CN116346246A - 基于射线追踪的蒸发波导超视距应急通信建模方法及系统 - Google Patents

基于射线追踪的蒸发波导超视距应急通信建模方法及系统 Download PDF

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CN116346246A CN202211445469.7A CN202211445469A CN116346246A CN 116346246 A CN116346246 A CN 116346246A CN 202211445469 A CN202211445469 A CN 202211445469A CN 116346246 A CN116346246 A CN 116346246A
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Abstract

本发明属于无线通信网络技术领域，提供了一种基于射线追踪的蒸发波导超视距应急通信建模及系统。该方法包括，计算大气热力学温度、大气压和水汽压的垂直分布，以此对蒸发波导参数进行反演，得到折射率在垂直方向的分布；根据折射率在垂直方向的分布追踪射线轨迹；将每条射线在接收天线水平距离处的高度与接收天线的高度进行比较，得到符合预设条件的可能本征射线；确定可能本征射线是否为本征射线，并对所以本征射线进行筛选，找到路径明显不同的若干条本征射线，作为离开角张角为
Figure DDA0003950103240000011
射线管的中心射线，计算射线管内所有射线在接收天线水平距离处的最大高度差，得到射线管的垂直横截面宽度，以此计算每条本征射线的传播因子和路径损耗。

Description

基于射线追踪的蒸发波导超视距应急通信建模方法及系统
技术领域
本发明属于无线通信网络技术领域，尤其涉及一种基于射线追踪的蒸发波导超视距应急通信建模及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
为了利用更稳定的风能资源，风力发电场已经搬离海岸，先是移到近岸的浅水，现在又延伸到更深的水域和远离海岸的地方。深水远海解决方案将使人们能够进入风大、对噪音、视觉影响和大小不太敏感的大片区域。然而，由于较大的水深和恶劣的远海环境，环境温度、气压、湿度变化迅速，增加了海上风电机组的运行风险，导致故障率较高，与此同时，海上风电场的可达性非常差，所以开发和运营海上风电场的成本是陆上风电场的数倍。而一旦海上风电机组损坏或发生性能故障，造成设备停机或并网故障，不得不由游艇、起重船只甚至直升机进行维修，维修困难度高、耗时长、成本高，对社会经济、设施安全、船舶安全和人员的人身安全造成较大威胁。
面临这类事件，安全可靠的无线通信技术尤为重要。以可再生能源为基础的新型发电技术的迅速发展，导致了现代电力系统的巨大发展和变化，通信技术在保证电力系统的稳定、可靠和安全方面发挥着越来越重要的作用。应急通信是电网应急救灾工作顺利进行的“铺路石”。在遭遇突发灾害和事故时，需要迅速建立应急指挥中心与应急现场之间的通信链路，为应急指挥及快速修复提供通信保障。海上风电场远离陆地，建立通信基础设施十分困难，同时因为通信距离远，通信质量也得不到保证。
作为电波环境的重要类别，大气波导是在对流层内特别是在对流层大气边界层内形成的一种可以实现电磁波超视距(beyond-line-o-sight，bLoS)远距离传播的特殊超折射大气层状结构，利用其可实现超短波、微波频段的超视距探测和通信等应用，是一种可显著增强超视距链路通信保障能力的优质信道资源。大气波导主要包括蒸发波导、表面波导、悬空波导等类型。蒸发波导是由于大面积水体水汽蒸发引起近地面层水汽梯度大而形成的，由于高蒸发率，蒸发波导在沿海和海洋环境中几乎是永久性的。例如，在90％的时间里，蒸发波导在赤道和热带地区占主导地位。实验研究还表明，在对流层下部，尤其是在2-20GHz之间，波导层通信成为主要的传播机制。
对流层传播中的射线追踪(Ray Tracing，RT)技术基于几何光学(GeometricalOptics，GO)原理，通过模拟射线(光)的传播路径来确定反射、折射和阴影等。在大气中，不仅可以跟踪正常大气环境下的电波传播轨迹，也可追踪电波在大气波导中的反常传播轨迹。对于电波传播，在频率很高的情况下允许采用几何光学近似，这时波场能量仿佛沿着某些称之为射线的曲线路径传输。这些射线包含许多重要信息，重现电波传播的物理场景，直观地说明雷达等应用中所需的传播轨迹、定位问题中的空间位置和到达角等问题。RT利用非标准折射率条件下Eikonel方程的解，可以给出多径分量的延迟扩展(delay spread)和波达方向的近似行为。
在海上风电场应急通信场景下，现有应急手段有一定缺陷。卫星通信运维成本高，信号传输时延高，视频回传的通信质量一般，且存在安全隐患；高数据速率蜂窝通信基础设施建设难，通信质量无法保证，易受气象因素影响；没有中继设备的情况下，微波频段的通信仅能实现视距通信；有线通信方式或利用中继节点均不稳定且安全风险大、维护成本高。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于射线追踪的蒸发波导超视距应急通信建模及系统，其能够在使用射线追踪方法追踪电波在大气波导中的反常传播轨迹时，同时估计信道的大尺度参数和小尺度参数，为信道建模的实现良好的参考。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种基于射线追踪的蒸发波导超视距应急通信建模。
基于射线追踪的蒸发波导超视距应急通信建模，包括：
根据设置的环境参数，利用蒸发波导诊断模型，结合某一高度的基本气象要素，计算大气热力学温度、大气压和水汽压的垂直分布，以此对蒸发波导参数进行反演，得到折射率在垂直方向的分布；
根据折射率在垂直方向的分布追踪射线轨迹；其中，射线在发射天线处以某个离开角出发后，利用斯奈尔定律计算不断变化的入射角度和折射角度或反射角度，结合波长、高度、距离和时延数据模拟光线在分层大气中的传播，直到光线达到预设的传播距离或最大极限高度，得到完整的射线轨迹；
将每条射线在接收天线水平距离处的高度与接收天线的高度进行比较，得到符合预设条件的可能本征射线；
对一条离开角为
Figure BDA0003950103220000031
的可能本征射线，追踪离开角为/>
Figure BDA0003950103220000032
的两条射线，当这两条射线在接收天线水平距离处的高度包括了接收天线的高度，则该可能本征射线为本征射线；其中，本征射线为从发射机通过一定路径到达接收器的射线；
对所有的本征射线进行筛选，找到路径明显不同的若干条本征射线；
筛选后的每条本征射线作为离开角张角为
Figure BDA0003950103220000041
射线管的中心射线，计算射线管内所有射线在接收天线水平距离处的最大高度差，得到射线管的垂直横截面宽度，以此计算每条本征射线的传播因子、路径损耗、时延扩展和到达角，实线通信模型的构建。
本发明的第二个方面提供一种基于射线追踪的蒸发波导超视距通信的建模系统。
基于射线追踪的蒸发波导超视距通信的建模系统，包括：
折射率计算模块，其被配置为：根据设置的环境参数，利用蒸发波导诊断模型，结合某一高度的基本气象要素，计算大气热力学温度、大气压和水汽压的垂直分布，以此对蒸发波导参数进行反演，得到折射率在垂直方向的分布；
射线轨迹构建模块，其被配置为：根据折射率在垂直方向的分布追踪射线轨迹；其中，射线在发射天线处以某个离开角出发后，利用斯奈尔定律计算不断变化的入射角度和折射角度或反射角度，结合波长、高度、距离和时延数据模拟光线在分层大气中的传播，直到光线达到预设的传播距离或最大极限高度，得到完整的射线轨迹；
可能本征射线确定模块，其被配置为：将每条射线在接收天线水平距离处的高度与接收天线的高度进行比较，得到符合预设条件的可能本征射线；
本征射线确定模块，其被配置为：对一条离开角为
Figure BDA0003950103220000042
的可能本征射线，追踪离开角为/>
Figure BDA0003950103220000043
的两条射线，当这两条射线在接收天线水平距离处的高度包括了接收天线的高度，则该可能本征射线为本征射线；其中，本征射线为从发射机通过一定路径到达接收器的射线；
筛选模块，其被配置为：对所有的本征射线进行筛选，找到路径明显不同的若干条本征射线；
建模模块，其被配置为：筛选后的每条本征射线作为离开角张角为
Figure BDA0003950103220000051
射线管的中心射线，计算射线管内所有射线在接收天线水平距离处的最大高度差，得到射线管的垂直横截面宽度，以此计算每条本征射线的传播因子、路径损耗、时延扩展和到达角，实线通信模型的构建。
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述第一个方面所述的基于射线追踪的蒸发波导超视距应急通信建模中的步骤。
本发明的第四个方面提供一种计算机设备。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述第一个方面所述的基于射线追踪的蒸发波导超视距应急通信建模中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明对于海洋蒸发波导环境中bLoS的传播问题，我们在MATLAB的基础上，开发了用于bLoS通信的蒸发波导折射率分布预测和射线追踪程序。根据环境参数预测修正折射率的垂直分布，模拟光线的传播过程，估计路径损耗、延迟扩展和波达方向等信道参数。将基于RT的算法应用于海上蒸发波导环境，可以很好地同时实现大尺度参数和小尺度参数的估计，弥补了其他建模方法如抛物线方程(parabolic equation，PE)的不足。为海上风电场应急场景下利用波导层实现bLoS通信提供了可选建模方案，这种超视距通信直接利用了海上的环境特征，基础设施建设较为简单，对后续实际使用工作有较大的参考意义。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明蒸发波导环境中超视距通信建模应用于海上风电场应急通信场景示意图；
图2为本发明蒸发波导环境中修正折射率垂直剖面图；
图3为本发明蒸发波导环境中射线轨迹追踪结果图；
图4为本发明中射线追踪方法估计的路径损耗随距离变化的关系图；
图5为本发明中射线追踪方法估计的时延随距离变化的关系图；
图6为本发明中射线追踪方法估计的到达角的分布图；
图7为本发明中射线轨迹追踪算法的流程图；
图8为本发明中基于射线追踪的蒸发波导超视距应急通信建模的流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
需要注意的是，附图中的流程图和框图示出了根据本公开的各种实施例的方法和系统的可能实现的体系架构、功能和操作。应当注意，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分可以包括一个或多个用于实现各个实施例中所规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为备选的实现中，方框中所标注的功能也可以按照不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，或者它们有时也可以按照相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。同样应当注意的是，流程图和/或框图中的每个方框、以及流程图和/或框图中的方框的组合，可以使用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以使用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
术语解释：
bLoS是指超视距；
UAV是指无人机；
RT是指射线追踪；
GO是指几何光学。
实施例一
如图8所示，本实施例提供了一种基于射线追踪的蒸发波导超视距应急通信建模，本实施例以该方法应用于服务器进行举例说明，可以理解的是，该方法也可以应用于终端，还可以应用于包括终端和服务器和系统，并通过终端和服务器的交互实现。服务器可以是独立的物理服务器，也可以是多个物理服务器构成的服务器集群或者分布式系统，还可以是提供云服务、云数据库、云计算、云函数、云存储、网络服务器、云通信、中间件服务、域名服务、安全服务CDN、以及大数据和人工智能平台等基础云计算服务的云服务器。终端可以是智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计算机等，但并不局限于此。终端以及服务器可以通过有线或无线通信方式进行直接或间接地连接，本申请在此不做限制。本实施例中，该方法包括以下步骤：
根据设置的环境参数，利用蒸发波导诊断模型，结合某一高度的基本气象要素，计算大气热力学温度、大气压和水汽压的垂直分布，以此对蒸发波导参数进行反演，得到折射率在垂直方向的分布；
根据折射率在垂直方向的分布追踪射线轨迹；其中，射线在发射天线处以某个离开角出发后，利用斯奈尔定律计算不断变化的入射角度和折射角度或反射角度，结合波长、高度、距离和时延数据模拟光线在分层大气中的传播，直到光线达到预设的传播距离或最大极限高度，得到完整的射线轨迹；
将每条射线在接收天线水平距离处的高度与接收天线的高度进行比较，得到符合预设条件的可能本征射线；
对一条离开角为
Figure BDA0003950103220000081
的可能本征射线，追踪离开角为/>
Figure BDA0003950103220000082
的两条射线，当这两条射线在接收天线水平距离处的高度包括了接收天线的高度，则该可能本征射线为本征射线；其中，本征射线为从发射机通过一定路径到达接收器的射线；
对所有的本征射线进行筛选，找到路径明显不同的若干条本征射线；
筛选后的每条本征射线作为离开角张角为
Figure BDA0003950103220000083
射线管的中心射线，计算射线管内所有射线在接收天线水平距离处的最大高度差，得到射线管的垂直横截面宽度，以此计算每条本征射线的传播因子、路径损耗、时延扩展和到达角，实线通信模型的构建。
本实施例考虑如图1所示的海上超视距通信场景。在海上风电机组损坏或发生性能故障，需要进行救援、维修作业时，利用蒸发波导层构建发射机和接收机均在波导层内的bLoS通信链路提供应急通信服务，满足运维中心与维修人员、船只、直升机等的通信需求，保障生命财产安全。系统初始设定环境参数，进而反演蒸发波导参数，获取修正折射率垂直分布，从而追踪射线轨迹：射线在Tx处以某个离开角出发，计算不断变化的入射和折射或反射角度，利用计算出的步长、高度、距离、时延等数据来模拟光线在分层大气中的传播，直到光线达到预设的传播距离或最大极限高度，过程中记录时延、角度信息。在发射机与接收机之间寻找数条本征射线(是否能在设定的参数范围下被接收到)，计算各路径传播因子，最后估计路径损耗并利用记录的数据完成时延扩展、到达角等信道参数的估计。
本实施例的具体方案可采用以下内容实现：
步骤1、初始化环境参数包括初始离开角范围AoDrange，最大传播高度MPH，最大传播距离MPD，发射天线高度Ht，载波频率F，蒸发波导诊断模型可选参数：大气温度AT、海面温度SST、风速WS、水汽压力VP，窄射线管初始离开张角
Figure BDA0003950103220000091
追踪步长Δs；
步骤2、根据设置的环境参数，利用蒸发波导诊断模型，利用某一高度的基本气象要素(如气温、气压、风速、相对湿度等)来计算大气热力学温度T、大气压P、水汽压e的垂直分布；
常用的蒸发波导诊断模型有BYC(Babin-Young-Carton)模型、NPS(NavalPostgraduate School)模型、PJ(Paulus-Jeske)模型、MGB(Musson-Gauthier-Bruth)模型、伪折射率模型等。NPS模型中，大气热力学温度T和大气压P由近地层的MOS(Monin-ObukhovSimilarity)理论按高度逐步积分得到，水汽压e的计算公式如下：
Figure BDA0003950103220000101
Figure BDA0003950103220000102
其中，Rh是大气相对湿度，exp(α)是饱和水汽压。
步骤3、由T、P、e的剖面计算结果进一步对蒸发波导参数进行反演，得到折射率在垂直方向的分布，绘制修正折射率剖面图，如图2所示；
折射率指数N定义如下：
Figure BDA0003950103220000103
其中，n是大气折射率，通常在1.00025-1.0004之间。
大气修正折射率指数m和修正大气折射率M的定义如下：
Figure BDA0003950103220000104
Figure BDA0003950103220000105
其中，h是离地球的高度，re是地球的平均半径。
则可以得到折射率指数梯度和修正折射率梯度如下：
Figure BDA0003950103220000106
Figure BDA0003950103220000111
步骤4、由折射率分布追踪射线轨迹：射线在发射天线(Tx)处以某个离开角出发后，利用斯奈尔定律计算不断变化的入射和折射或反射角度，利用计算出的步长、高度、距离、时延等数据来模拟光线在分层大气中的传播，直到光线达到预设的传播距离或最大极限高度，得到完整的射线轨迹，如图3所示；
形成大气波导传播需具备一定参数条件。
大气环境中存在大气波导并不能保证电磁波可以被波导层陷获，形成大气波导传播。特定的气象条件仅仅保证了大气波导的发生，而发生大气波导传播则还存在其他的限制条件：(1)电磁波波长须小于最大的陷获波长(对应的频率要大于陷获频率)，也称截止波长；(2)发射源的发射仰角要小于陷获角；(3)大气波导与发射源的相对位置符合一定的条件。截止波长即为特定的参数条件时，电波被大气波导层陷获的最大波长。由对流层折射的模理论可知，电磁波形成大气波导传播时，电磁波波长、大气折射率梯度和波导厚度三者之间必须满足一定的关系，下面给出能够捕获的最大波长(陷获波长)的表达式：
Figure BDA0003950103220000112
并满足λV＝3λH。其中，H、V分别代表水平极化与垂直极化，nt为天线所在位置的大气折射率，ht为天线高度，d为大气波导厚度，ΔN为大气波导层的折射率梯度。
大气波导层内：
Figure BDA0003950103220000113
Md为波导强度绝对值，在蒸发波导中简化可得：
Figure BDA0003950103220000114
陷获角是指：在特定的大气参数条件下，电磁波能被大气波导层陷获的最大发射仰角，只有发射仰角小于陷获角的电磁波才可能实现大气波导传播。
Figure BDA0003950103220000121
如果电磁波发射源位于地面，并在波导顶处发生全反射，则可以简化为
Figure BDA0003950103220000122
大气波导中射线追踪的物理原理如下：
在二维情况下，将对流层大气环境视为各向同性的非导体层状介质，考虑一个一般的时谐场：
E(r,t)＝E0(r)e-iωt
其中，r表示位置向量，E0是代表位置的复矢量。结合在没有电流和电荷的区域的麦克斯韦方程组：
curl H0+ik0εE0＝0
curl E0-ik0μH0＝0
divεE0＝0
divμH0＝0
其中，ε是介电常数，μ是磁导率，k0＝2π/λ0，λ0是真空波长。
在距离场源很多波长的地区，场的更普遍类型可表示成如下形式：
Figure BDA0003950103220000123
其中，E表示场强，r表示位置向量，ζ(r)是位置的实标量函数，e(r)是位置的矢量函数。当k0很大(λ0很小时)，
Figure BDA0003950103220000124
将满足公式：
(gradζ)2＝n2
其中
Figure BDA0003950103220000125
表示折射率。函数/>
Figure BDA0003950103220000126
通常被称为程函，几何波前由ζ(r)＝常数定义。
几何光线现在可以被定义为与几何波前垂直的轨迹。如果r(s)表示射线上某一点的位置向量，被认为是射线的弧长s的函数，则dr/ds＝s，其中，
Figure BDA0003950103220000131
是单位矢量。
则射线的方程式可写为
Figure BDA0003950103220000132
则沿着射线有
Figure BDA0003950103220000133
进而得到光程的计算式
Figure BDA0003950103220000134
即光学长度等于光的真空速度和光传播到s的所需时间之积。
对轨迹进行追踪的原理如下：
根据斯奈尔折射定律，大气环境高度空间是呈均匀层状分布的，每一分层的大气折射率分别设为n1,n2,n3……。在二维直角坐标系(x，z)下，每一层高度为Δz，距离段为Δx，路径段为Δs，距离段与路径段可变。射线在不同的介质中传播时满足斯奈尔定律，假设Δz为常数，发射源以某一角度发出射线时，有以下关系式成立：
Figure BDA0003950103220000135
而每层的水平距离短以及射线的路径段可以利用三角正弦关系求出：
Figure BDA0003950103220000136
Figure BDA0003950103220000137
Figure BDA0003950103220000138
其中，
Figure BDA0003950103220000139
与/>
Figure BDA00039501032200001310
分别表示任一层的初始仰角与折射角。
射线的每一层的坐标可以表示为：
x(i+1)＝x(i)+Δxi+1
z(i+1)＝z(i)±Δz
射线轨迹的计算思想：固定角度间隔，对各发射仰角循环，再追踪每一仰角发射射线的传播轨迹，计算仰角范围内的所有射线轨迹。图7追踪射线轨迹流程图。
能量计算原理为几何光学的强度定律：
I1dS1＝I2dS2
在一般情况下，考虑任意一束光线(曲线的或是直线的)，一条光线上任意两点的强度之比如下：
Figure BDA0003950103220000141
步骤5、为将每条射线在接收天线(Rx)水平距离处的高度与Rx的高度进行比较，符合条件(差值在一定范围内)则将其视为可能的本征射线；
本征射线被定义为从发射机通过一定路径到达接收器的射线；
步骤6、对一条离开角为
Figure BDA0003950103220000142
的可能本征射线，追踪离开角为/>
Figure BDA0003950103220000143
(/>
Figure BDA0003950103220000144
是窄射线管的张角)的两条射线，观察它们在Rx水平距离处的高度是否包括了Rx，若包括，则认为找到了一条本征射线；
步骤7、对所有找到的本征射线进行筛选，找到路径明显不同的2_4条本征射线；
步骤8、筛选后的每条本征射线作为离开角张角为
Figure BDA0003950103220000145
射线管的中心射线，计算射线管内所有射线在Rx水平距离处的最大高度(h)差，得到射线管的垂直横截面宽度w；
射线管的垂直横截面宽度w的计算式如下：
w＝max{|hj1-hj2|}，j1，j2＝1，2，3...其最大值是射线管内射线总数
步骤9、计算该条路径的传播因子；
计算传播因子的公式如下：
Figure BDA0003950103220000151
其中，L是射线的路径长度，w是射线管的垂直横截面宽度，
Figure BDA0003950103220000152
是窄射线管的张角；
步骤10、计算路径损耗，如图4所示，时延扩展、到达角等参数，如图5、图6所示；
时延扩展定义为：最大传输时延和最小传输时延的差值；
到达角定义为：波射线与水平方向之间的夹角；
路径损耗的计算公式如下：
PL＝(32.44+20log10r+20log10f)-20log10PF
其中，PF是传播因子，r是射线传播的水平距离，f是频率。
本实施例中射线的数量设置10000，初始离开角设置为-89°～89°，采用本发明所提供方法与PE算法进行对比，得到的蒸发波导环境中射线轨迹追踪结果、估计的路径损耗、时延随距离变化的关系、估计的到达角的分布分别如图3、图4、图5和图6所示。视距范围内，RT估计的路径损耗结果与PE匹配良好；超视距范围内，PE相较于RT会低估路径损耗的值。
实施例二
本实施例提供了一种基于射线追踪的蒸发波导超视距通信的建模系统。
基于射线追踪的蒸发波导超视距通信的建模系统，包括：
折射率计算模块，其被配置为：根据设置的环境参数，利用蒸发波导诊断模型，结合某一高度的基本气象要素，计算大气热力学温度、大气压和水汽压的垂直分布，以此对蒸发波导参数进行反演，得到折射率在垂直方向的分布；
射线轨迹构建模块，其被配置为：根据折射率在垂直方向的分布追踪射线轨迹；其中，射线在发射天线处以某个离开角出发后，利用斯奈尔定律计算不断变化的入射角度和折射角度或反射角度，结合波长、高度、距离和时延数据模拟光线在分层大气中的传播，直到光线达到预设的传播距离或最大极限高度，得到完整的射线轨迹；
可能本征射线确定模块，其被配置为：将每条射线在接收天线水平距离处的高度与接收天线的高度进行比较，得到符合预设条件的可能本征射线；
本征射线确定模块，其被配置为：对一条离开角为
Figure BDA0003950103220000161
的可能本征射线，追踪离开角为/>
Figure BDA0003950103220000162
的两条射线，当这两条射线在接收天线水平距离处的高度包括了接收天线的高度，则该可能本征射线为本征射线；其中，本征射线为从发射机通过一定路径到达接收器的射线；
筛选模块，其被配置为：对所有的本征射线进行筛选，找到路径明显不同的若干条本征射线；
建模模块，其被配置为：筛选后的每条本征射线作为离开角张角为
Figure BDA0003950103220000163
射线管的中心射线，计算射线管内所有射线在接收天线水平距离处的最大高度差，得到射线管的垂直横截面宽度，以此计算每条本征射线的传播因子、路径损耗、时延扩展和到达角，实线通信模型的构建。
此处需要说明的是，上述折射率计算模块、射线轨迹构建模块、可能本征射线确定模块、本征射线确定模块、筛选模块和建模模块与实施例一中的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例一所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
实施例三
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的基于射线追踪的蒸发波导超视距应急通信建模中的步骤。
实施例四
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的基于射线追踪的蒸发波导超视距应急通信建模中的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于射线追踪的蒸发波导超视距应急通信建模，其特征在于，包括：
根据设置的环境参数，利用蒸发波导诊断模型，结合某一高度的基本气象要素，计算大气热力学温度、大气压和水汽压的垂直分布，以此对蒸发波导参数进行反演，得到折射率在垂直方向的分布；
根据折射率在垂直方向的分布追踪射线轨迹；其中，射线在发射天线处以某个离开角出发后，利用斯奈尔定律计算不断变化的入射角度和折射角度或反射角度，结合波长、高度、距离和时延数据模拟光线在分层大气中的传播，直到光线达到预设的传播距离或最大极限高度，得到完整的射线轨迹；
将每条射线在接收天线水平距离处的高度与接收天线的高度进行比较，得到符合预设条件的可能本征射线；
对一条离开角为
Figure FDA0003950103210000011
的可能本征射线，追踪离开角为/>
Figure FDA0003950103210000012
的两条射线，当这两条射线在接收天线水平距离处的高度包括了接收天线的高度，则该可能本征射线为本征射线；其中，本征射线为从发射机通过一定路径到达接收器的射线；
对所有的本征射线进行筛选，找到路径明显不同的若干条本征射线；
筛选后的每条本征射线作为离开角张角为
Figure FDA0003950103210000013
射线管的中心射线，计算射线管内所有射线在接收天线水平距离处的最大高度差，得到射线管的垂直横截面宽度，以此计算每条本征射线的传播因子、路径损耗、时延扩展和到达角，实线通信模型的构建。
2.根据权利要求1所述的基于射线追踪的蒸发波导超视距应急通信建模，其特征在于，在设置的环境参数之前还包括：初始化环境参数包括：初始化初始离开角范围、最大传播高度、最大传播距离、发射天线高度、载波频率、蒸发波导诊断模型可选参数、大气温度、海面温度、风速、水汽压力、窄射线管初始离开张角和追踪步长。
3.根据权利要求1所述的基于射线追踪的蒸发波导超视距应急通信建模，其特征在于，所述蒸发波导诊断模型包括BYC模型、NPS模型、PJ模型、MGB模型或伪折射率模型。
4.根据权利要求1所述的基于射线追踪的蒸发波导超视距应急通信建模，其特征在于，所述基于大气热力学温度、大气压和水汽压的垂直分布，对蒸发波导参数进行反演，得到折射率在垂直方向的分布具体包括：
折射率指数N定义为：
Figure FDA0003950103210000021
大气修正折射率指数m和修正大气折射率M的定义为：
Figure FDA0003950103210000022
Figure FDA0003950103210000023
根据折射率指数、大气修正折射率指数m和修正大气折射率M，得到折射率指数梯度
Figure FDA0003950103210000024
和修正折射率梯度/>
Figure FDA0003950103210000025
Figure FDA0003950103210000026
Figure FDA0003950103210000027
其中，n是大气折射率，T是大气热力学温度，P是大气压，e是水汽压，h是离地球的高度，re是地球的平均半径。
5.根据权利要求1所述的基于射线追踪的蒸发波导超视距应急通信建模，其特征在于，所述得到完整的射线轨迹的过程包括：
根据斯奈尔折射定律，大气环境高度空间是呈均匀层状分布的，每一分层的大气折射率分别设为n1，n2，n3......；在二维直角坐标系(x，z)下，每一层高度为Δz，距离段为Δx，路径段为Δs，距离段与路径段可变；射线在不同的介质中传播时满足斯奈尔定律，假设Δz为常数，发射源以某一角度发出射线时，有以下关系式成立：
Figure FDA0003950103210000031
而每层的水平距离短以及射线的路径段可以利用三角正弦关系求出：
Figure FDA0003950103210000032
Figure FDA0003950103210000033
Figure FDA0003950103210000034
其中，
Figure FDA0003950103210000035
与/>
Figure FDA0003950103210000036
分别表示任一层的初始仰角与折射角。
射线的每一层的坐标可以表示为：
x(i+1)＝x(i)+Δxi+1
z(i+1)＝z(i)±Δz
射线轨迹的计算思想：固定角度间隔，对各发射仰角循环，再追踪每一仰角发射射线的传播轨迹，计算仰角范围内的所有射线轨迹。
6.根据权利要求1所述的基于射线追踪的蒸发波导超视距应急通信建模，其特征在于，所述射线管的垂直横截面宽度为：
w＝max{|hj1-hj2|}，j1，j2＝1，2，3...其最大值是射线管内射线总数。
7.根据权利要求1所述的基于射线追踪的蒸发波导超视距应急通信建模，其特征在于，所述传播因子为
Figure FDA0003950103210000041
其中，L是射线的路径长度，w是射线管的垂直横截面宽度，
Figure FDA0003950103210000042
是窄射线管的张角；
或者，所述路径损耗为：
PL＝(32.44+20log10r+20log10f)-20log10PF
其中，PF是传播因子，r是射线传播的水平距离，f是频率。
8.基于射线追踪的蒸发波导超视距通信的建模系统，其特征在于，包括：
折射率计算模块，其被配置为：根据设置的环境参数，利用蒸发波导诊断模型，结合某一高度的基本气象要素，计算大气热力学温度、大气压和水汽压的垂直分布，以此对蒸发波导参数进行反演，得到折射率在垂直方向的分布；
射线轨迹构建模块，其被配置为：根据折射率在垂直方向的分布追踪射线轨迹；其中，射线在发射天线处以某个离开角出发后，利用斯奈尔定律计算不断变化的入射角度和折射角度或反射角度，结合波长、高度、距离和时延数据模拟光线在分层大气中的传播，直到光线达到预设的传播距离或最大极限高度，得到完整的射线轨迹；
可能本征射线确定模块，其被配置为：将每条射线在接收天线水平距离处的高度与接收天线的高度进行比较，得到符合预设条件的可能本征射线；
本征射线确定模块，其被配置为：对一条离开角为
Figure FDA0003950103210000043
的可能本征射线，追踪离开角为
Figure FDA0003950103210000044
的两条射线，当这两条射线在接收天线水平距离处的高度包括了接收天线的高度，则该可能本征射线为本征射线；其中，本征射线为从发射机通过一定路径到达接收器的射线；
筛选模块，其被配置为：对所有的本征射线进行筛选，找到路径明显不同的若干条本征射线；
建模模块，其被配置为：筛选后的每条本征射线作为离开角张角为
Figure FDA0003950103210000051
射线管的中心射线，计算射线管内所有射线在接收天线水平距离处的最大高度差，得到射线管的垂直横截面宽度，以此计算每条本征射线的传播因子、路径损耗、时延扩展和到达角，实线通信模型的构建。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的基于射线追踪的蒸发波导超视距应急通信建模中的步骤。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的基于射线追踪的蒸发波导超视距应急通信建模中的步骤。
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