以为我国中低纬地区的各种空间信息系统(特别是军用系统)提供闪烁预报服务，使该地区的用户根据所关心的系统参数(频率等)和特定的使用环境实时或预先得知用户系统可能遭遇到的电离层闪烁造成的影响，以便选择适当的方法(例如，选择纠错编码方式、重发数据或选择适当参数)来设法避免或减小电离层闪烁干扰对我军各种卫星通信/导航/雷达监测系统的影响。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为电离层闪烁示意图；

图2为本发明实施例所述方法的流程示意图。

具体实施方式

基于对电离层闪烁短期预报的需求和目前的研究现状，本发明提供了一种适合于我国中低纬地区的基于实测数据驱动的电离层闪烁短期预报方法。

下面结合附图来具体描述本发明的优先实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

如图2所示，图2为本发明实施例所述方法的流程示意图，具体可以包括以下步骤：

步骤201：对实测到的电离层闪烁指数进行过滤处理；电离层闪烁指数S₄为一组字符串，它定义为信号强度的归一化方差，即其中，<>表示取均值，I为信号强度。

具体过滤处理过程包括：对异常数据的剔除和对低仰角数据的排除；首先剔除突然出现的跳变数据；又由于闪烁指数大小受观测路径仰角的影响，仰角较低时闪烁指数也会较大，会造成不均匀体判别的错误，故在剔除跳变数据后还要排除仰角低于25°的数据。

步骤202：对经过过滤处理后的闪烁指数进行分段，每5分钟的数据为一段，并对每一段数据取平均值，从而得到一组平均值。

对进行判断，若满足电离层不均匀体存在条件，即连续3个大于预定门限值(一般取0.2)，则认为电离层不均匀体存在，并执行步骤203；否则，认为电离层不均匀体不存在。

步骤203：利用实测的信号强度和相位，进行闪烁谱分析，得到电离层不均匀体特征参数(不均匀体谱指数、不均匀体强度和漂移速度)，并根据电离层不均匀体征参数计算得出当前时刻电离层不均匀体的分布状态，包括当前时刻电离层不均匀体的范围和强度等。

具体的说就是，利用电离层不均匀体漂移速度和电离层不均匀体的存在时间，得到电离层不均匀体的范围；利用电离层不均匀强度关于磁力线南北对称的特征，可得到电离层不均匀体的强度分布。

步骤204：根据当前时刻电离层不均匀体的分布状态，利用分析出的电离层不均匀体特征参数，得出未来时刻电离层不均匀体的分布情况；

具体的说就是，利用当前时刻电离层不均匀体的分布状态、电离层不均匀体漂移速度、拟预报时间与当前时间之差，便可得到未来时刻电离层不均匀体的分布范围；

利用分析出的不均匀体强度，结合使用电离层不均匀体强度的衰减规律(这里认为不均匀体强度随时间成指数衰减)，可以给出未来时刻的电离层不均匀体强度；

利用得出的电离层不均匀体分布范围和电离层不均匀体强度，可得出特定区域的不均匀体分布情况(包括分布范围及强度)。

步骤205：根据电离层不均匀体的分布状态，利用信号传播理论，根据输入的用户信息，得出给定链路上的电离层闪烁强度(即电离层闪烁指数)；所述用户信息包括：用户地面位置、卫星位置和工作频率等；

具体的说就是，先根据用户地面位置和卫星位置，确定该信息链路穿越电离层不均匀体的位置(即穿刺点位置)，计算公式如下所示：

在站心坐标系(即以用户位置为原点的坐标系)中，给定卫星坐标为(X，Y，Z)，则卫星相对用户的仰角E和方位角A分别为：

$E=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-arctan\frac{Z}{\sqrt{X^2+Y^2}}$

$A=arctan\frac{Y}{X}$

给定用户的经纬度(λ，Φ)，r为地球半径，则可以得到：

Ψ＝0.5π-E-sin^-1{[r/(r+350)]cos E}

Φ_IPP＝sin^-1(sinΦcosΨ+cosΦsinΨcos A)

λ_IPP＝λ+sin^-1(sinΨsin A/cosΦ_IPP)

λ_IPP和Φ_IPP即为穿刺点位置的经度和纬度。

得出穿刺点经纬度后，可以计算得出卫星至电离层不均匀体的距离z₁、用户至电离层不均匀体的距离z₂。

然后根据电离层不均匀体的强度分布情况，找出该穿刺点处的电离层不均匀体强度，即确定该链路上的电离层不均匀体强度；最后根据链路上的电离层不均匀体强度和工作频率，确定用户受电离层闪烁的影响程度，即该链路上的电离层闪烁指数。

具体的说，由电离层不均匀体强度计算该链路上的电离层闪烁指数S₄的方法为：

已知用户工作频率为f，则，

(c为光速)，

$Z=\sqrt{\frac{{\mathrm{\&lambda;z}}_1{z}_2}{z_1+z_2}},$

(K为系数，p为不均匀体谱指数)，

$S_4=\sqrt{1-\exp (-S_{4w}^2)}.$

综上所述，本发明实施例提供了一种中低纬地区电离层闪烁短期预报方法，可以为我国中低纬地区的各种空间信息系统(特别是军用系统)提供闪烁预报服务，使该地区的用户根据所关心的系统参数(频率等)和特定的使用环境实时或预先得知用户系统可能遭遇到的电离层闪烁造成的影响，以便选择适当的方法(例如，选择纠错编码方式、重发数据或选择适当参数)来设法避免或减小电离层闪烁干扰对我军各种卫星通信/导航/雷达监测系统的影响。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种中低纬地区电离层闪烁短期预报方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤A：对实测到的闪烁指数进行过滤及平均处理，进行处理后得到电离层闪烁指数平均值，根据所述电离层闪烁指数平均值判断电离层不均匀体是否存在，当确认存在时执行步骤B；

步骤B：利用实测的信号强度和相位分析出电离层不均匀体特征参数，根据所述电离层不均匀体特征参数得出当前时刻电离层不均匀体的分布状态；

步骤C：根据当前时刻电离层不均匀体的分布状态和分析出的电离层不均匀体特征参数，得出未来时刻特定区域电离层不均匀体的分布状态；

步骤D：根据未来时刻电离层不均匀体的分布状态及得到的用户信息，得出给定链路上的电离层闪烁强度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：

步骤A1：对实测的闪烁指数进行过滤；

步骤A2：对过滤后的闪烁指数进行分段并分别取平均，得到一组闪烁指数平均值；

步骤A3：对该组闪烁指数平均值进行判断：当连续预定数量的平均值超过预定门限值时，判定存在电离层不均匀体，否则不存在。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤A1具体包括：

在实测的闪烁指数中剔除异常数据；

对低仰角数据进行排除。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：

利用实测的信号强度和相位进行闪烁谱分析，得到电离层不均匀体特征参数，根据电离层不均匀体征参数计算得出当前时刻电离层不均匀体的分布状态，包括当前时刻电离层不均匀体的范围和强度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述分析出的电离层不均匀体特征参数至少包括：电离层不均匀体谱指数、电离层不均匀体强度和电离层不均匀体漂移速度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：

利用分析出的电离层不均匀体特征参数，得出未来时刻电离层不均匀体的分布范围；

利用得出的不均匀体分布范围和分析出的电离层不均匀体强度，得出未来时刻各位置的电离层不均匀体强度，进而得出未来时刻特定区域的电离层不均匀体的分布状态。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述用户信息至少包括：

用户的地面位置、用户使用的卫星的位置及卫星的工作频率。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：

步骤D1：根据用户地面位置和卫星位置，确定该信息链路穿越电离层不均匀体的位置，即穿刺点位置；

步骤D2：根据穿刺点位置和未来时刻特定区域电离层不均匀体的强度，确定该信息链路上的电离层不均匀体强度；

步骤D3：根据链路上的电离层不均匀体强度和卫星的工作频率，确定未来时刻该信息链路上的电离层闪烁强度。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤D1中，具体根据如下算法确定该信息链路穿越电离层不均匀体的位置：

在站心坐标系中，给定卫星坐标为(X，Y，Z)，则卫星相对用户的仰角E和方位角A分别为：

$E=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\arctan \frac{Z}{\sqrt{X^2+Y^2}}$

$A=\arctan \frac{Y}{X}$

给定用户的经纬度(λ，Φ)，r为地球半径，则得到：

Ψ＝0.5π-E-sin^-1{[r/(r+350)]cosE}

Φ_IPP＝sin^-1(sinΦcosΨ+cosΦsinΨcosA)

λ_IPP＝λ+sin^-1(sinΨsinA/cosΦ_IPP)，其中，λ_IPP和Φ_IPP即为穿刺点位置的经度和纬度，进而得出卫星至电离层不均匀体的距离z₁、用户至电离层不均匀体的距离z₂。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤D3中，具体根据如下算法确定未来时刻该信息链路上的电离层闪烁强度：

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{c}{f},$

$Z=\sqrt{\frac{{\mathrm{\&lambda;z}}_1{z}_2}{z_1+z_2}},$

$S_{4w}^2={\mathrm{KZ}}^{(p-1)}{\mathrm{\&lambda;}}^2{C}_{k}L,$

其中，c为光速、K为系数、p为不均匀体谱指数、z₁为卫星至电离层不均匀体的距离、z₂为用户至电离层不均匀体的距离、S4为未来时刻该信息链路上的电离层闪烁指数。