專利名稱：：一種預(yù)測(cè)短波通信最大可用頻率的裝置及計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種基于射線追蹤技術(shù)預(yù)測(cè)短波通信最大可用頻率的裝置及計(jì)算方法，屬于短波通信
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：在短波通信的應(yīng)用中，對(duì)于一定電子密度分布的電離層和一定的收、發(fā)距離，能反射折回地面的電波有一個(gè)頻率最大值，稱為最高可用頻率(MUF)，它隨收發(fā)間距離的減小而變低。如果收、發(fā)間距離一定，發(fā)射頻率較低，接收點(diǎn)可以收到有一定時(shí)延差的高、低角波；隨著頻率變高，高低角波時(shí)延差縮小以至漸變至零，高低角波重合；若頻率再升高，則接收點(diǎn)落入跳距以內(nèi)，完全收不到發(fā)射信號(hào)。因此，一定距離的電路能傳播的頻率必有一個(gè)上限，這個(gè)上限頻率稱為該電路的最高可用頻率。射線追蹤技術(shù)，是在高頻的情況下，將電磁波近似為射線。根據(jù)射線傳播所在的環(huán)境條件，對(duì)電磁波軌跡進(jìn)行計(jì)算，因此利用這項(xiàng)技術(shù)就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的所有射線。并且，根據(jù)計(jì)算可以得到射線的所有基本特性(如接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)、時(shí)延、到達(dá)角等參在利用電離層作為信道進(jìn)行短波通信的過(guò)程中，短波通信信道的變化經(jīng)常導(dǎo)致通信雙方接收出現(xiàn)不確定性。其次，地磁場(chǎng)的影響也成為不可忽視的一個(gè)因素。在短波通信中應(yīng)用射線追蹤技術(shù)就必須考慮射線傳播的環(huán)境，所以必須依據(jù)電離層模型以及地磁場(chǎng)模型來(lái)對(duì)環(huán)境建模。另外，由于實(shí)際的條件限制，不可能做到對(duì)每一次短波通信都進(jìn)行實(shí)測(cè)。因此，利用能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電離層環(huán)境以及地磁場(chǎng)環(huán)境的數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)，最大程度的貼近實(shí)際情況，指導(dǎo)短波通信的實(shí)際操作如選頻與天線方向的設(shè)置是否合理，應(yīng)做如何處理。當(dāng)前，一般的短波通信中的最大可用頻率(MUF)的預(yù)測(cè)主要通過(guò)ITU-RP.1240-1提供的經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)不同的發(fā)射機(jī)配置和當(dāng)前環(huán)境，進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)。其經(jīng)驗(yàn)公式如下F2層基本MUF的計(jì)算估計(jì)F2(D)M7尸=1+c「c(B-l)3000./o尸2+&y21—DdfH是磁旋轉(zhuǎn)頻率；CD=0.74-0.591Z-0.424Z2_0.090Z3+0.088Z4+0.181Z5+0.096Z6Z=l-2D/dmaxC3。。。就是D=3000km時(shí)CD的值，D是大圓距離。這里經(jīng)F2層反射的單跳最大跨距dmax(km)由以下式子給出d隨=4780+(12610+2140/x2-49720/x4-688900/x6)(1/B-0.303)這里B由以下式子給出5S=M(3000)F2-0.124+[[M(3000)F2]2-4].0.0215+0.005sin7.8541.9635x=foF2/foE，如果所求的x比2小，則x取2。Fl層基本MUF的計(jì)算估計(jì)MF1=J0-0.01(J0-J100)R12這里J0=0.16+2.64X10—3D_0.40X10—6D2J100=-0.52+2.69X10—3D_0.39X10—6D2D代表在2000km3400km范圍內(nèi)的大圓距離。E層基本MUF的計(jì)算估計(jì)ME=3.94+2.80x_l.70x2_0.60x3+0.96x4這里<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>1150D為大圓距離。其中的具體參數(shù)還需要根據(jù)不同的電離層模型來(lái)獲取，根據(jù)ITU-RP.1240-1標(biāo)準(zhǔn)來(lái)預(yù)測(cè)的MUF的精確度不高，對(duì)于某些應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)并不適用，這樣對(duì)于MUF的預(yù)測(cè)就出現(xiàn)與實(shí)際的情況差距較大的問(wèn)題。并且在實(shí)際應(yīng)用中的復(fù)雜度較高，如要判讀電離層分層的情況，這對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，使用難度增加，并且引入誤差的可能性大大提高。利用射線追蹤技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)短波通信應(yīng)用中的一些特性參數(shù)，只要利用的模型能夠最大程度的貼近實(shí)際，便可以與實(shí)際情況吻合到一個(gè)比較精確的程度，通常在射線追蹤的應(yīng)用中采用的主要是準(zhǔn)拋物模型，該模型介紹如下—般采用形式簡(jiǎn)單的拋物曲線來(lái)近似層內(nèi)電子濃度隨高度的變化的層稱為拋物層，其表達(dá)式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中NM為電子濃度最大值，hm為電子濃度最大值所在的高度，Ym為拋物層的半厚度。由于數(shù)學(xué)表達(dá)式比較簡(jiǎn)單，故常被采用。另外，對(duì)于射線追蹤技術(shù)，一般都采用二維的計(jì)算形式，顯示的情況一般只有通信兩地的大圓距離，因此，在電離層模型的引入以及地磁場(chǎng)的引入大多數(shù)是簡(jiǎn)單的近似模型，另外在模型的使用上只能是采用平均形式，不能夠采用步步重構(gòu)環(huán)境模型，這樣在使用的精度上存在的誤差較大。地磁場(chǎng)的模型一般不會(huì)引入。但實(shí)際情況下地磁場(chǎng)對(duì)射線的影響較大。采用準(zhǔn)拋物電離層模型來(lái)作為射線追蹤技術(shù)的基礎(chǔ)并不被廣泛認(rèn)可，另外，在模型使用過(guò)程中，模型的外形參數(shù)獲取存在問(wèn)題，并且電離層是根據(jù)時(shí)間地點(diǎn)不斷變化的，并且根據(jù)當(dāng)?shù)氐胤綍r(shí)會(huì)出現(xiàn)分層的情況，這種情況在利用準(zhǔn)拋物模型時(shí)很難體現(xiàn)，模型的可信性以及切合實(shí)際的情況大大降低。在一般的應(yīng)用中很少引入地磁場(chǎng)模型，并對(duì)地磁場(chǎng)模型的引入很少做出說(shuō)明。另外，采用二維的顯示及計(jì)算方式，對(duì)計(jì)算出的參數(shù)的可利用性不高(如射線的到達(dá)角等)。所以現(xiàn)有的技術(shù)在計(jì)算準(zhǔn)確性以及符合實(shí)際的情況都不高，對(duì)計(jì)算的參數(shù)進(jìn)一步應(yīng)用也很難做到。
發(fā)明內(nèi)容(1)發(fā)明目的在短波通信應(yīng)用中，為了使得通信正常應(yīng)用，并且保證一個(gè)比較可靠通信信道，就必須對(duì)短波通信的信道進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，依據(jù)預(yù)測(cè)，選擇合適的頻率以及合適的天線放置，最終實(shí)現(xiàn)通信雙方的有效通信需要。本發(fā)明的目的是提供一種預(yù)測(cè)短波通信最大可用頻率的裝置及計(jì)算方法，該裝置及方法克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，它采用國(guó)際參考電離層IRI作為射線追蹤的基礎(chǔ)，解決了電離層模型外形參數(shù)獲取方法，以及電離層電子濃度三維分布預(yù)測(cè)，將根據(jù)任意時(shí)刻，任意地點(diǎn)的經(jīng)緯度，來(lái)建立該位置上空的電子濃度分布。引入國(guó)際地磁場(chǎng)模型IGRF，該模型可以預(yù)測(cè)任意時(shí)刻的任意地點(diǎn)海拔上空的地磁場(chǎng)分布，獲得場(chǎng)強(qiáng)大小以及地磁傾角和地磁偏角。將不可忽略的地磁場(chǎng)的影響加入到射線追蹤技術(shù)中，從而進(jìn)一步修正射線傳播的環(huán)境，得到更加切合實(shí)際的計(jì)算參數(shù)。根據(jù)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型，實(shí)現(xiàn)三維環(huán)境下的射線追蹤，在三維的環(huán)境下計(jì)算，完全依據(jù)實(shí)際大小比例來(lái)進(jìn)行，從而計(jì)算出的數(shù)據(jù)更能體現(xiàn)出當(dāng)時(shí)實(shí)際的情況，更好的指導(dǎo)通信雙方。因此，基于該射線追蹤技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)短波通信中的最大可用頻率MUF，實(shí)現(xiàn)對(duì)短波通信的應(yīng)用指導(dǎo)。(2)技術(shù)方案1、如圖1所示，本發(fā)明一種基于預(yù)測(cè)短波通信最大可用頻率的裝置，該裝置由五大模塊組成它們是用戶輸入模塊、環(huán)境模型模塊、依據(jù)磁離子理論構(gòu)建折射指數(shù)的空間分布模塊、射線軌跡特性計(jì)算模塊和預(yù)測(cè)最高可用頻率擴(kuò)展模塊，這五個(gè)模塊之間的位置、連接關(guān)系和信號(hào)走向是由用戶輸入模塊起始，確定應(yīng)用時(shí)的條件，根據(jù)用戶輸入，環(huán)境模型模塊進(jìn)行建模處理；根據(jù)所建立的模型，依據(jù)磁離子理論構(gòu)建折射指數(shù)的空間分布模塊構(gòu)建折射指數(shù)空間分布，依據(jù)折射指數(shù)空間分布，射線軌跡計(jì)算模塊進(jìn)行射線軌跡計(jì)算，最后預(yù)測(cè)最高可用頻率擴(kuò)展模塊利用計(jì)算的數(shù)據(jù)估測(cè)最大可用頻率MUF。所述用戶輸入模塊，是根據(jù)用戶的需要，對(duì)使用的條件進(jìn)行設(shè)定，主要用戶接口有當(dāng)前的時(shí)間設(shè)定、發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)的地理經(jīng)緯度坐標(biāo)、射線的發(fā)射頻率、射線的發(fā)射模式、仰角范圍等。其中對(duì)輸入進(jìn)一步應(yīng)用為計(jì)算大圓距離以及發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的方向偏角。大圓距離D的計(jì)算公式如下D=RX(J)由地點(diǎn)A指向地點(diǎn)B的方向偏角a的計(jì)算公式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中小由下式得出cos4>=sinlatAsinlatB+coslatAcoslatBcos(longA-longB)該模塊根據(jù)不同的應(yīng)用需要，設(shè)置不同需求情況下的電離層、地磁場(chǎng)基本參數(shù)，以這些基本參數(shù)，來(lái)構(gòu)建射線的傳播環(huán)境，它主要由用戶來(lái)輸入世界時(shí)、該區(qū)域的地理經(jīng)緯度、以及海拔高度。所述環(huán)境模型模塊，是國(guó)際電離層參考IRI與國(guó)際地磁場(chǎng)參考模型IGRF的數(shù)學(xué)模型描述，采用軟件封裝形式實(shí)現(xiàn)，內(nèi)嵌到計(jì)算方法中。該模塊主要依據(jù)用戶需要，根據(jù)國(guó)際電離層參考IRI建立電子濃度的空間分布，根據(jù)國(guó)際地磁場(chǎng)參考IGRF建立地磁場(chǎng)的空間分布。電離層的基本預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)是根據(jù)ITU標(biāo)準(zhǔn)CCIR系數(shù)建立的，具有國(guó)際普遍實(shí)用性。地磁場(chǎng)模型的準(zhǔn)確性也得到估計(jì)的普遍認(rèn)可。IRI模型的建立主要是根據(jù)IRI模型資料，基于CCIR系數(shù)計(jì)算出foF2以及M(3000)F2的分布情況，根據(jù)這兩個(gè)電離層外形特征參量，逐一推到出其他的特征參量，主要的特征參量有foFl，foE，hmFl，hmE，以及E層峰谷的分布情況，其中需要知道的參量如太陽(yáng)黑子數(shù)月均值、太陽(yáng)天頂角、日出日落時(shí)刻、地磁偏角等也是需要根據(jù)輸入來(lái)具體計(jì)算，最后將這些外形參數(shù)整合，構(gòu)建出用戶所需要的電子濃度分布情況。IGRF模型主要是依據(jù)高斯球諧函數(shù)，其球諧系數(shù)采用基本的國(guó)際參考IGRF系數(shù)表。根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算預(yù)測(cè)地磁場(chǎng)的空間分布情況，主要計(jì)算的參量有磁場(chǎng)強(qiáng)度、地磁偏角、地磁傾角等。按照磁離子理論提供出所要應(yīng)用的參數(shù)。所述依據(jù)磁離子理論構(gòu)建折射指數(shù)的空間分布模塊，是利用磁離子理論構(gòu)建折射指數(shù)的功能模塊，該模塊利用前面建立的環(huán)境模型，給出折射指數(shù)的空間分布。專利中射線追蹤算法依據(jù)的核心基礎(chǔ)是磁離子理論，主要形式為Appleton-Hartree公式，該公式在忽略粒子碰撞的條件下建立了折射指數(shù)同電子濃度及地磁場(chǎng)空間分布的關(guān)系，該公式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>由公式可以看出，其中電子濃度與地磁場(chǎng)分布是建立折射指數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)這兩個(gè)數(shù)據(jù)構(gòu)建三維的折射指數(shù)分布，便架構(gòu)起了整體射線傳播環(huán)境。其中Ne需要根據(jù)環(huán)境模型中的IRI來(lái)建立，而YT要依據(jù)地磁場(chǎng)參考模型IGRF來(lái)建立。所述射線軌跡特性計(jì)算模塊，是基于射線追蹤技術(shù)計(jì)算射線軌跡及射線到達(dá)特性的功能模塊。該模塊利用球坐標(biāo)下射線方程<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中//=Re{_l[~(《+《+《)-"2]},為群路徑。在此基礎(chǔ)上利用數(shù)值微分方程解法來(lái)求解該方程，根據(jù)不同的頻率以及發(fā)射角度，不同的射線傳播環(huán)境，最終將射線各個(gè)軌跡計(jì)算出，同時(shí)得到射線到達(dá)地面時(shí)的基本特性。每一條射線都具有其相應(yīng)的性質(zhì)，如初始發(fā)射情況中的頻率、發(fā)射仰角、發(fā)射偏角以及到達(dá)地面的特性如到達(dá)地與發(fā)射點(diǎn)之間的大圓距離、射線運(yùn)行的群路徑、射線的到達(dá)入射角度、射線到達(dá)時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度、時(shí)延、多徑等。這些參數(shù)作為該模塊的輸出，提供給應(yīng)用擴(kuò)展模塊來(lái)進(jìn)一步處理，最終得到應(yīng)用的需要。所述預(yù)測(cè)最高可用頻率擴(kuò)展模塊，是基于射線追蹤模塊計(jì)算結(jié)果的一個(gè)擴(kuò)展應(yīng)用，它控制射線發(fā)射的條件，計(jì)算出相應(yīng)的射線特性，在根據(jù)這些結(jié)果預(yù)測(cè)最大可用頻率MUF。根據(jù)最高可用頻率即MUF的定義，以及射線經(jīng)過(guò)電離層反射的特性，設(shè)定最大射線仰角，將頻率從lMHz逐漸提高到30MHz，依據(jù)第四部分計(jì)算出的數(shù)據(jù)，根據(jù)每一條射線的軌跡及特性，進(jìn)行預(yù)測(cè)和選擇。2、本發(fā)明一種預(yù)測(cè)短波通信最大可用頻率的計(jì)算方法，該方法具體步驟如下步驟一根據(jù)具體的使用情況，確定射線方程的初始值。—般情況，r為地球半徑，9為pi/2-地理諱度，^為地理經(jīng)度(0-360)獲取。、=—cos/&=--cos"cosa，、=—cos々cosa。ccc其中13為發(fā)射傾角，a為發(fā)射偏角，具體由發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)兩地的經(jīng)緯度來(lái)計(jì)算步驟二利用國(guó)際電離層參考IRI構(gòu)建電子濃度分布，得出Appleton-Hartree公，，，80.62臉、式乂的分布函數(shù)關(guān)系，通常的形式為^=(~^~)，化可以由IRI模型得出，是與時(shí)間、地理坐標(biāo)、海拔高度有關(guān)的函數(shù)。表1列出某時(shí)刻的IRI預(yù)測(cè)得到的電子濃度的外形參數(shù)。步驟三引入地磁場(chǎng)模型IGRF，引入地磁場(chǎng)強(qiáng)度，及地磁偏角、地磁傾角的分布函數(shù)關(guān)系。其中}f=cos2""=r2sin2Acos9'=COSA:e'是波矢量與磁場(chǎng)的夾角，e'的計(jì)算根據(jù)如下公式-cos/cosZ)-rtanA^+cos/sinD■rsin夕tan、—sin/人tan2+,sin26*tan2、+A:r2其中I為磁傾角，下傾為正，上傾為負(fù)；D為磁偏角，從x軸轉(zhuǎn)向H軸，東偏為正，西偏為負(fù)。步驟四利用數(shù)值解微分方程方法，求解微分方程，其中r、9、p、kr、ke、、每經(jīng)過(guò)一點(diǎn)需要重新在該點(diǎn)根據(jù)Appleton-Hartree公式，依據(jù)IRI以及IGRF得出的結(jié)果，計(jì)算5"23252卻，保證最大程度接近實(shí)際情況。微分步長(zhǎng)采用0.lkm，這樣的精度可以d/保證使用的需要。步驟五最終以r的大小來(lái)判定是否射線到達(dá)地面，然后將到達(dá)地面的參數(shù)提取，如到達(dá)地面的經(jīng)緯度，到達(dá)時(shí)所經(jīng)過(guò)的群路徑，以及到達(dá)角度。根據(jù)到達(dá)地點(diǎn)的經(jīng)緯度以及發(fā)射點(diǎn)的經(jīng)諱度可以計(jì)算出兩點(diǎn)之間的大圓距離。這些參數(shù)都可以通過(guò)射線追蹤來(lái)獲取。步驟六對(duì)于射線追蹤的結(jié)果參考，圖2為射線同頻率下掃描角度示意。9由圖中信息可知，在固定發(fā)射角度的條件下，隨著頻率的升高，射線所能到達(dá)的大圓距離不斷增加，當(dāng)頻率大于一臨界值時(shí)，會(huì)穿透電離層，射向太空。也就是射線在一定角度情況下，隨著頻率的升高會(huì)到達(dá)一個(gè)最大的距離。步驟七一般的射線追蹤應(yīng)用，在一定頻率條件下，射線所能到達(dá)的大圓距離隨著仰角的增加而減少(其中包括高角波及低角波情況)。因此在此基礎(chǔ)上對(duì)MUF進(jìn)行預(yù)估，主要根據(jù)射線發(fā)射的最大角度，即射線在該角度上能夠到達(dá)最小距離，以及發(fā)射接收兩點(diǎn)之間的大圓距離和方向偏角來(lái)計(jì)算。通常根據(jù)需要構(gòu)建環(huán)境模型，然后保持最大發(fā)射仰角和方向偏角不變，然后將頻率由1MHz逐漸提高到30MHz，以O(shè).1M為步長(zhǎng)，掃描計(jì)算出所有射線所能夠到達(dá)的地面位置，然后計(jì)算出該頻率下的大圓距離，最后與實(shí)際接收和發(fā)射兩點(diǎn)間的大圓距離進(jìn)行比較，如果大于該大圓距離，說(shuō)明該頻率下，射線所能到達(dá)的最小距離要大于兩地之間的大圓距離，因此該頻點(diǎn)在這次使用中不適用。一般情況，最大可用頻率選擇為小于實(shí)際接收和發(fā)射兩點(diǎn)間的大圓距離，并且最接近該大圓距離的頻率。[OO72](3)優(yōu)點(diǎn)及功效本發(fā)明采用了國(guó)際電離層參考IRI以及IGRF作為基礎(chǔ)，來(lái)建立射線的傳播環(huán)境，在準(zhǔn)確性以及可信度上都又較大的提高。在使用上，對(duì)于用戶來(lái)講只需要對(duì)發(fā)射、接收點(diǎn)的相應(yīng)地理位置、預(yù)測(cè)使用時(shí)的時(shí)間、天線方向性等參數(shù)就可以對(duì)最大可用頻率MUF進(jìn)行預(yù)測(cè)，在實(shí)用性上有較大的突破。另外作為三維的射線追蹤技術(shù)，在可視化方面有較大的優(yōu)勢(shì)，更直觀的來(lái)使用該方法。(四)圖1本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)原理示意圖圖2射線同頻率下掃描角度示意圖圖3折射指數(shù)海拔分布示意圖圖4頻率為10腿z下的射線軌跡展示示意圖圖5設(shè)定最大發(fā)射角為40_估算MUF示意圖(五)具體實(shí)施例方式1、如圖1所示，本發(fā)明一種基于射線追蹤技術(shù)預(yù)測(cè)短波通信最大可用頻率的裝置，該裝置由五大模塊組成它們是用戶輸入模塊、環(huán)境模型模塊、依據(jù)磁離子理論構(gòu)建折射指數(shù)的空間分布模塊、射線軌跡特性計(jì)算模塊和預(yù)測(cè)最高可用頻率擴(kuò)展模塊。這五個(gè)模塊之間的位置、連接關(guān)系和信號(hào)走向是由用戶輸入模塊起始，確定應(yīng)用時(shí)的條件，根據(jù)用戶輸入，環(huán)境模型模塊進(jìn)行建模處理，根據(jù)所建立的模型，依據(jù)磁離子理論構(gòu)建折射指數(shù)的空間分布模塊構(gòu)建折射指數(shù)空間分布，依據(jù)折射指數(shù)空間分布，射線軌跡計(jì)算模塊進(jìn)行射線軌跡計(jì)算，最后預(yù)測(cè)最高可用頻率擴(kuò)展模塊利用計(jì)算的數(shù)據(jù)估測(cè)最大可用頻率MUF。所述用戶輸入模塊是根據(jù)用戶的需要，對(duì)使用的條件進(jìn)行設(shè)定，主要用戶接口有當(dāng)前的時(shí)間設(shè)定、發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)的地理經(jīng)緯度坐標(biāo)、射線的發(fā)射頻率、射線的發(fā)射模式、仰角范圍等。其中對(duì)輸入進(jìn)一步應(yīng)用為計(jì)算大圓距離以及發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的方向偏角。大圓距離D的計(jì)算公式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>由地點(diǎn)A指向地點(diǎn)B的方向偏角a的計(jì)算公式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>其中小由下式得出cos4>=sinlatAsinlatB+coslatAcoslatBcos(longA-longB)該模塊根據(jù)不同的應(yīng)用需要，設(shè)置不同需求情況下的電離層、地磁場(chǎng)基本參數(shù)，以這些基本參數(shù)，來(lái)構(gòu)建射線的傳播環(huán)境，它主要由用戶來(lái)輸入世界時(shí)、該區(qū)域的地理經(jīng)緯度、以及海拔高度。所述環(huán)境模型模塊是國(guó)際電離層參考IRI與國(guó)際地磁場(chǎng)參考模型IGRF的數(shù)學(xué)模型描述，采用軟件封裝形式實(shí)現(xiàn)，內(nèi)嵌到計(jì)算方法中。該模塊主要依據(jù)用戶需要，根據(jù)國(guó)際電離層參考IRI建立電子濃度的空間分布，根據(jù)國(guó)際地磁場(chǎng)參考IGRF建立地磁場(chǎng)的空間分布。電離層的基本預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)是根據(jù)ITU標(biāo)準(zhǔn)CCIR系數(shù)建立的，具有國(guó)際普遍實(shí)用性。地磁場(chǎng)模型的準(zhǔn)確性也得到估計(jì)的普遍認(rèn)可。所述依據(jù)磁離子理論構(gòu)建折射指數(shù)的空間分布模塊是利用磁離子理論構(gòu)建折射指數(shù)的功能模塊，該模塊利用前面建立的環(huán)境模型，給出折射指數(shù)的空間分布。專利中射線追蹤算法依據(jù)的核心基礎(chǔ)是磁離子理論，主要形式為Appleton-Hartree公式，該公式在忽略粒子碰撞的條件下建立了折射指數(shù)同電子濃度及地磁場(chǎng)空間分布的關(guān)系，該公式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>由公式可以看出，其中電子濃度與地磁場(chǎng)分布是建立折射指數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)這兩個(gè)數(shù)據(jù)構(gòu)建三維的折射指數(shù)分布，便架構(gòu)起了整體射線傳播環(huán)境。其中Ne需要根據(jù)環(huán)境模型中的IRI來(lái)建立，而YT要依據(jù)地磁場(chǎng)參考模型IGRF來(lái)建立。所述射線軌跡特性計(jì)算模塊是基于射線追蹤技術(shù)計(jì)算射線軌跡及射線到達(dá)特性的功能模塊。該模塊利用球坐標(biāo)下射線方程<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>其中//=Re{[(《"2]〉.P為群路徑。在此基礎(chǔ)上利用數(shù)值微分方程解法來(lái)求解該方程，根據(jù)不同的頻率以及發(fā)射角度，不同的射線傳播環(huán)境，最終將射線各個(gè)軌跡計(jì)算出，同時(shí)得到射線到達(dá)地面時(shí)的基本特性。所述預(yù)測(cè)最高可用頻率擴(kuò)展模塊是基于射線追蹤模塊計(jì)算結(jié)果的一個(gè)擴(kuò)展應(yīng)用，它控制射線發(fā)射的條件，計(jì)算出相應(yīng)的射線特性，再根據(jù)這些結(jié)果預(yù)測(cè)最大可用頻率MUF。根據(jù)最高可用頻率即MUF的定義，以及射線經(jīng)過(guò)電離層反射的特性，設(shè)定最大射線仰角，將頻率從1MHz逐漸提高到30MHz，依據(jù)第四部分計(jì)算出的數(shù)據(jù)，根據(jù)每一條射線的軌跡及特性，進(jìn)行預(yù)測(cè)和選擇。本發(fā)明具有較高實(shí)用性，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)模型，進(jìn)行預(yù)測(cè)環(huán)境條件，在使用時(shí)不需要特定設(shè)備以及環(huán)境條件。2、本發(fā)明一種基于射線追蹤技術(shù)預(yù)測(cè)短波通信最大可用頻率的計(jì)算方法，該方法具體步驟如下最大可用頻率預(yù)估計(jì)步驟一確定發(fā)射點(diǎn)以及接收點(diǎn)的地理坐標(biāo)，計(jì)算發(fā)射偏角以及大圓距離發(fā)射點(diǎn)青島(36.1，120.3)接收點(diǎn)長(zhǎng)春(43.84，125.28)接收點(diǎn)位于發(fā)射點(diǎn)北偏東24.6756°。大圓距離為958.974km。這樣兩地的大圓距離固定，可以進(jìn)行MUF的預(yù)測(cè)。步驟二根據(jù)應(yīng)用預(yù)測(cè)的實(shí)際情況，初始化電離層模型實(shí)例采用IRI模型預(yù)測(cè)兩地中點(diǎn)處的2009-10-614:00的電離層情況。IRI模型預(yù)測(cè)的當(dāng)時(shí)電離層特征參數(shù)如下表表1利用IRI模型預(yù)測(cè)計(jì)算的電離層特性參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>步驟三利用IGRF預(yù)測(cè)地磁情況大概為磁場(chǎng)大小在O.5高斯左右，隨經(jīng)緯度、海拔高度不斷變化。具體舉例，預(yù)測(cè)經(jīng)度120.6°，緯度36.9°，海拔高度為100km的地磁場(chǎng)分布情況。表2利用IGRF模型預(yù)測(cè)計(jì)算的地磁場(chǎng)特性參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>步驟四根據(jù)國(guó)際電離層參考IRI以及國(guó)際地磁場(chǎng)參考IGRF通過(guò)Appleton-Hartree公式，對(duì)射線傳播環(huán)境構(gòu)建出(發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)之間)的折射指數(shù)隨海拔的分布，射線的頻率為12MHz。如圖3為折射指數(shù)海拔分布示意圖。其中上下兩條曲線代表引入地磁場(chǎng)時(shí)的折射指數(shù)分布，中間曲線代表無(wú)地磁場(chǎng)情況。在圖3中列舉的只是在12MHz下的折射指數(shù)分布，是一個(gè)特例，一般情況下要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行構(gòu)建折射指數(shù)分布。步驟五構(gòu)建射線初始值，對(duì)于應(yīng)用來(lái)說(shuō)，一般需要對(duì)射線的初始值進(jìn)行設(shè)定，然后根據(jù)數(shù)值微分方程計(jì)算方法，一步一步計(jì)算，得到整個(gè)射線的軌跡。在這一次的應(yīng)用中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>其中Kr為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>"為射線的角頻率，c為光在真空中的傳播速度3X10V/s，a為24.6756°，P為發(fā)射仰角射線追蹤應(yīng)用實(shí)例繪制射線軌跡固定頻率下，進(jìn)行掃描的射線軌跡如圖4:頻率為10腿z下的射線軌跡展示。步驟六設(shè)置射線的最大發(fā)射角40°，掃描頻率，對(duì)數(shù)據(jù)輸出頻率有l(wèi)MHZ-30MHz，由于頻率大于一定限度，則射線會(huì)射出電離層，所以這部分不計(jì)，數(shù)據(jù)如下表(該表的數(shù)據(jù)是計(jì)算數(shù)據(jù)的一部分，具體可參考文件見(jiàn)MUF掃描數(shù)據(jù).xls)，具體圖為圖5，由于顯示是在三維下建立的場(chǎng)景，所以無(wú)法顯示坐標(biāo)，所以經(jīng)過(guò)計(jì)算將計(jì)算的結(jié)果以表格形式給出。表3固定射線最大發(fā)射仰角頻率掃描數(shù)據(jù)輸出(節(jié)選)發(fā)射頻率(MHZ)到達(dá)緯度到達(dá)經(jīng)度群路徑(Km)大圓距離(Km)6.1AO-34122.88704.08522.006.4AO.43122.94720.67533.986.7AO-53123.01737.47546.177.0AO.63123.07754.86558.757.3AO-74123.14772.76571.687.6AO.84123.21791.65584.877.940.96123.29811.65599.008.241.08123.37833.24614.368.541.22123.46857.04631.308.841.37123.56883.93650.509.141.55123.68915.82673.269.441.77123.84955.21700.469.742.08124.051010.00739.0710.042.65124.431110.38809.7810.143.05124.72118]86860.52步驟七找到最大可用頻率MUF10.l腿z，由于超過(guò)10.l腿z的高頻頻點(diǎn)下的射線在40°的發(fā)射仰角會(huì)射出電離層，所以這部分舍去，一般情況下，MUF選擇為最接近且到達(dá)距離小于收發(fā)兩地大圓距離的射線頻率，因此，在該條件下的MUF的預(yù)測(cè)值為10.lMHz，對(duì)于應(yīng)用來(lái)說(shuō)，一般選擇85%MUF作為短波通信所使用的頻率。因此可以將短波通信的頻率選擇為8.5MHz比較合適。權(quán)利要求一種基于預(yù)測(cè)短波通信最大可用頻率的裝置，其特征在于該裝置由五大模塊組成，它們是用戶輸入模塊、環(huán)境模型模塊、依據(jù)磁離子理論構(gòu)建折射指數(shù)的空間分布模塊、射線軌跡特性計(jì)算模塊和預(yù)測(cè)最高可用頻率擴(kuò)展模塊；這五個(gè)模塊之間的位置、連接關(guān)系和信號(hào)走向是由用戶輸入模塊起始，確定應(yīng)用時(shí)的條件，根據(jù)用戶輸入，環(huán)境模型模塊進(jìn)行建模處理；根據(jù)所建立的模型，依據(jù)磁離子理論構(gòu)建折射指數(shù)的空間分布模塊構(gòu)建折射指數(shù)空間分布，依據(jù)折射指數(shù)空間分布，射線軌跡計(jì)算模塊進(jìn)行射線軌跡計(jì)算，最后預(yù)測(cè)最高可用頻率擴(kuò)展模塊利用計(jì)算的數(shù)據(jù)估測(cè)最大可用頻率MUF；所述用戶輸入模塊，是根據(jù)用戶的需要，對(duì)使用的條件進(jìn)行設(shè)定，設(shè)置不同需求情況下的電離層、地磁場(chǎng)基本參數(shù)，以這些基本參數(shù)，來(lái)構(gòu)建射線的傳播環(huán)境；主要用戶接口有當(dāng)前的時(shí)間設(shè)定、發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)的地理經(jīng)緯度坐標(biāo)、射線的發(fā)射頻率、射線的發(fā)射模式、仰角范圍；其中對(duì)輸入進(jìn)一步應(yīng)用為計(jì)算大圓距離以及發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的方向偏角；大圓距離D的計(jì)算公式如下D＝R×φ由地點(diǎn)A指向地點(diǎn)B的方向偏角α的計(jì)算公式如下<mrow><mi>cos</mi><mi>&alpha;</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mi>latB</mi><mo>-</mo><mi>sin</mi><mi>LatA</mi><mo>&CenterDot;</mo><mi>cos</mi><mi>&phi;</mi></mrow><mrow><mi>cos</mi><mi>latA</mi></mrow></mfrac></mrow>其中φ由下式得出cosφ＝sinlatA·sinlatB+coslatA·coslatB·cos(longA-longB)；所述環(huán)境模型模塊，是國(guó)際電離層參考IRI與國(guó)際地磁場(chǎng)參考模型IGRF的數(shù)學(xué)模型描述，采用軟件封裝形式實(shí)現(xiàn)，內(nèi)嵌到計(jì)算方法中；該模塊主要依據(jù)用戶需要，根據(jù)國(guó)際電離層參考IRI建立電子濃度的空間分布，根據(jù)國(guó)際地磁場(chǎng)參考IGRF建立地磁場(chǎng)的空間分布；電離層的基本預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)是根據(jù)ITU標(biāo)準(zhǔn)CCIR系數(shù)建立的，具有國(guó)際普遍實(shí)用性；IRI模型的建立主要是根據(jù)IRI模型資料，基于CCIR系數(shù)計(jì)算出foF2以及M(3000)F2的分布情況，根據(jù)這兩個(gè)電離層外形特征參量，逐一推導(dǎo)出其他的特征參量；所述依據(jù)磁離子理論構(gòu)建折射指數(shù)的空間分布模塊，是利用磁離子理論構(gòu)建折射指數(shù)的功能模塊，該模塊利用前面建立的環(huán)境模型，給出折射指數(shù)的空間分布；射線追蹤算法依據(jù)的核心基礎(chǔ)是磁離子理論，主要形式為Appleton-Hartree公式，該公式在忽略粒子碰撞的條件下建立了折射指數(shù)同電子濃度及地磁場(chǎng)空間分布的關(guān)系，該公式如下<mrow><msup><mi>n</mi><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac><mrow><mi>X</mi><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>X</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>X</mi><mo>-</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msubsup><mi>Y</mi><mi>T</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>&PlusMinus;</mo><msqrt><mfrac><mn>1</mn><mn>4</mn></mfrac><msubsup><mi>Y</mi><mi>T</mi><mn>4</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>Y</mi><mi>L</mi><mn>2</mn></msubsup><msup><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>X</mi><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></msqrt></mrow></mfrac></mrow><mfencedopen=''close=''><mtable><mtr><mtd><mfencedopen=''close='}'><mtable><mtr><mtd><msubsup><mi>Y</mi><mi>L</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msup><mi>Y</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>cos</mi><mn>2</mn></msup><mi>&theta;</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><msubsup><mi>Y</mi><mi>T</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msup><mi>Y</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>sin</mi><mn>2</mn></msup><mi>&theta;</mi></mtd></mtr></mtable></mfenced></mtd><mtd><mfencedopen=''close='}'><mtable><mtr><mtd><mi>X</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>N</mi><mi>e</mi></msub><msup><mi>e</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mi>m</mi><msub><mi>&epsiv;</mi><mn>0</mn></msub><msup><mi>&omega;</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Y</mi><mo>=</mo><mfrac><msub><mi>&omega;</mi><mi>H</mi></msub><mi>&omega;</mi></mfrac></mtd></mtr></mtable></mfenced></mtd><mtd><msub><mi>&omega;</mi><mi>H</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>e</mi><msub><mi>B</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mi>m</mi></mfrac></mtd></mtr></mtable></mfenced>其中電子濃度與地磁場(chǎng)分布是建立折射指數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)這兩個(gè)數(shù)據(jù)構(gòu)建三維的折射指數(shù)分布，便架構(gòu)起了整體射線傳播環(huán)境；Ne需要根據(jù)環(huán)境模型中的IRI來(lái)建立，而YLYT要依據(jù)地磁場(chǎng)參考模型IGRF來(lái)建立；所述射線軌跡特性計(jì)算模塊，是基于射線追蹤技術(shù)計(jì)算射線軌跡及射線到達(dá)特性的功能模塊，該模塊利用球坐標(biāo)下射線方程其中P為群路徑；在此基礎(chǔ)上利用數(shù)值微分方程解法來(lái)求解該方程，根據(jù)不同的頻率以及發(fā)射角度，不同的射線傳播環(huán)境，最終將射線各個(gè)軌跡計(jì)算出，同時(shí)得到射線到達(dá)地面時(shí)的基本特性；所述預(yù)測(cè)最高可用頻率擴(kuò)展模塊，是基于射線追蹤模塊計(jì)算結(jié)果的一個(gè)擴(kuò)展應(yīng)用，它控制射線發(fā)射的條件，計(jì)算出相應(yīng)的射線特性，在根據(jù)這些結(jié)果預(yù)測(cè)最大可用頻率MUF；根據(jù)最高可用頻率即MUF的定義，以及射線經(jīng)過(guò)電離層反射的特性，設(shè)定最大射線仰角，將頻率從1MHz逐漸提高到30MHz，依據(jù)計(jì)算出的數(shù)據(jù)，根據(jù)每一條射線的軌跡及特性，進(jìn)行預(yù)測(cè)和選擇。F2009102369787C0000022.tif,F2009102369787C0000023.tif2.本發(fā)明一種預(yù)測(cè)短波通信最大可用頻率的計(jì)算方法，其特征在于該方法具體步驟如下步驟一根據(jù)具體的使用情況，確定射線方程的初始值；r為地球半徑，e為pi/2-地理緯度，^為地理經(jīng)度(0-360)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中13為發(fā)射傾角，a為發(fā)射偏角，具體由發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)兩地的經(jīng)緯度來(lái)計(jì)算獲取；步驟二利用國(guó)際電離層參考IRI構(gòu)建電子濃度分布，得出Appleton-Hartree公式X的分布函數(shù)關(guān)系，通常的形式為^-(^^)，Ne可以由IRI模型得出，是與時(shí)間、地理坐標(biāo)、海拔高度有關(guān)的函數(shù)；步驟三引入地磁場(chǎng)模型IGRF，引入地磁場(chǎng)強(qiáng)度，及地磁偏角、地磁傾角的分布函數(shù)關(guān)其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>^是波矢量與磁場(chǎng)的夾角，e'的計(jì)算根據(jù)如下公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中I為磁傾角，下傾為正，上傾為負(fù)；D為磁偏角，從x軸轉(zhuǎn)向H軸，東偏為正，西偏為負(fù)；步驟四利用數(shù)值解微分方程方法，求解微分方程，其中r、9、p、kr、ke、、每經(jīng)過(guò)一點(diǎn)需要重新在該點(diǎn)根據(jù)Appleton-Hartree公式，依據(jù)IRI以及IGRF得出的結(jié)果，計(jì)算-^、一；、—T，保i正最大程度接ffi實(shí)際情況；微分步長(zhǎng)采用0.lkm，i^樣的精度可以保i正使用的需要；步驟五最終以r的大小來(lái)判定是否射線到達(dá)地面，然后將到達(dá)地面的參數(shù)提?。蝗绲竭_(dá)地面的經(jīng)緯度，到達(dá)時(shí)所經(jīng)過(guò)的群路徑，以及到達(dá)角度；根據(jù)到達(dá)地點(diǎn)的經(jīng)緯度以及發(fā)射點(diǎn)的經(jīng)緯度可以計(jì)算出兩點(diǎn)之間的大圓距離；這些參數(shù)都可以通過(guò)射線追蹤來(lái)獲??；步驟六對(duì)于射線追蹤的結(jié)果參考篩選，由信息可知，在固定發(fā)射角度的條件下，隨著頻率的升高，射線所能到達(dá)的大圓距離不斷增加，當(dāng)頻率大于一臨界值時(shí)，會(huì)穿透電離層，射向太空；也就是射線在一定角度情況下，隨著頻率的升高會(huì)到達(dá)一個(gè)最大的距離；步驟七一般的射線追蹤應(yīng)用，在一定頻率條件下，射線所能到達(dá)的大圓距離隨著仰角的增加而減少，因此在此基礎(chǔ)上對(duì)MUF進(jìn)行預(yù)估，主要根據(jù)射線發(fā)射的最大角度，即射線在該角度上能夠到達(dá)最小距離，以及發(fā)射接收兩點(diǎn)之間的大圓距離和方向偏角來(lái)計(jì)算；通常根據(jù)需要構(gòu)建環(huán)境模型，然后保持最大發(fā)射仰角和方向偏角不變，然后將頻率由1MHz逐漸提高到30MHz，以0.1M為步長(zhǎng)，掃描計(jì)算出所有射線所能夠到達(dá)的地面位置，然后計(jì)算出該頻率下的大圓距離，最后與實(shí)際接收和發(fā)射兩點(diǎn)間的大圓距離進(jìn)行比較，如果大于該大圓距離，說(shuō)明該頻率下，射線所能到達(dá)的最小距離要大于兩地之間的大圓距離，因此該頻點(diǎn)在這次使用中不適用；一般情況，最大可用頻率選擇為小于實(shí)際接收和發(fā)射兩點(diǎn)間的大圓距離，并且最接近該大圓距離的頻率，通常選擇85%MUF作為短波通信所使用的頻率。全文摘要本發(fā)明一種基于預(yù)測(cè)短波通信最大可用頻率的裝置，是由用戶輸入模塊、環(huán)境模型模塊、依據(jù)磁離子理論構(gòu)建折射指數(shù)的空間分布模塊、射線軌跡特性計(jì)算模塊和預(yù)測(cè)最高可用頻率擴(kuò)展模塊組成；一種預(yù)測(cè)短波通信最大可用頻率的計(jì)算方法，有七大步驟，一確定射線方程的初始值；二利用國(guó)際電離層參考IRI構(gòu)建電子濃度分布；三引入地磁場(chǎng)模型IGRF及建立函數(shù)關(guān)系；四求解微分方程；五提取到達(dá)地面的射線參數(shù)；六對(duì)于射線追蹤的結(jié)果進(jìn)行篩選；七選擇85％MUF作為短波通信所使用的頻率。本發(fā)明解決了電離層模型外形參數(shù)獲取的方法，依據(jù)任意時(shí)刻、任意地點(diǎn)的經(jīng)緯度，來(lái)建立該位置上空的電子濃度分布。它在短波通信
技術(shù)領(lǐng)域：
里具有廣泛地實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。文檔編號(hào)H04B17/00GK101719802SQ200910236978公開(kāi)日2010年6月2日申請(qǐng)日期2009年10月30日優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日發(fā)明者付路,張?zhí)m蘭,栗偉珉,王剛,田國(guó)亮,閻照文申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)