CN111157979B - 基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统及方法 - Google Patents

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    • G01S2013/0227—OTH, Over-The-Horizon radar

Abstract

本发明涉及雷达探测技术，具体涉及基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统及方法，该系统包括短波发射站和位于矮波发射站照射区域内的浮标；短波发射站，用于向电离层预设区域辐射短波，接收浮标返回的坐标信息并根据自身的坐标以所接收的浮标坐标之间的相对位置关系对电离层的倾斜角度进行修正；浮标上设有应答机，应答机用于在接收到短波发射站发射的短波后，将浮标自身的地理坐标调制到短波中并发射至短波发射站，并将测量的短波的多普勒频移误差和/或短波时延信息调制到接收的短波中，然后将调制后的短波发射至短波发射站。该修改系统能获取更加精确的电离层倾斜角度，进而提高了待探测目标的定位精度。

Description

基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统及方法
技术领域
本发明属于雷达探测技术领域，尤其涉及基于浮标式双程斜返探测的电离 层倾斜修正系统及方法。
背景技术
OTHR(Over-The-Horizon Radar，天波超视距雷达)是一种工作在频率介于 3MHz与30MHz之间的短波雷达，其工作原理是向电离层发射短波，电离层将 短波反射到待探测区域中，待探测区域对电离层反射的短波进行反射，反射后 的短波经过电离层的反射后返回到接收站，接收站根据所接收的短波信号进行 目标的判断。天波超视距雷达具有抗低空突防、抗隐身、抗反辐射导弹、抗电 子干扰的特点。
但是，在使用天波超视距雷达进行远程战略预警时，受反射电离层的实时 状态影响很大，例如，用于反射短波的电离层发生倾斜会导致电波在电离层中 的传播路径产生变化，从而导致电波群路径和射线大圆距离增加或减小，进而 对目标探测产生不良影响，例如，当电离层向上倾斜时会引起较长距离的射线 跳距；当电离层向下倾斜时会导致射线跳距变短，因此，对电离层倾斜角度的 探测是十分必要的。目前通常通过电离层斜向返回探测技术对电离层的倾斜角 度进行探测。斜向返回探测是指，当短波发射站发射的无线电波倾斜投射到电 离层时，经电离层反射到达远方的地球表面，因地球表面的不平坦和电气不均 匀特性而产生散射作用，使一部分电波能量循原入射路径再经电离层反射而返 回到发射点，被与发射机处于同一位置的接收机所收到。利用这个机制进行探 测的方法又称为天波后向散射探测或地面后向散射探测。
但是，现有的斜向返回探测技术对陆地和近海区域的目标定位精度一般可以满足要求，但对远海区域由于布站能力所限，只能通过近海区域电离层数据基于 模型外推的方法得到，并不是真实可靠的电离层状态，因此严重制约了雷达在 远海区域的定位精度，因此，现有技术存在待探测目标定位精度较低的技术问 题。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于双程斜向返回探测系统，基于浮标式双程 斜返探测的电离层倾斜修正系统。
本发明的另一目的是提供一种基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正 方法。
为实现上述第一个目的，本发明采用的技术方案是：基于浮标式双程斜返 探测的电离层倾斜修正系统，包括短波发射站和位于照射区域内的浮标；
短波发射站，用于向电离层预设区域辐射短波，接收浮标返回的坐标信息 并根据自身的坐标以所接收的浮标坐标之间的相对位置关系对电离层的倾斜角 度进行修正，其中，电离层预设区域为能将短波辐射至待探测目标所在区域的 电离层区域；
浮标上设有应答机，应答机用于在接收到短波发射站发射的短波后，将浮 标自身的地理坐标调制到短波中并发射至短波发射站，并将测量的短波的多普 勒频移误差和/或短波时延信息调制到接收的短波中，然后将调制后的短波发射 至短波发射站。
在上述的基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统中，浮标包括浮 体，浮体上方设置有馈源以及至少两个振子的天线；每个振子呈倒V型设置， 各振子的顶端与馈源电磁耦合连接；馈源设置于天线的顶部，馈源与应答机电 连接。
在上述的基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统中，浮体的底部 通过连接杆连接有重物，用于防止浮体倾覆；浮体的顶面上设有多棱凸台，多 棱凸台的每一个侧棱面上设有太阳能电板，为浮标提供电力；多棱凸台的顶面 上设有竖直支架，竖直支架的顶部设有顶部平台，馈源固定设置于顶部平台的 上方；每个振子的底端固定在顶部平台上，每个振子之间呈倒V型设置，且每 个振子的顶端与馈源电磁耦合连接，馈源设置于天线的顶部。
在上述的基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统中，浮体的底部 通过连接杆连接有重物，用于防止浮体倾覆；浮体的顶面上设有多棱凸台，多 棱凸台的每一个侧棱面上设有太阳能电板，为浮标提供电力；多棱凸台的顶面 上设有竖直支架，竖直支架的顶端设有顶部平台，顶部平台上至少固定有两根 立柱，每个振子分别固定在各立柱的顶端，且每个振子呈倒V型设置；每个振 子的顶端分别与馈源电磁耦合连接，每个振子的底端分别朝向斜下方延伸至顶 部平台以下且高于海面；各立柱的顶端分别与每个振子靠近顶端的三分之一处 固定。
在上述的基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统中，浮体为饼形。
实现本发明第二个目的采用的技术方案是：一种基于浮标式双程斜返探测 的电离层倾斜修正方法，包括以下步骤：
步骤1、短波发射站向电离层预设区域辐射短波，已将短波经电离层反射后 照射到浮标上；
步骤2、应答机接收到短波发射站发射的短波后，将浮标自身的地理坐标调 制到短波中并发射至短波发射站；
步骤3、短波发射站根据自身的坐标以所接收的浮标坐标之间的相对位置关 系对电离层的倾斜角度进行修正。
在上述的基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正方法中，步骤1的实 现包括以下步骤：
步骤1.1、首先，远海区域内间隔设有浮标，浮标可以间隔200km或者400km 阵列设置；
步骤1.2、然后，确定出需要进行探测的远海区域，并计算出对该区域进行 探测时对应的用于反射短波的电离层区域；
步骤1.3、通过位于陆地上的短波发射站对步骤1.2所述电离层区域进行探 测，得到电离层区域的初步结构参数，并根据该初步结构参数向该区域的电离 层辐射短波。
在上述的基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正方法中，步骤2的实 现包括以下步骤：
步骤2.1、浮标在接收到短波发射站的信号后，利用自身携带的GPS接收机 或者北斗系统的接收机测算自身的地理坐标，并将接收电离层所反射短波的仰 角调制到短波中；
步骤2.2、将调制后的短波沿着浮标接收短波的方向发射出去，使电离层将 调制后的短波反射至短波发射站。
在上述的基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正方法中，步骤3的实 现包括：
步骤3.1、当电离层在短波波矢量切线方向发生倾斜时，电离层会将短波主 站发射的短波反射至偏离短波主站发射短波所在的竖直面；
步骤3.1.1、利用公式θT＝αR-αT，计算第一跳时电离层的方位角误差，并根 据计算所得方位角误差对短波发射测量的电离层倾斜角度进行修正；公式中θT为电离层在短波波矢量切线方向的倾斜角度，αR为浮标接收的短波发射站发射 的短波的方位角，αT为短波发射站发射短波的方位角；
步骤3.1.2、当短波传播过程中出现两次电离层反射时，利用公式
Figure BDA0002304210110000051
计算下一跳时对应的电离层的方位角误差，并根据计算所得方位角误差对短波 发射测量的下一跳时的电离层倾斜角度进行修正；公式中δα1为下一跳时对应的 电离层的方位角误差，h为电离层反射虚高，θT为第一跳时电离层的方位角误差 D为发射线对应的地面距离；
步骤3.2、当电离层在短波波矢量法线方向上发生倾斜时，利用公式
Figure BDA0002304210110000052
对电离层的倾斜角度进行修正；公式中θL为电离层在短波波矢量法 线方向上的倾斜角度，ΔR为浮标的接收仰角，ΔT为发射仰角；
步骤3.3、在电离层薄层假设条件下，电离层发生径向倾斜时的地面距离误 差利用公式
Figure BDA0002304210110000053
计算电离层发生径向倾斜时的地面距离误差，公 式中D为存在短波波矢量法线方向上发生倾斜时地面距离，Dc为不存在短波波 矢量法线方向上发生倾斜时地面距离，Dc-D为电离层发生径向倾斜时的地面距 离误差，θL为电离层在短波波矢量法线方向上的倾斜角度，ΔR为接收仰角。
本发明的有益效果：在短波发射站发射信号达到浮标时，浮标将自身的坐 标调制到短波中发射至短波发射主站，短波发射主站根据自身的坐标相对于浮 标的坐标的位置关系对电离层的倾斜角度进行修正，能够获取更加精确的电离 层倾斜角度，进而提高了待探测目标的定位精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正方 法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系 统中电离层在短波波矢量法线方向上发生倾斜时的修正示意图；
图3为本发明实施例提供的一种浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系 统中浮标的第一种结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系 统中浮标的第二种结构示意图；
其中，10-浮体、20-馈源、30-天线、40-重物、50-多棱凸台、51-太阳能电 板、60-竖直支架、70-顶部平台；
图5为本发明实施例提供的一种浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系 统中浮标为第二种结构在0方位角、发射频率为3MHz、振子长度为1m时各个 仰角的方向增益图；
图6为本发明实施例提供的一种浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系 统中浮标为第二种结构在0方位角、发射频率为15MHz、振子长度为1m时各 个仰角的方向增益图；
图7为本发明实施例提供的一种浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系 统中浮标为第二种结构在0方位角、发射频率为30MHz、振子长度为1m时各 个仰角的方向增益图；
图8为本发明实施例提供的一种浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系 统中浮标为第二种结构在0方位角、发射频率为3MHz、振子长度为1.5m时各 个仰角的方向增益图；
图9为本发明实施例提供的一种浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系 统中浮标为第二种结构在0方位角、发射频率为15MHz、振子长度为1.5m时各 个仰角的方向增益图；
图10为本发明实施例提供的一种浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系 统中浮标为第二种结构在0方位角、发射频率为30MHz、振子长度为1.5m时各 个仰角的方向增益图；
图11为本发明实施例提供的一种浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系 统中浮标的第三种结构示意图；
图12为本发明实施例提供的一种浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系 统中浮标为第三种结构在0方位角、发射频率为3MHz、振子长度为6m时各个 仰角的方向增益图；
图13为本发明实施例提供的一种浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系 统中浮标为第三种结构在0方位角、发射频率为15MHz、振子长度为6m时各 个仰角的方向增益图；
图14为本发明实施例提供的一种浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系 统中浮标为第三种结构在0方位角、发射频率为30MHz、振子长度为6m时各 个仰角的方向增益图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种浮标式双程斜返探测的电离 层倾斜修正系统，系统包括：短波发射站、位于照射区域内的浮标。
短波发射站，用于向电离层预设区域辐射短波，接收浮标返回的坐标信息 并根据自身的坐标以所接收的浮标坐标之间的相对位置关系对电离层的倾斜角 度进行修正，其中，电离层预设区域为能将短波辐射至待探测目标所在区域的 电离层区域；
浮标上设有应答机，应答机用于，在接收到短波发射站发射的短波后，将 浮标自身的地理坐标调制到短波中并发射至短波发射站，并将测量的短波的多 普勒频移误差和/或短波时延信息调制到接收的短波中，然后将调制后的短波由 短波收发天线发射至短波发射站。
而且，浮标包括浮体、馈源以及由至少两个振子组成的天线，其中，馈源 固定设置于浮体的上方；每个振子呈倒V型设置，振子位置较高的一端与馈源 电磁耦合连接；馈源设置于天线的顶部。浮标还包括支架：竖直支架的底端固 定在浮体的顶部，且竖直支架的顶端竖直向上延伸；竖直支架的顶端上固定设 有顶部平台；振子的位于下方的一端固定在顶部平台上。
而且，浮标的另一种结构为，竖直支架的底端固定在浮体的顶部，且竖直 支架的顶端竖直向上延伸；竖直支架的顶端上固定设有顶部平台，顶部平台上 至少固定有两根立柱；振子的位于下方的一端延伸至低于顶部平台的高度，且 振子两端之间的部分通过立柱固定在顶部平台的顶面上。
本实施例一种基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正方法，应用于双 程斜向返回探测系统，包括：
一、短波发射站向电离层预设区域辐射短波，已将短波经电离层反射后照 射到浮标上；
二、浮标上设有接收天线以及与接收天线通信连接的应答机，应答机在接 收到短波发射站发射的短波后，将浮标自身的地理坐标调制到短波中并发射至 短波发射站；
三、短波发射站根据自身的坐标以所接收的浮标坐标之间的相对位置关系 对电离层的倾斜角度进行修正。
①、短波发射站根据自身的坐标以所接收的浮标坐标之间的相对位置关系 对电离层的倾斜角度进行修正，包括：
利用公式，θT＝αR-αT，计算第一跳时电离层的方位角误差，并根据方位角 误差对短波发射测量的电离层倾斜角度进行修正，其中，θT为电离层在短波波 矢量切线方向的倾斜角度；αR为浮标接收的短波发射站发射的短波的方位角；αT为短波发射站发射短波的方位角。
②、短波发射站根据自身的坐标以所接收的浮标坐标之间的相对位置关系 对电离层的倾斜角度进行修正，包括：
利用公式，
Figure BDA0002304210110000091
计算下一跳时对应的电离层的方位角误差，并根据 方位角误差对短波发射测量的下一跳时的电离层倾斜角度进行修正，其中，δα1为下一跳时对应的电离层的方位角误差；h为电离层反射虚高；θT为第一跳时电 离层的方位角误差；D为发射线对应的地面距离。
③、短波发射站根据自身的坐标以所接收的浮标坐标之间的相对位置关系 对电离层的倾斜角度进行修正，包括：
利用公式，
Figure BDA0002304210110000092
对电离层的倾斜角度进行修正，其中，θL为电离层 在短波波矢量法线方向上的倾斜角度；ΔR为浮标的接收仰角；ΔT为发射仰角。
④、还包括：
利用公式，
Figure BDA0002304210110000093
计算电离层发生径向倾斜时的地面距离误差， 其中，Dc-D为电离层发生径向倾斜时的地面距离误差；θL为电离层在短波波矢 量法线方向上的倾斜角度；ΔR为接收仰角。
⑤、待探测目标位于以浮标为中心，半径为200km的圆形区域内。
具体实施时，如图1所示，本发明实施例提供了基于浮标式双程斜返探测 的电离层倾斜修正方法，应用于双程斜向返回探测系统，包括：
S101：短波发射站向电离层预设区域辐射短波，已将短波经电离层反射后 照射到浮标上；
首先，远海区域内间隔设有浮标，浮标可以间隔200km或者400km阵列设 置。然后，确定出需要进行探测的远海区域，然后计算出对该区域进行探测时 对应的用于反射短波的电离层区域。位于陆地上的短波发射站配属的附属设备 如垂测仪、电离层斜返探测仪、电离层斜向探测仪等设备对该电离层进行初步 探测，得到电离层的初步结构参数，并根据该结构参数向该区域的电离层辐射 短波。由于远海设置了大量的浮标，因此，可以确保每一个需要进行探测的区 域内均具有一个浮标，因此，电离层将短波向远海反射的电磁波可以被浮标所 接收。
在实际应用中，为了保证对远海待探测目标的定位精度，通常对以浮标为 中心半径为200km的圆形区域内的待探测目标进行定位。
S102：浮标上设有接收天线以及与接收天线通信连接的应答机，应答机在 接收到短波发射站发射的短波后，将浮标自身的地理坐标调制到短波中并发射 至短波发射站。
应答机与短波发射站斜探测系统为全相参体制，采用同一波形设计。浮标 在接收到短波发射站的信号后，利用自身携带的GPS(Global Positioning System， 全球定位系统)接收机或者北斗系统的接收机测算自身的地理坐标，并接收电 离层所反射短波的仰角调制到短波中。然后将调制后的短波沿着浮标接收短波 的方向发射出去，以使电离层将调制后的短波反射至短波发射站。
S103：短波发射站根据自身的坐标以所接收的浮标坐标之间的相对位置关 系对电离层的倾斜角度进行修正。
第一方面，i)当电离层在短波波矢量切线方向发生倾斜时，电离层会将短 波主站发射的短波反射至偏离短波主站发射短波所在的竖直面，根据几何原理 可知，可以利用公式，θT＝αR-αT，计算第一跳时电离层的方位角误差，并根据 方位角误差对短波发射测量的电离层倾斜角度进行修正，其中，
θT为电离层在短波波矢量切线方向的倾斜角度；αR为浮标接收的短波发射 站发射的短波的方位角；αT为短波发射站发射短波的方位角。
ii)可以使用薄层近似方法描述电离层对短波的反射模型，因此，当短波传 播过程中出现两次电离层反射时，可以利用公式，
Figure BDA0002304210110000111
计算下一跳时对 应的电离层的方位角误差，并根据方位角误差对短波发射测量的下一跳时的电 离层倾斜角度进行修正，其中，
δα1为下一跳时对应的电离层的方位角误差；h为电离层反射虚高；θT为第 一跳时电离层的方位角误差；D为发射线对应的地面距离。
需要说明的是，下一跳是指，短波主站发射的短波由电离层发反射至地球 表面，然后，由地球表面反射至电离层，经由电离层二次反射后由位于远海的 浮标接收。
第二方面，当电离层在短波波矢量法线方向上发生倾斜时，图2为本发明 实施例提供的一种浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统中电离层在短波 波矢量法线方向上发生倾斜时的修正示意图，如图2所示，i为电离层法线与短 波传播路径之间的夹角。可以利用公式，
Figure BDA0002304210110000121
对电离层的倾斜角度进行 修正，其中，
θL为电离层在短波波矢量法线方向上的倾斜角度；ΔR为浮标的接收仰角；ΔT为发射仰角。
第三方面，当存在短波波矢量法线方向上发生倾斜时地面距离D有：
D＝hcotΔT+hcotΔR；
当不存在短波波矢量法线方向上发生倾斜时地面距离D为：Dc＝2hcotΔR。
因此在电离层薄层假设条件下，电离层发生径向倾斜时的地面距离误差为：
Figure RE-GDA0002436361030000122
因此，可以利用公式，
Figure RE-GDA0002436361030000123
计算电离层发生径向倾斜时的地面距离误差，其中，
Dc-D为电离层发生径向倾斜时的地面距离误差；θL为电离层在短波波矢量 法线方向上的倾斜角度；ΔR为接收仰角。
通常情况下，短波发射站也被称为主站。
进一步的，可以利用如下方案计算地面距离误差占地面距离的比值：
Figure RE-GDA0002436361030000124
可以看出，当电离层倾斜角度一定时，发射角度ΔR＝45°时误差最小。
当电波传播的地面距离较长时，还需要考虑地面曲率的影响，因此上述的 平面薄层假设相应的应该为球面薄层假设，即引入一个等效倾斜角，即建立电 离层质心与地球地心不重合的倾斜电离层模型，进一步的，为了考虑电离层的 厚度和地球曲率的影响，可以利用三维射线追踪计算电波群路径和地面距离的 变化。
电离层电子浓度分布，在低纬南北方向变化比较严重，有时这种变化可以 延伸到中纬和高纬；在日出、日落区域，一般都有明显的东西向倾斜。一般情 况下，若纬度降低，电离层等效薄层高度会增高，且在纬度20°－30°高度达到 最大。即在中纬地区，电离层薄层总是倾斜的。沿经度方向，虽然TEC值在日 出日落时的变化很大，但其质心高度在日出日落时沿经度方向的变化并不大， 因此电离层等效薄层只是稍有倾斜；其它时候，若无特别的太阳活动事件，电 离层薄层几乎总是等高的。
通过对实验数据的分析，可以对中纬度东西向倾斜归纳出下面几点：1.春秋 冬三季的倾斜比夏季严重；2.日出时的倾斜比日落时大，但冬季除外，冬季晚上 有两次倾斜的高峰，一次是电子浓度减少引起的，后一次是由峰高上升产生的； 3.中午和午夜倾斜角接近于零。对于低纬度地区南北向倾斜的研究发现，大部分 时间，南北电离层倾斜近似对称于磁赤道(大约地纬7°N)。在午后(12：00－20： 00)，磁赤道两边都有大的倾斜，而且，倾斜方向各朝向两极，这给跨赤道传播 创造了条件。
基于以上分析，本发明实施例利用天波雷达配属的短波测向阵列天线，在 已知雷达与浮标点的精确位置信息后，可以获取电离层倾斜方位角，进而可以 对电离层的倾斜角度进行修正。
与本实施例图1所示方法对应，本实施例还提供了一种浮标式双程斜返探 测的电离层倾斜修正系统，系统包括：短波发射站、位于照射区域内的浮标， 其中，
短波发射站，用于向电离层预设区域辐射短波，接收浮标返回的坐标信息 并根据自身的坐标以所接收的浮标坐标之间的相对位置关系对电离层的倾斜角 度进行修正，其中，电离层预设区域为能将短波辐射至待探测目标所在区域的 电离层区域；
图3为本实施例提供的一种浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统中 浮标的第一种结构示意图；如图3所示，本实施例使用锚缆将浮标系泊固定。
浮标上设有应答机，应答机用于，在接收到短波发射站发射的短波后，将 浮标自身的地理坐标调制到短波中并发射至短波发射站，并将测量的短波的多 普勒频移误差和/或短波时延信息调制到接收的短波中，然后将调制后的短波由 短波收发天线发射至短波发射站。
浮标上还能够根据需要加装多种传感器设备，如常规风速风向仪、波浪传 感器、ADCP等，完成其他需求的测量要求。
图4为本实施例提供的一种浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统中 浮标的第二种结构示意图，如图4所示，浮标包括浮体10、馈源20以及由至少 两个振子30组成的天线，其中，浮体10为漂浮于海面上的漂浮物，提供浮力 避免浮标下沉，并为馈源20以及振子30提供横向以及轴向稳定力。浮体10为 饼形，浮体10的底部通过连接杆连接有重物40，以防止浮体10倾覆；浮体10 的顶面上设有多棱凸台50，多棱凸台50的每一个侧棱面上设有太阳能电板51， 以在太阳的照射下为浮标提供电力。多棱凸台50的顶面上设有竖直支架60，竖 直支架60的顶部设有顶部平台70，馈源20固定设置于浮体10的上方的顶部平 台70的上方。为了提高振子30的固定强度，两个长度为1.5m的振子30的底 端固定在顶部平台70上，两个振子30之间呈倒V型设置，且振子30的顶端与 馈源20电磁耦合连接；馈源20设置于天线的顶部。
图5为本实施例提供的一种浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统中 浮标为第二种结构在0方位角、发射频率为3MHz、振子长度为1m时各个仰角 的方向增益图；图6为本实施例提供的一种浮标式双程斜返探测的电离层倾斜 修正系统中浮标为第二种结构在0方位角、发射频率为15MHz、振子长度为1m 时各个仰角的方向增益图；图7为本发明实施例提供的一种浮标式双程斜返探 测的电离层倾斜修正系统中浮标为第二种结构在0方位角、发射频率为30MHz、 振子长度为1m时各个仰角的方向增益图；
可以看到在3MHz频点可以获得最高8.14133dB的增益和71.9091°的3dB 带宽；在15MHz频点可以获得最高5.18632dB的增益和109.166°的3dB带宽。 在图7中方向图发生分裂，旁瓣强度增加，但是主瓣没有大的变化。
在振子30长度为1.5m时的结构与振子30长度为1m时浮标的结构相同。
为了防止海水对馈源20的侵蚀，可以使用透波材料制成保护球壳套接在的 馈源20的外部。
图8为本实施例提供的一种浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统中 浮标为第二种结构在0方位角、发射频率为3MHz、振子30长度为1.5m时各个 仰角的方向增益图；图9为本发明实施例提供的一种浮标式双程斜返探测的电 离层倾斜修正系统中浮标为第二种结构在0方位角、发射频率为15MHz、振子 30长度为1.5m时各个仰角的方向增益图；图10为本发明实施例提供的一种浮 标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统中浮标为第二种结构在0方位角、发 射频率为30MHz、振子30长度为1.5m时各个仰角的方向增益图；
如图8-10所示，1.5m的振子30在3MHz频点可以获得最高8.13788dB的 增益和74.3583°的3dB带宽；在15MHz频点可以获得最高4.70994dB的增益 和120.916°的3dB带宽。在图10中方向图发生分裂，旁瓣强度增加，但是主 瓣没有大的变化。
图11为本实施例提供的一种浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统中 浮标的第三种结构示意图，如图11所示，竖直支架的顶端上固定设有顶部平台 70；顶部平台70上固定设有两根立柱，两个振子30的中部分别固定在立柱的 顶端，且两个振子30呈倒V型设置。振子30的高度较高的顶端分别与馈源20 电磁耦合连接，振子30的高度较低的底端分别朝向斜下方延伸至顶部平台70 以下。
可以理解的是，立柱的顶端可以与振子30上靠近振子30顶端的三分之一 处固定，且振子30的底端高于海面。另外，本发明实施例中馈源20与浮标中 的应答机电性连接，应答机为目前现有技术中短波通信常用的应答机，本实施 例在此不再对其进行赘述。
图12为本实施例提供的一种浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统中 浮标为第三种结构在0方位角、发射频率为3MHz、振子30长度为6m时各个 仰角的方向增益图；图13为本实施例提供的一种浮标式双程斜返探测的电离层 倾斜修正系统中浮标为第三种结构在0方位角、发射频率为15MHz、振子30 长度为6m时各个仰角的方向增益图；图14为本发明实施例提供的一种浮标式 双程斜返探测的电离层倾斜修正系统中浮标为第三种结构在0方位角、发射频 率为30MHz、振子30长度为6m时各个仰角的方向增益图。
如图8-10所示，6m的振子30在3MHz频点可以获得最高7.55482dB的增 益和84.7862°的3dB带宽；在15MHz频点可以获得最高5.41948dB的增益和 136.716°的3dB带宽。在图10中方向图发生分裂，旁瓣强度增加，但是主瓣的 增益下降较大。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人 员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改， 而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统的修正方法，其特征是，该系统包括短波发射站和位于照射区域内的浮标；
短波发射站，用于向电离层预设区域辐射短波，接收浮标返回的坐标信息并根据自身的坐标以所接收的浮标坐标之间的相对位置关系对电离层的倾斜角度进行修正，其中，电离层预设区域为能将短波辐射至待探测目标所在区域的电离层区域；
浮标上设有应答机，应答机用于在接收到短波发射站发射的短波后，将浮标自身的地理坐标调制到短波中并发射至短波发射站，并将测量的短波的多普勒频移误差和/或短波时延信息调制到接收的短波中，然后将调制后的短波发射至短波发射站；修正方法包括以下步骤：
步骤1、短波发射站向电离层预设区域辐射短波，已将短波经电离层反射后照射到浮标上；
步骤1.1、首先，远海区域内间隔设有浮标，浮标可以间隔200km或者400km阵列设置；
步骤1.2、然后，确定出需要进行探测的远海区域，并计算出对该区域进行探测时对应的用于反射短波的电离层区域；
步骤1.3、通过位于陆地上的短波发射站对步骤1.2所述电离层区域进行探测，得到电离层区域的初步结构参数，并根据该初步结构参数向该区域的电离层辐射短波；
步骤2、应答机接收到短波发射站发射的短波后，将浮标自身的地理坐标调制到短波中并发射至短波发射站；
步骤2.1、浮标在接收到短波发射站的信号后，利用自身携带的GPS接收机或者北斗系统的接收机测算自身的地理坐标，并将接收电离层所反射短波的仰角调制到短波中；
步骤2.2、将调制后的短波沿着浮标接收短波的方向发射出去，使电离层将调制后的短波反射至短波发射站，其中，浮标工作频率为3～30MHz；
步骤3、短波发射站根据自身的坐标以所接收的浮标坐标之间的相对位置关系对电离层的倾斜角度进行修正；
步骤3.1、当电离层在短波波矢量切线方向发生倾斜时，电离层会将短波主站发射的短波反射至偏离短波主站发射短波所在的竖直面；
步骤3.1.1、利用公式θT＝αR-αT，计算第一跳时电离层的方位角误差，并根据计算所得方位角误差对短波发射测量的电离层倾斜角度进行修正；公式中θT为电离层在短波波矢量切线方向的倾斜角度，αR为浮标接收的短波发射站发射的短波的方位角，αT为短波发射站发射短波的方位角；
步骤3.1.2、当短波传播过程中出现两次电离层反射时，利用公式
Figure FDA0003500092750000021
计算下一跳时对应的电离层的方位角误差，并根据计算所得方位角误差对短波发射测量的下一跳时的电离层倾斜角度进行修正；公式中δα1为下一跳时对应的电离层的方位角误差，h为电离层反射虚高，θT为第一跳时电离层的方位角误差D为发射线对应的地面距离；
步骤3.2、当电离层在短波波矢量法线方向上发生倾斜时，利用公式
Figure FDA0003500092750000022
对电离层的倾斜角度进行修正；公式中θL为电离层在短波波矢量法线方向上的倾斜角度，ΔR为浮标的接收仰角，ΔT为发射仰角；
步骤3.3、在电离层薄层假设条件下，电离层发生径向倾斜时的地面距离误差利用公式
Figure FDA0003500092750000023
计算电离层发生径向倾斜时的地面距离误差，公式中D为存在短波波矢量法线方向上发生倾斜时地面距离，Dc为不存在短波波矢量法线方向上发生倾斜时地面距离，Dc-D为电离层发生径向倾斜时的地面距离误差，θL为电离层在短波波矢量法线方向上的倾斜角度，ΔR为接收仰角。
2.如权利要求1所述的基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统的修正方法，其特征是，浮标包括浮体，浮体上方设置有馈源以及至少两个振子的天线；每个振子呈倒V型设置，各振子的顶端与馈源电磁耦合连接；馈源设置于天线的顶部，馈源与应答机电连接。
3.如权利要求2所述的基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统的修正方法，其特征是，浮体的底部通过连接杆连接有重物，用于防止浮体倾覆；浮体的顶面上设有多棱凸台，多棱凸台的每一个侧棱面上设有太阳能电板，为浮标提供电力；多棱凸台的顶面上设有竖直支架，竖直支架的顶部设有顶部平台，馈源固定设置于顶部平台的上方；每个振子的底端固定在顶部平台上，每个振子之间呈倒V型设置，且每个振子的顶端与馈源电磁耦合连接，馈源设置于天线的顶部。
4.如权利要求2所述的基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统的修正方法，其特征是，浮体的底部通过连接杆连接有重物，用于防止浮体倾覆；浮体的顶面上设有多棱凸台，多棱凸台的每一个侧棱面上设有太阳能电板，为浮标提供电力；多棱凸台的顶面上设有竖直支架，竖直支架的顶端设有顶部平台，顶部平台上至少固定有两根立柱，每个振子分别固定在各立柱的顶端，且每个振子呈倒V型设置；每个振子的顶端分别与馈源电磁耦合连接，每个振子的底端分别朝向斜下方延伸至顶部平台以下且高于海面；各立柱的顶端分别与每个振子靠近顶端的三分之一处固定。
5.如权利要求3或4所述的基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统的修正方法，其特征是，浮体为饼形。
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