CN116908776A - 基于极化响应估计电离层斜向探测来波仰角的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于极化响应估计电离层斜向探测来波仰角的方法，通过获取正交接收天线获取来波的极化响应信息，从而确定来波信号从电离层进入自由空间的极限极化，通过极限极化与来波仰角、地磁场等关系，确定来波方向。本发明基于极化响应估计电离层斜向探测来波仰角的方法，通过对电磁波极化信息处理估计斜向探测仰角信息，可应用于电离层斜向探测获取来波仰角信息，也可作为传统短波测向方法的一种辅助手段。

Description

基于极化响应估计电离层斜向探测来波仰角的方法

技术领域

本发明涉及电离层研究及应用技术领域，特别是涉及一种基于极化响应估计电离层斜向探测来波仰角的方法。

背景技术

电离层探测是获取电离层信息的重要手段，为电离层研究、通信、导航、测向定位等提供重要的电离层环境信息支撑。传统地基电离层探测手段包括垂直探测、斜向探测和返回散射探测等，通常这些探测手段可获取探测信号的信号强度、传播时延、多普勒频移、多普勒展宽等信息。基于这些信息，可反演电离层电子密度分布及电离层不均匀体分布、运动情况。随着探测技术的发展，探测可获取的信息也逐渐增多，例如获取探测信号的方位信息，通常获取方位信息主要通过阵列天线或探测设备组网得到。截止目前，尚未发现斜向探测获取来波方位信息方面技术的公开。本申请中估计电离层斜向探测来波仰角方法利用正交交叉环天线接收来波的极化信息估计斜向探测来波仰角。

目前，极化信息处理在光、雷达和卫星通信领域均获得了广泛关注，特别是在雷达目标检测、增强、滤波及识别中以显示出其巨大的应用潜力，而在无线通信中极化信息处理研究的深度和广度还远远不能与其重要性相对称。在短波应用领域中，由于电离层波传播的复杂性，关于极化信息的应用研究较少。在短波波段，目前极化的主要应用方式为极化分集技术，而实际极化信息处理方面主要应用于电离层探测。电离层探测中，最早利用极化信息的垂直探测手段，通常采用正交天线对，接收探测站顶空电离层反射的探测回波信号，测量发射信号的极化等信息，利用电磁波的极化信息实现O波和X波的分离。随后开展了斜向探测基于极化信息的OX波分离技术研究以及不同收发链路斜向探测极化响应预测方法的研究。

发明内容

针对上述要解决的技术问题，本发明提供一种基于极化响应估计电离层斜向探测来波仰角的方法，既能够应用于电离层斜向探测获取来波仰角信息，也可作为传统短波测向方法的一种辅助手段。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于极化响应估计电离层斜向探测来波仰角的方法，包含以下步骤：

步骤1，构建一对正交接收天线，接收天线感应来自电离层的来波信号，其仰角为β，获得两天线臂间的幅度比和相位差；

步骤2，计算来波出电离层位置的经纬度，计算来波从电离层到自由空间位置的地磁场矢量B，并将B矢量投影到天线坐标系中；

步骤3，根据坐标系间的投影关系，将由波传播方向与地磁场方向所决定坐标系中的x,y,z轴单位矢量分别投影到接收天线所在坐标系中；

步骤4，根据极化比定义以及两天线臂之间的幅度比和相位差求得来波出电离层位置的极化比ρ′；根据波传播方向矢量与地磁场矢量的矢量关系求解来波传播方向与地磁场矢量间的夹角θ，根据极限极化公式可求得来波从电离层进入自由空间时的极限极化ρ；

步骤5，在来波仰角有效取值范围内以步长Δβ进行搜索，寻找使ρ′与ρ距离最小的仰角，估计电离层斜向探测来波仰角。

作为上述技术方案的进一步改进为：

上述技术方案中，优选地，所述步骤1中，接收天线的各个天线臂分别连接一路接收通道，每个接收通道输出IQ两路信号，获取各个天线臂幅度和相位信息，获得两正交天线臂之间的幅度比和相位差/>其中H_xm和H_ym分别表示两正交天线臂的幅度。

上述技术方案中，优选地，所述步骤2中，根据IGRF模型求解电波出电离层位置地磁场矢量在地心坐标系下的坐标其中，地心坐标系原点与地心重合，x轴与本初子午面与赤道面的交线重合向外为正，z轴与地球旋转轴重合，向北为正，y轴与xz平面垂直构成的右手系。

上述技术方案中，优选地，所述步骤2中，将B矢量投影到接收天线所在坐标系下为：

其中，接收端的地理坐标为(φ,λ)，接收天线距离发射天线D km。

上述技术方案中，优选地，所述步骤3中，将由电波传播方向和地磁场方向所决定坐标坐标系中的x,y,z分别投影到接收天线所在的直角坐标系x′y′z′中，为 并将投影归一化

上述技术方案中，优选地，所述步骤4中，根据极化比定义，接收天线响应与极化比的关系为计算来波极化比为/>

上述技术方案中，优选地，所述步骤4中，根据波传播方向矢量与地磁场矢量的矢量关系求解得B矢量与k矢量间的夹角根据极限极化公式

计算电波出电离层位置的极限极化ρ，式中e为电子电荷量，m_e为电子质量。

本发明提供的基于极化响应估计电离层斜向探测来波仰角的方法，与现有技术相比，有以下优点：

本发明的基于极化响应估计电离层斜向探测来波仰角的方法，通过获取正交接收天线获取来波的极化响应信息，从而确定来波信号从电离层进入自由空间的极限极化，通过极限极化与来波仰角、地磁场等关系，确定来波方向。本发明通过对电磁波极化信息处理估计斜向探测仰角信息，可应用于电离层斜向探测获取来波仰角信息，也可作为传统短波测向方法的一种辅助手段。

附图说明

图1是本发明实施例1中的接收天线响应图。

图2是本发明实施例1中的由波传播方向和地磁场方向决定的坐标系。

图3是本发明实施例1中的计算来波从电离层到自由空间位置的几何图。

图4是本发明实施例1中的出电离层位置由波传播方向和地磁场所决定的坐标系和接收天线的坐标系之间的关系图。

图5是本发明探测来波仰角的流程示意图。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例1

图1至图5示出了本发明基于极化响应估计电离层斜向探测来波仰角的方法的一种实施方式，在电离层斜向探测系统中，接收天线感应来自电离层的来波信号，其仰角为β，接收天线的各个天线臂连接一路接收通道，每个接收通道输出IQ两路信号，获取其幅度和相位信息，从而获得两天线臂间的幅度比和相位差，通过几何结构计算来波出电离层位置的经纬度，根据IGRF模型计算来波从电离层到自由空间位置的地磁场矢量B，并将B矢量投影到天线坐标系中。根据坐标系间的投影关系，将由波传播方向与地磁场方向所决定坐标系中的x,y,z轴单位矢量分别投影到天线所在坐标系中，则可根据极化比定义以及两天线臂间的幅度比和相位差求得来波出电离层位置的极化比ρ′。根据波传播方向矢量与地磁场矢量的矢量关系求解来波传播方向与地磁场矢量间的夹角θ，则根据极限极化公式可求得来波从电离层进入自由空间时的极限极化ρ。在来波仰角有效取值范围内以步长Δβ进行搜索，寻找使ρ′与ρ距离最小的仰角既为所求，实现估计电离层斜向探测来波仰角目的。

本发明探测来波仰角的方法，包括以下步骤：

步骤S1，已知接收端的地理坐标为(φ,λ)，接收天线距离发射天线D km，接收端相对发端的方位角α，接收端使用正交磁环天线接收来波，如图1所示，设有一个具有中心频率ω₀的平面波以角度β入射到接收端；

接收天线感应来自电离层的来波信号，其仰角为β，接收天线的各个天线臂连接一路接收通道，每个接收通道输出IQ两路信号，获取各个天线臂幅度和相位信息，从而获得两正交天线臂间的幅度比和相位差/>

步骤S2，在接收天线位置处沿正东-正北-正上建立直角坐标系x′y′z′，其中接收天线中心与坐标系原点重合，两正交天线臂分别沿正东-正北方向摆放。如图2所示，在来波从电离层进入自由空间位置处建立直角坐标系xyz，其中电磁波传播方向沿x轴，地磁场矢量位于xy平面与传播方向成角度θ；

步骤S3，如图3所示，以接收端为起点，以角度β反向做一条射线与电离层底部交于一点，即为电波从电离层进入自由空间的点，通过几何关系以及大地解算得出电离层位置的经纬度；

步骤S4，根据IGRF模型求解电波出电离层位置地磁场矢量在地心坐标系下的坐标其中，地心坐标系原点与地心重合，x轴与本初子午面与赤道面的交线重合向外为正，z轴与地球旋转轴重合，向北为正，y轴与xz平面垂直构成的右手系。

步骤S5，根据地心坐标系与接收天线所在坐标系间投影关系，如图4所示，将步骤S4中的B矢量投影到天线所在坐标系下为：

步骤S6，根据步骤S5所建立坐标系间的投影关系，将由电波传播方向和地磁场方向所决定坐标系中的x,y,z分别投影到接收天线所在的直角坐标系x′y′z′中，为并将投影归一化

步骤S7，根据极化比定义，接收天线响应与极化比的关系为计算来波极化比为/>

步骤S8，由步骤S5和步骤S6，根据波传播方向矢量与地磁场矢量的矢量关系求解得B矢量与k矢量间的夹角根据极限极化公式

计算电波出电离层位置的极限极化ρ，式中e为电子电荷量，m_e为电子质量。

步骤S9，在区间内以步长Δβ重复步骤S1到步骤S8，并计算各个步长对应ρ′与ρ间的距离temple，找到使temple最小的来波仰角β，即为所求，搜索结束。

本发明基于极化响应估计电离层斜向探测来波仰角的方法，通过一对正交天线，获取正交天线的幅度和相位，从而得到来波极限极化信息，通过极限极化信息估计来波仰角。与现有的来波方位信息获取方法相比，本方法只需要一对正交天线即可实现来波仰角的估计，这对发展电离层斜向探测技术具有使用价值。

实施例2

本实施例中，将本发明的探测来波仰角的方法应用于短波测向定位中。对特定的短波斜向探测链路进行仿真模拟：

假设接收端地理位置为(33°，109°)，电波的中心频率为10MHz，方位角为110°，接收端与发射端之间的距离分别设置为500km,600km,700km,800km,900km,1000km,1500km；假设电离层为均匀无碰撞冷等离子体。表1为本发明提供的估计电离层斜向探测来波仰角仿真结果。

表1

从表1可以看出，在不考虑测量误差的情况下，来波仰角估计误差趋于0，证明本发明探测来波仰角的方法可以应用于短波测向定位中。

上述实施案例只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于极化响应估计电离层斜向探测来波仰角的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，构建一对正交接收天线，接收天线感应来自电离层的来波信号，其仰角为β，获得两天线臂间的幅度比和相位差；

步骤2，计算来波出电离层位置的经纬度，计算来波从电离层到自由空间位置的地磁场矢量B，并将B矢量投影到天线坐标系中；

步骤3，根据坐标系间的投影关系，将由波传播方向与地磁场方向所决定坐标系中的x,y,z轴单位矢量分别投影到接收天线所在坐标系中；

步骤4，根据极化比定义以及两天线臂之间的幅度比和相位差求得来波出电离层位置的极化比ρ′；根据波传播方向矢量与地磁场矢量的矢量关系求解来波传播方向与地磁场矢量间的夹角θ，根据极限极化公式可求得来波从电离层进入自由空间时的极限极化ρ；

步骤5，在来波仰角有效取值范围内以步长Δβ进行搜索，寻找使ρ′与ρ距离最小的仰角，估计电离层斜向探测来波仰角。

2.根据权利要求1所述的基于极化响应估计电离层斜向探测来波仰角的方法，其特征在于，所述步骤1中，接收天线的各个天线臂分别连接一路接收通道，每个接收通道输出IQ两路信号，获取各个天线臂幅度和相位信息，获得两正交天线臂之间的幅度比和相位差/>其中H_xm和H_ym分别表示两正交天线臂的幅度。

3.根据权利要求1所述的基于极化响应估计电离层斜向探测来波仰角的方法，其特征在于，所述步骤2中，根据IGRF模型求解电波出电离层位置地磁场矢量在地心坐标系下的坐标其中，地心坐标系原点与地心重合，x轴与本初子午面与赤道面的交线重合向外为正，z轴与地球旋转轴重合，向北为正，y轴与xz平面垂直构成的右手系。

4.根据权利要求3所述的基于极化响应估计电离层斜向探测来波仰角的方法，其特征在于，所述步骤2中，将B矢量投影到接收天线所在坐标系下为：

其中，接收端的地理坐标为(φ,λ)，接收天线距离发射天线D km。

5.根据权利要求4所述的基于极化响应估计电离层斜向探测来波仰角的方法，其特征在于，所述步骤3中，将由电波传播方向和地磁场方向所决定坐标系中的x,y,z分别投影到接收天线所在的直角坐标系x^′y^′z^′中，为 并将投影归一化/>

6.根据权利要求5所述的基于极化响应估计电离层斜向探测来波仰角的方法，其特征在于，所述步骤4中，根据极化比定义，接收天线响应与极化比的关系为计算来波极化比为/>

7.根据权利要求6所述的基于极化响应估计电离层斜向探测来波仰角的方法，其特征在于，所述步骤4中，根据波传播方向矢量与地磁场矢量的矢量关系求解得B矢量与k矢量间的夹角根据极限极化公式

计算电波出电离层位置的极限极化ρ，式中e为电子电荷量，m_e为电子质量。