一種中國低緯地區(qū)電離層閃爍發(fā)生概率預(yù)報(bào)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、雷達(dá)及測控領(lǐng)域，用于實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信/衛(wèi)星導(dǎo)航 /雷達(dá)/測控系統(tǒng)的電離層閃爍影響中長期預(yù)報(bào)，為系統(tǒng)余量設(shè)計(jì)、信號體制設(shè)計(jì)、衛(wèi)星運(yùn) 行軌道設(shè)計(jì)等提供技術(shù)支撐。
【背景技術(shù)】
[0002] 在電離層正常的電子密度背景上漂浮著密度不等、尺度不等的電離體，稱為電離 層不均勻體。當(dāng)衛(wèi)星信號在電離層不均勻體中傳播時，會引起傳播路徑和傳播時間的改變， 使得信號的振幅、相位以及到達(dá)角發(fā)生快速起伏變化，導(dǎo)致信號衰落、頻移等，被稱為電離 層閃爍。電離層閃爍效應(yīng)會直接影響衛(wèi)星通信/衛(wèi)星導(dǎo)航/雷達(dá)/測控等電子信息系統(tǒng)的 誤碼率、通信質(zhì)量、定位精度、作用距離、測距側(cè)向精度等性能指標(biāo)，電離層閃爍甚至?xí)?dǎo)致 衛(wèi)星通信/衛(wèi)星導(dǎo)航中斷，SAR雷達(dá)無法成像、空間目標(biāo)監(jiān)視雷達(dá)丟失目標(biāo)等嚴(yán)重后果，因 此，通過監(jiān)測、建模、預(yù)報(bào)和服務(wù)等空間天氣保障工作，減緩電離層環(huán)境對現(xiàn)代無線電技術(shù) 系統(tǒng)的不利影響，具有重要應(yīng)用價(jià)值。電離層閃爍發(fā)生概率預(yù)報(bào)模型可預(yù)報(bào)某頻段某地區(qū) 指定電離層閃爍指數(shù)S4的中長期發(fā)生概率，即出現(xiàn)時間百分比，也可給出指定出現(xiàn)時間百 分比的電離層閃爍指數(shù)S4。電離層閃爍指數(shù)S4發(fā)生概率預(yù)報(bào)信息可輔助衛(wèi)星通信/目標(biāo) 監(jiān)視雷達(dá)等的系統(tǒng)余量設(shè)計(jì)、衛(wèi)星通信/目標(biāo)監(jiān)視雷達(dá)等系統(tǒng)的運(yùn)行任務(wù)規(guī)劃、生命安全 等衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的完好性風(fēng)險(xiǎn)分析等。中國低煒地區(qū)電離層閃爍發(fā)生概率預(yù)報(bào)模型也是電 離層閃爍事件區(qū)域現(xiàn)報(bào)與短期區(qū)域預(yù)報(bào)的技術(shù)基礎(chǔ)。
[0003] 在現(xiàn)有技術(shù)中，美國電離層閃爍發(fā)生概率預(yù)報(bào)模型（WideBand Model，WBM0D) 是全球僅有一個全球電離層閃爍發(fā)生概率氣候?qū)W模型。NWRA(Northwest Research Associates, Inc.)根據(jù)全球電離層不均勾體的氣候?qū)W特征以及穿越電離層的電波傳播效 應(yīng)，開發(fā)了電離層閃爍發(fā)生概率氣候?qū)W預(yù)報(bào)模型WBMOD。2008年，NWRA向軍方發(fā)布了 WBMOD Versionl5,該模型由電離層不均勻體強(qiáng)度CkL概率密度分布模型、多相位屏模型以及預(yù)報(bào) 置信度模型共三個模型組成，可實(shí)現(xiàn)全球區(qū)域的電離層閃爍發(fā)生概率預(yù)報(bào)、信號衰落深度 預(yù)報(bào)、閃爍指數(shù)預(yù)報(bào)等功能。為了保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)，NWRA未公開WBMOD核心技術(shù)細(xì)節(jié)。印度 K.N. Iyer(2006)等人則基于印度地區(qū)的VHF閃爍觀測歷史數(shù)據(jù)開發(fā)了一個VHF電離層閃爍 概率區(qū)域預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型利用三次樣條函數(shù)來擬合電離層閃爍發(fā)生概率隨時間，季 節(jié)，太陽活動和地磁活動的變化規(guī)律，該模型不具備其它頻段電離層閃爍發(fā)生概率預(yù)報(bào)等 應(yīng)用拓展能力。
[0004] 國內(nèi)僅有中科院等研究人員利用單站電離層閃爍觀測數(shù)據(jù)建立的固定地點(diǎn)電離 層閃爍發(fā)生概率預(yù)報(bào)模型，其不具備其它頻段和其它地區(qū)電離層閃爍發(fā)生概率預(yù)報(bào)應(yīng)用拓 展能力。因此，本發(fā)明提供的一種中國低煒地區(qū)電離層閃爍發(fā)生概率預(yù)報(bào)方法為國內(nèi)獨(dú)創(chuàng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種中國低煒地區(qū)電離層閃 爍發(fā)生概率預(yù)報(bào)方法，本發(fā)明的方法是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 1、步驟1、用戶指定發(fā)射機(jī)位置、接收機(jī)位置、時間、工作頻段和電離層閃爍指數(shù) S4閾值等參數(shù)，獲得同時間的太陽活動指數(shù)Rz和地磁活動指數(shù)Kp的預(yù)報(bào)值。
[0007] 步驟2、對于指定的電離層閃爍指數(shù)S4閾值，利用多相位屏理論反演相應(yīng)的電離 層不均勾體強(qiáng)度CkL。閾值。
[0008] 步驟3、依據(jù)中國低煒地區(qū)電離層不均勻體強(qiáng)度CkL的概率密度分布模型，預(yù)報(bào)指 定地點(diǎn)、時間、太陽活動指數(shù)Rz、地磁活動指數(shù)Kp等條件下的電離層不均勻體強(qiáng)度CkL的概 率密度分布。
[0009] 步驟4、計(jì)算大于電離層不均勻體強(qiáng)度CkL。閾值的累積概率，即為相應(yīng)的電離層閃 爍指數(shù)S4閾值的發(fā)生概率。
[0010] 2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2具體為：
[0011] A、基于發(fā)射機(jī)位置、接收機(jī)位置、工作頻段、電離層閃爍指數(shù)S4閾值等數(shù)據(jù)，假定 電離層不均勻體的高度距離地球表面350km，反演相應(yīng)的電離層不均勻體強(qiáng)度CkL。閾值。具 體計(jì)算公式為：
[0012] 定義波數(shù)等于k時的電離層不均勻體三維空間功率譜密度在高度上的積分為電 離層不均勻體強(qiáng)度，表示為CkL，即：
[0014] 式中：V = p/2, p為二維冪律譜指數(shù)，為電離層電子密度起伏方差，k為電 離層不均勻體外尺度波數(shù)，L為電離層不均勻體厚度，Γ為伽馬函數(shù)。
[0015] 基于弱散射相位屏理論，電離層閃爍指數(shù)&與C kL的關(guān)系式為：
[0017] 式中，S4w表示單次散射條件下S 4的表達(dá)式，Z為菲涅耳帶參數(shù)，F(xiàn)為菲涅耳調(diào)制項(xiàng)， 由電離層不均勻體的形狀、傳播幾何條件參數(shù)決定。Θ為傳播角。
[0021] 式中，ZjPz2分別為接收機(jī)和發(fā)射機(jī)到電離層不均勻體等效相位屏的垂直距離參 數(shù)，a和b分別是平行和垂直于電離層不均勻體主軸的軸比率，β ;v，z)為超幾何 函數(shù)，相關(guān)參數(shù)計(jì)算公式為：
[0022] k" = [Ar +C +Dr ]/2 CN 105116469 A 說明書 3/10 頁
[0028] 式中，在計(jì)算傾斜路徑的S4時采用的幾何坐標(biāo)系統(tǒng)方向?yàn)椋簒軸為磁北，y軸為磁 東，z軸指向地心。傳播角Θ為信號傳播方向與X軸之間夾角，φ為y-z平面內(nèi)信號傳播 方向投影與y軸之間方位角。A, B和C是多相位屏理論中歸一化譜密度函數(shù)Q (q)中空間波 數(shù)q二次函數(shù)中的系數(shù)：
[0049] 式中，Φ B為地球磁平面在坐標(biāo)系統(tǒng)中的方位角，Φ B為地球磁場線相對于坐標(biāo)系 統(tǒng)中y-z平面的俯仰角（磁傾角），γ B為場向排列電離層不均勻體與坐標(biāo)系統(tǒng)中x-y平面 的夾角。
[0050] B、在多次散射條件下，S4會飽和，此時利用瑞利統(tǒng)計(jì)可得：
[0052] 綜上可得，對于指定的電離層閃爍指數(shù)S4,利用多相位屏理論反演相應(yīng)的電離層 不均勻體強(qiáng)度CkL的公式為：
[0054] 式中，^為等離子體回旋頻率，λ為無線電波長，S4要求小于1，其余參數(shù)同上。
[0055] 3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3具體為：
[0056] Α、中國低煒地區(qū)夜間電離層不均勻體強(qiáng)度CkL的概率密度分布為三段雙高斯函數(shù) 形式。其具體形式為：
[0059] 其中，PDF為電離層不均勻體強(qiáng)度CkL的概率密度分布，μ JP μ 2分別為第一個和 第二個高斯函數(shù)中值，〇 Jp σ 2分別為第一個和第二個高斯函數(shù)半帶寬，η ρ η2和η 3分 別為第一個和第二個概率密度高斯函數(shù)峰值，以及中段概率密度分布值。
[0060] Β、半帶寬子模型
[0061] CkL低峰半帶寬〇1可設(shè)定為固定值0.8,而高峰半帶寬〇 2僅為太陽黑子數(shù)函數(shù)。 在Rz等于0時σ 2為1，當(dāng)Rz大于等于150時σ 2為〇. 7,在這區(qū)間為線性變化。
[0063] C、中值μ挪μ 2子模型
[0064] CkL低峰中值P1和高峰中值μ 2僅是煒度、Rz和時間的函數(shù)。電離層駝峰區(qū)CkL 中值與Rz之間的模型為：
[0068] 日變化函數(shù)模型為： CN 105116469 A 兄明 5/10 頁
[0070] 此處，te為本地電離層F層（海拔高度350km)日落后經(jīng)歷的時間，t ss為日落后峰 值時間1. 50和半帶寬Wss為0. 80, t α為日出變化起始時刻1. 75和半帶寬W α= 2. 0。
[0071] 則一天內(nèi)任意時刻的中值通過日變化函數(shù)擬合獲得：
[0072] X = Xday+ (Xnight-Xday) X f (te)
[0073] D、基于歷史數(shù)據(jù)獲得的CkL煒度剖面經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?br>[0075] 式中，C。為赤道區(qū)CkL經(jīng)驗(yàn)中值31.0或者赤道區(qū)中值μ JP μ 2值，C。為?它峰區(qū) CkL經(jīng)驗(yàn)中值35. 0或者駝峰區(qū)中值μ JP μ 2值，λ ^為駝峰區(qū)中心地磁煒度12°，Wc為半
[0076] Ε、高峰密度峰值η 2子模型
[0077] 高峰密度峰值η2是四個環(huán)境自變量的因變量，其函數(shù)為：