一种预测短波通信最大可用频率的装置及计算方法

摘要

本发明一种基于预测短波通信最大可用频率的装置，是由用户输入模块、环境模型模块、依据磁离子理论构建折射指数的空间分布模块、射线轨迹特性计算模块和预测最高可用频率扩展模块组成；一种预测短波通信最大可用频率的计算方法，有七大步骤，一：确定射线方程的初始值；二：利用国际电离层参考IRI构建电子浓度分布；三：引入地磁场模型IGRF及建立函数关系；四：求解微分方程；五：提取到达地面的射线参数；六：对于射线追踪的结果进行筛选；七：选择85％MUF作为短波通信所使用的频率。本发明解决了电离层模型外形参数获取的方法，依据任意时刻、任意地点的经纬度，来建立该位置上空的电子浓度分布。它在短波通信技术领域里具有广泛地实用价值和应用前景。

主权项

1.一种基于预测短波通信最大可用频率的装置，其特征在于：该装置由五大模块组成，它们是用户输入模块、环境模型模块、依据磁离子理论构建折射指数的空间分布模块、射线轨迹特性计算模块和预测最高可用频率扩展模块；这五个模块之间的位置、连接关系和信号走向是：由用户输入模块起始，确定应用时的条件，根据用户输入，环境模型模块进行建模处理；根据所建立的模型，依据磁离子理论构建折射指数的空间分布模块构建折射指数空间分布，依据折射指数空间分布，射线轨迹计算模块进行射线轨迹计算，最后预测最高可用频率扩展模块利用计算的数据估测最大可用频率MUF；所述用户输入模块，是根据用户的需要，对使用的条件进行设定，设置不同需求情况下的电离层、地磁场基本参数，以这些基本参数，来构建射线的传播环境；用户接口有当前的时间设定、发射点和接收点的地理经纬度坐标、射线的发射频率、射线的发射模式、仰角范围；其中对输入进一步应用为计算大圆距离以及发射点到接收点的方向偏角；大圆距离D的计算公式如下：D＝R×φ由地点A指向地点B的方向偏角α的计算公式如下：$\cos \alpha =\frac{\sin \mathrm{latB}-\sin \mathrm{LatA}·\cos \phi }{\cos \mathrm{latA}}$其中：φ由下式得出cosφ＝sinlatA·sinlatB+coslatA·coslatB·cos(longA-longB)；所述环境模型模块，是国际电离层参考IRI与国际地磁场参考模型IGRF的数学模型描述，采用软件封装形式实现，内嵌到计算方法中；该模块依据用户需要，根据国际电离层参考IRI建立电子浓度的空间分布，根据国际地磁场参考IGRF建立地磁场的空间分布；电离层的基本预测数据是根据ITU标准CCIR系数建立的，具有国际普遍实用性；IRI模型的建立是根据IRI模型资料，基于CCIR系数计算出foF2以及M(3000)F2的分布情况，根据这两个电离层外形特征参量，逐一推导出其他的特征参量；所述依据磁离子理论构建折射指数的空间分布模块，是利用磁离子理论构建折射指数的功能模块，该模块利用前面建立的环境模型，给出折射指数的空间分布；射线追踪算法依据的核心基础是磁离子理论，形式为Appleton-Hartree公式，该公式在忽略粒子碰撞的条件下建立了折射指数同电子浓度及地磁场空间分布的关系，该公式如下：$n^2=1-\frac{X(1-X)}{1-X-\frac{1}{2}{Y}_T^2\pm \sqrt{\frac{1}{4}{Y}_T^4+Y_L^2{(1-X)}^2}}$$\left.\begin{array}{c}{Y}_L^2=Y^2{\cos }^2\theta \\ Y_L^2=Y^2{\sin }^2\theta \end{array}\right\}\left.,\begin{array}{c}X=\frac{N_e{e}^2}{m{ϵ}_0{\omega }^2}\\ Y=\frac{{\omega }_H}{\omega }\end{array}\right\},{\omega }_H=\frac{e{B}_0}{m}$其中：电子浓度与地磁场分布是建立折射指数的基础数据，根据这两个数据构建三维的折射指数分布，便架构起了整体射线传播环境；N_e需要根据环境模型中的IRI来建立，而Y_LY_T要依据地磁场参考模型IGRF来建立；所述射线轨迹特性计算模块，是基于射线追踪技术计算射线轨迹及射线到达特性的功能模块，该模块利用球坐标下射线方程:其中：P为群路径；在此基础上利用数值微分方程解法来求解该方程，根据不同的频率以及发射角度，不同的射线传播环境，最终将射线各个轨迹计算出，同时得到射线到达地面时的基本特性；所述预测最高可用频率扩展模块，是基于射线追踪模块计算结果的一个扩展应用，它控制射线发射的条件，计算出相应的射线特性，在根据这些结果预测最大可用频率MUF；根据最高可用频率即MUF的定义，以及射线经过电离层反射的特性，设定最大射线仰角，将频率从1MHz逐渐提高到30MHz，依据计算出的数据，根据每一条射线的轨迹及特性，进行预测和选择。