CN113569433B - 一种太阳闪烁下深空电磁波信道传播建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳闪烁下深空电磁波信道传播建模方法，该方法根据深空电磁波的传播路径，考虑了太阳、行星、电磁波传播的几何关系的影响，建立了受不同程度太阳风影响下的深空电磁波信道传播模型，引入太阳活动周期及空间天气对深空电磁波传播的影响。相比传统方法，本方法能够应用于复杂太阳活动情况下描述太阳闪烁对深空电磁波在太阳系行星间传播的影响，为深空探测信息有效传输提供良好的技术支撑。

Description

一种太阳闪烁下深空电磁波信道传播建模方法
技术领域
本发明属于深空探测领域，具体涉及一种太阳闪烁下深空电磁波信道传播建模方法。
背景技术
深空电磁波传播是深空通信和深空探测的主要支撑技术手段，深空电磁波在宇宙空间传播时会受到太阳风中等离子体的影响，具体表现为太阳闪烁。电磁波在太阳闪烁的影响下产生幅度衰减、相位抖动、法拉第旋转等效应，在严重情况下甚至导致深空通信链路的中断。通常，太阳闪烁受深空电磁波传播几何路径、太阳风速度、太阳风中等离子体电子密度等因素的影响，其变化较复杂，并且受限于人类在深空探测过程所获得的电磁波信号传播特征的有限性，目前对太阳闪烁与深空电磁波相互作用机理的理解尚处于探索阶段。此外，目前描述衰减信道的一些模型如莱斯模型、瑞利模型等并不能有效刻画电磁波在太阳风等离子体中的传播特征，而Nakagami-m模型也仅适用于较弱的闪烁环境，其普适性和广域有效性尚未得以全面验证。因此有必要全面认知深空电磁波传播的太阳闪烁效应，构建准确可信的信道传播模型，为深空探测，特别是太阳系内行星探测器的遥测遥控通信提供良好的理论基础和技术支撑。
目前研究已较为广泛的电离层闪烁强度，其中一个衡量标准即电离层总电子含量变化指数，Rate of TEC Index(ROTI)。ROTI指数最早由美国NASA JPL实验室的研究人员PiXiaoqing提出，参见文献1，其于1997年在地球科学领域顶级期刊《地球物理快报》所发表的文章目前已被广泛引用（Web of Science 引用469次），此后相关领域学者均以ROTI指数作为电离层闪烁强弱的一个重要标准，即通过ROTI指数与设定门限比较，判断电离层闪烁强弱。
文献1：Pi, X., Mannucci, A. J., Lindqwister, U. J., & Ho, C. M.Monitoring of global ionospheric irregularities using the worldwide GPSnetwork. Geophysical Research Letters, 1997,24(18):2283-2286。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种太阳闪烁下深空电磁波信道传播建模方法，该方法根据深空电磁波的传播路径，考虑了太阳、行星、电磁波传播的几何关系的影响，建立了受不同程度太阳风影响下的深空电磁波信道传播模型，引入太阳活动周期及空间天气对深空电磁波传播的影响。相比传统方法，本方法能够应用于复杂太阳活动情况下描述太阳闪烁对深空电磁波在太阳系行星间传播的影响，为深空探测信息有效传输提供良好的技术支撑。
本发明的技术方案如下：一种太阳闪烁下深空电磁波信道传播建模方法，具体实现步骤为：
步骤（1）确定深空电磁波传播信道的几何特征，即太阳、地球、行星之间的相对位置，判断行星与太阳的位置关系是上合、下合还是其它位置关系；其中，太阳、行星探测器、地球的上合几何关系为行星探测器和地球分别处于太阳两侧，太阳、行星探测器、地球的下合几何关系为行星探测器和地球位于太阳同侧；上合时太阳闪烁影响大，下合时太阳闪烁影响小。进一步考虑太阳、地球、行星探测器的夹角α SEP ，其为太阳地球连线与地球行星探测器连线之间的夹角，且α SEP 越小，太阳闪烁影响越大。
步骤（2）确定电磁波传播时的空间环境特征，太阳活动所处的周期状态，是否存在太阳耀斑和日冕抛射物活动；空间环境特征主要考虑太阳活动状态，用F10.7指数、太阳黑子数、太阳耀斑和太阳日冕抛射物的状态来描述；太阳活动所处的周期状态主要指太阳活动在太阳活动周期中属于高年、低年、最大年或者平静期。
步骤（3）将太阳活动状态输入WSA-ENLIL太阳风模型，通过WSA-ENLIL太阳风模型计算太阳风速度、太阳风等离子体的密度和温度。
步骤（4）利用步骤（3）计算得到的太阳风等离子体密度计算深空电磁波传播路径上的总电子含量；具体计算方法为：
Figure 994418DEST_PATH_IMAGE001
其中，TEC表示深空电磁波传播路径的总电子含量， N e 为所述太阳风等离子体密度，L表示深空电磁波的传播路径，sw表示太阳风，
Figure 32781DEST_PATH_IMAGE002
表示太阳风等离子体密度沿着电磁波传播路径的积分。
步骤（5）根据所计算得到的总电子含量进一步计算总电子含量的变化指数，并根据总电子含量的变化指数判断太阳闪烁强度；首先计算相邻时间间隔的总电子含量变化：
Figure 573483DEST_PATH_IMAGE003
,其中TEC i+1 、TEC i 分别表示第i+1和第i时刻的总电子含量，∆t i 表示第i+1和第i时刻的时间间隔，ROT表示总电子含量变化。进而计算总电子含量变化指数，具体方法为：
Figure 528539DEST_PATH_IMAGE004
其中，ROT j 表示第j时刻的总电子含量变化，
Figure 863705DEST_PATH_IMAGE005
表示总电子含量变化的平均值，N表示在时间段内的ROT总数。
步骤（6）根据太阳闪烁强度分别进行深空电磁波信道传播建模，若属于弱太阳闪烁，则采用α-μ分布构建深空电磁波信道传播模型，若属于强太阳闪烁，则采用κ-μ分布构建深空电磁波信道传播模型；其中两种模型的具体描述为：
α-μ模型：
Figure 654944DEST_PATH_IMAGE006
，
其中参数α和μ可以通过下式计算：
Figure 733758DEST_PATH_IMAGE007
，
其中r是电磁波信号振幅向量的单位向量，ξ是中间变量，可用
Figure 231736DEST_PATH_IMAGE008
来计算，Γ(·)表示Gamma函数，E(·)表示数学期望，R表示电磁波信号振幅向量，β为待定参数，通常可取值为β=3和β=4。
对应的太阳闪烁幅度闪烁指数为：
Figure 550853DEST_PATH_IMAGE009
。
κ-μ分布模型：
Figure 767070DEST_PATH_IMAGE010
，其中I μ-1是修正的μ-1阶一类贝塞尔函数，
Figure 649576DEST_PATH_IMAGE011
，其中V(▪)表示方差，参数κ的计算方法为：
Figure 64377DEST_PATH_IMAGE012
对应的太阳闪烁幅度闪烁指数为
Figure 6925DEST_PATH_IMAGE013
。
步骤（7）利用经验太阳风等离子体密度模型计算深空电磁波传播路径上的总电子含量，并进一步计算总电子含量的变化指数；其中经验太阳风等离子体电子密度模型为：
Figure 444859DEST_PATH_IMAGE014
其中R 0为太阳半径，R为相对于太阳中心的径向距离，a、b、c、d为待定系数。N e 为太阳风等离子体密度，则总电子含量为：
Figure 177061DEST_PATH_IMAGE015
其中，TEC表示深空电磁波传播路径的总电子含量，N e 为太阳风等离子体密度，L表示深空电磁波的传播路径，sw表示太阳风，
Figure 649630DEST_PATH_IMAGE016
表示太阳风等离子体密度沿着电磁波传播路径的积分。
步骤（8）利用步骤（7）中计算得到的总电子含量，重复步骤（5）和步骤（6），并设定确信因子θ 1和θ 2，且θ 1+θ 2=1。
步骤（9）利用实际观测数据拟合计算得到确信因子θ 1和θ 2的具体赋值，并确定最终的深空电磁波的太阳闪烁信道传播模型，可表示为：
Figure 497501DEST_PATH_IMAGE017
其中，θ 1和θ 2为在步骤8和9中的确信因子，f WSA-ENLIL (x)为由步骤（3）中WSA-ENLIL太阳风模型计算得到的深空电磁波的太阳闪烁信道传播模型，f emperical (x)为由步骤（7）中经验模型得到的深空电磁波的太阳闪烁信道传播模型。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）相比传统的计算方法，本发明方法（如图1）充分考虑了太阳活动对太阳闪烁的影响，综合了太阳风WSA-ENLIL理论模型和经验的太阳风等离子体电子密度计算方法，获得了更准确可信的深空电磁场太阳闪烁信道模型。
附图说明
图1为本发明一种太阳闪烁下深空电磁波信道传播建模方法实现流程图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而不起任何限定作用。
本发明提供了一种太阳闪烁下深空电磁波信道传播建模方法，该方法根据深空电磁波的传播路径，考虑了太阳、行星、电磁波传播的几何关系的影响，建立了受不同程度太阳风影响下的深空电磁波信道传播模型，引入太阳活动周期及空间天气对深空电磁波传播的影响。相比传统方法，本方法能够应用于复杂太阳活动情况下描述太阳闪烁对深空电磁波在太阳系行星间传播的影响，为深空探测信息有效传输提供良好的技术支撑。
如图1所示，本发明具体实现步骤如下：
1、确定深空电磁波传播信道的几何特征，即太阳、地球、行星之间的相对位置，判断行星与太阳的位置关系是上合、下合还是其它位置关系；其中，太阳、行星探测器、地球的上合几何关系为行星探测器和地球分别处于太阳两侧，太阳、行星探测器、地球的下合几何关系为行星探测器和地球位于太阳同侧；上合时太阳闪烁影响大，下合时太阳闪烁影响小。所述步骤A中，进一步考虑太阳、地球、行星探测器的夹角α SEP ，其为太阳地球连线与地球行星探测器连线之间的夹角，且α SEP 越小，太阳闪烁影响越大。
2、确定电磁波传播时的空间环境特征，太阳活动所处的周期状态，是否存在太阳耀斑和日冕抛射物活动；空间环境特征主要考虑太阳活动状态，用F10.7指数、太阳黑子数、太阳耀斑和太阳日冕抛射物的状态来描述；太阳活动所处的周期状态主要指太阳活动在太阳活动周期中属于高年、低年、最大年或者平静期。
3、将太阳活动状态输入WSA-ENLIL太阳风模型，通过WSA-ENLIL太阳风模型计算太阳风速度、太阳风等离子体的密度和温度。
4、利用上面一步计算得到的太阳风等离子体密度计算深空电磁波传播路径上的总电子含量；具体计算方法为：
Figure 485048DEST_PATH_IMAGE015
其中，TEC表示深空电磁波传播路径的总电子含量， N e 为所述太阳风等离子体密度，L表示深空电磁波的传播路径，sw表示太阳风，
Figure 709356DEST_PATH_IMAGE016
表示太阳风等离子体密度沿着电磁波传播路径的积分。
5、根据所计算得到的总电子含量进一步计算总电子含量的变化指数，并根据总电子含量的变化指数判断太阳闪烁强度；首先计算相邻时间间隔的总电子含量变化：
Figure 36432DEST_PATH_IMAGE018
,其中TEC i+1 、TEC i 分别表示第i+1和第i时刻的总电子含量，Δt i 表示第i+1和第i时刻的时间间隔，ROT表示总电子含量变化。进而计算总电子含量变化指数，具体方法为：
Figure 133833DEST_PATH_IMAGE019
其中，ROT j 表示第j时刻的总电子含量变化，
Figure 546359DEST_PATH_IMAGE020
表示总电子含量变化的平均值，N表示在时间段内的ROT总数。
6、根据太阳闪烁强度分别进行深空电磁波信道传播建模，若属于弱太阳闪烁，则采用α-μ分布构建深空电磁波信道传播模型，若属于强太阳闪烁，则采用κ-μ分布构建深空电磁波信道传播模型；其中两种模型的具体描述为：
α-μ模型：
Figure 371096DEST_PATH_IMAGE006
，其中参数α和μ可以通过下式计算：
Figure 552679DEST_PATH_IMAGE021
，其中。其中r是电磁波信号振幅向量的单位向量，
Figure 7931DEST_PATH_IMAGE022
是中间变量，可用
Figure 219338DEST_PATH_IMAGE008
来计算，Γ(·)表示Gamma函数，E(·)表示数学期望，R表示电磁波信号振幅向量，β为待定参数，通常可取值为β=3和β=4。
对应的太阳闪烁幅度闪烁指数为：
Figure 785449DEST_PATH_IMAGE009
。
κ-μ分布模型：
Figure 821538DEST_PATH_IMAGE010
，其中I μ-1是修正的μ-1阶一类贝塞尔函数，
Figure 447691DEST_PATH_IMAGE011
，其中V(·)表示方差，参数κ的计算方法为：
Figure 897127DEST_PATH_IMAGE012
对应的太阳闪烁幅度闪烁指数为
Figure 1349DEST_PATH_IMAGE013
。
7、利用经验太阳风等离子体密度模型计算深空电磁波传播路径上的总电子含量，并进一步计算总电子含量的变化指数；其中经验太阳风等离子体电子密度模型为：
Figure 157524DEST_PATH_IMAGE014
其中R 0为太阳半径，R为相对于太阳中心的径向距离，a、b、c、d为待定系数，此处赋值为a=2.39×1014,b=－6,c=1.67×1012,d=－2.5。N e 为太阳风等离子体密度，则总电子含量为：
Figure 954579DEST_PATH_IMAGE015
其中，TEC表示深空电磁波传播路径的总电子含量，N e 为所述太阳风等离子体密度，L表示深空电磁波的传播路径，sw表示太阳风，
Figure 563415DEST_PATH_IMAGE016
表示太阳风等离子体密度沿着电磁波传播路径的积分。
8、利用上一步中计算得到的总电子含量，重复步骤5和步骤6，并设定确信因子θ 1和θ 2，且θ 1+θ 2=1。此处设定θ 1=0.7，θ 2=0.3。
9、利用实际观测数据拟合计算得到确信因子θ 1和θ 2的具体赋值，并确定最终的深空电磁波的太阳闪烁信道传播模型，可表示为：
Figure 549956DEST_PATH_IMAGE017
其中，θ 1和θ 2为在步骤8和9中的确信因子，f WSA－ENLIL (x)为由步骤3中WSA-ENLIL太阳风模型计算得到的深空电磁波的太阳闪烁信道传播模型，f emperical (x)为由步骤7中经验模型得到的深空电磁波的太阳闪烁信道传播模型。
综述，本发明提供了一种太阳闪烁下深空电磁波信道传播建模方法，该方法根据深空电磁波的传播路径，考虑了太阳、行星、电磁波传播的几何关系的影响，建立了受不同程度太阳风影响下的深空电磁波信道传播模型，引入太阳活动周期及空间天气对深空电磁波传播的影响。相比传统方法，本方法能够应用于复杂太阳活动情况下描述太阳闪烁对深空电磁波在太阳系行星间传播的影响，为深空探测信息有效传输提供良好的技术支撑。
以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种太阳闪烁下深空电磁波信道传播建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、确定深空电磁波传播信道的几何特征，即太阳、地球、行星探测器之间的相对位置，判断行星探测器与太阳的位置关系是上合、下合还是其它位置关系；
步骤B、确定电磁波传播时的空间环境特征，包括：太阳活动所处的周期状态，是否存在太阳耀斑和日冕抛射物活动；
步骤C、根据步骤B中所确定的空间环境特征，将太阳活动状态输入WSA-ENLIL太阳风模型，进而计算太阳风速度、太阳风等离子体密度和温度；
步骤D、利用步骤C中计算得到的太阳风等离子体密度计算深空电磁波传播路径上的总电子含量；
步骤E、根据所计算得到的总电子含量进一步计算总电子含量的变化指数，并根据总电子含量的变化指数判断太阳闪烁强度；
步骤F、根据太阳闪烁强度分别进行深空电磁波信道传播建模，若属于弱太阳闪烁，则采用α-μ分布构建深空电磁波信道传播模型，若属于强太阳闪烁，则采用κ-μ分布构建深空电磁波信道传播模型；
步骤G、利用经验太阳风等离子体密度模型计算深空电磁波传播路径上的总电子含量，并进一步计算总电子含量的变化指数；
所述步骤G中，利用经验太阳风等离子体密度模型计算深空电磁波传播路径上的总电子含量的方法为：
Figure 441025DEST_PATH_IMAGE001
其中R 0为太阳半径，R为相对于太阳中心的径向距离，a、b、c、d为待定系数；N e 为步骤C中计算得到的太阳风等离子体密度，则总电子含量为：
Figure 49861DEST_PATH_IMAGE002
其中，TEC表示深空电磁波传播路径的总电子含量，N e 为所述太阳风等离子体密度，L表示深空电磁波的传播路径，sw表示太阳风，
Figure 285670DEST_PATH_IMAGE003
表示太阳风等离子体密度沿着电磁波传播路径的积分；
步骤H、利用步骤G中计算得到的总电子含量变化指数为输入，重复步骤F，并设定确信因子θ 1和θ 2，且θ 1+θ 2=1；
步骤I、利用实际观测数据拟合计算得到确信因子θ 1和θ 2的具体赋值，并确定最终的深空电磁波的太阳闪烁信道传播模型。
2.根据权利要求1所述的一种太阳闪烁下深空电磁波信道传播建模方法，其特征在于：所述步骤A中太阳、行星探测器、地球的上合几何关系为行星探测器和地球分别处于太阳两侧，太阳、行星探测器、地球的下合几何关系为行星探测器和地球位于太阳同侧；上合时太阳闪烁影响大，下合时太阳闪烁影响小；所述步骤A中，进一步考虑太阳、地球、行星探测器的夹角α SEP，其为太阳地球连线与地球行星探测器连线之间的夹角，且α SEP越小，太阳闪烁影响越大。
3.根据权利要求1所述的一种太阳闪烁下深空电磁波信道传播建模方法，其特征在于：所述步骤B中，空间环境特征包括考虑太阳活动状态，用F10.7指数、太阳黑子数、太阳耀斑和太阳日冕抛射物的状态来描述；所述步骤C中，将太阳活动状态输入WSA-ENLIL太阳风模型，通过WSA-ENLIL太阳风模型计算太阳风速度、太阳风等离子体的密度和温度。
4.根据权利要求1所述的一种太阳闪烁下深空电磁波信道传播建模方法，其特征在于：所述步骤D中，根据计算得到的太阳风等离子体密度计算深空电磁波传播路径的总电子含量的方法为：
Figure 296352DEST_PATH_IMAGE004
其中，TEC表示深空电磁波传播路径的总电子含量，N e 为所述步骤C中计算得到的太阳风等离子体密度，L表示深空电磁波的传播路径，sw表示太阳风，
Figure 264308DEST_PATH_IMAGE005
表示太阳风等离子体密度沿着电磁波传播路径的积分。
5.根据权利要求1所述的一种太阳闪烁下深空电磁波信道传播建模方法，其特征在于：所述步骤E中，总电子含量的变化指数计算方法为：
首先计算相邻时间间隔的总电子含量变化：
Figure 940533DEST_PATH_IMAGE006
,其中TEC i+1 、TEC i 分别表示第i+1和第i时刻的总电子含量，Δt i表示第i+1和第i时刻的时间间隔，ROT表示总电子含量变化；
进而计算总电子含量变化指数，
Figure 652137DEST_PATH_IMAGE007
；其中ROT j表示第j时刻的总电子含量变化，
Figure 517325DEST_PATH_IMAGE008
表示总电子含量变化的平均值，N表示在时间段内的ROT总数。
6.根据权利要求1所述的一种太阳闪烁下深空电磁波信道传播建模方法，其特征在于：所述步骤F中，弱太阳闪烁对应α-μ模型，强太阳闪烁对应κ-μ模型，分别表示为：
α-μ模型：
Figure 452920DEST_PATH_IMAGE009
其中r是电磁波信号振幅向量的单位向量，ξ是中间变量，用
Figure 36348DEST_PATH_IMAGE010
来计算，Γ(▪)表示Gamma函数；
其中参数α和μ通过下式计算：
Figure 286064DEST_PATH_IMAGE011
，其中Γ(·)为Gamma函数；
其中E(·)表示数学期望，R表示电磁波信号振幅向量，β为待定参数，
对应的太阳闪烁幅度闪烁指数为：
Figure 84387DEST_PATH_IMAGE012
；
κ-μ分布模型：
Figure 394145DEST_PATH_IMAGE013
，其中I μ-1是修正的μ-1阶一类贝塞尔函数，
Figure 464869DEST_PATH_IMAGE014
，其中V(·)表示方差，参数κ的计算方法为：
Figure 580593DEST_PATH_IMAGE015
对应的太阳闪烁幅度闪烁指数为
Figure 420373DEST_PATH_IMAGE016
。
7.根据权利要求1所述的一种太阳闪烁下深空电磁波信道传播建模方法，其特征在于：所述步骤I中，确定最终的深空电磁波的太阳闪烁信道传播模型表示为：
Figure 901033DEST_PATH_IMAGE017
其中，θ 1和θ 2为在步骤H和I中的确信因子，f WSA-ENLIL (x)为由步骤C中WSA-ENLIL太阳风模型计算得到的深空电磁波的太阳闪烁信道传播模型，f emperical (x)为由步骤G中经验模型得到的深空电磁波的太阳闪烁信道传播模型。
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