CN109858102B - 一种结合iri模型的甚低频电波传播时变特性预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法，首先推导计算电场分量Er、求解电离层表面阻抗Δi、获取随高度的变化的电离层电子密度Ne和电子温度Te；获取随高度的变化的氧原子密度NO、氧气分子密度
氮气分子密度
结合电离层碰撞频率νe的计算公式，得到随高度变化的碰撞频率νe；然后将所得碰撞频率和电子密度数据代入电离层表面阻抗计算方法中，进一步更新修正电离层表面阻抗Δi；将更新得到的电离层表面阻抗Δi代入电场强度计算公式，进一步求解出不同时间对应的场强Er，并通过仿真画出场强随不同时间的变化图，将结果与实测数据对比，进一步分析预测场强随时间的变化特性。本发明解决了现有技术中存在的甚低频电磁波测量误差和修正误差大的问题。
Description
技术领域
本发明属于电磁学技术领域，具体涉及一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法。
背景技术
甚低频电磁波在地-电离层波导中传播，传输距离远、传播衰减小，并且幅度与相位稳定，因而在超远程通信、导航、定位及授时等领域应用广泛，尤其是在水下潜艇通信方面几乎是唯一的选择。对于沿低电离层下缘和地面所构成的“地-电离层”波导结构传播的甚低频电磁波而言，电离层的非均匀性及时变性、地面的起伏及地质类型的变化、地磁场空时变化等成为影响其传播特性的主要因素，导致其测量误差和修正误差大。
从前人的研究中可知，超长波电波传播预测方法主要有两种解决思路：1、基于电波传播理论，构建传播路径模型，预测电波传播特性。主要关注点为算法精度和模型精度。2、基于多测量平台，利用广域分布的监测点，观测电波传播特点。主要关注点为测量平台精度和测量密度与规模。其中，通过思路2可以掌握电波传播特点，获取传播模型参数，进一步验证算法精度并提高模型精度。
基于甚低频电磁波复杂的传播机理与环境因素，从其两种基本的解决思路出发，若能结合更精确的电离层模型，对甚低频电波传播特性尤其是时变特性进行准确预测，将在提高甚低频导航授时精度方面具有重大意义。而国际参考电离层(InternationalReference Ionosphere，IRI)模型获取不同空间位置及时刻的电子密度、电子温度等电离层参数信息，结合大气模型MSISE(Mass Spectromoter Incoherent Scatter)提供的气体密度，可以得到电离层电子密度和碰撞频率参数随时间的变化数据。若将其结合甚低频电波传播的波导模理论，可在甚低频电波传播特性预测方面探索可行方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法，解决了现有技术中存在的甚低频电磁波测量误差和修正误差大的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、基于甚低频电磁波波导模理论推导计算电场分量Er；
步骤2、基于传播矩阵法的分层思想求解电离层表面阻抗Δi；
步骤3、结合IRI2012模型获取随高度的变化的电离层电子密度Ne和电子温度Te；
步骤4、结合MSISE大气模型获取随高度的变化的氧原子密度NO、氧气分子密度
氮气分子密度
步骤5、结合电离层碰撞频率νe的计算公式，将步骤3和步骤4中参数代入，可得到随高度变化的碰撞频率νe；
步骤6、将所得碰撞频率和电子密度数据代入电离层表面阻抗计算方法中，进一步更新修正电离层表面阻抗Δi；
步骤7、将步骤6中更新得到的电离层表面阻抗Δi代入电场强度计算公式，进一步求解出不同时间对应的场强Er，并通过仿真画出场强随不同时间的变化图，将结果与实测数据对比，进一步分析预测场强随时间的变化特性。
本发明的特点还在于，
步骤1中波导中电场表达式具体为：
其中，
式中，Idl为偶极子的电矩，
是空气中的波阻抗，k为真空中的波数，θ是收发点之间大圆角距离，即弧度，Pkw是收发功率，单位为kW，a是地球半径6370km，z0为场源高度；
式中，
Zn(z)为高度衰减因子，n表示第n次模，z＝r-a为观测点离地高度，具体为：
其中，
tn表示的模方程的第n个根，模方程为：
A(tn)B(tn)＝1
其中
其中，Δg为归一化表面阻抗，Δi为电离层的归一化表面阻抗，W1(t)和W2(t)表示第一类和第二类Airy函数：
式中，积分路径Γ1,2表示在u的复平面上从∞e±2π/3到原点，然后由实轴延伸至+∞；
式中，Zn(z0)为高度增益函数，Λ′n为波导中垂直电偶极子n阶模的激励因子，表示为：
步骤2中电离层表面阻抗求解具体如下：
基于传播矩阵法的分层思想，将电离层分为M层，记每层厚度为hm，β为梯度系数，h为电离层等效高度，z为电离层离地面的高度；
当β(z-h)较大，即VLF波深入电离层内部传播时，第M层的表面阻抗公式为：
其中，
为空气中波阻抗，k0为真空中的波数，θ为从空气到电离层的入射角，ki为电离层中的传播波数，表示为：
其中，
表示电离层的复介电常数，表示为：
其中，ε0为真空中的介电常数，电子质量为me＝9.1×10－31kg，电子电荷量为e＝1.6×10－19C，Ne为电离层的电子密度，v为电离层的碰撞频率；
当z-h较小或为负值，即在电离层底部时，其等效归一化表面阻抗公式为：
其中
其中，Z1为电离层第一层的表面阻抗，其递推求解公式如下：
步骤2中
步骤3模型中输入参数设置具体如下：
电离层高度z：0～150km，分层厚度：100m；
接收点位置:北纬22°34'，东经88°24'；
时间选取某一天00:00-24:00，时间间隔为1h。
步骤4中模型中输入参数设置如下：
电离层高度：0～150km，分层厚度：100m；
接收点位置:北纬22°34'，东经88°24'；
时间选取为某一天00:00-24:00，时间间隔为1h。
步骤5碰撞频率νe计算公式如下：
其中，
式中：Ne为电子密度，单位为m-3；Te为电子温度，单位为K；NO为氧原子密度，单位为m-3；
为氧气分子密度，单位为m-3；
为氮气分子密度，单位为m-3；
由上述公式结合步骤3和步骤4所得参数更新计算电离层碰撞频率ve，单位为s-1。
步骤6具体如下：
电离层的等效复介电常数为：
电离层中传播波数ki公式为：
其中，μ为电离层的导磁系数，认为和真空中一样，即μ＝μ0，ω＝2πf为甚低频电磁波角频率，f为甚低频电波发射频率；
更新电离层分层表面阻抗中的波数，再进一步更新计算电离层表面阻抗Δi。
本发明的有益效果是：
(1)与电离层电子密度和碰撞频率的指数模型相比，结合IRI模型和MSISE大气模型中更接近实测的参数去修正电离层表面阻抗，使所求电离层表面阻抗的值更符合实际；
(2)基于甚低频波导模理论，结合IRI模型构建了甚低频电波传播时变快速预测模型。并进一步分析了电离层下边界位置及等效高度、地质变化等对传播特性的影响；对甚低频电波的时变特性进行了预测与分析，并与实测结果进行了比对。旨在为甚低频电波传播时变特性的研究及预测提供参考。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是本发明实施例中本发明方法、结合指数模型的传统解析方法和实测值的电场强度对比图；
图3是本发明实施例中电离层离地高度变化对甚低频电波传播特性的影响因素分析图；
图4是电离层参考高度变化对甚低频电波传播特性的影响因素分析图。
图5是不同平地面下甚低频电波传播场强的变化图。
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。
本发明一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法，推导过程如下：
地-电离层波导模型：
实际的VLF无线电通信或导航系统都采用垂直发射天线，其天线高度远远小于波长，可理想化为垂直电偶极子。对于此频段的电波，地面和电离层都具有良好的反射特性，并且这两个反射壁之间的距离与电波波长可比拟。电波在地面和电离层之间被来回多次反射，被两个反射壁引导向前传播。这中传播机理称之为波导传播。
如图1所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1、基于甚低频电磁波波导模理论推导计算电场分量Er；
其中，波导中电场表达式具体为：
其中，
式中，Idl为偶极子的电矩，
是空气中的波阻抗，k为真空中的波数，θ是收发点之间大圆角距离，即弧度，Pkw是收发功率，单位为kW，a是地球半径6370km，z0为场源高度；
式中，
Zn(z)为高度衰减因子，n表示第n次模，z＝r-a为观测点离地高度，具体为：
其中，
tn表示的模方程的第n个根，模方程为：
A(tn)B(tn)＝1
其中
其中，Δg为归一化表面阻抗，Δi为电离层的归一化表面阻抗，W1(t)和W2(t)表示第一类和第二类Airy函数：
式中，积分路径Γ1,2表示在u的复平面上从∞e±2π/3到原点，然后由实轴延伸至+∞；
式中，Zn(z0)为高度增益函数，Λ′n为波导中垂直电偶极子n阶模的激励因子，表示为：
步骤2、基于传播矩阵法的分层思想求解电离层表面阻抗Δi；
由于VLF频段波长很长，电离层参数在一个波长变化范围内变化剧烈，因此把电离层假设为水平分层介质，其中，电离层表面阻抗求解具体如下：
基于传播矩阵法的分层思想，将电离层分为M层，记每层厚度为hm，β为梯度系数，h为电离层等效高度，z为电离层离地面的高度；
当β(z-h)较大，即VLF波深入电离层内部传播时，第M层的表面阻抗公式为：
其中，
为空气中波阻抗，k0为真空中的波数，θ为从空气到电离层的入射角，ki为电离层中的传播波数，表示为：
其中，
表示电离层的复介电常数，表示为：
其中，ε0为真空中的介电常数，电子质量为me＝9.1×10－31kg，电子电荷量为e＝1.6×10－19C，Ne为电离层的电子密度，v为电离层的碰撞频率；
当z-h较小或为负值，即在电离层底部时，其等效归一化表面阻抗公式为：
其中
其中，Z1为电离层第一层的表面阻抗，其递推求解公式如下：
步骤2中
步骤3、结合IRI2012模型获取随高度的变化的电离层电子密度Ne和电子温度Te，其中，模型中输入参数设置具体如下：
电离层高度z：0～150km，分层厚度：100m；
接收点位置:北纬22°34'，东经88°24'；
时间选取某一天00:00-24:00，时间间隔为1h；
步骤4、结合MSISE大气模型获取随高度的变化的氧原子密度NO、氧气分子密度
氮气分子密度
其中，模型中输入参数设置如下：
电离层高度：0～150km，分层厚度：100m；
接收点位置:北纬22°34'，东经88°24'；
时间选取为某一天00:00-24:00，时间间隔为1h；
步骤5、结合电离层碰撞频率νe的计算公式，将步骤3和步骤4中参数代入，可得到随高度变化的碰撞频率，其中，碰撞频率νe计算公式如下：
其中，
式中：Ne为电子密度，单位为m-3；Te为电子温度，单位为K；NO为氧原子密度，单位为m-3；
为氧气分子密度，单位为m-3；
为氮气分子密度，单位为m-3；
由上述公式结合步骤3和步骤4所得参数更新计算电离层碰撞频率ve，单位为s-1；
步骤6、将所得碰撞频率和电子密度数据代入电离层表面阻抗计算方法中，进一步更新修正电离层表面阻抗Δi，具体如下：
电离层的等效复介电常数为：
电离层中传播波数ki公式为：
其中，μ为电离层的导磁系数，认为和真空中一样，即μ＝μ0，ω＝2πf为甚低频电磁波角频率，f为甚低频电波发射频率；
更新电离层分层表面阻抗中的波数，再进一步更新计算电离层表面阻抗Δi。
步骤7、将步骤6中更新得到的电离层表面阻抗Δi代入电场强度计算公式，进一步求解出不同时间对应的场强Er，并通过仿真画出场强随不同时间的变化图，将结果与实测数据对比，进一步分析预测场强随时间的变化特性。
为了检验本发明方法的正确性和高效性，我们基于波导模理论，并结合IRI模型计算了VTX-Kolkata传播路径接收点处的场强随时间的变化。计算时，白天设65km以下为自由空间，65～1500km为水平分层各向同性电离层；晚上设80km以下为自由空间，80～150km为水平分层各向同性电离层；分层厚度为100米。电子密度直接由模型提供，碰撞频率通过公式计算得到。采用电离层指数模型时，电离层取0～150km水平分层各向同性电离层，分层厚度为100米。其中，发射频率选18.2kHz，路径长度1943km，发射点为印度甚低频发射站VTX(地理坐标为北纬08°26',东经77°44')，接收点(地理坐标为北纬22°34'，东经88°24')位于印度空间物理中心Kolkata。时间选取为2008年1月17日00.00-24.00。采用本发明方法、电离层参数模型为指数模型时的解析方法计算电场强度，并提取实测结果进行对比，结果如图2。由图2可见，计算结果和实测数据变化趋势较为吻合，所对应的几个突变点的时间也非常吻合。此外，进一步仿真分析了电离层下边界位置及等效高度、地质变化等因素对传播特性的影响，结果如图3、图4和图5所示。结果表明电离层下边界位置不同、等效高度的变化和地质变化都将对甚低频电波传播特性产生影响。而真实传播路径上这些因素都存在复杂变化，因此会导致理论仿真结果存在一定程度上的误差。进一步解释了图2中本发明计算结果和实测数据存在一定误差的原因。同解析方法相比，本发明方法提高了预测精度，并且可以分析场强随时间的变化特性。验证了本发明方法的正确性和高效性。
本发明是一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法，与电离层电子密度和碰撞频率的指数模型相比，结合IRI模型和MSISE大气模型中更接近实测的参数去修正电离层表面阻抗，使所求电离层表面阻抗的值更符合实际；基于“地-电离层”波导理论，结合IRI模型构建了甚低频电波传播时变快速预测模型。并进一步分析了电离层下边界位置及等效高度、地质变化等对传播特性的影响；对甚低频电波的时变特性进行了预测与分析，并与实测结果进行了比对。为甚低频电波传播时变特性的研究及预测提供参考。
Claims (8)
1.一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、基于甚低频电磁波波导模理论推导计算电场分量Er；
步骤2、基于传播矩阵法的分层思想求解电离层表面阻抗Δi；
步骤3、结合IRI2012模型获取随高度的变化的电离层电子密度Ne和电子温度Te；
步骤4、结合MSISE大气模型获取随高度的变化的氧原子密度NO、氧气分子密度NO2、氮气分子密度NN2；
步骤5、结合电离层碰撞频率νe的计算公式，将步骤3和步骤4中参数代入，可得到随高度变化的碰撞频率νe；
步骤6、将所得碰撞频率和电子密度数据代入电离层表面阻抗计算方法中，进一步更新修正电离层表面阻抗Δi；
步骤7、将步骤6中更新得到的电离层表面阻抗Δi代入电场强度计算公式，进一步求解出不同时间对应的场强Er，并通过仿真画出场强随不同时间的变化图，将结果与实测数据对比，进一步分析预测场强随时间的变化特性。
2.根据权利要求1所述的一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法，其特征在于，所述步骤1中波导中电场表达式具体为：
其中，
式中，Idl为偶极子的电矩，
是空气中的波阻抗，k为真空中的波数，θ是收发点之间大圆角距离，即弧度，Pkw是收发功率，单位为kW，a是地球半径6370km，z0为场源高度；
式中，
Zn(z)为高度衰减因子，n表示第n次模，z＝r-a为观测点离地高度，具体为：
其中，
tn表示的模方程的第n个根，模方程为：
A(tn)B(tn)＝1
其中
其中，Δg为归一化表面阻抗，Δi为电离层的归一化表面阻抗，W1(t)和W2(t)表示第一类和第二类Airy函数：
式中，积分路径Γ1,2表示在u的复平面上从∞e±2π/3到原点，然后由实轴延伸至+∞；
式中，Zn(z0)为高度增益函数，Λ′n为波导中垂直电偶极子n阶模的激励因子，表示为：
3.根据权利要求1所述的一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法，其特征在于，所述步骤2中电离层表面阻抗求解具体如下：
基于传播矩阵法的分层思想，将电离层分为M层，记每层厚度为hm，β为梯度系数，h为电离层等效高度，z为电离层离地面的高度；
当β(z-h)较大，即VLF波深入电离层内部传播时，第M层的表面阻抗公式为：
其中，
为空气中波阻抗，k0为真空中的波数，θ为从空气到电离层的入射角，ki为电离层中的传播波数，表示为：
其中，
表示电离层的复介电常数，表示为：
其中，ε0为真空中的介电常数，电子质量为me＝9.1×10－31kg，电子电荷量为e＝1.6×10－19C，Ne为电离层的电子密度，v为电离层的碰撞频率；
当z-h较小或为负值，即在电离层底部时，其等效归一化表面阻抗公式为：
其中
其中，Z1为电离层第一层的表面阻抗，其递推求解公式如下：
4.根据权利要求3所述的一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法，其特征在于，所述步骤2中
5.根据权利要求1所述的一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法，其特征在于，所述步骤3模型中输入参数设置具体如下：
电离层高度z：0～150km，分层厚度：100m；
接收点位置:北纬22°34'，东经88°24'；
时间选取某一天00:00-24:00，时间间隔为1h。
6.根据权利要求5所述的一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法，其特征在于，所述步骤4中模型中输入参数设置如下：
电离层高度：0～150km，分层厚度：100m；
接收点位置:北纬22°34'，东经88°24'；
时间选取为某一天00:00-24:00，时间间隔为1h。
7.根据权利要求6所述的一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法，其特征在于，所述步骤5碰撞频率νe计算公式如下：
其中，
式中：Ne为电子密度，单位为m-3；Te为电子温度，单位为K；NO为氧原子密度，单位为m-3；
为氧气分子密度，单位为m-3；
为氮气分子密度，单位为m-3；
由上述公式结合步骤3和步骤4所得参数更新计算电离层碰撞频率ve，单位为s-1。
8.根据权利要求7所述的一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法，其特征在于，所述步骤6具体如下：
电离层的等效复介电常数为：
电离层中传播波数ki公式为：
其中，μ为电离层的导磁系数，认为和真空中一样，即μ＝μ0，ω＝2πf为甚低频电磁波角频率，f为甚低频电波发射频率；
更新电离层分层表面阻抗中的波数，再进一步更新计算电离层表面阻抗Δi。
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