CN112347667A - 一种用于仪表着陆系统的电磁仿真方法及电子设备 - Google Patents

一种用于仪表着陆系统的电磁仿真方法及电子设备 Download PDF

Info

Publication number
CN112347667A
CN112347667A CN202011040623.3A CN202011040623A CN112347667A CN 112347667 A CN112347667 A CN 112347667A CN 202011040623 A CN202011040623 A CN 202011040623A CN 112347667 A CN112347667 A CN 112347667A
Authority
CN
China
Prior art keywords
equation
electromagnetic
electric field
constructing
formula
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202011040623.3A
Other languages
English (en)
Inventor
王明甲
陆永东
任龙昊
黄璐
黎子豪
龙云亮
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CAAC CENTRAL AND SOUTHERN REGIONAL AIR TRAFFIC ADMINISTRATION
Original Assignee
CAAC CENTRAL AND SOUTHERN REGIONAL AIR TRAFFIC ADMINISTRATION
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CAAC CENTRAL AND SOUTHERN REGIONAL AIR TRAFFIC ADMINISTRATION filed Critical CAAC CENTRAL AND SOUTHERN REGIONAL AIR TRAFFIC ADMINISTRATION
Priority to CN202011040623.3A priority Critical patent/CN112347667A/zh
Publication of CN112347667A publication Critical patent/CN112347667A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/30—Circuit design

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于仪表着陆系统的电磁仿真方法及电子设备，包括以下步骤：步骤S100：获取机场实际仿真区域，以及所述实际仿真区域的实地环境，构建机场电磁环境模型；步骤S200：根据天线预设范围内的地形构建时域有限差分数学模型；步骤S300：利用交替方向隐式管道方程针对远源电磁场构建隐式‑显式步骤数学模型，形成三对角线方程；步骤S400：通过云计算平台求解所述时域有限差分数学模型与交替方向管道方程，获得所述电磁环境模型的电场值；步骤S500：通过所述电场值获得调制度差。本发明的仿真方法，降低了计算复杂度，通过减少节点间的数据传输，降低带宽压力，使得超大规模的电磁仿真在云平台上可以以极高的准确度高效运行。

Description

一种用于仪表着陆系统的电磁仿真方法及电子设备
技术领域
本发明涉及无线电设备领域，尤其涉及一种用于仪表着陆系统的电磁仿真方法及电子设备。
背景技术
在民航设备中，仪表着陆系统是应用最为广泛的飞机精密进近和着陆引导系统。其作用是由地面发射的两束无线电信号实现航向道和下滑道指引，建立一条由跑道指向空中的虚拟路径，飞机通过机载接收设备，确定自身与该路径的相对位置，使飞机沿正确方向飞向跑道并且平稳下降高度，最终实现安全着陆。在天气环境恶劣，跑道能见度很低的情况下，仪表着陆系统能够帮助飞行员引导飞机进近着陆。跑道到飞机之前的复杂地形环境对仪表着陆系统与飞机之前的无线通信有很大影响。利用大规模电磁仿真技术，预测仪表着陆系统的性能，对于保障民航飞机安全飞行有重要的意义。
随着计算机硬件技术的发展，大规模电磁仿真成为了近年来研究的热点话题。大规模电磁仿真可以用于模拟无线电波在真实环境中的传播，以测试环境中的复杂介质对电磁波的干扰。利用电磁仿真获得的结果，可以优化源与目标之间的环境设置，保证电磁波的正常传播。目前主要采用的技术是利用图形计算单元(GPU，Graphics Processing Unit)对有限时域差分方程并行化处理，来获得较高的速度。然而，由于计算机内存的限制，对于长宽为百米以上的电磁仿真，这一方法存在很大的局限性，甚至可能由于仿真范围规模过大导致无法运行。
发明内容
针对现有技术在对超大规模电磁仿真计算时存在的问题，本发明实施例提供了一种应用于仪表着陆系统的电磁仿真方法，降低了计算复杂度，减少节点间的数据传输，降低带宽压力，可进行仿真范围规模长宽达百米以上的电磁仿真。
本发明的目的之二在于提供一种电子设备，执行上述一种应用于仪表着陆系统的电磁仿真方法，相较于传统的计算方法降低了计算复杂度，降低了计算复杂度，减少节点间的数据传输，降低带宽压力，可进行仿真范围规模长宽达百米以上的电磁仿真。
本发明的目的之一采用以下技术方案实现：
一种用于仪表着陆系统的电磁仿真方法，包括以下步骤：
步骤S100：获取机场实际仿真区域，以及所述实际仿真区域的实地环境，构建机场电磁环境模型；
步骤S200：根据天线预设范围内的地形构建时域有限差分数学模型；
步骤S300：利用交替方向隐式管道方程针对远源电磁场构建隐式-显式步骤数学模型，形成三对角线方程；
步骤S400：通过云计算平台求解所述时域有限差分数学模型与交替方向管道方程，获得所述电磁环境模型的电场值；
步骤S500：通过所述电场值获得调制度差。
进一步地，所述步骤S200根据天线预设范围内的地形构建时域有限差分数学模型，包括以下步骤：
步骤S210：构建麦克斯韦方程组：
Figure BDA0002706520800000021
Figure BDA0002706520800000031
Figure BDA0002706520800000032
其中，E为电场，H为磁场，D为电位移，σ为电导率，μ为磁导率，ε为介电常数；
步骤S220：利用Yee算法求解所述麦克斯韦方程组,构建三维离散麦克斯韦方程组；
由麦克斯韦旋度方程：
Figure BDA0002706520800000033
Figure BDA0002706520800000034
直角坐标系下旋度算子运算为：
Figure BDA0002706520800000035
Figure BDA0002706520800000036
根据公式④，推导出
Figure BDA0002706520800000037
根据公式⑤，推导出
Figure BDA0002706520800000038
将矢量旋度方程中各方向分量独立写出，得到如下标量方程：
Figure BDA0002706520800000041
Figure BDA0002706520800000042
Figure BDA0002706520800000043
Figure BDA0002706520800000044
Figure BDA0002706520800000045
Figure BDA0002706520800000046
步骤S230：利用Yee网格将公式⑩-
Figure BDA0002706520800000047
在空间和时间上离散化，利用一阶导数的二阶精度中心差分近似式对步骤S210得到的电场、磁场公式进行分割，离散化的麦克斯韦方程组为：
Figure BDA0002706520800000048
Figure BDA0002706520800000049
Figure BDA0002706520800000051
Figure BDA0002706520800000052
Figure BDA0002706520800000053
Figure BDA0002706520800000054
其中，系数CA(m),CB(m),CP(m),CQ(m)分别表示各场量位置处的媒质参数，m为各场量所对应的数组下标；媒质参数的计算公式如下：
Figure BDA0002706520800000055
Figure BDA0002706520800000061
Figure BDA0002706520800000062
Figure BDA0002706520800000063
进一步地，所述步骤S300利用交替方向隐式管道方程针对远源电磁场构建隐式-显式步骤数学模型，形成三对角线方程，包括以下步骤：
步骤310：构建海姆霍兹方程：
Figure BDA0002706520800000064
其中，n为反射系数，求解得到前向管道方程：
Figure BDA0002706520800000065
定义如下操作：
Figure BDA0002706520800000066
Figure BDA0002706520800000067
利用克朗克-尼克森分解方法，公式
Figure BDA0002706520800000068
被分解为：
Figure BDA0002706520800000069
在公式
Figure BDA00027065208000000610
左右两边加上项
Figure BDA0002706520800000071
将单步迭代公式分解为隐式、显示步骤：
Figure BDA0002706520800000072
Figure BDA0002706520800000073
进一步地，所述步骤S400通过云计算平台求解步骤S200的时域有限差分数学模型与步骤S300的交替方向隐式管道方程，获得所述电磁环境模型的电场值，包括以下步骤：
步骤S410：利用openMPI对步骤S230中的离散时域有限差分方程
Figure BDA0002706520800000074
并行计算；
步骤S420：利用Thomas方程求解对角线方程，将S300步骤中的隐式-显式步骤数学模型展开为通用形式：
Figure BDA0002706520800000075
对系数矩阵进行行变换：
Figure BDA0002706520800000076
Figure BDA0002706520800000077
公式
Figure BDA0002706520800000081
被化为：
Figure BDA0002706520800000082
按以上步骤求解方程
Figure BDA0002706520800000083
即可获得
Figure BDA0002706520800000084
将其结果代入公式
Figure BDA0002706520800000085
按照以上方法计算显示步骤求得
Figure BDA0002706520800000086
计算解向量步骤如下：
Figure BDA0002706520800000087
进一步地，所述步骤S500：通过所述电场值获得调制度差，包括以下步骤：
步骤S510：通过下列方式初始化发射信号：
ECSB(t)＝Ac(1+m1sinω90t+m2sinω150t)cos(ω0t+φc)Fc(θ)e-iαr；
Figure BDA00027065208000000812
ESBO(t)＝As(n1sinω90t-n2sinω150t)cos(ω0t+φs)Fs(θ)e-iαr；
Figure BDA00027065208000000813
公式
Figure BDA0002706520800000088
和公式
Figure BDA0002706520800000089
均为航向道和下滑道的天线发射信号，其中ECSB表示载波及边带信号电场强度值，ESBO表示边带信号电场强度值，Ac和As表示幅度值，m1和m2表示CSB信号的调制度，n1和n2表示SBO信号的调制度，ω0表示载波频率，Fc(θ)和Fs(θ)分别表示CSB天线和SBO天线的方向系数，α＝2π/λ0，λ0为波长，r表示天线到接收机的距离，
Figure BDA00027065208000000810
L为天线尺寸大小；
步骤S520：当接收机接收到CSB信号和SBO信号后，通过以下公式解算调制度差：
Figure BDA00027065208000000811
其中ECSB表示CSB信号的电场振幅，ESBO表示SBO信号的电场振幅，φ表示此两路信号的相位差。
进一步地，所述步骤S100获取机场实际仿真区域，以及所述实际仿真区域的实地环境，构建机场电磁环境模型，具体包括以下步骤：
步骤S110：根据所述机场实际仿真区域的实地环境，利用建模软件构建所述实际仿真区域的三维模型；
步骤S120：对所述三维模型进行分区域网格划分；步骤S130：对每块网格进行高度建模和电磁参数建模，构建区域电磁参数模型。
进一步地，所述步骤S120中，网格大小为盲降信号波长的1/20。
进一步地，所述网格大小为：有限时域差分计算区域为0.05m*0.05m*0.05m，所述交替方向隐式管道方程计算区域为0.05m*1.0m*0.05m。
进一步地，步骤S110中，利用CAD软件构建所述实际仿真区域的三维模型；所述步骤S130中，调用CAD软件提供的API接口进行编程分析，对每块网格的相对介电常数、相对电导率和相对磁导率进行建模，构建区域电磁参数模型。
本发明的目的之二通过如下技术方案实现：
一种电子设备，其包括多个处理器、存储器及存储于所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上任一所述的一种用于仪表着陆系统的电磁仿真方法。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种应用于仪表着陆系统的电磁场仿真方法及电子设备，通过获取机场的实际仿真区域，同时在构建仿真区域的三维模型时考虑实地环境，如地形、建筑分布等构建机场电磁环境模型，所构建的电磁环境模型非常接近机场的实际电磁环境。同时通过构建交替方向隐式管道方程构建隐式-显示步骤数学模型，降低了计算的复杂度，减少了节点间的数据传输，降低带宽压力，从而可以通过云计算平台对该并行混合时域有限差分/管道方程模型，从而快速准确的获得电场值，从而快速求取精确的调制度差，实现可应用于仪表盘着陆系统的仿真范围规模长款超过百米的大规模电磁仿真。
附图说明
图1为本发明所提供的实施例一的用于仪表着陆系统的电磁仿真方法流程示意图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供的一种用于仪表着陆系统的电磁方法，包括以下步骤：
步骤S100获取机场实际仿真区域，以及实际仿真区域的实地环境，构建机场电磁环境模型，具体包括如下步骤：
步骤S110：根据机场实际仿真区域的实地环境，利用建模软件构建实际仿真区域的三维模型；其中，可利用现有的各种三维建模软件进行三维建模，如CAD、UG等，优选CAD软件，因为CAD软件已大量运用于各种基建和工程应用中，提供了更多的建模资源。如对于有些机场，可以直接导入前期已经建好的机场CAD三维模型图。
步骤S120：对三维模型进行网格划分；对于近源部分区域，网格大小需根据障碍物的边界条件调节。对于远源且障碍物相对连续的区域，网格大小可以适当增大，以降低计算的复杂度。一种优选的实施方式，网格大小具体为盲降信号波长的1/20，即有限时域差分计算区域为0.05m*0.05m*0.05m，交替方向隐式管道方程计算区域为0.05m*1.0m*0.05m。
步骤S130：对每块网格进行高度建模和电磁参数建模，构成区域电磁参数模型。当使用CAD软件建模时，调用CAD软件提供的API接口进行编程分析，对每块网格的相对介电常数、相对电导率和相对磁导率进行建模，构建区域电磁参数模型。
步骤S200：根据天线预设范围内的地形构建时域有限差分数学模型；具体包括以下步骤：
步骤S210：构建麦克斯韦方程组：
Figure BDA0002706520800000111
Figure BDA0002706520800000112
Figure BDA0002706520800000113
其中，E为电场，H为磁场，D为电位移，σ为电导率，μ为磁导率，ε为介电常数；
步骤S220：利用Yee算法求解所述麦克斯韦方程组,构建三维离散麦克斯韦方程组：
为了在计算机中计算，需将连续方程离散化。首先，利用Yee算法求解所述麦克斯韦方程组,构建三维离散麦克斯韦方程组：
由麦克斯韦旋度方程：
Figure BDA0002706520800000121
Figure BDA0002706520800000122
直角坐标系下旋度算子运算可以写为：
Figure BDA0002706520800000123
Figure BDA0002706520800000124
根据公式④，可推导出
Figure BDA0002706520800000125
根据公式⑤，可推导出
Figure BDA0002706520800000126
将矢量旋度方程中各方向分量独立写出，可得六个标量方程：
Figure BDA0002706520800000127
Figure BDA0002706520800000128
Figure BDA0002706520800000129
Figure BDA00027065208000001210
Figure BDA0002706520800000131
Figure BDA0002706520800000132
之后利用Yee网格将上述公式⑩-
Figure BDA0002706520800000133
在空间和时间上离散化，利用一阶导数的二阶精度中心差分近似式对步骤S210得到的电场、磁场公式进行分割，使得在Yee网格中电磁场的六个分量在空间的取样点分别放在立方体的边沿和表面中心点上，电磁场通过电场和磁场的耦合传播。离散化的麦克斯韦方程组为：
Figure BDA0002706520800000134
Figure BDA0002706520800000135
Figure BDA0002706520800000136
Figure BDA0002706520800000141
Figure BDA0002706520800000142
Figure BDA0002706520800000143
其中，系数CA(m),CB(m),CP(m),CQ(m)分别表示各场量位置处的媒质参数，m为各场量所对应的数组下标。媒质参数的计算公式如下：
Figure BDA0002706520800000144
Figure BDA0002706520800000145
Figure BDA0002706520800000146
Figure BDA0002706520800000151
步骤S300：构建交替方向隐式管道方程构建隐式-显式步骤数学模型，形成三对角线方程。具体还包括以下步骤：
步骤S310：:构建自由空间中的海姆霍兹方程：
Figure BDA0002706520800000152
其中，n为反射系数，求解得到前向管道方程：
Figure BDA0002706520800000153
为简化公式形式，定义如下操作：
Figure BDA0002706520800000154
Figure BDA0002706520800000155
利用克朗克-尼克森分解方法，公式
Figure BDA0002706520800000156
被分解为：
Figure BDA0002706520800000157
在公式
Figure BDA0002706520800000158
左右两边加上项
Figure BDA0002706520800000159
将单步迭代公式分解为隐式、显示步骤：
隐式步骤：
Figure BDA00027065208000001510
显式步骤：
Figure BDA0002706520800000161
可以看到迭代公式被转化为了三对角线方程形式，这种形式在并行系统中容易求解。
步骤S400：通过云计算平台求解S200的时域有限差分数学模型与步骤S300的交替方向隐式管道方程，获得所述电磁环境模型的电场值。具体包括以下步骤：
步骤S410：利用openMPI，对步骤S230中的离散时域有限差分方程
Figure BDA0002706520800000166
并行计算，求解得到近源场电场值。
步骤S420：将近源场电场值作为远场初始值，利用Thomas方程求解对角线方程
Figure BDA0002706520800000167
具体包括
将S300步骤中的隐式-显式步骤数学模型展开为通用形式：
Figure BDA0002706520800000162
对系数矩阵进行行变换：
Figure BDA0002706520800000163
Figure BDA0002706520800000164
公式
Figure BDA0002706520800000165
被化为：
Figure BDA0002706520800000171
按以上步骤求解方程
Figure BDA0002706520800000172
即可获得
Figure BDA0002706520800000173
将其结果代入公式
Figure BDA0002706520800000174
按照以上方法计算显示步骤求得
Figure BDA0002706520800000175
计算解向量步骤如下：
Figure BDA0002706520800000176
步骤S500：通过所述电场值获得调制度差。具体包括以下步骤：
步骤S510：通过下列方式初始化发射信号：
EcSB(t)＝Ac(1+m1sinω90t+m2sinω150t)cos(ω0t+φc)Fc(θ)e-iαr；
Figure BDA0002706520800000177
ESBO(t)＝As(n1sinω90t-n2sinω150t)cos(ω0t+φs)Fs(θ)e-iαr；
Figure BDA00027065208000001712
公式
Figure BDA0002706520800000178
和公式
Figure BDA0002706520800000179
均为航向道和下滑道的天线发射信号，其中ECSB表示载波及边带信号电场强度值，ESBO表示边带信号电场强度值，Ac和As表示幅度值，m1和m2表示CSB信号的调制度，n1和n2表示SBO信号的调制度，ω0表示载波频率，Fc(θ)和Fs(θ)分别表示CSB天线和SBO天线的方向系数，α＝2π/λ0，λ0为波长，r表示天线到接收机的距离，
Figure BDA00027065208000001710
L为天线尺寸大小；
步骤S520：当接收机接收到CSB信号和SBO信号后，对于计算获得的电场，调制度差可采用以下方式计算：
Figure BDA00027065208000001711
其中ECSB表示CSB信号的电场振幅，ESBO表示SBO信号的电场振幅，φ表示此两路信号的相位差。
本发明提供了一种应用于仪表着陆系统的电磁场仿真方法通过获取机场的实际仿真区域，同时在构建仿真区域的三维模型时考虑实地环境，如地形、建筑分布等构建机场电磁环境模型，所构建的电磁环境模型非常接近机场的实际电磁环境。同时通过构建交替方向隐式管道方程构建隐式-显示步骤数学模型，降低了计算的复杂度，减少了节点间的数据传输，降低带宽压力，从而可以通过云计算平台对该并行混合时域有限差分/管道方程模型，从而快速准确的获得电场值，从而快速求取精确的调制度差，实现可应用于仪表盘着陆系统的仿真范围规模长款超过百米的大规模电磁仿真。
实施例一提供的应用于仪表着陆系统的电磁仿真方法，具有以下显著有益效果：
1)通过有限时域差分和交替方向隐式管道方程结合构建数学模型，确保仿真准确度的同时提升了仿真效率。
2)求解管道方程时，节点间只有r、H、t三组数据在进行传输，可大大降低云平台的带宽压力；
3)本算法与现有算法相比，具有效率更高，结果更准确的特点；
4)实验结果表明，在某一应用场景下本算法比传统的FDTD算法速度快3.4倍。
实施例二
基于相同的发明思想，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、多个处理器以及存储在存储器中的程序，所述程序被配置成由处理器执行，多个处理器执行所述程序时实现上述一种用于仪表着陆系统的电磁仿真方法的步骤。
本实施例中的设备与前述实施例中的方法是基于同一发明构思下的两个方面，在前面已经对方法实施过程作了详细的描述，所以本领域技术人员可根据前述描述清楚地了解本实施中的设备及实施过程，为了说明书的简洁，在此就不再赘述。
以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于仪表着陆系统的电磁仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S100：获取机场实际仿真区域，以及所述实际仿真区域的实地环境，构建机场电磁环境模型；
步骤S200：根据天线预设范围内的地形构建时域有限差分数学模型；
步骤S300：利用交替方向隐式管道方程针对远源电磁场构建隐式-显式步骤数学模型，形成三对角线方程；
步骤S400：通过云计算平台求解所述时域有限差分数学模型与交替方向管道方程，获得所述电磁环境模型的电场值；
步骤S500：通过所述电场值获得调制度差。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S200根据天线预设范围内的地形构建时域有限差分数学模型，包括以下步骤：
步骤S210：构建麦克斯韦方程组：
Figure FDA0002706520790000011
Figure FDA0002706520790000012
Figure FDA0002706520790000013
其中，E为电场，H为磁场，D为电位移，σ为电导率，μ为磁导率，ε为介电常数；
步骤S220：利用Yee算法求解所述麦克斯韦方程组,构建三维离散麦克斯韦方程组；
由麦克斯韦旋度方程：
Figure FDA0002706520790000014
Figure FDA0002706520790000021
直角坐标系下旋度算子运算为：
Figure FDA0002706520790000022
Figure FDA0002706520790000023
根据公式④，推导出
Figure FDA0002706520790000024
根据公式⑤，推导出
Figure FDA0002706520790000025
将矢量旋度方程中各方向分量独立写出，得到如下标量方程：
Figure FDA0002706520790000026
Figure FDA0002706520790000027
Figure FDA0002706520790000028
Figure FDA0002706520790000029
Figure FDA00027065207900000210
Figure FDA0002706520790000031
步骤S230：利用Yee网格将公式
Figure FDA0002706520790000032
在空间和时间上离散化，利用一阶导数的二阶精度中心差分近似式对步骤S210得到的电场、磁场公式进行分割，离散化的麦克斯韦方程组为：
Figure FDA0002706520790000033
Figure FDA0002706520790000034
Figure FDA0002706520790000035
Figure FDA0002706520790000036
Figure FDA0002706520790000041
Figure FDA0002706520790000042
其中，系数CA(m),CB(m),CP(m),CQ(m)分别表示各场量位置处的媒质参数，m为各场量所对应的数组下标；媒质参数的计算公式如下：
Figure FDA0002706520790000043
Figure FDA0002706520790000044
Figure FDA0002706520790000045
Figure FDA0002706520790000046
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S300利用交替方向隐式管道方程针对远源电磁场构建隐式-显式步骤数学模型，形成三对角线方程，包括以下步骤：
步骤310：构建海姆霍兹方程：
Figure FDA0002706520790000051
其中，n为反射系数，求解得到前向管道方程：
Figure FDA0002706520790000052
定义如下操作：
Figure FDA0002706520790000053
Figure FDA0002706520790000054
利用克朗克-尼克森分解方法，公式
Figure FDA0002706520790000055
被分解为：
Figure FDA0002706520790000056
在公式
Figure FDA0002706520790000057
左右两边加上项
Figure FDA0002706520790000058
将单步迭代公式分解为隐式、显示步骤：
Figure FDA0002706520790000059
Figure FDA00027065207900000510
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S400通过云计算平台求解步骤S200的时域有限差分数学模型与步骤S300的交替方向隐式管道方程，获得所述电磁环境模型的电场值，包括以下步骤：
步骤S410：利用openMPI对步骤S230中的离散时域有限差分方程
Figure FDA00027065207900000511
并行计算；
步骤S420：利用Thomas方程求解对角线方程，将S300步骤中的隐式-显式步骤数学模型展开为通用形式：
Figure FDA0002706520790000061
对系数矩阵进行行变换：
Figure FDA0002706520790000062
Figure FDA0002706520790000063
公式
Figure FDA0002706520790000064
被化为：
Figure FDA0002706520790000065
按以上步骤求解方程
Figure FDA0002706520790000066
即可获得
Figure FDA0002706520790000067
将其结果代入公式
Figure FDA0002706520790000068
按照以上方法计算显示步骤求得
Figure FDA0002706520790000069
计算解向量步骤如下：
Figure FDA00027065207900000610
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S500通过所述电场值获得调制度差，包括以下步骤：
步骤S510：通过下列方式初始化发射信号：
Figure FDA0002706520790000071
Figure FDA0002706520790000072
公式
Figure FDA0002706520790000073
和公式
Figure FDA0002706520790000074
均为航向道和下滑道的天线发射信号，其中ECSB表示载波及边带信号电场强度值，ESBO表示边带信号电场强度值，Ac和As表示幅度值，m1和m2表示CSB信号的调制深度，n1和n2表示SBO信号的调制深度，ω0表示载波频率，Fc(θ)和Fs(θ)分别表示CSB天线和SBO天线的方向系数，α＝2π/λ0，λ0为波长，r表示天线到接收机的距离，
Figure FDA0002706520790000075
L为天线尺寸大小；
步骤S520：当接收机接收到CSB信号和SBO信号后，通过以下公式解算调制度差：
Figure FDA0002706520790000076
其中ESBO表示SBO信号的电场强度值，ECSB表示CSB信号的电场强度值，ESBO表示SBO信号的电场强度，φ表示此两路信号的相位差。
6.如权利要求1或5所述的方法，其特征在于：所述步骤S100获取机场实际仿真区域，以及所述实际仿真区域的实地环境，构建机场电磁环境模型，具体包括以下步骤：
步骤S110：根据所述机场实际仿真区域的实地环境，利用建模软件构建所述实际仿真区域的三维模型；
步骤S120：对所述三维模型进行分区域网格划分；步骤S130：对每块网格进行高度建模和电磁参数建模，构建区域电磁参数模型。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S120中，网格大小为盲降信号波长的1/20。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述网格大小为：有限时域差分计算区域为0.05m*0.05m*0.05m，所述交替方向隐式管道方程计算区域为0.05m*1.0m*0.05m。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤S110中，利用CAD软件构建所述实际仿真区域的三维模型；所述步骤S130中，调用CAD软件提供的API接口进行编程分析，对每块网格的相对介电常数、相对电导率和相对磁导率进行建模，构建区域电磁参数模型。
10.一种电子设备，其特征在于，其包括多个处理器、存储器及存储于所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1～9任一所述的一种用于仪表着陆系统的电磁仿真方法。
CN202011040623.3A 2020-09-28 2020-09-28 一种用于仪表着陆系统的电磁仿真方法及电子设备 Pending CN112347667A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011040623.3A CN112347667A (zh) 2020-09-28 2020-09-28 一种用于仪表着陆系统的电磁仿真方法及电子设备

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011040623.3A CN112347667A (zh) 2020-09-28 2020-09-28 一种用于仪表着陆系统的电磁仿真方法及电子设备

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112347667A true CN112347667A (zh) 2021-02-09

Family

ID=74361097

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011040623.3A Pending CN112347667A (zh) 2020-09-28 2020-09-28 一种用于仪表着陆系统的电磁仿真方法及电子设备

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112347667A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113158492A (zh) * 2021-05-14 2021-07-23 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 一种时变电磁场的全隐式双时间步计算方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113158492A (zh) * 2021-05-14 2021-07-23 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 一种时变电磁场的全隐式双时间步计算方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7796983B2 (en) Physics-based statistical model and simulation method of RF propagation in urban environments
CN109412673B (zh) 面向无人机通信的几何随机信道模型的实时仿真方法
CN108460241B (zh) 一种仪表着陆系统扰动仿真方法
CN106599427A (zh) 一种基于贝叶斯理论和气垫船姿态信息的海浪信息预测方法
Huang et al. Three-dimensional GPR ray tracing based on wavefront expansion with irregular cells
CN106772386A (zh) 一种利用lpso算法由雷达回波反演大气波导方法
CN105740204A (zh) 不规则地形下低频段大地电导率快速反演方法
CN112733364B (zh) 一种基于阻抗矩阵分块的箔条云散射快速计算方法
CN104794289A (zh) 一种扩展直角坐标系下完全匹配吸收边界的实现方法
CN112347667A (zh) 一种用于仪表着陆系统的电磁仿真方法及电子设备
He et al. Two-way propagation modeling of expressway with vehicles by using the 3-D ADI-PE method
CN104750990A (zh) 二维等离子体中扩展坐标的完全匹配吸收边界的实现方法
CN104809286A (zh) 一种等离子体中扩展坐标的完全匹配吸收边界的实现方法
CN104101869A (zh) 一种极坐标下的地波雷达运动目标仿真建模方法
Zhang et al. Propagation modeling in complex tunnel environments: A comparison of vector parabolic equation and ray-tracing solutions
CN112036011A (zh) 一种用于水下航行器的甚低频波通信传输分析方法及系统
Parada et al. A comparative study between SSPE methods and a HO-FDTD algorithm for EM propagation over lossy terrains
Wu et al. Higher order fd-padé scheme for 3-D parabolic equation in radio-wave propagation
CN104778286A (zh) 掠海飞行器电磁散射特性快速仿真方法
Li et al. EM pulse propagation modeling for tunnels by three-dimensional ADI-TDPE method
KR20160077973A (ko) 전술항법장치에 대한 분석 시뮬레이션 장치 및 방법
CN114624766A (zh) 基于行波分离的弹性波最小二乘逆时偏移梯度求取方法
CN113177307A (zh) 一种应用于复杂地形的短波地波仿真方法及系统
CN106291126A (zh) 基于变采样率的复杂电磁环境时域信号模拟方法
CN112782511A (zh) 一种应用于仪表着陆系统的空间信号校正装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination