射线追踪变分方程及电离层传播问题应用

从射线追踪的Haselgrove方程出发推导了射线变分方程,给出了变分方程中的所有二阶微分式的表达式。这组变分方程能实现传统的射线追踪所不具备的自导引功能和射线路径上的能量计算功能。基于这组射线变分方程,改进已有文献中的牛顿-差分自导引算法[8],提高了自导引计算的收敛速度。基于具有自导引和场强计算功能的射线追踪方法,研究了电离层行扰(TID)对高频传播的影响,这些影响主要表现为射距上能量的聚焦、固定接收机处相位的起伏和一跳跳距的变化等。显示出变分方程是对传统射线追踪方法的重要补充。     

电离层三维射线追踪的快速计算方法

基于三维射线追踪的Haselgrove方程,实现了快速电离层短波数字的三维射线追踪.根据射线传播的几何关系,给出在电离层以下部分的射线参数计算方法.根据电子浓度梯度的变化和自适应Runge-Kutta法,给出了三维射线追踪中自适应改变积分步长的快速计算方法,并以准抛物电离层模型为例,讨论了利用本文方法与解析解相比的精度,以及与各种不同步长相比的时间和精度.结果表明:采用本文方法在相同精度下速度至少可以提高一个数量级.     

快速算法实现电离层短波射线追踪

在不考虑地磁场和碰撞的条件下,利用基于费尔马原理的射线微分方程,采用直线几何近似和变步长技术相结合的快速算法实现了电离层短波射线追踪,达到了保证精度的同时提高运算效率的目的。引入亚大模型和附加扰动影响的准抛物模型描述电离层电子浓度剖面,验证快速算法的准确性和高效性。仿真结果表明,快速算法能够适应各种复杂的电离层电子浓度剖面,在保证精度的同时更迅速地计算射线的传播轨迹。     

电离层短波三维射线追踪及其应用研究

从三维射线追踪的Haselgrove方程出发,采用龙格-库塔法求解沿射线路径的电波传播参数,实现了电离层短波数字三维射线追踪,重点对数字三维射线追踪具体实现的一些关键问题处理进行了深入分析研究.本研究工作是结合传播工程技术问题开展的,以一类具体的电离层模型,给出了三维射线追踪在一些传播工程中的具体应用.     

基于射线追踪的TID期间电离层高阶效应及多普勒效应仿真

电离层行进式扰动(traveling ionospheric disturbance, TID)是一种常见的电离层扰动形式,对电磁波（如卫星导航）信号的传播过程有着重要影响. 为研究TID对卫星导航信号传播效应,本文基于三维射线追踪方法对导航信号在空间电离层磁等离子体的传播进行仿真,重点研究TID情况下电离层二阶效应和多普勒效应. 首先,通过在NeQuick电离层模型上添加电离层扰动建立TID仿真生成模型,该模型能够模拟多种尺度的TID结构;其次,基于我国南北方两个虚拟站点,仿真模拟得到导航信号在TID发生时的传播特性;然后,计算得到不同仰角和方位角时卫星导航信号的电离层二阶效应和多普勒效应等参数;最后,分析TID参数对电离层二阶效应和多普勒效应的影响. 仿真结果表明,在本文仿真参数下电离层二阶和多普勒效应在低射线仰角情况下更明显,TID多普勒效应和TID周期相关性明显.     

射线追踪在电离层探测中的应用

通过对电离层探测数据的处理,得到电离层的水平不均匀性模型.对这种水平不均匀电离层模型进行射线追踪,应用变步长射线追踪方法对赤道双峰模型进行射线追踪.电离层射线追踪的路径反映了电子密度和折射率的水平不均匀性,对电离层的斜向探测具有重要的价值.     

电离层高频传播点对点射线追踪仿真器

为了发展高效的高频(High Frequency,HF)电波点对点传播仿真工具,研究了一个HF电波经电离层反射传播的点对点射线追踪仿真器(Point-to-point Ionospheric Ray Tracing Simulator,PIRTS).该仿真器通过求解Haselgrove方程进行射线追踪,电离层传播环境使用三维网格,网格由国际参考电离层2007版(International Reference Ionosphere,IRI2007)生成或由电离图导出的真高剖面提供,地磁场使用国际参考地磁场第11版(International Geomagnetic Reference Field,IGRF11)建模.PIRTS能高效搜索连接发射点和接收点的所有射线,包括低角射线、高角射线以及不同层反射的射线.为了验证PIRTS的精度和实用性,比较了实测的与PIRTS仿真合成的垂测电离图,还比较了西安-莆田HF链路上观测的与PIRTS仿真的最大可用频率.对比结果表明:PIRTS具有较高的精度和较快的效率,能达到实用的水平,尤其适合于斜向电离图的仿真、HF通信选频等点对点传播问题.     

空间等离子体云超视距电波传播特性研究

通过在电离层中释放易电离金属物质人工生成空间等离子体云,可形成无线电波超视距传播的人工信道.基于人工空间等离子体云信道,可解决短波系统依赖于电离层状态的“靠天吃饭”问题,提升短波通信系统的抗干扰能力;亦可突破电离层的自然条件限制,拓展超视距传输的电磁频段范围,实现电波传播的新质能力.本文研究了Sm蒸气在电离层中的物理化学过程,建立了电离层Sm释放物理模型;仿真了空间等离子体云时空演化过程,利用射线追踪方法研究了空间等离子体云的超视距电波特性;建立了空间等离子体云全生命周期超视距散射模型,根据人工等离子体云电子密度强度及分布特性,将几何绕射理论引入人工等离子体云散射场的计算,研究了等离子体云地面散射场的时空变化特性.本文研究为人工空间等离子云超视距信息传输技术研究奠定了坚实基础.     

一种基于LSTM与IRI模型的电离层层析TEC组合预测方法

电离层总电子含量（total electron content, TEC）作为评估无线电波穿过电离层时产生误差的主要物理量,对其准确的估算以及预测具有重要的研究意义.本文结合电离层层析算法反演重构的TEC数据,提出一种基于长短期记忆（long short-term memory, LSTM）与国际参考电离层（international reference ionosphere,IRI）模型的组合预测模型,实现了对欧洲上空平静态电离层的TEC预测,并与IRI梯度法、LSTM网络预测结果进行对比.实验结果表明：IRI梯度法提前1 h能够产生理想的预测结果,提前2 h与3 h的预测精度明显下降;LSTM模型在提前2 d的预测结果表现良好,但随着迭代预测时长的增加预测结果中出现较多异常值.统计误差显示,本文所提出的组合预测模型相比于IRI梯度法预测性能更为稳定,对单一LSTM模型修正效果明显,消除了预测结果中大部分异常值,有效提高了单一模型的预测精度.组合预测模型与实际层析TEC之间的预测均方根误差(root mean squared error, RMSE)为1.1 TECU,与欧洲定轨中心...     

一种联合地基GNSS和测高仪数据的电离层层析成像新算法

电离层层析成像(computerized ionospheric tomography, CIT)技术是获取区域大范围电离层三维结构非常重要的手段之一.针对单独使用地基GNSS进行三维CIT的不足,提出了一种联合地基GNSS和测高仪数据的三维CIT方法,其综合了测高仪探测电离层垂直分辨率较高和地基GNSS水平分辨率较高的优点,以测高仪数据驱动更新IRI模型,将更新后的IRI模型作为背景电离层模型,再利用改进的代数重建迭代(algebraic reconstruction technique, ART)算法结合地基GNSS TEC数据进行CIT;基于IGS、中国陆态网地基GNSS台站及全球电离层无线电观测网(global ionospheric radio observatory, GIRO)测高仪数据实现了中国及周边区域三维CIT,分别采用Madrigal TEC数据和中国区域独立的测高仪数据对CIT获取的TEC和电子密度进行评估.TEC精度评估结果表明,CIT算法的TEC平均误差和标准差相比IRI模型及CODE GIM数据均有明显降低;电子密度评估结果表明,单纯依赖地基GNSS进行C...     

短波时差定位中电离层参数对定位影响仿真

在短波波段,由于电离层反射传播,电波传播路径与实际地面距离存在较大差异,传统时差定位方法不再适用.文章提出一种基于电离层射线追踪技术的时差定位技术,在此基础上,仿真分析了电离层参数对定位精度的影响.结果表明:在准确获取电离层信息情况下,本方法可准确定位目标;电离层测量误差对定位精度影响较大;站点增加可提高定位精度,降低对电离层参数获取精度要求.仿真结果为短波时差定位系统研制以及电离层参数获取精度要求提供了理论依据.     

电离层对天波超视距雷达坐标变换的影响

本文采用准抛物电离层模型及解析型射线追踪技术,定量分析了电离层临界频率、峰高误差对天波超视距雷达坐标变换的影响。仿真结果表明,在低角波传播模式下,工作频率的降低与探测距离的增加可大幅降低目标地面大圆距离误差。本文研究成果对天波超视距雷达工作模式设计及站址选择具有指导意义。     

电离层对高频电波吸收衰减的影响研究

提出了一种计算电离层吸收损耗的方法.利用国际参考电离层模型(IRI)和离散电离层背景下的射线追踪模型,对穿过电离层区域的高频雷达电波的吸收损耗进行了定量分析,得到了在不同电波频率和不同发射仰角情况下的吸收损耗的模拟结果,并给出了初步结论.     

空间目标监视雷达大气折射修正技术研究

无线电波在大气层中传播时,大气介质的不均匀分布会对电波产生折射效应,从而影响雷达的探测精度。对于航天目标的雷达探测,影响无线电波的介质主要是电离层。本文利用实时TEC数据同化的方式,建立了电离层电子密度现报模型,实现了电离层折射率剖面的实时构建。在此基础上,利用射线描迹法完成了航天目标雷达探测的折射误差修正。结果表明,相对于单纯使用电离层经验模型-国际参考电离层(International Reference Ionosphere, IRI)模型,利用电离层同化现报模型建立的电离层折射率剖面可大大提高折射误差修正的精度。     

高频返回散射探测中一种特殊现象成因及特性分析

在高频返回散射定频探测多普勒谱中,存在一种具有“弯钩”形状的地海回波,该现象是影响天波雷达海面目标检测的重要因素之一.针对该现象,在建立时变电离层模型基础上,利用射线追踪技术获得多普勒信息,实现返回散射定频探测仿真.仿真结果表明,该现象主要由电离层高低角传播和电离层电子浓度变化引起,电离层参数对“弯钩”多普勒偏移和距离位置具有明显影响.     

华中地区电离层的特点及电离层模型的分析与比较

随着现代通信科学、计算机科学、空间科学、海洋科学、地球科学等学科在众多相关领域的交叉研究和集成应用的迅速发展,人们能更多地利用电波在电离层中的传播特性,来完成远距离通信、超视距探测、大范围导航等活动,因此电离层对人类生产与生活的影响也日益突出。同时,由于电离层自身结构的复杂性,导致对其模型的刻画和预测带来了诸多不便和较大的误差。为了能更好的利用电离层,进一步研究电离层模型显得尤为重要。研究适合我国电离层的特点的电离层模型,重点针对模型的相关参数进行了仿真和讨论。首先分析了我国电离层的特点和选择了一种较适合的研究方法;然后选取了一组测量数据,并根据数据特点建立了一个统计模型;最后利用Matlab 对模型的相关参数进行仿真实验,还与IRI 模型比较,探讨了误差情况。     

电离层误差对卫星导航系统测距误差影响分析

电离层延迟误差是单频接收机的主要定位误差之一。电离层延迟误差具有多变性,不易准确描述。本文探讨了几种常用单频接收机电离层延迟改正模型,Bent模型IRI模型、Klobuchar模型、NeQuick模型以及IGGSH模型。并利用单频GPS接收机实测数据统计分析各模型对定位误差的修正效果,为单频接收机用户选择合适的电离层改正模型提供参考。     

天波超视距雷达多模传播抑制研究

电离层多模传播引起天波超视距雷达杂波频谱大幅展宽,严重制约海面慢速目标检测.给出了基于工作频率选择的多模传播抑制方法,指出该方法的核心问题是全频段电离层传播模式信息获取,可通过电离层返回散射探测传播模式区提取解决.结合电离层电波传播理论、信号处理、图像处理、统计分析、射线追踪等多类方法,以准抛物模型为基础,提出了一种多模传播下传播模式区域智能提取算法,实现针对某一指定探测区域的单模式工作频率选择,从而有效抑制多模传播.     

基于电离层色散的短波信道多径特性分析

短波链路不同传播模式的多径时延通常为0.5～2.0 ms，该文研究同一传播模式的多径时延，在考虑地磁场影响的情况下，将电离层短波传播的折射指数和射线追踪结合起来，给出了数值迭代算法，实现了用数值方法来描述电离层色散引起的多径时延，并进行了数值仿真，得出短波宽带通信的模拟带宽应为48 kHz。     

基于二维解析射线追踪的短波电离层轨迹研究

考虑短波在电离层中通过单F层反射传播的情况,结合一种特定电离层电子浓度分布(准抛物)模型,利用二维解析射线追踪技术得到短波轨迹中参数的解析表达式.在此基础上分别对射线在频率固定、仰角变化及仰角固定、频率变化两种情况下的轨迹进行了讨论,得出频率和仰角对短波传输的地面距离及群路径的关系.最后对不同因子对轨迹的影响及短波轨迹进行了仿真.仿真结果表明,该方法在研究短波电离层传播轨迹中有很好的应用价值.