各向异性电离层短波传播的抛物方程时域仿真建模方法技术

本发明专利技术涉及通信技术领域，具体公开了各向异性电离层短波传播的抛物方程时域仿真建模方法；基于分步傅里叶变换算法，引入大气折射指数模型，对寻常波和非寻常波传播模式进行区分建模；通过带内采样和多频点扫描计算，获取收发点之间的信道传递函数；结合傅里叶综合法和相关函数法，得到电磁波传播的频域、时域特征参数。本发明专利技术有利用改善天波传播电磁仿真精度，并有效的提高天波传播多域电磁仿真能力。并有效的提高天波传播多域电磁仿真能力。并有效的提高天波传播多域电磁仿真能力。

【技术实现步骤摘要】
各向异性电离层短波传播的抛物方程时域仿真建模方法


[0001]本专利技术涉及通信
，更具体地讲，涉及一种各向异性电离层短波传播的抛物方程时域仿真建模方法。

技术介绍

[0002]短波天波通信(工作频段2MHz
‑
30MHz)依赖于电离层的单次或多次反射来实现信号的远距传输，通信距离可达数千公里。短波天波通信的无线链路质量在很大程度上取决于通信设备工作时的电离层特性，原理参阅图1。电离层中的电子密度分布、电子碰撞频率等特征参数，在不同地区(经纬度)、不同大气层高度、不同季节以及一天之中的不同时间段，通常都表现出较为明显的差异，此外，还受到太阳黑子周期活动等影响。因此，在工程上需要根据电离层的固有特性及实时变化规律，对工作频率、工作时段和发射仰角等进行合理选取或设计。对此，采用大量实测或长期监测的方式获取电离层短波传播特性，并以此来优化通信参数，将面临大量人力、物力消耗以及时间成本。相比之下，基于电磁理论和高精度数值计算的电磁仿真技术提供了一种切实可行的、且成本更低的、效率更高的解决方案。
[0003]目前，天波传播电磁仿真模型主要有基于实测数据的半经验模型(如I TU
‑
REC
‑
533等)、射线追踪法以及抛物方程法等。其中，半经验模型简单、快捷，但存在计算精度低和物理过程不够清晰等问题。射线追踪方法非常适用于对流层和电离层传播问题，多用来计算电磁波传播轨迹等。此外，通过分裂波动方程得到的抛物方程方法，被证明同样适用于电离层电磁数值模拟。该方法在给定初始条件和边界后，通过一种迭代的方式进行空间上的步进求解，进而获得整个传播空域上的电磁场信息。对于线极化的电磁波，受到地磁场的影响，在电离层传播过程中分裂为寻常波和非寻常波，由于这两种波在电离层中的折射指数不同，将出现双折射现象，其折射角度受到传播区域内的地磁场强度影响。在传统的抛物方程仿真建模方法中，忽略了地磁场的作用，将电离层等效为各向同性媒质进行处理，因而无法表征电离层的双折射现象，降低了电磁模型精度。此外，传统仿真建模方法基于单频点处理方法，主要用来模拟电磁波衰减特性，不能反映出天波单跳/多跳、高仰角/低仰角等传播模式的多径时延，以及接收脉冲包络等时域特征信息。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种各向异性电离层短波传播的抛物方程时域仿真建模方法；本专利技术有利用改善天波传播电磁仿真精度，并有效的提高天波传播多域电磁仿真能力，能够有效的实现表征电离层产生的衰减、色散、双折射、波形畸变和时延等现象。
[0005]本专利技术解决技术问题所采用的解决方案是：
[0006]一种各向异性电离层短波传播的抛物方程时域仿真建模方法，基于分步傅里叶变换算法，引入大气折射指数模型，对寻常波和非寻常波传播模式进行区分建模；通过带内采样和多频点扫描计算的方法，获取收发点之间的信道传递函数；结合傅里叶综合法和相关
函数法，得到电磁波传播的频域、时域特征参数。
[0007]在一些可能的实施方式中，具体包括以下步骤：
[0008]步骤S1:构建传播地理环境；具体为：利用数字高程地图和地表媒质数据库，并结合抛物方程网格系，建立传播地理环境模型并设置地表边界条件；
[0009]步骤S2:根据大气层分层结构及其对电磁波的作用机理，建立电磁波大气层传播时的大气折射指数模型；
[0010]步骤S3:空间电磁场多频点计算，得到收发点之间的信道传递函数；
[0011]步骤S4:获取表征电磁波传播特征的时频域信息，传播特征参数生成,完成仿真。
[0012]在一些可能的实施方式中，所述步骤S1具体包括以下步骤：
[0013]步骤S11:根据收发天线位置，利用空间插值方法从原始高程数字地图中提取与抛物方程网格体系一致的地形高程数据；
[0014]步骤S12：结合地表媒质数据库与地形高程数据，建立计算域的下边界网格点与地表媒质的映射关系，并根据映射关系设置地表边界条件。
[0015]在一些可能的实施方式中，所述大气折射指数模型包括对流层大气模型和电离层大气模型；
[0016]所述步骤S2具体包括以下步骤：
[0017]步骤S21:建立对流层大气折射指数模型；
[0018]步骤S22:引入地磁场分量，建立电离层大气折射指数模型。
[0019]在一些可能的实施方式中，所述步骤S21具体是指：
[0020]在对流层区域内，建立对流层大气折射指数模型：
[0021]n
t
＝1+313
‑
0.36z
×
10
‑6(1)；
[0022]其中，z为高度变量。
[0023]在一些可能的实施方式中，所述步骤S22具体是指：
[0024]在对流层上边界至最大计算高度的区域，通过公式(2)、(3)建立电离层大气折射指数模型；
[0025][0026][0027]其中，下标O和X分别为寻常波和非寻常波，
[0028]变量
[0029][0030][0031]χ＝ν/2πf；
[0032]m为电子质量(kg)；
[0033]e为电子电荷(C)；
[0034]ε0为介电常数(F/m)；
[0035]为电子浓度(m
‑3)；
[0036]v为电子碰撞频率(s
‑1)；
[0037]B
T
为地磁场在波矢量垂直方向上的投影；
[0038]B
L
为地磁场在波矢量方向上的投影；其中，地磁场由国际地磁参考场模型得到。
[0039]在一些可能的实施方式中，所述步骤S3具体包括以下步骤：
[0040]步骤S31：对时域脉冲信号进行时频转换，并根据频谱函数、时域观察窗长度T
w
和信号带宽B确定待计算的频点；
[0041][0042]步骤S32：采用下式依次计算出带内各采样频点f
i
对应的电磁场波函数；
[0043][0044]式中，Δx为直角坐标系(x,z)中的步进值；
[0045]k0为真空传播常数；
[0046]和为快速傅里叶变换和逆变换；
[0047]对于寻常波取n＝n
o
，非寻常波取n＝n
X
；
[0048]步骤S33：计算收发之间的信道传递函数，
[0049]H(f)＝u(x
r
,z
r
,f)
ꢀꢀꢀ
(5)；
[0050]其中，下标r为接收天线。
[0051]在一些可能的实施方式中，所述步骤S4具体包括以下步骤：
[0052]步骤S41：利用公式(6)计算空间电波传播损耗；
[0053][0054]式中，u0为自由空间条件下的波函数；
[0055]L0为自由空间传播损耗；
[0056]r为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种各向异性电离层短波传播的抛物方程时域仿真建模方法，其特征在于，基于分步傅里叶变换算法，引入大气折射指数模型，对寻常波和非寻常波传播模式进行区分建模；通过带内采样和多频点扫描计算的方法，获取收发点之间的信道传递函数；结合傅里叶综合法和相关函数法，得到电磁波传播的频域、时域特征参数。2.根据权利要求1所述的一种各向异性电离层短波传播的抛物方程时域仿真建模方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤S1:构建传播地理环境；具体为：利用数字高程地图和地表媒质数据库，并结合抛物方程网格系，建立传播地理环境模型并设置地表边界条件；步骤S2:根据大气层分层结构及其对电磁波的作用机理，建立电磁波大气层传播时的大气折射指数模型；步骤S3:空间电磁场多频点计算，得到收发点之间的信道传递函数；步骤S4:获取表征电磁波传播特征的时频域信息，传播特征参数生成,完成仿真。3.根据权利要求2所述的一种各向异性电离层短波传播的抛物方程时域仿真建模方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：步骤S11:根据收发天线位置，利用空间插值方法从原始高程数字地图中提取与抛物方程网格体系一致的地形高程数据；步骤S12：结合地表媒质数据库与地形高程数据，建立计算域的下边界网格点与地表媒质的映射关系，并根据映射关系设置地表边界条件。4.根据权利要求3所述的一种各向异性电离层短波传播的抛物方程时域仿真建模方法，其特征在于，所述大气折射指数模型包括对流层大气模型和电离层大气模型；所述步骤S2具体包括以下步骤：步骤S21:建立对流层大气折射指数模型；步骤S22:建立电离层大气折射指数模型。5.根据权利要求4所述的一种各向异性电离层短波传播的抛物方程时域仿真建模方法，其特征在于，所述步骤S21具体是指：在对流层区域内，建立对流层大气折射指数模型：n
t
＝1+313
‑
0.36z
×
10
‑6(1)；其中，z为高度变量。6.根据权利要求4所述的一种各向异性电离层短波传播的抛物方程时域仿真建模方法，其特征在于，所述步骤S22具体是指：在对流层上边界至最大计算高度的区域，通过公式(2)、(3)建立电离层大气折射指数模型；模型；其中，下标O和X分别为寻常波和非寻常波；变量
χ＝ν/2πf；m为电子质量；e为电子电荷；ε0为介电常数；为电子浓度；v为电子碰撞频率；B
T
为地磁场在波矢量垂直方向上的投影；B
L<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张东民，周龙建，付松，黄秀琼，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：