CN109490641B - 一种中纬地区偶发e层短波场强的计算方法 - Google Patents

一种中纬地区偶发e层短波场强的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中纬地区偶发E层短波场强的计算方法，包括如下步骤：步骤A：根据收发点位置信息计算短波链路的大圆距离和反射点位置及其电子回旋频率，根据等效定理计算电波辐射仰角；步骤B：依托国防科技工业电波环境观测站，获取反射点处电离层垂直探测图和电离层斜向探测图；步骤C：若反射点处无直接观测的电离层foE、foEs，首先将斜向探测的MUFEs值转换为斜测链路中间点处的foEs值；步骤D：根据短波通信特点来确定强Es发生条件，计算反射点处的电离层吸收损耗，进而计算出偶发E层的场强。本发明所公开中纬地区偶发E层短波场强的计算方法，能够综合利用电离层垂测和斜测数据，计算得到反射点处的foEs值。

Description

一种中纬地区偶发E层短波场强的计算方法
技术领域
本发明属于电离层环境监测研究领域，特别涉及该领域中的一种中纬地区偶发E层短波场强的计算方法。
背景技术
偶发E层(Es层)是E层的突发不均匀结构，因出现的时间不定而得名。通常赤道地区Es层白天常存在，且没有多大的季节变化；中纬地区foEs的值比较低，有明显的季节变化。尤其值得注意的是，我国东南部地区是Es层高发区，在太阳黑子数较低年份的夏天，常有Es出现，而且foEs值很高。Es层反射的无线电信号通常很强，但如果反射层是半透明的，可能会因信号衰落而给通信带来麻烦。
ITU-R P.534-5公开了一种用与给定发生率的foE数值相对应的电离层衰减值的统计数字来预测Es场强的计算方法，该方法是利用一种统计学方法来计算VHF频段或者HF频段高端部分的信号，通过偶发E层(Es)传播距离达4000km后的场强。此计算方法是以场强与路径中间点上垂直入射的foE，即与偶发E层的临界频率密切相关的实际情况为基础，应注意到此方法适合于在不存在通过E或者F2层的常规传播模式的情况下使用电离层无线电电路，且使用范围只限于地磁纬度在±60°之间。不足之处是：对通信链路而言，HF频段中低端部分信号场强计算方法不包括在内；在实际应用中，foE观测值与给定发生率的foE数值定义是不同的，不能简单的用foE观测值来代替给定发生率的foE数值，当前电离层电波环境的变化规律研究还远远不能适应Es通信计算的使用要求，偶发E层场强的预测精度难以满足实际需要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种适合于短波全频段的中纬地区偶发E层短波场强的计算方法。
本发明采用如下技术方案：
一种中纬地区偶发E层短波场强的计算方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
步骤A：根据收发点位置信息计算短波链路的大圆距离和反射点位置及其电子回旋频率，根据等效定理计算电波辐射仰角；
步骤B：依托国防科技工业电波环境观测站，获取反射点处电离层垂直探测图和电离层斜向探测图，获取反射点处垂测的foE值和foEs值，或者根据斜向探测的Es层最大可用频率MUFEs值反演出斜测链路中间点处的foEs值；
步骤C：若反射点处无直接观测的电离层foE、foEs，首先将斜向探测的MUFEs值转换为斜测链路中间点处的foEs值，利用附近几个中纬站点foE或者foEs进行kriging重构，计算出高频链路反射点处的电离层foE和foEs值；
步骤D：根据短波通信特点来确定强Es发生条件，计算反射点处的电离层吸收损耗，进而计算出偶发E层的场强。
进一步的，所述步骤A具体包括：
步骤A1：根据收发点位置信息计算所述斜测链路的大圆距离，反演所述斜测链路控制点的坐标；
步骤A2：计算所述斜测链路的反射点的磁旋频率和电波辐射仰角。
进一步的，计算大圆距离的具体方法包括：
设链路的地面发射点为A，接收点为B，则A、B两点之间的大圆距离D为：
D＝111.18Φ(°) (1)
其中，Φ为A、B两点间的大圆地心角；
设A与B点的地理纬度和经度分别为lA、aA、与lB、aB，北纬为正，南纬为负，东经为正，西经为负，则Φ满足：
cosΦ＝sin lAsin lB+cos lAcos lBcos(aA-aB) (2)
计算链路反射点坐标的具体方法包括：
对于大圆距离小于3000km的链路，将路径中点作为链路传播路径的反射点，则反射点的纬度和经度ln、an及地磁纬度gn的坐标，分别按下式计算：
ln＝arcsin[sin lAcosΦn+cos lAsinΦncosΦA] (3)
Figure GDA0002698262530000021
gn＝90°-arccos[sin78.5°sinln+cos78.5°coslncos(an-69.0°)] (5)
其中，Φn为A端和反射点之间的大圆地心角，Δa>0时取负号，Δa<0取正号；ΦA为A端向B端的方位角，ΦB为B端向A端的方位角，规定以正北为0°，顺时针方向，即向东，为正值，则ΦA和ΦB分别满足：
Figure GDA0002698262530000022
Figure GDA0002698262530000023
电波辐射仰角计算公式为：
Figure GDA0002698262530000031
其中，D为收发两点之间的大圆距离，h′为斜向投射频率fob对应的虚高；
Es高度为110公里时的入射仰角α，由下式算出：
Figure GDA0002698262530000032
式中d：用d＝D/n算出的n跳模的跳跃长度，R0为地球半径；
Es层控制点处的磁旋频率fH计算公式如下：
Figure GDA0002698262530000033
式中gn为地磁纬度，R0为地球半径；
E模电离层吸收和相关的电子回旋频率选取如下表所示：
路径长度(km) E模
0<D≤2000 M
2000<D≤4000 T+1000,M,R-1000
其中，M：链路中间点；T：发射机位置；R：接收机位置。
进一步的，所述步骤B具体包括：
步骤B1：利用电离层垂直探测技术获取各电离层观测站的电离层垂测频高图，读取垂测电离层的foE、foEs值；
步骤B2：利用斜测设备，获取电离层斜测电离图，从图中读取高频链路Es层最大可用频率MUFEs值，并将其转换为链路控制点处的foEs值，其中，所述斜测链路的通信距离不大于3000km、单跳传播；
步骤B3：根据短波链路控制点位置信息，选取控制点附近的垂测电离层foEs值或斜测链路中间点处的foEs值作为短波链路控制点处电离层垂测的foEs值。
进一步的，根据等效定理和高频链路Es层最大可用频率MUFEs，可得中间点处的foEs值，具体公式如下：
foEs＝MUFEs×cos(Φ0) (11)
其中，Φ0为电波辐射仰角。
进一步的，所述步骤C具体包括：
步骤C1：若控制点附近无直接观测的电离层foEs，将斜向探测的MUFEs值转换为斜测链路控制点处的foEs值；
步骤C2：选取控制点周围垂测和斜测反演出的foEs值，利用Kriging方法进行重构，计算出高频链路反射点处的电离层foEs值。
进一步的，对所述链路反射点附近反演出的电离层foEs数据进行重构，计算得出反射点处的foEs值，kriging重构方法具体过程如下：
设Z(x,y)为电离层的特性参量，已知区域内n个观测站实测的电离层特性参量的值Z(xi,yi)，i＝1,2,3,…,n，则区域内任一点(x0,y0)的Kriging估计量Zp(x0,y0)可表示为：
Figure GDA0002698262530000041
其中Wi为权重系数；Wi满足：
Figure GDA0002698262530000042
其中，dij为电离层两点之间的电离层距离，
Figure GDA0002698262530000043
其中Lon(i)、Lon(j)和Lat(i)、Lat(j)分别表示收、发台站的地理经度和纬度，SK和SF分别是经度或者纬度相关距离比例因子。
进一步的，所述步骤D具体包括：
步骤D1：当工作频率f不小于10MHz且foEs值不小于max(f/3.3,2)时，判断为Es层存在，max(f/3.3,2)表示取f/3.3和2两个值中的最大值；否则，则认为Es层不存在；
步骤D2：当工作频率f大于10MHz且foEs值不小于3.5时，判断为Es层存在；否则，则认为Es层不存在；
步骤D3：计算反射点处的电离层吸收损耗；
步骤D4：计算偶发E层的场强。
进一步的，计算电离层吸收损耗Li的具体方法包括：
Figure GDA0002698262530000044
而
F(X)＝cosP(0.881X)或0.02，选较大者
其中
fV＝fcosα (16)
f：工作频率；α：110km的倾角；fL：反射点处确定的电子回旋频率的平均值，约为100km高度的地球磁场的纵向分量；Xj:中间点处的太阳天顶角或102°，取较小者；Xjnoon：当地午间的X值；ATnoon：当地午间且R12＝0时的吸收因子，其变化图详见ITU-533建议书；
Figure GDA0002698262530000051
吸收层穿透因子，为等效垂直入射波fV与foE之比的函数，其变化图详见ITU-533建议书；P：日吸收指数，其变化图详见ITU-533建议书。
进一步的，计算偶发E层的场强，具体方法包括：
E＝104.8-20logl+P+Gt+Gr-Lt-Lr-Γ-Li-107dBm (17)
其中：E：预测的场强，单位dBm；P：发射功率，单位dB，分辨率1kW；Gt：相对于全向天线的发射天线增益，单位dB；Gr：相对于全向天线的接收天线增益，单位dB；Lt：发射天线损耗，单位dB；Lr：接收天线损耗，单位dB；f：信号频率，单位MHz；Γ：电离层衰减，单位dB；Li：电离层吸收，单位dB；
当0<D≤2600km时，单跳传播信号的电离层衰减Γ(1hop)(d)近似为：
Figure GDA0002698262530000052
当260km<D≤4000km时，两跳传播信号的电离层衰减Γ(2hop)(d)近似为：
Γ(2hop)(d)＝2.6Γ(1hop)(d/2) (19)
计算链路传输路径长度l的具体方法包括：
Figure GDA0002698262530000053
其中：Rs：地球的有效半径，8500km；h：Es层的高度，120km；foEs：垂直入射的Es层连续描迹寻常波分量的顶频，单位MHz。
本发明的有益效果是：
本发明所公开中纬地区偶发E层短波场强的计算方法，能够综合利用电离层垂测和斜测数据，计算得到反射点处的foEs值，判断Es层是否存在，进一步计算出偶发E层时短波链路信号场强，为无线电系统的设计和运行维护提供了良好的技术支撑。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开计算方法的流程示意图；
图2为电离层垂测图；
图3为电离层斜测图；
图4是本发明实施例1所公开垂直入射与斜入射反射波等效性示意图；
图5a是西安至青岛站链路F层MOF和LOF的变化图；
图5b是西安至青岛站链路E层MOF和LOF的变化图；
图6是2016年5月26日西安至青岛站斜测链路MOF和LOF的变化图；
图7a是2017年6月3日新乡站foEs日变化图；
图7b是2017年6月3日西安至青岛链路5MHz信号电平预测值与观测值的比较结果；
图7c是2017年6月3日西安至青岛链路10MHz信号电平预测值与观测值的比较结果；
图7d是2017年6月3日西安至青岛链路15MHz信号电平预测值与观测值的比较结果；
图8a是2017年6月13日新乡站foEs日变化图；
图8b是2017年6月13日西安至青岛链路5MHz信号电平预测值与观测值的比较结果；
图8c是2017年6月13日西安至青岛链路10MHz信号电平预测值与观测值的比较结果；
图8d是2017年6月13日西安至青岛链路15MHz信号电平预测值与观测值的比较结果；
图9a是2017年1月15日新乡站foEs日变化图；
图9b是2017年1月15日西安至青岛链路5MHz信号电平预测值与观测值的比较结果；
图9c是2017年1月15日西安至青岛链路10MHz信号电平预测值与观测值的比较结果；
图9d是2017年1月15日西安至青岛链路15MHz信号电平预测值与观测值的比较结果。
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，以下结合附图和实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种中纬地区偶发E层短波场强的计算方法，利用路径中间点上垂直入射的foE值和短波链路的大圆距离，并考虑电离层吸收衰落，根据短波链路的传输特性，确定出反射点位置，计算出反射点处电离层foE和foEs值，并进一步计算出偶发E层短波场强值。
具体包括：
S101：根据收发点位置信息计算短波链路的大圆距离和反射点位置及其电子回旋频率，利用Smith方法计算电波辐射仰角。本步骤又具体包括如下步骤：
(11)：根据收发点位置信息计算所述斜测通信链路的大圆距离，反演所述斜测链路控制点的坐标；
(12)：计算所述斜测链路的反射点的磁旋频率和电波辐射仰角；
设通信链路的地面发射点为A，接收点为B，则A、B两点之间的大圆距离D为：
D＝111.18Φ(°) (1)
其中，Φ为A、B两点间的大圆地心角；
设A与B点的地理纬度和经度分别为lA、aA、与lB、aB，北纬为正，南纬为负，东经为正，西经为负，则Φ满足：
cosΦ＝sin lAsin lB+cos lAcos lBcos(aA-aB) (2)
计算通信链路反射点坐标的具体方法包括：
对于大圆距离小于3000km的通信链路，将路径中点作为链路传播路径的反射点，则反射点的纬度和经度ln、an及地磁纬度gn的坐标，分别按下式计算：
ln＝arcsin[sin lAcosΦn+cos lAsinΦn cosΦA] (3)
Figure GDA0002698262530000071
gn＝90°-arccos[sin78.5°sin ln+cos78.5°cos lncos(an-69.0°)] (5)
其中，Φn为A端和反射点之间的大圆地心角，Δa>0时取负号，Δa<0取正号；ΦA为A端向B端的方位角，ΦB为B端向A端的方位角，规定以正北为0°，顺时针方向(即向东)为正值，则ΦA和ΦB分别满足：
Figure GDA0002698262530000072
Figure GDA0002698262530000073
如图2所示，根据Smith方法，电波辐射仰角计算公式为：
Figure GDA0002698262530000074
其中，D为收发两点之间的大圆距离，h′为斜向投射频率fob对应的虚高；Es高度为110公里时的入射仰角α，由下式算出：
Figure GDA0002698262530000075
式中d：用d＝D/n算出的n跳模的跳跃长度，R0为地球半径。
Es层控制点处的磁旋频率fH计算公式如下：
Figure GDA0002698262530000081
式中gn为地磁纬度，R0为地球半径。
E层屏蔽和电离层吸收相关的电子回旋频率选取如下表所示：
路径长度(km) E模
0<D≤2000 M
2000<D≤4000 T+1000,M,R-1000
M：链路中间点；T：发射机位置；R：接收机位置。
S102：依托国防科技工业电波环境观测站，获取反射点处电离层垂直探测图和电离层斜向探测图，获取反射点处垂测的foE值和foEs值，或者根据斜向探测的Es层最大可用频率MUFEs值反演出斜测链路中间点处的foEs值。本步骤又具体包括如下步骤：
(21)：利用电离层垂直探测技术获取各电离层观测站的电离层垂测频高图，读取垂测电离层的foE、foEs值；
(22)：利用斜测设备，获取电离层斜测电离图，从图中读取高频链路Es层最大可用频率MUFEs值，并将其转换为链路控制点处的foEs值，其中，所述斜测链路的通信距离不大于3000km、单跳传播；
(23)：根据短波链路控制点位置信息，选取控制点附近的垂测电离层foEs值或斜测链路中间点处的foEs值作为短波链路控制点处电离层垂测的foEs值。
上述数据提取是依托国防科技工业电波环境观测站网国内19个电离层观测站完成的，其中如果某一站点电离层观测数据缺失严重，则不使用这一站点的foEs数据。根据提供的频高图，通过以人工为主的方法读取图中的数据，其中，对于几乎没有可辨识描迹的图则不予采用。为了取得更好的效果，还可利用常见的插值、滤波等数据处理方法对图中少量缺失的数据进行插补，并进行平滑处理，其中如图2所示为电离层垂测图、如图3所示为电离层斜测图。
在电离层垂直探测中，通常用Es层虚高和foEs两个参数来说明电离层Es的基本特征。
为了完成后续的计算，本实施例在选取斜测链路时，限定链路的通信距离不大于3000km、单跳传播。符合条件的斜测链路数量选取越多，最终计算效果越好，但目前国内电离层观测站网的主要目的是垂测，效果较优的斜测链路数量只有50条左右。
图4是本实施例的垂直入射与斜入射反射波等效性示意图,即相应于垂直距离foEs值与斜向投射频率foEs值的对应变化关系。根据马丁定律和高频链路Es层最大可用频率MUFEs，可得反演中间点处的foEs值，具体公式如下：
foEs＝MUFEs×cos(Φ0) (11)
其中，Φ0为所述电波辐射仰角；
由此可以找到相应于斜向投射高度—MUFEs频率特征上的垂直投射foEs频率。
根据公式(3)和(4)计算出反射点的纬度和经度，选取控制点附近的垂测电离层foEs值或斜测链路中间点处的foEs值作为短波链路控制点处电离层垂测的foEs值。
S103：若反射点附近无直接观测的电离层foE、foEs，首先将斜向探测的MUFEs值转换为斜测链路中间点处的foEs值。利用附近几个中纬站点foE或者foEs进行kriging重构，计算出高频链路反射点处的电离层foE和foEs值。本步骤又具体包括如下步骤：
(31)：若控制点附近无直接观测的电离层foEs，将斜向探测的MUFEs值转换为斜测链路控制点处的foEs值；
(32)：选取控制点周围垂测和斜测反演出的foEs值，利用Kriging方法进行重构，计算出高频链路反射点处的电离层foEs值；
对所述短波通信链路反射点附近反演出的电离层foE、foEs数据进行重构，计算得出反射点处的foEs值。利用Kriging算法实现对任意点处电离层参数进行重构的具体方法包括：
设Z(x,y)为电离层的特性参量，已知区域内n个观测站实测的电离层特性参量的值Z(xi,yi)，i＝1,2,3,…,n，则区域内任一点(x0,y0)的Kriging估计量Zp(x0,y0)可表示为：
Figure GDA0002698262530000091
其中Wi为权重系数。Wi满足：
Figure GDA0002698262530000092
其中，dij为电离层两点之间的电离层距离，
Figure GDA0002698262530000093
其中Lon(i)、Lon(j)和Lat(i)、Lat(j)分别表示收、发台站的地理经度和纬度，SK和SF分别是经度或者纬度相关距离比例因子，并且与电离层观测量的相关系数有关系，体现了局部区域内电离层参量之间的相关距离。在不同的区域，不同的时间SF都是不同的，所以，SK和SF的平均值在实际操作时很有意义。本实施例根据多年的电离层观测经验，统计得到适用于中国区域内任意点的电离层参数进行重构的SK和SF。
S104：根据短波通信特点来确定强Es发生条件，计算反射点处的电离层吸收损耗，进而计算出偶发E层的场强。本步骤又具体包括如下步骤：
(41)：当工作频率f不小于10MHz且foEs值不小于max(f/3.3,2)时，判断为Es层存在；否则，则认为Es层不存在；
(42)：当工作频率f大于10MHz且foEs值不小于3.5时，判断为Es层存在；否则，则认为Es层不存在；
(43)：计算反射点处的电离层吸收损耗；
(44)：计算偶发E层的场强。
根据ITU-533建议计算电离层吸收损耗Li，具体方法包括：
Figure GDA0002698262530000101
而
F(X)＝cosP(0.881X)或0.02，选较大者
其中
fV＝f cosα (16)
且
f：工作频率
α：110km的倾角
fL：反射点处确定的电子回旋频率的平均值，约为100km高度的地球磁场的纵向分量
Xj:中间点处的太阳天顶角或102°，取较小者。
Xjnoon：当地午间的X值
ATnoon：当地午间且R12＝0时的吸收因子*
Figure GDA0002698262530000102
吸收层穿透因子，为等效垂直入射波fV与foE之比的函数*
P：日吸收指数*
*：变化图详见ITU-533建议书
计算偶发E层的场强，具体方法包括：
E＝104.8-20log l+P+Gt+Gr-Lt-Lr-Γ-Li-107dBm (17)
其中：
E：预测的场强(dBm)
P：发射功率(dB(1kW))
Gt：相对于全向天线的发射天线增益(dB)
Gr：相对于全向天线的接收天线增益(dB)
Lt：发射天线损耗(dB)
Lr：接收天线损耗(dB)
f：信号频率(MHz)
Γ：电离层衰减(dB)
Li：电离层吸收(dB)
当0<D≤2600km时，单跳传播信号的电离层衰减Γ(1hop)(d)近似为
Figure GDA0002698262530000111
当260km<D≤4000km时，两跳传播信号的电离层衰减Γ(2hop)(d)近似为
Γ(2hop)(d)＝2.6Γ(1hop)(d/2) (19)
计算通信链路传输路径长度l的具体方法包括：
Figure GDA0002698262530000112
其中：
Rs：地球的有效半径，8500km
h：Es层的高度，120km
foEs：垂直入射的Es层连续描迹寻常波分量的顶频(MHz)
强Es出现对短波通信有很大的影响，其影响主要在两个方面:一方面提高短波链路的可用频率，另一方面提高短波信号的强度。图5a，图5b给出了2016年5月26日西安至青岛站斜测链路F层和E层最高可用频率(MOF)和最低可用频率(LOF)变化图，从图中可以看出，大部分斜测图只有Es出现，而没有F层描迹出现，如何将垂测和斜测结果统一是个问题。图6给出了西安至青岛站斜测链路MOF和LOF变化图。由于强Es存在，西安至青岛站斜测链路MOF很大，有时可达30MHz；但是也因为强Es存在，白天电离层大部分时段F层被全遮蔽，凌晨4-5时由于扩展F等原因，不能判断E层和F层MOF和LOF数据。
短波设备接收国家授时中心发射的5MHz、10MHz、15MHz授时信号，记录不同频段短波信号电平，其中不同频率授时信号的工作时间如下表所示：
不同授时频率的工作时间
序号 工作频率 工作时间
1 5MHz 全天
2 10MHz 全天
3 15MHz 9:00-17:00
图7给出了2017年6月3日Es模型预测值与观测值比较结果。其中图7a为新乡站foEs日变化图，图7b、7c、7d为西安至青岛链路5MHz、10MHz、15MHz信号电平预测值与观测值的比较结果，“*”线为预测值，“.”线为实测值。从图中可以看出，相对1月份，6月3日foEs值相对较高，总体出现夜间低白天高的变化特点。5MHz工作频率夜间观测值很高，基本反映了Es期间5MHz频段信号电平的变化特点；10MHz工作频率预测值与观测值变化趋势吻合的较好，且反映Es期间10MHz频率也可以进行短波通信，扩展了短波链路的可用频率范围，且信号电平值也很高，有时比白天的信号电平还大。西安至青岛链路大圆距离在1000公里以上，白天15MHz工作频率也能正常通信，这也反映了在foEs>4MHz时，Es传输模式通常是成立的。总之，在强Es发生期间，Es模型预测值与观测值变化趋势吻合较好，拓宽了短波链路的可用频率范围。
图8给出了2017年6月13日Es模型预测值与观测值比较结果。其中图8a为新乡站foEs日变化图，图8b、8c、8d为西安至青岛链路5MHz、10MHz、15MHz信号电平预测值与观测值的比较结果，“*”线为预测值，“.”线为实测值。从图中可以看出，6月13日foEs值总体偏大，呈现夜间低白天高的日变化特点。foEs通常大于4MHz，这反映了10MHz工作频率在夜间也可能进行通信，在白天15MHz工作频率也可通过Es反射进行传播，且Es反射的信号电平比较大。总体来看，通过Es反射传播，西安至青岛链路扩展了短波链路的可用频率范围，且信号电平值也很高，且预测值与观测值吻合的较好。
图9给出了2017年1月15日Es模型预测值与观测值比较结果。其中图9a为新乡站foEs日变化图，图9b、9c、9d为西安至青岛链路5MHz、10MHz、15MHz信号电平预测值与观测值的比较结果，“*”线为预测值，“.”线为实测值。从图中可以看出，1月份foEs值夜间小，白天大，5MHz和15MHz工作链路符合Es模型计算条件的只有两个点，与观测值变化趋势相符。10MHz工作链路符合Es模型计算条件的有8个点，大部分出现在白天。因为夜间foEs值小，因此5MHz频段西安至青岛链路夜间信号电平较高，白天因电离层吸收导致信号电平较低，而外界噪声比较大，因此白天5MHz信号电平通常很低，信号电平高显示的是外界噪声。新乡站foF2值呈现夜间小，白天高的变化特点，总体foF2较小，因而10MHz频段信号电平出现白天高，夜间低的日变化特点。由于新乡站foF2总体小，因而除Es值很大的时刻外，15MHz频段信号的电波会穿透电离层而不反射回地面，因而15MHz频段信号电平总体较低。
总之，Es模型预测值与观测值变化趋势吻合较好，信号电平的变化随电离层的变化而变化。
在本申请中：
Es：电离层垂测电路图中突发E层，即E区的突发不均匀体结构。
foE：电离层垂测电路图中E区最低厚度的寻常波临界频率。
foEs：垂直入射的Es层连续描迹寻常波分量的顶频。
MUFEs：电离层斜向探测中Es层的最大可用频率。

Claims (8)

1.一种中纬地区偶发E层短波场强的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A：根据收发点位置信息计算短波链路的大圆距离和反射点位置及其电子回旋频率，根据等效定理计算电波辐射仰角；
所述步骤A具体包括：
步骤A1：根据收发点位置信息计算斜测链路的大圆距离，反演斜测链路控制点的坐标；
步骤A2：计算所述斜测链路的反射点的磁旋频率和电波辐射仰角；
步骤B：依托国防科技工业电波环境观测站，获取反射点处电离层垂直探测图和电离层斜向探测图，获取反射点处垂测的foE值和foEs值，或者根据斜向探测的Es层最大可用频率MUFEs值反演出斜测链路中间点处的foEs值；foE：电离层垂测电路图中E区最低厚度的寻常波临界频率，foEs：垂直入射的Es层连续描迹寻常波分量的顶频，单位MHz；
步骤C：若反射点处无直接观测的电离层foE、foEs，首先将斜向探测的MUFEs值转换为斜测链路中间点处的foEs值，利用附近几个中纬站点foE或者foEs进行kriging重构，计算出高频链路反射点处的电离层foE和foEs值；
所述步骤C具体包括：
步骤C1：若控制点附近无直接观测的电离层foEs，将斜向探测的MUFEs值转换为斜测链路控制点处的foEs值；
步骤C2：选取控制点周围垂测和斜测反演出的foEs值，利用Kriging方法进行重构，计算出高频链路反射点处的电离层foEs值；
步骤D：根据短波通信特点来确定强Es发生条件，计算反射点处的电离层吸收损耗，进而计算出偶发E层的场强。
2.根据权利要求1所述中纬地区偶发E层短波场强的计算方法，其特征在于，计算大圆距离的具体方法包括：
设链路的地面发射点为A，接收点为B，则A、B两点之间的大圆距离D为：
D＝111.18Φ (1)
其中，Φ为A、B两点间的大圆地心角；
设A与B点的地理纬度和经度分别为lA、aA、与lB、aB，北纬为正，南纬为负，东经为正，西经为负，则Φ满足：
cosΦ＝sinlAsinlB+coslAcoslBcos(aA-aB) (2)
计算链路反射点坐标的具体方法包括：
对于大圆距离小于3000km的链路，将路径中点作为链路传播路径的反射点，则反射点的纬度和经度ln、an及地磁纬度gn的坐标，分别按下式计算：
ln＝arcsin[sinlAcosΦn+coslAsinΦncosΦA] (3)
Figure FDA0002751206860000021
gn＝90°-arccos[sin78.5°sinln+cos78.5°coslncos(an-69.0°)] (5)
其中，Φn为A端和反射点之间的大圆地心角，Δa>0时取负号，Δa<0取正号；ΦA为A端向B端的方位角，ΦB为B端向A端的方位角，规定以正北为0°，顺时针方向，即向东，为正值，则ΦA和ΦB分别满足：
Figure FDA0002751206860000022
Figure FDA0002751206860000023
电波辐射仰角计算公式为：
Figure FDA0002751206860000024
其中，D为收发两点之间的大圆距离，h′为斜向投射频率fob对应的虚高；
Es高度为110公里时的入射仰角α，由下式算出：
Figure FDA0002751206860000025
式中d：用d＝D/n算出的n跳模的跳跃长度，R0为地球半径；
Es层控制点处的磁旋频率fH计算公式如下：
Figure FDA0002751206860000026
式中gn为地磁纬度，R0为地球半径；
E模电离层吸收和相关的电子回旋频率选取如下表所示：
路径长度(km) E模 0<D≤2000 M 2000<D≤4000 T+1000,M,R-1000
其中，M：链路中间点；T：发射机位置；R：接收机位置。
3.根据权利要求1所述中纬地区偶发E层短波场强的计算方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：
步骤B1：利用电离层垂直探测技术获取各电离层观测站的电离层垂测频高图，读取垂测电离层的foE、foEs值；
步骤B2：利用斜测设备，获取电离层斜测电离图，从图中读取高频链路Es层最大可用频率MUFEs值，并将其转换为链路控制点处的foEs值，其中，所述斜测链路的通信距离不大于3000km、单跳传播；
步骤B3：根据短波链路控制点位置信息，选取控制点附近的垂测电离层foEs值或斜测链路中间点处的foEs值作为短波链路控制点处电离层垂测的foEs值。
4.根据权利要求3所述中纬地区偶发E层短波场强的计算方法，其特征在于：根据等效定理和高频链路Es层最大可用频率MUFEs，可得中间点处的foEs值，具体公式如下：
foEs＝MUFEs×cosΦ0 (11)
其中，Φ0为电波辐射仰角。
5.根据权利要求1所述中纬地区偶发E层短波场强的计算方法，其特征在于，对所述链路反射点附近反演出的电离层foEs数据进行重构，计算得出反射点处的foEs值，kriging重构方法具体过程如下：
设Z(x,y)为电离层的特性参量，已知区域内n个观测站实测的电离层特性参量的值Z(xi,yi)，i＝1,2,3,…,n，则区域内任一点(x0,y0)的Kriging估计量Zp(x0,y0)可表示为：
Figure FDA0002751206860000031
其中Wi为权重系数；Wi满足：
Figure FDA0002751206860000032
其中，dij为电离层两点之间的电离层距离，
Figure FDA0002751206860000033
其中Lon(i)、Lon(j)和Lat(i)、Lat(j)分别表示收、发台站的地理经度和纬度，SK和SF分别是经度或者纬度相关距离比例因子。
6.根据权利要求1所述中纬地区偶发E层短波场强的计算方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：
步骤D1：当工作频率f不小于10MHz且foEs值不小于max(f/3.3,2)时，判断为Es层存在；否则，则认为Es层不存在；
步骤D2：当工作频率f大于10MHz且foEs值不小于3.5时，判断为Es层存在；否则，则认为Es层不存在；
步骤D3：计算反射点处的电离层吸收损耗；
步骤D4：计算偶发E层的场强。
7.根据权利要求6所述中纬地区偶发E层短波场强的计算方法，其特征在于，计算电离层吸收损耗Li的具体方法包括：
Figure FDA0002751206860000041
而
F(X)＝cosP(0.881X)或0.02，选较大者
其中
fV＝fcosα (16)
f：工作频率；α：110km的倾角；fL：反射点处确定的电子回旋频率的平均值，约为100km高度的地球磁场的纵向分量；Xj:中间点处的太阳天顶角或102°，取较小者；Xjnoon：当地午间的X值；ATnoon：当地午间且R12＝0时的吸收因子，其变化图详见ITU-533建议书；
Figure FDA0002751206860000042
吸收层穿透因子，为等效垂直入射波fV与foE之比的函数，其变化图详见ITU-533建议书；P：日吸收指数，其变化图详见ITU-533建议书。
8.根据权利要求6所述中纬地区偶发E层短波场强的计算方法，其特征在于，计算偶发E层的场强，具体方法包括：
E＝104.8-20logl+P+Gt+Gr-Lt-Lr-Γ-Li-107 (17)
其中：E：预测的场强，单位dBm；P：发射功率，单位dB，分辨率1kW；Gt：相对于全向天线的发射天线增益，单位dB；Gr：相对于全向天线的接收天线增益，单位dB；Lt：发射天线损耗，单位dB；Lr：接收天线损耗，单位dB；f：信号频率，单位MHz；Γ：电离层衰减，单位dB；Li：电离层吸收，单位dB；
当0<D≤2600km时，单跳传播信号的电离层衰减Γ(1hop)(d)近似为：
Figure FDA0002751206860000043
当260km<D≤4000km时，两跳传播信号的电离层衰减Γ(2hop)(d)近似为：
Γ(2hop)(d)＝2.6Γ(1hop)(d/2) (19)
计算链路传输路径长度l的具体方法包括：
Figure FDA0002751206860000051
其中：Rs：地球的有效半径，8500km；h：Es层的高度，120km。
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