一种中国低纬地区电离层闪烁发生概率预报方法技术

本发明专利技术公开了一种中国低纬地区电离层闪烁发生概率预报方法，所述方法包括：基于电离层闪烁指数S4的电离层不均匀体强度CkL反演方法，随太阳活动指数Rz、地磁活动指数Kp、地理位置、季节和时间变化的中国低纬地区电离层不均匀体强度CkL的概率密度分布模型和电离层闪烁发生概率计算方法。本发明专利技术提供的方法可依据用户需求计算指定地点、时间、太阳活动指数Rz、地磁活动指数Kp、工作频段、电离层闪烁指数S4阈值等条件下的电离层闪烁事件发生概率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及卫星通信、卫星导航、雷达及测控领域，用于实现卫星通信/卫星导航 /雷达/测控系统的电离层闪烁影响中长期预报，为系统余量设计、信号体制设计、卫星运 行轨道设计等提供技术支撑。
技术介绍
在电离层正常的电子密度背景上漂浮着密度不等、尺度不等的电离体，称为电离 层不均匀体。当卫星信号在电离层不均匀体中传播时，会引起传播路径和传播时间的改变， 使得信号的振幅、相位以及到达角发生快速起伏变化，导致信号衰落、频移等，被称为电离 层闪烁。电离层闪烁效应会直接影响卫星通信/卫星导航/雷达/测控等电子信息系统的 误码率、通信质量、定位精度、作用距离、测距侧向精度等性能指标，电离层闪烁甚至会导致 卫星通信/卫星导航中断，SAR雷达无法成像、空间目标监视雷达丢失目标等严重后果，因 此，通过监测、建模、预报和服务等空间天气保障工作，减缓电离层环境对现代无线电技术 系统的不利影响，具有重要应用价值。电离层闪烁发生概率预报模型可预报某频段某地区 指定电离层闪烁指数S4的中长期发生概率，即出现时间百分比，也可给出指定出现时间百 分比的电离层闪烁指数S4。电离层闪烁指数S4发生概率预报信息可辅助卫星通信/目标 监视雷达等的系统余量设计、卫星通信/目标监视雷达等系统的运行任务规划、生命安全 等卫星导航应用的完好性风险分析等。中国低炜地区电离层闪烁发生概率预报模型也是电 离层闪烁事件区域现报与短期区域预报的技术基础。 在现有技术中，美国电离层闪烁发生概率预报模型（WideBand Model，WBM0D) 是全球仅有一个全球电离层闪烁发生概率气候学模型。NWRA(Northwest Research Associates, Inc.)根据全球电离层不均勾体的气候学特征以及穿越电离层的电波传播效 应，开发了电离层闪烁发生概率气候学预报模型WBMOD。2008年，NWRA向军方发布了 WBMOD Versionl5,该模型由电离层不均匀体强度CkL概率密度分布模型、多相位屏模型以及预报 置信度模型共三个模型组成，可实现全球区域的电离层闪烁发生概率预报、信号衰落深度 预报、闪烁指数预报等功能。为了保护知识产权，NWRA未公开WBMOD核心技术细节。印度 K.N. Iyer(2006)等人则基于印度地区的VHF闪烁观测历史数据开发了一个VHF电离层闪烁 概率区域预报经验模型，该模型利用三次样条函数来拟合电离层闪烁发生概率随时间，季 节，太阳活动和地磁活动的变化规律，该模型不具备其它频段电离层闪烁发生概率预报等 应用拓展能力。 国内仅有中科院等研究人员利用单站电离层闪烁观测数据建立的固定地点电离 层闪烁发生概率预报模型，其不具备其它频段和其它地区电离层闪烁发生概率预报应用拓 展能力。因此，本专利技术提供的一种中国低炜地区电离层闪烁发生概率预报方法为国内独创。
技术实现思路
为了解决上述现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种中国低炜地区电离层闪 烁发生概率预报方法，本专利技术的方法是这样实现的： 1、步骤1、用户指定发射机位置、接收机位置、时间、工作频段和电离层闪烁指数 S4阈值等参数，获得同时间的太阳活动指数Rz和地磁活动指数Kp的预报值。 步骤2、对于指定的电离层闪烁指数S4阈值，利用多相位屏理论反演相应的电离 层不均勾体强度CkL。阈值。 步骤3、依据中国低炜地区电离层不均匀体强度CkL的概率密度分布模型，预报指 定地点、时间、太阳活动指数Rz、地磁活动指数Kp等条件下的电离层不均匀体强度CkL的概 率密度分布。 步骤4、计算大于电离层不均匀体强度CkL。阈值的累积概率，即为相应的电离层闪 烁指数S4阈值的发生概率。 2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体为： A、基于发射机位置、接收机位置、工作频段、电离层闪烁指数S4阈值等数据，假定 电离层不均匀体的高度距离地球表面350km，反演相应的电离层不均匀体强度CkL。阈值。具 体计算公式为： 定义波数等于k时的电离层不均匀体三维空间功率谱密度在高度上的积分为电 离层不均匀体强度，表示为CkL，即： 式中：V = p/2, p为二维幂律谱指数，为电离层电子密度起伏方差，k为电 离层不均匀体外尺度波数，L为电离层不均匀体厚度，Γ为伽马函数。 基于弱散射相位屏理论，电离层闪烁指数&与C kL的关系式为： 式中，S4w表示单次散射条件下S 4的表达式，Z为菲涅耳带参数，F为菲涅耳调制项， 由电离层不均匀体的形状、传播几何条件参数决定。Θ为传播角。 式中，ZjPz2分别为接收机和发射机到电离层不均匀体等效相位屏的垂直距离参 数，a和b分别是平行和垂直于电离层不均匀体主轴的轴比率，β ;v，z)为超几何 函数，相关参数计算公式为： k" = /2 CN 105116469 A 说明书 3/10 页 式中，在计算倾斜路径的S4时采用的几何坐标系统方向为：x轴为磁北，y轴为磁 东，z轴指向地心。传播角Θ为信号传播方向与X轴之间夹角，φ为y-z平面内信号传播 方向投影与y轴之间方位角。A, B和C是多相位屏理论中归一化谱密度函数Q (q)中空间波 数q二次函数中的系数： 式中，Φ B为地球磁平面在坐标系统中的方位角，Φ B为地球磁场线相对于坐标系 统中y-z平面的俯仰角（磁倾角），γ B为场向排列电离层不均匀体与坐标系统中x-y平面 的夹角。 B、在多次散射条件下，S4会饱和，此时利用瑞利统计可得： 综上可得，对于指定的电离层闪烁指数S4,利用多相位屏理论反演相应的电离层 不均匀体强度CkL的公式为： 式中，^为等离子体回旋频率，λ为无线电波长，S4要求小于1，其余参数同上。 3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3具体为： Α、中国低炜地区夜间电离层不均匀体强度CkL的概率密度分布为三段双高斯函数 形式。其具体形式为： 其中，PDF为电离层不均匀体强度CkL的概率密度分布，μ JP μ 2分别为第一个和 第二个高斯函数中值，〇 Jp σ 2分别为第一个和第二个高斯函数半带宽，η ρ η2和η 3分 别为第一个和第二个概率密度高斯函数峰值，以及中段概率密度分布值。 Β、半带宽子模型 CkL低峰半带宽〇1可设定为固定值0.8,而高峰半带宽〇 2仅为太阳黑子数函数。 在Rz等于0时σ 2为1，当Rz大于等于150时σ 2为〇. 7,在这区间为线性变化。 C、中值μ挪μ 2子模型 CkL低峰中值P1和高峰中值μ 2仅是炜度、Rz和时间的函数。电离层驼峰区CkL 中值与Rz之间的模型为： 日变化函数模型为： CN 105116469 A 兄明 5/10 页 此处，te为本地电离层F层（海拔高度350km)日落后经历的时间，t ss为日落后峰 值时间1. 50和半带宽Wss为0. 80, t α为日出变化起始时刻1. 75和半带宽W α= 2. 0。 则一天内任意时刻的中值通过日变化函数拟合获得： X = Xday+ (Xnight-Xday) X f (te) D、基于历史数据获得的CkL炜度剖面经验模型 式中，C。为赤道区CkL经验中值31.0或者赤道区中值μ JP μ 2值，C。为?它峰区 CkL经验中值35. 0或者驼峰区中值μ JP μ 2值本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种中国低纬地区电离层闪烁发生概率预报方法，其特征在于，包括：步骤1、用户指定发射机位置、接收机位置、时间、工作频段和电离层闪烁指数S4阈值等参数，获得同时间的太阳活动指数Rz和地磁活动指数Kp的预报值。步骤2、对于指定的电离层闪烁指数S4阈值，利用多相位屏理论反演相应的电离层不均匀体强度CkL0阈值。步骤3、依据中国低纬地区电离层不均匀体强度CkL的概率密度分布模型，预报指定地点、时间、太阳活动指数Rz、地磁活动指数Kp等条件下的电离层不均匀体强度CkL的概率密度分布。步骤4、计算大于电离层不均匀体强度CkL0阈值的累积概率，即为相应的电离层闪烁指数S4阈值的发生概率。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张红波，赵振维，刘玉梅，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十二研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37