高精度预测甚低频电波场强随时间变化的方法技术

本发明专利技术公开了高精度预测甚低频电波场强随时间变化的方法，按照以下步骤：步骤1、结合IRI模型获取随高度变化的电离层电子密度N

【技术实现步骤摘要】
高精度预测甚低频电波场强随时间变化的方法


[0001]本专利技术属于计算电磁学
，涉及一种高精度预测甚低频电波场强随时间变化的方法。

技术介绍

[0002]按照国际电信联盟(International Telecommunication Union，IUT)对于无线电波频段的划分，3kHz～30kHz频段范围内的无线电波称为甚低频(Very Low Frequency，VLF)电磁波，其对应的波长为10km～100km，是无线电频谱中极具特点的频段，在应用过程中的传播具有十分明显的特点。在此频段，电波波长较长的无线电波沿地球表面传输时，信号的传播衰减小、传播特性稳定，可在全球范围内进行传播，同时能够渗透一定深度的海水和土壤为水下或者地下设备所接收，因而甚低频电磁波被广泛应用于超远程导航、授时、通信、定位，特别是对潜通信和导航等方面。同时在地震预测、电离层扰动监测等领域也有着较为广泛的应用。
[0003]由于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可与甚低频电波波长可比拟，因此电波在地面和电离层之间被来回多次反射，且被两个反射壁引导向前传播，此传播过程的机理被称为波导传播。对于在地面和低电离层所构成的地
‑
电离层波导中传播的甚低频电磁波而言，随地球经纬度呈现出复杂空间变化的低电离层、地球磁场、空气层、地层等成为影响其传播特性的主要因素；尤其是低电离层和地球磁场，其除了随昼夜、季节、太阳黑子周期等相对规则的变化外，还存在偶发E层电离层扰动、D层的消失和出现、电离层暴、磁暴等随机的突发情况。这些复杂的电磁环境的变化使得甚低频电磁波呈现出异常复杂的空间变化特性和时间变化特性。受低电离层反射的影响，甚低频电波传播过程中会发生干涉，再加上电波传播本身的衰减，以及地层媒质复杂的空时变化等，使得甚低频场强计算变的十分困难。因此构建更为精确的电离层参数模型，掌握甚低频电波在地
‑
电离层波导结构中的传播特性对于提高甚低频定位导航授时系统的精度等具有重要意义。
[0004]研究甚低频电磁波在地
‑
电离层波导中的传播特性，现有的解析理论包括：1、奥斯汀经验公式：此公式的应用范围一般在2000～16000km，应用条件是波在白天，海水上传播，因此奥斯汀经验公式在近距离上的计算误差较大；没有近距离上海陆交界的过渡情况；且甚低频的传播始终与接收点电导率有关，而奥斯汀经验公式只考虑了海水上传播，因此要严格分析场强大小就需要探索新的计算方法。2、波跳理论：是基于射线理论原理推导而来，总场有天波和地波两部分组成，其中，天波会受到电离层复杂变化的影响，导致传播不稳定，且波跳理论只适用于近距离的VLF电波传播计算。3、波导模方法：波导模方法是基于甚低频波在地
‑
电离层波导中的传播机理推导而来，地
‑
电离层波导中的VLF总场可以表示为几种模式场的叠加，且每种模式都必须满足亥姆霍兹方程和上下阻抗边界。与奥斯汀经验公式和波跳理论相比，波导模方法具有计算精度高，计算距离远，计算效率高等特点。其中可通过方法3掌握电波传播特点，利用现有的电离层参数模型，进一步验证算法精确度并提
高模型精度。
[0005]CCIR建议低电离层电子密度随高度变化采用指数模型以及国际参考电离层模型(International Ionospheric Reference Model，IRI)，指数模型中电离层的参考高度H以及梯度系数β的确定是由实验和探测结果得到的，在特定的时间以及季节，其值是一致的，因此只能反映简单的电离层变化；IRI模型只能提供65
‑
2000km范围内的随时间，空间变化的电离层电子密度，电子温度等值，对于65km以下的电离层参数视为零，因此两者都存在一定的缺陷，不能更精确的反映实际电离层的变化。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种高精度预测甚低频电波场强随时间变化的方法，解决了现有技术中存在的不能精确预测甚低频电波场强随时间变化的问题。
[0007]本专利技术所采用的技术方案是高精度预测甚低频电波场强随时间变化的方法，具体按照以下步骤实施：
[0008]步骤1、结合IRI模型获取随高度变化的电离层电子密度N
e
；
[0009]步骤2、将步骤1得到的电离层电子密度N
e
代入指数模型电子密度的计算公式中，计算各个时刻指数模型电离层参考高度H和梯度系数β；
[0010]步骤3、基于波导模方法，推导甚低频电磁波的电场分量E
r
；
[0011]步骤4、通过步骤2的各个时刻指数模型电离层参考高度H和梯度系数β求解电离层的复介电常数，进一步求解电离层的反射系统和表面阻抗；
[0012]步骤5、通过步骤4的表面阻抗和步骤3的电场分量E
r
，获得不同时间段对应的甚低频电波的场强，既而可以精确预测甚低频电波场强随时间的变化情况。
[0013]本专利技术的特点还在于：
[0014]步骤1结合IRI2016模型获取随高度变化的电子密度N
e
，IRI2016模型在线连接地址为http://irimodel.org/。
[0015]IRI2016模型的具体参数设置如下：
[0016]其中输入参数：
[0017]电离层高度z：60～150km；时间间隔、分层厚度、接收点位置、时间选取依据实际情况来确定；
[0018]输出参数为电子密度N
e
；
[0019]将所得数据保存为.txt或者.dat格式，方便在程序中调用。
[0020]步骤2中，结合指数模型电子密度的计算公式：
[0021]N(z)＝1.43
×
10
13
e
‑
0.15H
e
(β
‑
0.15)(z
‑
H)
(1/m3)
ꢀꢀ
(1)
[0022]对上式两边化简并取对数得到：
[0023][0024]上式为求解修正指数模型电离层参考高度和梯度系数的计算公式；
[0025]将步骤1中IRI模型底层的电离层电子密度代入公式2中，求解各个时间点的参考高度H和梯度系数β。
[0026]步骤3中推导甚低频电磁波的电场分量的公式如下：
[0027]垂直电偶极子在地
‑
电离层波导中产生电场的表达式具体为：
[0028][0029]计算公式中的具体参数为：
[0030][0031]其中Idl为垂直电偶极子的电矩，是空气中的波阻抗，k为真空中的波数，θ表示的是接收点与发射点之间的大圆角弧度，P
kw
为发射点处的辐射功率(kw)，a为地球半径，z0为垂直电偶极子距离地面高度，λ为波长；
[0032]其中x为：
[0033][0034]Λ
′...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高精度预测甚低频电波场强随时间变化的方法，其特征在于，具体按照以下步骤：步骤1、结合IRI模型获取随高度变化的电离层电子密度N
e
；步骤2、将步骤1得到的电离层电子密度N
e
代入指数模型电子密度的计算公式中，计算各个时刻指数模型电离层参考高度H和梯度系数β；步骤3、基于波导模方法，推导甚低频电磁波的电场分量E
r
；步骤4、通过步骤2的各个时刻指数模型电离层参考高度H和梯度系数β求解电离层的复介电常数，进一步求解电离层的表面阻抗的和反射系数；步骤5、通过步骤4的表面阻抗和步骤3的电场分量E
r
，获得不同时间段对应的甚低频电波的场强，既而可以精确预测甚低频电波场强随时间的变化情况。2.根据权利要求1的所述的高精度预测甚低频电波场强随时间变化的方法，其特征在于，所述步骤1结合IRI2016模型获取随高度变化的电子密度N
e
，所述RI2016模型在线连接地址为http://irimodel.org/。3.根据权利要求2的所述的高精度预测甚低频电波场强随时间变化的方法，其特征在于，所述IRI2016模型的具体参数设置如下：其中输入参数：电离层高度z：60～150km；时间间隔、分层厚度、接收点位置、时间选取依据实际情况来确定；输出参数为电子密度N
e
；将所得数据保存为.txt或者.dat格式，方便在程序中调用。4.根据权利要求1的所述的高精度预测甚低频电波场强随时间变化的方法，其特征在于，所述步骤2中，结合指数模型电子密度的计算公式：N(z)＝1.43
×
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e
‑
0.15H
e
(β
‑
0.15)(z
‑
H)
(1/m3)
ꢀꢀꢀꢀ
(37)对上式两边化简并取对数得到：上式为求解修正指数模型电离层参考高度和的计算公式；将步骤1中IRI模型底层的电离层电子密度代入公式2中，求解各个时间点的参考高度H和梯度系数β。5.根据权利要求1的所述的高精度预测甚低频电波场强随时间变化的方法，其特征在于，所述步骤3中推导甚低频电磁波的电场分量的公式如下：垂直电偶极子在地
‑
电离层波导中产生电场的表达式具体为：计算...

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