地-各向异性电离层波导VLF波传播特性的获取方法技术

本发明专利技术公开了一种地

【技术实现步骤摘要】
地
‑
各向异性电离层波导VLF波传播特性的获取方法


[0001]本专利技术属于电子通信
，具体涉及一种模拟地
‑
各向异性 电离层波导VLF波传播特性的方法。

技术介绍

[0002]甚低频(Very Low Frequency，VLF)电磁波(3～30kHz)在通信和导 航、授时、电离层监测、地质勘探和地震预测等方面有着广泛的应用 前景。VLF电磁波在地球
‑
电离层波导中传播时损耗小，幅度与相位 稳定，并能穿透一定深度的海水和土壤。除了实验手段，常见的计算 地
‑
电离层波导VLF波传播的方法包括波导模理论方法和时域有限差 分方法。与数值FDTD方法相比，频域有限元(Finite element method， FEM)方法可以采用非均匀三角形网格，边界适应性强，具有求解速 度快等优点，迄今为止尚未见基于有限元法地
‑
电离层波导的波传播 特性研究。此外，在现有的解析解和数值仿真中，传播路径的确定多 基于发射点和接收点满足的球面三角(或精度为3
°
的多个地理方位 角)，将地球等效为一均匀圆球，未引入椭球率；尽管有文献基于波 导模理论研究了地磁场引起电离层的各向异性，但均采用简化模型， 未考虑地磁场沿传播路径的变化，这些因素一定程度上会影响地
‑
电 离层波导结构模型建立的准确性。

技术实现思路

[0003]本专利技术是针对
技术介绍
存在的缺陷，提供一种地
‑
各向异性电离 层波导VLF波传播特性的获取方法。
[0004]本专利技术采用的技术方案如下：
[0005]一种地
‑
各向异性电离层波导VLF波传播特性的获取方法，包括 以下步骤：
[0006]S1已知VLF波的发射点和接收点的经纬度，以及VLF波实际 传播路径上任意一个待求点的经度L3，计算在地电离层波导结构直角 坐标系下VLF波实际传播路径所在的大圆路径。
[0007]S2计算VLF波实际传播路径上任意一点在任意时刻的电离层D 区的电子密度N
e
(h)。
[0008]S3选取VLF波实际传播路径上的若干预测点，计算所有预测点 的地磁要素。
[0009]S4计算VLF波实际传播路径上所有预测点的各向异性的相对 介电系数。
[0010]S5基于有限元方法进行数值建模仿真，获得接收点VLF波的 幅度和相位的传播特性。
[0011]本专利技术方法利用坐标变换和地球的椭球率，采用二分法求解过球 面上两定点的大圆所满足的方程，确定电磁波的传播路径；还提出了 一种新的电子密度模型，通过国际地磁参考场和坐标变换以求得传播 路径上各向异性电离层的介电系数，基于有限元方法计算地
‑
各向异 性电离层波导VLF波的传播特性，与实测结果对比，对该电子密度 模型进行修正，最终得到地
‑
各向异性电离层波导VLF波的传播特性。 通过计算不同频率VLF波在
接收点的幅度和相位的传播特性以模拟 原始信号，通过模拟原始信号及与实测结果的比对，实现电离层监测、 地震监测、达到通信、导航目的。
附图说明
[0012]图1为地球直角坐标系
‑
地电离层波导结构直角坐标系的变换关 系示意图；
[0013]图2为二维直角坐标系下地
‑
电离层波导模型；
[0014]图3为地电离层波导结构直角坐标系和地磁场所在球坐标系的 转换示意图。
具体实施方式
[0015]以下结合附图以及具体实施例对本专利技术进行详细说明。
[0016]本实施例通过计算获得的地
‑
各向异性电离层波导VLF波传播特 性，实现电离层监测、通信和导航的目的。
[0017]S1已知VLF波的发射点和接收点的经纬度，以及VLF波实际 传播路径上任意一个待求点的经度L3，计算在地电离层波导结构直 角坐标系下VLF波实际传播路径所在的大圆路径。
[0018]S1.1地球椭球坐标系
‑
地球直角坐标系的转换。
[0019]在地球椭球坐标系下，已知发射点的经度L1和纬度u1，接收点 的经度L2和纬度u2，利用公式(1)的地球椭球坐标系和地球直角坐 标系的转换关系，得到地球直角坐标系下发射点的坐标(x1，y1，z1) 和接收点的坐标(x2，y2，z2)。
[0020][0021]其中，x
n
、y
n
和z
n
分别为空间中任意一点位置在地球直角坐标系 下的三个分量，下标n＝1、2、3...，a和b分别为地球的赤道半径和 极半径。
[0022]S1.2已知VLF波实际传播路径上任意一个待求点的经度L3，计 算该待求点在地球直角坐标系下的坐标(x3，y3，z3)。
[0023]通过接收点、发射点和待求点的空间平面方程表示为：
[0024]f＝a1x
n
+b1y
n
+c1z
n
＝0
ꢀꢀꢀ
(2)
[0025]其中f为空间平面方程，系数a1、b1和c1满足：
[0026]a1＝y1z2‑
y2z1,b1＝x2z1‑
x1z2,c1＝x1y2‑
x2y1[0027]已知实际传播路径上任意一个待求点的经度L3，采用二分法求 解式(1)和式(2)，得到待求点的纬度u3，然后代入式(1)得到待求点 在地球直角坐标系下的坐标(x3，y3，z3)。
[0028]具体的，将经度L3代入式(1)和式(2)，通过计算发射点和接收点 纬度区间范围内中点对应的函数值f，并检验其正负号，将有根的纬 度区间范围作为新的纬度区间范围；迭代计算新的纬度区间范围内中 点对应的函数值f，直到纬度区间范围的宽度达到精度要求，将纬度 区间的中点作为待求点的纬度u3。本实施例采用的二分法具有计算简 单可靠，能够得到收敛的精确解的优势。
[0029]S1.3计算待求点在地电离层波导结构直角坐标系下的坐标 (X
″3,Y
″3)，从而得到在地电离层波导结构直角坐标系下VLF波实际传 播路径所在的大圆路径。
[0030]利用有限元方法进行建模时，需要将VLF波的实际传播路径投 影到地电离层波导结构直角坐标系，因此需要进行相应的坐标变换。 如图1所示，将地球直角坐标系oxyz先绕y轴旋转β角，再绕x轴旋 转
‑
α角，即可得到地电离层波导结构直角坐标系O
″
X
″
Y
″
Z
″
。具体的， 地球直角坐标系
‑
地电离层波导结构直角坐标系的变换关系为：
[0031][0032]其中R为转换矩阵，X
″
n
、Y
″
n
、Z
″
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地
‑
各向异性电离层波导VLF波传播特性的获取方法，包括以下步骤：S1已知VLF波的发射点和接收点的经纬度，以及VLF波实际传播路径上任意一个待求点的经度L3，计算在地电离层波导结构直角坐标系下VLF波实际传播路径所在的大圆路径；S2计算VLF波实际传播路径上任意一点在任意时刻的电离层D区的电子密度N
e
(h)；S3选取VLF波实际传播路径上的若干预测点，计算所有预测点的地磁要素；S4计算VLF波实际传播路径上所有预测点的各向异性的相对介电系数；S5基于有限元方法进行数值建模仿真，获得接收点VLF波的幅度和相位的传播特性。2.如权利要求1所述的一种地
‑
各向异性电离层波导VLF波传播特性的获取方法，其特征在于，步骤S1中，计算在地电离层波导结构直角坐标系下VLF波实际传播路径所在的大圆路径，包括以下步骤：S1.1地球椭球坐标系
‑
地球直角坐标系的转换；在地球椭球坐标系下，已知发射点的经度L1和纬度u1，接收点的经度L2和纬度u2，利用公式(1)的地球椭球坐标系和地球直角坐标系的转换关系，得到地球直角坐标系下发射点的坐标(x1，y1，z1)和接收点的坐标(x2，y2，z2)：其中，x
n
、y
n
和z
n
分别为空间中任意一点位置在地球直角坐标系下的三个分量，下标n＝1、2、3...，a和b分别为地球的赤道半径和极半径；S1.2已知VLF波实际传播路径上任意一个待求点的经度L3，计算该待求点在地球直角坐标系下的坐标(x3，y3，z3)；通过接收点、发射点和待求点的空间平面方程表示为：f＝a1x
n
+b1y
n
+c1z
n
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中f为空间平面方程，系数a1、b1和c1满足：a1＝y1z2‑
y2z1,b1＝x2z1‑
x1z2,c1＝x1y2‑
x2y1已知实际传播路径上任意一个待求点的经度L3，采用二分法求解式(1)和式(2)，得到待求点的纬度u3，然后代入式(1)得到待求点在地球直角坐标系下的坐标(x3，y3，z3)；S1.3计算待求点在地电离层波导结构直角坐标系下的坐标(X
″3,Y
″3)，从而得到在地电离层波导结构直角坐标系下VLF波实际传播路径所在的大圆路径；将地球直角坐标系oxyz先绕y轴旋转β角，再绕x轴旋转
‑
α角，得到地电离层波导结构直角坐标系O
″
X
″
Y
″
Z
″
；地球直角坐标系
‑
地电离层波导结构直角坐标系的变换关系为：其中R为转换矩阵，X
″
n
、Y
″
n
、Z
″
n
分别为传播路径上任意一点在地电离层波导结构直角坐标系下的三个分量，下标n＝1、2、3...，α和β为坐标变换的旋转角度；令Z
″
n
＝0，分别将(x1，y1，z1)和(x2，y2，z2)代入式(3)，求出α和β；再代入地球直角坐标系下发射点的坐标(x1，y1，z1)、接收点的坐标(x2，y2，z2)、待求点

【专利技术属性】
技术研发人员：王茂琰，何思敏，张世田，刘兵，雍福友，李海龙，李桂萍，喻梦霞，张小川，刘羽，徐军，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：