一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法技术

本发明专利技术公开了一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法，首先推导计算电场分量Er、求解电离层表面阻抗Δi、获取随高度的变化的电离层电子密度Ne和电子温度Te；获取随高度的变化的氧原子密度NO、氧气分子密度

A Time-varying Prediction Method for VLF Wave Propagation Based on IRI Model

The invention discloses a method for predicting the time-varying characteristics of VLF wave propagation combined with IRI model. Firstly, the electric field component Er is deduced and calculated, the ionospheric surface impedance I is solved, the ionospheric electron density Ne and the electron temperature Te are obtained, and the oxygen atomic density NO and oxygen molecular density varying with height are obtained.

【技术实现步骤摘要】
一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法
本专利技术属于电磁学
，具体涉及一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法。
技术介绍
甚低频电磁波在地-电离层波导中传播，传输距离远、传播衰减小，并且幅度与相位稳定，因而在超远程通信、导航、定位及授时等领域应用广泛，尤其是在水下潜艇通信方面几乎是唯一的选择。对于沿低电离层下缘和地面所构成的“地-电离层”波导结构传播的甚低频电磁波而言，电离层的非均匀性及时变性、地面的起伏及地质类型的变化、地磁场空时变化等成为影响其传播特性的主要因素，导致其测量误差和修正误差大。从前人的研究中可知，超长波电波传播预测方法主要有两种解决思路：1、基于电波传播理论，构建传播路径模型，预测电波传播特性。主要关注点为算法精度和模型精度。2、基于多测量平台，利用广域分布的监测点，观测电波传播特点。主要关注点为测量平台精度和测量密度与规模。其中，通过思路2可以掌握电波传播特点，获取传播模型参数，进一步验证算法精度并提高模型精度。基于甚低频电磁波复杂的传播机理与环境因素，从其两种基本的解决思路出发，若能结合更精确的电离层模型，对甚低频电波传播特性尤其是时变特性进行准确预测，将在提高甚低频导航授时精度方面具有重大意义。而国际参考电离层(InternationalReferenceIonosphere，IRI)模型获取不同空间位置及时刻的电子密度、电子温度等电离层参数信息，结合大气模型MSISE(MassSpectromoterIncoherentScatter)提供的气体密度，可以得到电离层电子密度和碰撞频率参数随时间的变化数据。若将其结合甚低频电波传播的波导模理论，可在甚低频电波传播特性预测方面探索可行方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法，解决了现有技术中存在的甚低频电磁波测量误差和修正误差大的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、基于甚低频电磁波波导模理论推导计算电场分量Er；步骤2、基于传播矩阵法的分层思想求解电离层表面阻抗Δi；步骤3、结合IRI2012模型获取随高度的变化的电离层电子密度Ne和电子温度Te；步骤4、结合MSISE大气模型获取随高度的变化的氧原子密度NO、氧气分子密度氮气分子密度步骤5、结合电离层碰撞频率νe的计算公式，将步骤3和步骤4中参数代入，可得到随高度变化的碰撞频率νe；步骤6、将所得碰撞频率和电子密度数据代入电离层表面阻抗计算方法中，进一步更新修正电离层表面阻抗Δi；步骤7、将步骤6中更新得到的电离层表面阻抗Δi代入电场强度计算公式，进一步求解出不同时间对应的场强Er，并通过仿真画出场强随不同时间的变化图，将结果与实测数据对比，进一步分析预测场强随时间的变化特性。本专利技术的特点还在于，步骤1中波导中电场表达式具体为：其中，式中，Idl为偶极子的电矩，是空气中的波阻抗，k为真空中的波数，θ是收发点之间大圆角距离，即弧度，Pkw是收发功率，单位为kW，a是地球半径6370km，z0为场源高度；式中，Zn(z)为高度衰减因子，n表示第n次模，z＝r-a为观测点离地高度，具体为：其中，tn表示的模方程的第n个根，模方程为：A(tn)B(tn)＝1其中其中，Δg为归一化表面阻抗，Δi为电离层的归一化表面阻抗，W1(t)和W2(t)表示第一类和第二类Airy函数：式中，积分路径Γ1,2表示在u的复平面上从∞e±2π/3到原点，然后由实轴延伸至+∞；式中，Zn(z0)为高度增益函数，Λ′n为波导中垂直电偶极子n阶模的激励因子，表示为：步骤2中电离层表面阻抗求解具体如下：基于传播矩阵法的分层思想，将电离层分为M层，记每层厚度为hm，β为梯度系数，h为电离层等效高度，z为电离层离地面的高度；当β(z-h)较大，即VLF波深入电离层内部传播时，第M层的表面阻抗公式为：其中，为空气中波阻抗，k0为真空中的波数，θ为从空气到电离层的入射角，ki为电离层中的传播波数，表示为：其中，表示电离层的复介电常数，表示为：其中，ε0为真空中的介电常数，电子质量为me＝9.1×10－31kg，电子电荷量为e＝1.6×10－19C，Ne为电离层的电子密度，v为电离层的碰撞频率；当z-h较小或为负值，即在电离层底部时，其等效归一化表面阻抗公式为：其中其中，Z1为电离层第一层的表面阻抗，其递推求解公式如下：步骤2中步骤3模型中输入参数设置具体如下：电离层高度z：0～150km，分层厚度：100m；接收点位置:北纬22°34'，东经88°24'；时间选取某一天00:00-24:00，时间间隔为1h。步骤4中模型中输入参数设置如下：电离层高度：0～150km，分层厚度：100m；接收点位置:北纬22°34'，东经88°24'；时间选取为某一天00:00-24:00，时间间隔为1h。步骤5碰撞频率νe计算公式如下：其中，式中：Ne为电子密度，单位为m-3；Te为电子温度，单位为K；NO为氧原子密度，单位为m-3；为氧气分子密度，单位为m-3；为氮气分子密度，单位为m-3；由上述公式结合步骤3和步骤4所得参数更新计算电离层碰撞频率ve，单位为s-1。步骤6具体如下：电离层的等效复介电常数为：电离层中传播波数ki公式为：其中，μ为电离层的导磁系数，认为和真空中一样，即μ＝μ0，ω＝2πf为甚低频电磁波角频率，f为甚低频电波发射频率；更新电离层分层表面阻抗中的波数，再进一步更新计算电离层表面阻抗Δi。本专利技术的有益效果是：(1)与电离层电子密度和碰撞频率的指数模型相比，结合IRI模型和MSISE大气模型中更接近实测的参数去修正电离层表面阻抗，使所求电离层表面阻抗的值更符合实际；(2)基于甚低频波导模理论，结合IRI模型构建了甚低频电波传播时变快速预测模型。并进一步分析了电离层下边界位置及等效高度、地质变化等对传播特性的影响；对甚低频电波的时变特性进行了预测与分析，并与实测结果进行了比对。旨在为甚低频电波传播时变特性的研究及预测提供参考。附图说明图1是本专利技术的流程示意图；图2是本专利技术实施例中本专利技术方法、结合指数模型的传统解析方法和实测值的电场强度对比图；图3是本专利技术实施例中电离层离地高度变化对甚低频电波传播特性的影响因素分析图；图4是电离层参考高度变化对甚低频电波传播特性的影响因素分析图。图5是不同平地面下甚低频电波传播场强的变化图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法，推导过程如下：地-电离层波导模型：实际的VLF无线电通信或导航系统都采用垂直发射天线，其天线高度远远小于波长，可理想化为垂直电偶极子。对于此频段的电波，地面和电离层都具有良好的反射特性，并且这两个反射壁之间的距离与电波波长可比拟。电波在地面和电离层之间被来回多次反射，被两个反射壁引导向前传播。这中传播机理称之为波导传播。如图1所示，具体按照以下步骤实施：步骤1、基于甚低频电磁波波导模理论推导计算电场分量Er；其中，波导中电场表达式具体为：其中，式中，Idl为偶极子的电矩，是空气中的波阻抗，k为真空中的波数，θ是收发点之本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、基于甚低频电磁波波导模理论推导计算电场分量Er；步骤2、基于传播矩阵法的分层思想求解电离层表面阻抗Δi；步骤3、结合IRI2012模型获取随高度的变化的电离层电子密度Ne和电子温度Te；步骤4、结合MSISE大气模型获取随高度的变化的氧原子密度NO、氧气分子密度NO2、氮气分子密度NN2；步骤5、结合电离层碰撞频率νe的计算公式，将步骤3和步骤4中参数代入，可得到随高度变化的碰撞频率νe；步骤6、将所得碰撞频率和电子密度数据代入电离层表面阻抗计算方法中，进一步更新修正电离层表面阻抗Δi；步骤7、将步骤6中更新得到的电离层表面阻抗Δi代入电场强度计算公式，进一步求解出不同时间对应的场强Er，并通过仿真画出场强随不同时间的变化图，将结果与实测数据对比，进一步分析预测场强随时间的变化特性。

【技术特征摘要】
1.一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、基于甚低频电磁波波导模理论推导计算电场分量Er；步骤2、基于传播矩阵法的分层思想求解电离层表面阻抗Δi；步骤3、结合IRI2012模型获取随高度的变化的电离层电子密度Ne和电子温度Te；步骤4、结合MSISE大气模型获取随高度的变化的氧原子密度NO、氧气分子密度NO2、氮气分子密度NN2；步骤5、结合电离层碰撞频率νe的计算公式，将步骤3和步骤4中参数代入，可得到随高度变化的碰撞频率νe；步骤6、将所得碰撞频率和电子密度数据代入电离层表面阻抗计算方法中，进一步更新修正电离层表面阻抗Δi；步骤7、将步骤6中更新得到的电离层表面阻抗Δi代入电场强度计算公式，进一步求解出不同时间对应的场强Er，并通过仿真画出场强随不同时间的变化图，将结果与实测数据对比，进一步分析预测场强随时间的变化特性。2.根据权利要求1所述的一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法，其特征在于，所述步骤1中波导中电场表达式具体为：其中，式中，Idl为偶极子的电矩，是空气中的波阻抗，k为真空中的波数，θ是收发点之间大圆角距离，即弧度，Pkw是收发功率，单位为kW，a是地球半径6370km，z0为场源高度；式中，Zn(z)为高度衰减因子，n表示第n次模，z＝r-a为观测点离地高度，具体为：其中，tn表示的模方程的第n个根，模方程为：A(tn)B(tn)＝1其中其中，Δg为归一化表面阻抗，Δi为电离层的归一化表面阻抗，W1(t)和W2(t)表示第一类和第二类Airy函数：式中，积分路径Γ1,2表示在u的复平面上从∞e±2π/3到原点，然后由实轴延伸至+∞；式中，Zn(z0)为高度增益函数，Λ′n为波导中垂直电偶极子n阶模的激励因子，表示为：3.根据权利要求1所述的一种结合IRI模型的甚低频电波传播时变特性预测方法，其特征在于，所述步骤2中电离层表面阻抗求解具体如下：基于传播矩阵法的分层思想，将电离层分为M层，记每层厚度为hm，β为梯度系数，h为电离层等效高度，z为电离层离地面的高度；当β(z-h)较大，即VLF波深入电离层...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲玉蓉，席晓莉，辛楠，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61