CN108462545A - 一种基于单接收站的电离层foF2参数重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单接收站的电离层foF₂参数重构方法，该方法包括：S1、选择若干个不同信号频率的短波调幅广播电台信号作为发射站，获取它们的发射频率和坐标位置。S2、根据坐标位置计算发射站和接收站之间的地面大圆距离；S3、在已知信号频率和地面大圆距离后，根据测量得到接收信号的俯仰角数据，利用遗传算法反演得到电离层参数。S4、将得到的电离层参数中的foF₂参数，利用克里金插值算法获得大区域foF₂重构结果。本发明能够在不建设发射站的基础上，通过遗传算法反演获取了电离层模型foF₂参数，并通过克里金插值算法获得大区域foF₂重构结果，为大部分地区因无垂测站而无法获得实时电离层foF₂参数提供了一种方法，可有效提高雷达系统定位精度。

Description

一种基于单接收站的电离层foF2参数重构方法

技术领域

本发明涉及信号处理领域，尤其涉及一种基于单接收站的电离层foF₂参 数重构方法。

背景技术

电离层是分布在地球表面60km以上的一个电离区域，由于受到太阳的紫 外线、X射线等的辐射，在大气中发生电离而形成。由于其能够使无线电波改 变传播速度，发生折射、反射、散射和被吸收，因此探测电离层对无线电传播， 航空航天以及军事通信发展都具有重要的意义。

目前，电离层参数的获取多采用国际参考电离层模型(IRI模型)，然而 该模型预报的是电离层的平均模式，不能对电离层参数的实时状态进行现报。 因此电离层参数现报多采用探测方法，如垂直探测、斜向及斜向返回探测，大 功率非相干散射雷达等几种地面主动式无线电探测方法。Reinisch等人基于电 离层垂测站数据开电子浓度剖面反演分析，Chuang等人基于斜向探测得到收 发站之间区域的电子浓度分布，Dyson等人通过返回扫频探测得到电子浓度分 布。然而电离层的垂测和斜测等主动探测模式需要大功率的发射设备，探测系 统的设备复杂，成本较高，因此出现了各种无源探测方式。Jowett等人利用高频非合作辐射源进行电离层传播信道参数预报，Beley等人利用广播电台进行 电离层行波扰动探测，Lind等人利用FM电台进行E层FAI探测。然后在这 些被动探测方式下，均没有对电离层参数foF₂进行重构。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种基于单接收站的电 离层foF₂参数重构方法，用于在于针对现有技术中多采用主动式探测方法获 取电离层参数的状态，以及无源探测方式中电离层参数精度不高等问题，盖方 法仅需要一个接收站，利用现有的短波调幅广播电台作为发射站，通过遗传算 法反演的方法实现电离层foF₂参数的获取，然后利用克里金插值算法，获得 大区域电离层foF₂参数的重构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种基于单接收站的电离层 foF₂参数重构方法，该方法包括以下步骤：

S1、选择若干个不同信号频率的短波调幅广播电台信号作为发射站，获 取它们的发射频率和坐标位置；

S2、根据坐标位置计算发射站和接收站之间的地面大圆距离；

S3、在已知信号频率和地面大圆距离后，根据测量得到接收信号的俯仰 角数据，利用遗传算法反演得到电离层参数；

S4、将得到的电离层参数中的foF₂参数，利用克里金插值算法获得大区 域foF₂重构结果。

在上述技术方案中，步骤S4中计算电离层foF₂参数重构方法包括以下步 骤：

S41、定义“电离层距离”为样本点空间分隔距离；

S42、计算变异函数的实验模型；

S43、根据不同电离层位置的权重因子，实现重构。

进一步地，上述步骤S41中计算样本点空间分隔距离为以下主要过程：

其中x_i和y_i为第i点的经纬度，SF为尺度因子。

进一步地，上述步骤S42中计算变异函数实验模型包括以下步骤：

利用“电离层距离d_ij”作为变量，计算任意两个已知样本点处电离层参数的 平方的一半作为变异函数，做出变异函数与“电离层距离”的数据点图形，然后 利用变异函数理论模型拟合这些数据点，得到变异函数的实验模型。

进一步地，上述步骤S43中根据不同电离层位置的权重因子，实现重构包 括以下步骤：

输入数据即同一时刻的观测数据包含N个样本点，对于第i个点的经纬坐 标为(x_i,y_i)，给出在(x,y)处的电离层参数值f_oF₂(x,y)是f_oF₂(x_i,y_i)的加权，即

式中权重因子λ_i可以通过求解下面的N+1个方程得到，即

式中，γ(x_i,y_i,x_j,y_j)是第i个数据点经纬度(x_i,y_i)与第j个数据点经纬度 (x_j,y_j)的“电离层距离d_ij”来表示的变异函数，μ为拉格朗日乘数。γ(x_i,y_i,x,y)为 重构位置(x,y)第i个数据点经纬度(x_i,y_i)的“电离层距离”表示的变异函数。从 而实现重构。

进一步地，上述步骤S43中根据不同电离层位置的权重因子中，区域化变 量选择为以下过程：

区域化变量即电离层参数值f_oF₂(x,y)，采用临界频率与模型值的相对偏 差值(RDF)，有

式中，是参考电离层模型计算得到的背景电离层临界频率，参考 电离层模型采用国际参考电离层模型。

本发明基于单接收站的电离层foF2参数重构方法仅需要一个接收站，且 利用现有短波调幅广播为发射站，就可以实时获取大范围电离层foF2参数信 息；该方法通过与短波全频段无线电频率划分列表进行比对，确保了接收的信 号都经过了电离层反射，包含了电离层信息；采用遗传算法进行反演，确保了 电离层参数搜索结果为全局最优结果，提高了反演结果的精度；采用克里金插 值算法，以国际参考电离层模型为依据，确保了重构的精度，为电离层foF2 参数的大范围获取提供了另一种解决方法。

因此，本发明的特点是，研究基于一个单接收站，利用已经存在的短波调 幅广播信号可以实现电离层foF₂参数的实时大区域重构。该发明首先通过选 取QPS电离层模型，根据短波广播发射电台频率，位置信息以及测量得到的 俯仰角信息，通过遗传算法反演，从而实现电离层foF₂参数的获取。然后利 用克里金算法，根据局部电离层foF₂参数，获得大区域的重构结果。

附图说明

图1是本发明实施例采用一种基于单接收站的电离层参数获取方法的流 程图；

图2是本发明实施例基于单接收站的电离层foF₂参数重构方法的流程图；

图3是本发明实施例的利用遗传算法进行电离层参数反演方法框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例基于单接收站的电离层参数获取方法包括以下两大步骤：

首先，获取电离层参数；

其次，将得到的电离层参数中的foF₂参数，利用克里金插值算法获得大 区域foF₂重构结果。

其中，上述获取电离层参数本实施例为基于单接收站的电离层参数获取方 法，该方法流程如图1所示，包括：根据国际电信联盟发布的短波全频段无线 电频率划分列表对短波电台进行筛选并得到发射源地址，然后计算地面大圆距 离，再计算理论方位角和俯仰角，最后根据信号频率、地面大圆距离、俯仰角 计算得到电离层参数。

具体地，本发明获取电离层参数，以及将得到的电离层参数中的foF₂参 数，利用克里金插值算法获得大区域foF₂重构结果如图2所示，包括以下步 骤：

S1、选择若干个不同信号频率的短波调幅广播电台信号作为发射站，获 取它们的发射频率和坐标位置，具体包括：

利用现有短波调幅广播电台作为外辐射源信号；

根据国际电信联盟发布的短波全频段无线电频率划分列表，得短波广播电 台频率，以及发射站位置信息。短波广播信号均采用AM调制方式，且为不 同频率短波信号。

S2、根据坐标位置计算发射站和接收站之间的地面大圆距离，具体计算 过程如下：

利用短波广播电台发射站地址信息，计算出收发两站之间的地面大圆距离， 计算地面大圆距离的方法为：

其中，D为计算的距离，θ_A和分别为A点的经度和纬度,θ_B和分别为 B点的经度和纬度。

因此，只要知道了发射站和接收站之间的坐标位置，就可以计算得到它们 之间的地面大圆距离。

S3、在已知信号频率和地面大圆距离后，根据测量得到接收信号的俯仰 角数据，利用遗传算法反演得到电离层参数，如图3所示，具体包括如下步骤：

S3.1、建立QPS电离层模型；

采用QPS电离层模型，则其模型参数应该如下考虑：

准抛物层(QP)模型由Croft and Hoogasian(1968)定义如下

N(r)表示在高度r处(包含地球半径)的电子浓度；

N_m表示在该层最大电子浓度所在高度r_m处(包含地球半径)的电子浓度；

r_b表示层的起始高度；

y_m＝r_m-r_b表示层的半厚度；

Dyson and Bennett(1988)等将其发展为多层准抛物模型，可以由任意多个 准抛物层以及他们之间的连接层组成。包含E层，F2层以及连接层的电离层 模型的电离层电子浓度由下式描述。

式(3)、(4)、(5)分别描述QPS模型中的E层，连接层以及F2层的电子 浓度分布。其中对于E层和F2层

a＝N_m＝12407f_c ² (6)

b＝N_m(r_b/y_m)² (7)

式中，f_c为电离层等离子体临界频率。由EF层和连接层连接处的电离层 电子浓度和电子浓度随高度变化的梯度的连续性可以得到连接层与F层的连 接高度r_c以及连接层参数b_j。

包含E层、连接层以及F层的QPS模型可以由f_oE,r_bE,r_mE,f_oF₂,r_bF₂,r_mF₂六个 参数确定。

S3.2、将已知信号频率、地面大圆距离和测量得到的接收信号的俯仰角数 据一起作为反演输入数据，具体操作如下：

在不考虑地磁影响的情况下，地面发射电磁波斜向传播，并经过电离层反 射后到达地面的射线传播的地面大圆距离由下式得到

式中，μ²＝1-f_p ²/f²是折射指数平方，f_p为电离层等离子体频率，f为电波 频率γ射线进入电离层底的角度(可由射线发射仰角以及电离层底高计算得到)， β为射线的发射仰角，r_t电波在电离层中的反射点高度，r_e地球半径。

当电离层模型选取为QPS模型时,地面距离有解析解形式的解(Dyson andBennett,1988)

式中，n是电波穿过的电离层层数，(U_i-L_i)是式(10)中积分项在第i层 中的积分值。

将电离层模型参数记为m＝[f_oE,r_bE,r_mE,f_oF₂,r_bF₂,r_mF]^T，接收站接收到的n个 信号的频率为f＝[f₁,f₂…f_n]^T，对应的发射站与接收站的地面大圆距离为 D＝[D₁,D₂…D_n]^T，到达接收站的仰角为β＝[β₁,β₂…β_n]^T。

在已知精确的电离层参数m，接收到电台信号频率f以及电波发射仰角β的 情况下，可以由式(10)得到射线斜向传播的地面大圆距离，即信号发射站与 接收站之间的地面大圆距离D。同样，利用测量得到的电波到达接收站的仰角 β(在电离层球形对称近似下发射仰角等于到达仰角)，接收信号频率f以及 地面大圆距离D，就可以反推得到电离层参数m。

S3.3、采用遗传算法，反演得到电离层参数。遗传算法反演主要包括以 下步骤：

S3.3.1、对电离层参数进行编码，编码方案具体方法为：

采用多参数级联二进制编码方式。将电离层参数中的每个参数分别进行二 进制编码，然后按照一定的顺序连接在一起，组成全部参数的个体编码。每个 编码就是遗传算法的一个染色体，其中每个参量为基因。电离层参数用m表示。

S3.3.2、基于电离层QPS模型，计算接收信号的理论俯仰角数据；

接收信号的理论俯仰角数据用β表示，具体计算方法为：

根据各种电离层预报模型(IRI,CRI等)的预报值，以及接收信号的频率， 使用射线跟踪求解不同发射仰角的射线传播的地面大圆距离，选取与收发站间 距离相同的地面距离对应的俯仰角作为理论的俯仰角。

S3.3.3、根据实际测量得到的俯仰角数据，计算适应度函数；

计算适应度函数主要为以下过程：

适应度函数的确定和反演问题的目标函数有关。根据理论计算得到的接收 信号俯仰角β数据与实际测量的数据的β_obs方差之和作为目标函数G(X)。一般 认为测量数据的误差是相互独立的高斯误差，则目标函数为

该函数即反映了理论模型的计算结果与实际观测数据的偏离程度。其中 β_obs为俯仰角的测量值，C_β为该测量误差的协方差矩阵。如果测量数据的误差 互不相关，则有

为第i个接收信号俯仰角的测量标准差。

反演问题就是要寻找一个模型使得这种偏离程度最小。取适应度函数为

F(X)＝C_max-G(X) (14)

其中C_max为一个较大数。

S3.3.4、根据遗传算法搜索得到最优电离层模型参数。

S4、采用克里金插值算法进行电离层foF₂参数重构的方法为：

S4.1、定义“电离层距离”为样本点空间分隔距离

样本点空间分隔距离为：

其中x_i和y_i为第i点的经纬度，SF为尺度因子，它与电离层观测量的相关 系数有关系，体现了局部区域电离层参量之间的相关距离。电离层距离反应了 电离层参量之间经度和纬度上的联系。SF通常取值0.8到4之间，在不同的 区域，不同的时间SF都是不同的，所以SF的取值在实际操作时很有意义， 中纬度区域SF的通常取为2。

S4.2、计算变异函数的实验模型

重构过程中的变异函数实验模型的选取应如下操作：

利用“电离层距离d_ij”作为变量，计算任意两个已知样本点处电离层参数的 平方的一半作为变异函数，做出变异函数与“电离层距离”的数据点图形，然后 利用变异函数理论模型拟合这些数据点，得到变异函数的实验模型(一般选择 变异函数的线性模型)。

S4.3、根据不同电离层位置的权重因子实现重构

假设输入数据即同一时刻的观测数据包含N个样本点，对于第i个点的经 纬坐标为(x_i,y_i)，给出在(x,y)处的电离层参数值f_oF₂(x,y)是f_oF₂(x_i,y_i)的加权， 即

式中权重因子λ_i可以通过求解下面的N+1个方程得到，即

式中γ(x_i,y_i,x_j,y_j)是第i个数据点经纬度(x_i,y_i)与第j个数据点经纬度 (x_j,y_j)的“电离层距离d_ij”来表示的变异函数，μ为拉格朗日乘数。γ(x_i,y_i,x,y)为 重构位置(x,y)第i个数据点经纬度(x_i,y_i)的“电离层距离”表示的变异函数，从 而实现重构。

在上述计算不同电离层位置的权重因子中，区域化变量的选择应如下考虑：

区域化变量即电离层参数值f_oF₂(x,y)，采用临界频率与模型值的相对偏差 值(RDF)，有

其中是参考电离层模型计算得到的背景电离层临界频率，参考电 离层模型采用国际参考电离层模型(IRI2012)。

本发明能够在不建立发射站的基础上，利用一个单接收站，通过接收现有 的短波调幅广播电台，基于遗传算法提取电台发射站与接收站之间反射区域的 电离层参数，并利用克里金插值算法得到大范围foF2参数，实现重构。与其 他被动式电离层参数获取方法相比，本发明方法具有以下特点：

(1)本发明利用现有的短波广播电台作为发射站，自己发不发射信号，因 此节约成本；

(2)该方法通过与短波全频段无线电频率划分列表进行比对，确保了接收 的信号都经过了电离层反射，包含了电离层信息；

(3)采用遗传算法进行反演，确保了电离层参数搜索结果为全局最优结果， 提高了反演结果的精度；

(4)采用克里金插值算法，以国际电离层参考模型为依据，确保了foF2 参数的有效性和精度；

(5)为没有垂测站区域提供了foF2参数，有助于提高雷达系统定位精度 和解决方案。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进 或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于单接收站的电离层foF₂参数重构方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选择若干个不同信号频率的短波调幅广播电台信号作为发射站，获取它们的发射频率和坐标位置；

S2、根据坐标位置计算发射站和接收站之间的地面大圆距离；

S3、在已知信号频率和地面大圆距离后，根据测量得到接收信号的俯仰角数据，利用遗传算法反演得到电离层参数；

S4、将得到的电离层参数中的foF₂参数，利用克里金插值算法获得大区域foF₂重构结果。

2.根据权利要求1所述基于单接收站的电离层foF₂参数重构方法，其特征在于，步骤S4中计算电离层foF₂参数重构方法包括以下步骤：

S41、定义电离层距离为样本点空间分隔距离；

S42、计算变异函数的实验模型；

S43、根据不同电离层位置的权重因子，实现重构。

3.根据权利要求2所述的基于单接收站的电离层foF₂参数重构方法，其特征在于，步骤S41中计算样本点空间分隔距离为以下主要过程：

其中x_i和y_i为第i点的经纬度，SF为尺度因子。

4.根据权利要求2所述基于单接收站的电离层foF₂参数重构方法，其特征在于，步骤S42中计算变异函数实验模型包括以下步骤：

利用电离层距离d_ij作为变量，计算任意两个已知样本点处电离层参数的平方的一半作为变异函数，做出变异函数与“电离层距离”的数据点图形，然后利用变异函数理论模型拟合这些数据点，得到变异函数的实验模型。

5.根据权利要求2所述的基于单接收站的电离层foF₂参数重构方法，其特征在于，所述步骤S43中根据不同电离层位置的权重因子，实现重构包括以下步骤：

输入数据即同一时刻的观测数据包含N个样本点，对于第i个点的经纬坐标为(x_i,y_i)，给出在(x,y)处的电离层参数值f_oF₂(x,y)是f_oF₂(x_i,y_i)的加权，即

式中权重因子λ_i通过求解下面的N+1个方程得到，即

式中，γ(x_i,y_i,x_j,y_j)是第i个数据点经纬度(x_i,y_i)与第j个数据点经纬度(x_j,y_j)的电离层距离d_ij来表示的变异函数，μ为拉格朗日乘数，γ(x_i,y_i,x,y)为重构位置(x,y)第i个数据点经纬度(x_i,y_i)的“电离层距离”表示的变异函数，从而实现重构。

6.根据权利要求5所述基于单接收站的电离层foF₂参数重构方法，其特征在于，所述步骤S43中根据不同电离层位置的权重因子中，区域化变量选择为以下过程：

区域化变量即电离层参数值f_oF₂(x,y)，采用临界频率与模型值的相对偏差值(RDF)，有

式中，是参考电离层模型计算得到的背景电离层临界频率，参考电离层模型采用国际参考电离层模型。

7.根据权利要求1～6任一项所述基于单接收站的电离层foF₂参数重构方法，其特征在于所述地面大圆距离通过下式计算：

其中，D为计算的距离，θ_A和分别为A点的经度和纬度,θ_B和分别为B点的经度和纬度。

8.根据权利要求7所述基于单接收站的电离层foF₂参数重构方法，其特征在于所述利用遗传算法反演得到电离层参数包括以下步骤：

S3.3.1、对电离层参数进行编码，编码方案具体方法为：

采用多参数级联二进制编码方式，将电离层参数中的每个参数分别进行二进制编码，然后按照一定的顺序连接在一起，组成全部参数的个体编码，每个编码就是遗传算法的一个染色体，其中每个参量为基因，电离层参数用m表示；

S3.3.2、基于电离层QPS模型，计算接收信号的理论俯仰角数据；

接收信号的理论俯仰角数据用β表示，具体计算方法为：

根据各种电离层预报模型的预报值，以及接收信号的频率，使用射线跟踪求解不同发射仰角的射线传播的地面大圆距离，选取与收发站间距离相同的地面距离对应的俯仰角作为理论的俯仰角；

S3.3.3、根据实际测量得到的俯仰角数据，计算适应度函数；

计算适应度函数主要为以下过程：

适应度函数的确定和反演问题的目标函数有关，根据理论计算得到的接收信号俯仰角β数据与实际测量的数据的β_obs方差之和作为目标函数G(X)，则目标函数为

该函数即反映了理论模型的计算结果与实际观测数据的偏离程度，其中β_obs为俯仰角的测量值，C_β为该测量误差的协方差矩阵，如果测量数据的误差互不相关，则有

为第i个接收信号俯仰角的测量标准差，

取适应度函数为

F(X)＝C_max-G(X) (14)

其中C_max为一个较大数；

S3.3.4、根据遗传算法搜索得到最优电离层模型参数。