CN112671475B - 一种短波最高可用频率高精度预测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种短波最高可用频率高精度预测方法及装置，根据发射天线、接收天线和电离层高度三者的几何关系，计算电波方位角和电波发射仰角，使用ITU‑R P533建议书计算收发链路的最高可用频率，对方位角、仰角和最高可用频率进行微扰形成解区间，利用haselgrove射线追踪方法求解收发链路最高可用频率。与传统经验预测模型相比，本发明具有更高的预测精度；在保证高鲁棒性前提下，有效解决了基于射线自导引的短波最高可用频率精确预测中初值敏感性问题和高计算量问题，具有很高的工程实用价值。有助于合理规划短波通联参数，提升短波通联成功率，提高短波通信系统的可靠性。

Description

一种短波最高可用频率高精度预测方法及装置

技术领域

本发明涉及短波通信技术领域，具体涉及一种短波最高可用频率高精度预测方法及装置。

背景技术

电离层特殊的等离子体性质，可使短波频段无线电波发生反射，实现远距离无线、非中继通信。由于电离层受太阳周期性变化、地磁活动及粒子输运的共同作用，其分层结构和粒子构成处于动态变化中，短波在变化的电离层调制下，能被电离层反射的最高频率(即最高可用频率，MUF)也时刻发生变化，如能准确预测最高可用频率，将有助于合理规划短波通联参数，提升短波通联成功率，提高短波通信系统的可靠性。

目前，最高可用频率可通过垂测仪探测临界频率，再根据发射和接收地理位置与电离层的几何关系进行换算得到，也可以直接由斜测仪在3-30MHz频率范围内密集扫频并遍历3-90度的仰角范围，通过判读接收端的斜测电离图获取最高可用频率。基于垂测/斜测的最高可用频率较为精确，但仅限于实时通信，不能对未来几小时甚至是数天的最高可用频率作出预测，对于突发、应急短波应用场景难以发挥有效作用。

现阶段，经过多年积累的大量短波观测数据的基础上，人们通过统计建模的方法，实现了几种最高可用频率的预测计算，具有代表性的有ITU-R P533建议书和VOACAP，得到了广泛应用。但是统计模型与真实传播环境相比，误差较大。近年发展了射线自导引方法，这类方法通过迭代可实现最高可用频率的计算，但对频率和仰角初值的选择极为敏感，不能保证算法收敛，鲁棒性差，且算法计算量较大，限制了方法的工程化应用。

综上所述，亟需一种新的短波最高可用频率高精度预测技术方案。

发明内容

为此，本发明提供一种短波最高可用频率高精度预测方法及装置，在保证高鲁棒性前提下，解决基于射线自导引的短波最高可用频率精确预测中初值敏感性问题和高计算量问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种短波最高可用频率高精度预测方法，包括以下步骤：

步骤一、根据发射天线、接收天线和电离层高度的几何关系，获得电波方位角和电波发射仰角；

步骤二、根据ITU-R P533建议书，获得在给定时刻和太阳黑子数时，所述发射天线和接收天线间的最高可用频率，将所述最高可用频率作为射线追踪频率参数的初值；

步骤三、对所述电波方位角、电波发射仰角和最高可用频率进行微小扰动，获取电波方位角、电波发射仰角和频率的取值范围，并设定遍历步进取值；

步骤四、基于国际参考电离层模型和国际地磁参考场，采用haselgrove方程组遍历电波方位角范围、电波发射仰角范围和频率范围，计算电离层中短波的射线轨迹并求出射线轨迹到达地面的经纬度；

步骤五、预设射线到达位置与接收位置的误差限，若误差满足误差限时停止遍历计算，将当前的频率值作为发射天线和接收天线之间链路的最高可用频率；否则，扩大电波方位角、电波发射仰角和频率的取值范围，执行步骤四。

作为短波最高可用频率高精度预测方法的优选方案，步骤一中电波方位角和电波发射仰角的获得公式(1)为：

式中，R₀为地球半径，d₀为发射天线和接收天线之间的大圆路径，h_r为电离层高度，α电波发射仰角，θ为电波方位角。

作为短波最高可用频率高精度预测方法的优选方案，步骤二包括：

根据发射天线和接收天线之间路径距离，设定中间控制点个数，若路径距离大于2000km，分别在距离发射天线1000km处和距离接收天线1000km处各设置一个控制点，若路径距离小于2000km，则将路径中点设为控制点；

通过公式(2)和公式(3)求出控制点处的E层临界频率foE和F2层临界频率Ω；

公式(2)为：foE⁴＝A*B*C*D

式中，A太阳活动因子、B季节因子、C主纬度因子、D每日时间因子；

公式(3)为：

式中，Ω为电离层特性；λ为地理纬度；θ为电波方位角；T为世界协调时间，H为谐波数量；a_j和b_j为傅立叶系数；

利用公式(4)和公式(5)求出E层和F2层最高可用频率MUF，取大者为路径最高可用频率；

公式(4)为：MUF＝foE*sec(π/2-α)；

公式(5)为：MUF＝Ω*sec(π/2-α)。

作为短波最高可用频率高精度预测方法的优选方案，步骤三中对所述电波方位角、电波发射仰角和最高可用频率进行微小扰动的公式(6)为：

式中，θ_new为电波方位角扰动值，α_new为电波发射仰角扰动值，MUF_new为最高可用频率扰动值。

作为短波最高可用频率高精度预测方法的优选方案，对所述电波方位角、电波发射仰角和最高可用频率进行微小扰动得到射线循迹的参数求解区间。

本发明还提供一种短波最高可用频率高精度预测装置，包括：

几何关系处理模块，用于根据发射天线、接收天线和电离层高度的几何关系，获得电波方位角和电波发射仰角；

射线追踪频率获取模块，用于根据ITU-R P533建议书，获得在给定时刻和太阳黑子数时，所述发射天线和接收天线间的最高可用频率，将所述最高可用频率作为射线追踪频率参数的初值；

扰动处理模块，用于对所述电波方位角、电波发射仰角和最高可用频率进行微小扰动，获取电波方位角、电波发射仰角和频率的取值范围，并设定遍历步进取值；

射线轨迹处理模块，用于基于国际参考电离层模型和国际地磁参考场，采用haselgrove方程组遍历电波方位角范围、电波发射仰角范围和频率范围，计算电离层中短波的射线轨迹并求出射线轨迹到达地面的经纬度；

最高可用频率获取模块，用于预设射线到达位置与接收位置的误差限，若误差满足误差限时停止遍历计算，将当前的频率值作为发射天线和接收天线之间链路的最高可用频率。

作为短波最高可用频率高精度预测装置的优选方案，几何关系处理模块中电波方位角和电波发射仰角的获得公式(1)为：

式中，R₀为地球半径，d₀为发射天线和接收天线之间的大圆路径，h_r为电离层高度，α电波发射仰角，θ为电波方位角。

作为短波最高可用频率高精度预测装置的优选方案，射线追踪频率获取模块根据发射天线和接收天线之间路径距离，设定中间控制点个数，若路径距离大于2000km，分别在距离发射天线1000km处和距离接收天线1000km处各设置一个控制点，若路径距离小于2000km，则将路径中点设为控制点；

通过公式(2)和公式(3)求出控制点处的E层临界频率foE和F2层临界频率Ω；

公式(2)为：foE⁴＝A*B*C*D

式中，A太阳活动因子、B季节因子、C主纬度因子、D每日时间因子；

公式(3)为：

式中，Ω为电离层特性；λ为地理纬度；θ为电波方位角；T为世界协调时间，H为谐波数量；a_j和b_j为傅立叶系数；

利用公式(4)和公式(5)求出E层和F2层最高可用频率MUF，取大者为路径最高可用频率；

公式(4)为：MUF＝foE*sec(π/2-α)；

公式(5)为：MUF＝Ω*sec(π/2-α)。

作为短波最高可用频率高精度预测装置的优选方案，扰动处理模块中对所述电波方位角、电波发射仰角和最高可用频率进行微小扰动的公式(6)为：

式中，θ_new为电波方位角扰动值，α_new为电波发射仰角扰动值，MUF_new为最高可用频率扰动值。

作为短波最高可用频率高精度预测装置的优选方案，扰动处理模块对所述电波方位角、电波发射仰角和最高可用频率进行微小扰动得到射线循迹的参数求解区间。

本发明具有如下优点：本发明根据发射天线、接收天线和电离层高度三者的几何关系，计算电波方位角和电波发射仰角，使用ITU-R P533建议书计算收发链路的最高可用频率，对方位角、仰角和最高可用频率进行微扰形成解区间，利用haselgrove射线追踪方法求解收发链路最高可用频率。与传统经验预测模型相比，本发明具有更高的预测精度；在保证高鲁棒性前提下，有效解决了基于射线自导引的短波最高可用频率精确预测中初值敏感性问题和高计算量问题，具有很高的工程实用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例中提供的一种短波最高可用频率高精度预测方法流程图；

图2为本发明实施例中提供的一种短波最高可用频率高精度预测方法技术路线图；

图3为本发明实施例中提供的一种短波最高可用频率高精度预测方法电波发射仰角求解示意图；

图4为本发明实施例中提供的一种短波最高可用频率高精度预测装置示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1、图2和图3，提供一种短波最高可用频率高精度预测方法，包括以下步骤：

S1、根据发射天线、接收天线和电离层高度的几何关系，获得电波方位角和电波发射仰角；

S2、根据ITU-R P533建议书，获得在给定时刻和太阳黑子数时，所述发射天线和接收天线间的最高可用频率，将所述最高可用频率作为射线追踪频率参数的初值；

S3、对所述电波方位角、电波发射仰角和最高可用频率进行微小扰动，获取电波方位角、电波发射仰角和频率的取值范围，并设定遍历步进取值；

S4、基于国际参考电离层模型和国际地磁参考场，采用haselgrove方程组遍历电波方位角范围、电波发射仰角范围和频率范围，计算电离层中短波的射线轨迹并求出射线轨迹到达地面的经纬度；

S5、预设射线到达位置与接收位置的误差限，若误差满足误差限时停止遍历计算，将当前的频率值作为发射天线和接收天线之间链路的最高可用频率；否则，扩大电波方位角、电波发射仰角和频率的取值范围，执行步骤S4。

具体的，步骤S1中电波方位角和电波发射仰角的获得公式(1)为：

式中，R₀为地球半径，d₀为发射天线和接收天线之间的大圆路径，h_r为电离层高度，α电波发射仰角，θ为电波方位角。

参见图3，T表示发射天线位置，R表示接收天线位置，O为地球球心，R₀为地球半径，发射天线和接收天线之间的大圆路径为d0，过大圆路径中点的垂线与电离层的交点记为C，根据电离层高度h_r以及收发天线位置，即可采用式(1)求出电波发射仰角α，根据发射天线和接收天线的经纬度，求出电波方位角θ。

具体的，步骤S2包括：根据发射天线和接收天线之间路径距离，设定中间控制点个数，若路径距离大于2000km，分别在距离发射天线1000km处和距离接收天线1000km处各设置一个控制点，若路径距离小于2000km，则将路径中点设为控制点；

通过公式(2)和公式(3)求出控制点处的E层临界频率foE和F2层临界频率Ω；

公式(2)为：foE⁴＝A*B*C*D

式中，A太阳活动因子、B季节因子、C主纬度因子、D每日时间因子；

公式(3)为：

式中，Ω为电离层特性；λ为地理纬度；θ为电波方位角；T为世界协调时间，H为谐波数量；a_j和b_j为傅立叶系数；

利用公式(4)和公式(5)求出E层和F2层最高可用频率MUF，取大者为路径最高可用频率；

公式(4)为：MUF＝foE*sec(π/2-α)；

公式(5)为：MUF＝Ω*sec(π/2-α)。

步骤S3中对所述电波方位角、电波发射仰角和最高可用频率进行微小扰动得到射线循迹的参数求解区间，对所述电波方位角、电波发射仰角和最高可用频率进行微小扰动的公式(6)为：

式中，θ_new为电波方位角扰动值，α_new为电波发射仰角扰动值，MUF_new为最高可用频率扰动值。

具体的，国际参考电离层模型是根据大量的地面观测资料和多年累积的电离层研究成果建立起来的，主要提供了海拔高度50～1 500km范围内平静地磁场条件下非极区电离层的电子密度、电子温度、离子成分、离子温度和离子漂移的月平均值等重要参数，是目前国际应用最广的经验电离层模型，以统计预报的模式反映了平静电离层的平均状态，能够较好地给出全球电离层的相关参数。

国际地磁参考场是是描述全球地磁场及其长期变化的，为了对基本磁场的高斯系数给出一个全世界通用的标准而制定的，从1968年开始，国际地磁和高空大气物理协会(IAGA)相继讨论和通过了几个不同年代的基本磁场模型，共发布了11代国际地磁参考场，其精度不断提高，适用的时间范围也逐渐延伸。

其中，第11代国际地磁参考场包括1900.0—2010.0年代(间隔为5年)共23个地磁模型与2010.0—2015.0年代地磁长期变化的预测模型，其中1900.0—1995.0年代模型的阶次为N＝M＝10，相应球谐系数的精度为1nT；2000.0—2010.0年代模型的阶次为N＝M＝13，其球谐系数的精度为0.1nT；而2010.0—2015.0年代地磁长期变化预测模型的阶次为N＝M＝8，其球谐系数的精度为0.1nT。

参见图4，本发明还提供一种短波最高可用频率高精度预测装置，包括：

几何关系处理模块1，用于根据发射天线、接收天线和电离层高度的几何关系，获得电波方位角和电波发射仰角；

射线追踪频率获取模块2，用于根据ITU-R P533建议书，获得在给定时刻和太阳黑子数时，所述发射天线和接收天线间的最高可用频率，将所述最高可用频率作为射线追踪频率参数的初值；

扰动处理模块3，用于对所述电波方位角、电波发射仰角和最高可用频率进行微小扰动，获取电波方位角、电波发射仰角和频率的取值范围，并设定遍历步进取值；

射线轨迹处理模块4，用于基于国际参考电离层模型和国际地磁参考场，采用haselgrove方程组遍历电波方位角范围、电波发射仰角范围和频率范围，计算电离层中短波的射线轨迹并求出射线轨迹到达地面的经纬度；

最高可用频率获取模块5，用于预设射线到达位置与接收位置的误差限，若误差满足误差限时停止遍历计算，将当前的频率值作为发射天线和接收天线之间链路的最高可用频率。

具体的，几何关系处理模块1中电波方位角和电波发射仰角的获得公式(1)为：

式中，R₀为地球半径，d₀为发射天线和接收天线之间的大圆路径，h_r为电离层高度，α电波发射仰角，θ为电波方位角。

射线追踪频率获取模块2根据发射天线和接收天线之间路径距离，设定中间控制点个数，若路径距离大于2000km，分别在距离发射天线1000km处和距离接收天线1000km处各设置一个控制点，若路径距离小于2000km，则将路径中点设为控制点；

通过公式(2)和公式(3)求出控制点处的E层临界频率foE和F2层临界频率Ω；

公式(2)为：foE⁴＝A*B*C*D

式中，A太阳活动因子、B季节因子、C主纬度因子、D每日时间因子；

公式(3)为：

式中，Ω为电离层特性；λ为地理纬度；θ为电波方位角；T为世界协调时间，H为谐波数量；a_j和b_j为傅立叶系数；

利用公式(4)和公式(5)求出E层和F2层最高可用频率MUF，取大者为路径最高可用频率；

公式(4)为：MUF＝foE*sec(π/2-α)；

公式(5)为：MUF＝Ω*sec(π/2-α)。

扰动处理模块3中对所述电波方位角、电波发射仰角和最高可用频率进行微小扰动的公式(6)为：

式中，θ_new为电波方位角扰动值，α_new为电波发射仰角扰动值，MUF_new为最高可用频率扰动值。扰动处理模块3对所述电波方位角、电波发射仰角和最高可用频率进行微小扰动得到射线循迹的参数求解区间。

本发明根据发射天线、接收天线和电离层高度的几何关系，获得电波方位角和电波发射仰角；根据ITU-R P533建议书，获得在给定时刻和太阳黑子数时，发射天线和接收天线间的最高可用频率，将最高可用频率作为射线追踪频率参数的初值；对电波方位角、电波发射仰角和最高可用频率进行微小扰动，获取电波方位角、电波发射仰角和频率的取值范围，并设定遍历步进取值；基于国际参考电离层模型和国际地磁参考场，采用haselgrove方程组遍历电波方位角范围、电波发射仰角范围和频率范围，计算电离层中短波的射线轨迹并求出射线轨迹到达地面的经纬度；预设射线到达位置与接收位置的误差限，若误差满足误差限时停止遍历计算，将当前的频率值作为发射天线和接收天线之间链路的最高可用频率；否则，扩大电波方位角、电波发射仰角和频率的取值范围。与传统经验预测模型相比，本发明具有更高的预测精度；在保证高鲁棒性前提下，有效解决了基于射线自导引的短波最高可用频率精确预测中初值敏感性问题和高计算量问题，具有很高的工程实用价值。有助于合理规划短波通联参数，提升短波通联成功率，提高短波通信系统的可靠性。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种短波最高可用频率高精度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据发射天线、接收天线和电离层高度的几何关系，获得电波方位角和电波发射仰角；

步骤二、根据ITU-R P533建议书，获得在给定时刻和太阳黑子数时，所述发射天线和接收天线间的最高可用频率，将所述最高可用频率作为射线追踪频率参数的初值；

步骤三、对所述电波方位角、电波发射仰角和最高可用频率进行微小扰动，获取电波方位角、电波发射仰角和频率的取值范围，并设定遍历步进取值；

步骤四、基于国际参考电离层模型和国际地磁参考场，采用haselgrove方程组遍历电波方位角范围、电波发射仰角范围和频率范围，计算电离层中短波的射线轨迹并求出射线轨迹到达地面的经纬度；

步骤五、预设射线到达位置与接收位置的误差限，若误差满足误差限时停止遍历计算，将当前的频率值作为发射天线和接收天线之间链路的最高可用频率；否则，扩大电波方位角、电波发射仰角和频率的取值范围，执行步骤四。

2.根据权利要求1所述的一种短波最高可用频率高精度预测方法，其特征在于，步骤一中电波发射仰角的获得公式(1)为：

式中，R₀为地球半径，d₀为发射天线和接收天线之间的大圆路径，h_r为电离层高度，α为电波发射仰角；

采用式(1)求出电波发射仰角α，根据发射天线和接收天线的经纬度，求出电波方位角θ。

3.根据权利要求2所述的一种短波最高可用频率高精度预测方法，其特征在于，步骤二包括：

根据发射天线和接收天线之间路径距离，设定中间控制点个数，若路径距离大于2000km，分别在距离发射天线1000km处和距离接收天线1000km处各设置一个控制点，若路径距离小于2000km，则将路径中点设为控制点；

通过公式(2)和公式(3)求出控制点处的E层临界频率foE和F2层临界频率Ω；

公式(2)为：foE⁴＝A*B*C*D

式中，A为太阳活动因子、B为季节因子、C为主纬度因子、D为每日时间因子；

公式(3)为：

式中，Ω为电离层特性；λ为地理纬度；θ为电波方位角；T为世界协调时间，H为谐波数量；a_j和b_j为傅立叶系数；

利用公式(4)和公式(5)求出E层和F2层最高可用频率MUF，取大者为路径最高可用频率；

公式(4)为：MUF＝foE*sec(π/2-α)；

公式(5)为：MUF＝Ω*sec(π/2-α)。

4.根据权利要求2所述的一种短波最高可用频率高精度预测方法，其特征在于，步骤三中对所述电波方位角、电波发射仰角和最高可用频率进行微小扰动的公式(6)为：

式中，θ_new为电波方位角扰动值，α_new为电波发射仰角扰动值，MUF_new为最高可用频率扰动值。

5.根据权利要求4所述的一种短波最高可用频率高精度预测方法，其特征在于，对所述电波方位角、电波发射仰角和最高可用频率进行微小扰动得到射线轨迹的参数求解区间。

6.一种短波最高可用频率高精度预测装置，其特征在于，包括：

几何关系处理模块，用于根据发射天线、接收天线和电离层高度的几何关系，获得电波方位角和电波发射仰角；

射线追踪频率获取模块，用于根据ITU-R P533建议书，获得在给定时刻和太阳黑子数时，所述发射天线和接收天线间的最高可用频率，将所述最高可用频率作为射线追踪频率参数的初值；

扰动处理模块，用于对所述电波方位角、电波发射仰角和最高可用频率进行微小扰动，获取电波方位角、电波发射仰角和频率的取值范围，并设定遍历步进取值；

射线轨迹处理模块，用于基于国际参考电离层模型和国际地磁参考场，采用haselgrove方程组遍历电波方位角范围、电波发射仰角范围和频率范围，计算电离层中短波的射线轨迹并求出射线轨迹到达地面的经纬度；

最高可用频率获取模块，用于预设射线到达位置与接收位置的误差限，若误差满足误差限时停止遍历计算，将当前的频率值作为发射天线和接收天线之间链路的最高可用频率。

7.根据权利要求6所述的一种短波最高可用频率高精度预测装置，其特征在于，几何关系处理模块中电波发射仰角的获得公式(1)为：

式中，R₀为地球半径，d₀为发射天线和接收天线之间的大圆路径，h_r为电离层高度，α为电波发射仰角；

采用式(1)求出电波发射仰角α，根据发射天线和接收天线的经纬度，求出电波方位角θ。

8.根据权利要求6所述的一种短波最高可用频率高精度预测装置，其特征在于，射线追踪频率获取模块根据发射天线和接收天线之间路径距离，设定中间控制点个数，若路径距离大于2000km，分别在距离发射天线1000km处和距离接收天线1000km处各设置一个控制点，若路径距离小于2000km，则将路径中点设为控制点；

通过公式(2)和公式(3)求出控制点处的E层临界频率foE和F2层临界频率Ω；

公式(2)为：foE⁴＝A*B*C*D

式中，A为太阳活动因子、B为季节因子、C为主纬度因子、D为每日时间因子；

公式(3)为：

式中，Ω为电离层特性；λ为地理纬度；θ为电波方位角；T为世界协调时间，H为谐波数量；a_j和b_j为傅立叶系数；

利用公式(4)和公式(5)求出E层和F2层最高可用频率MUF，取大者为路径最高可用频率；

公式(4)为：MUF＝foE*sec(π/2-α)；

公式(5)为：MUF＝Ω*sec(π/2-α)。

9.根据权利要求6所述的一种短波最高可用频率高精度预测装置，其特征在于，扰动处理模块中对所述电波方位角、电波发射仰角和最高可用频率进行微小扰动的公式(6)为：

式中，θ_new为电波方位角扰动值，α_new为电波发射仰角扰动值，MUF_new为最高可用频率扰动值。

10.根据权利要求9所述的一种短波最高可用频率高精度预测装置，其特征在于，扰动处理模块对所述电波方位角、电波发射仰角和最高可用频率进行微小扰动得到射线轨迹的参数求解区间。

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