一种基于多体制探测数据的短波通信可靠性评估方法与流程

本发明涉及短波通信领域，尤其涉及一种基于多体制探测数据的短波通信可靠性评估方法。

背景技术：

电离层作为近地空间环境的重要组成部分对短波通信有着不容忽视的重要影响(如造成信号衰落、误码等)，对电离层的状态特征的准确判定，可以有效地规避或者降低电离层变化对短波通信链路的影响，确保短波链路的可靠通信。目前电离层状态特征预测预报技术研究主要集中在时间域和空间域上进行电离层参数的预报，尚缺少结合实测数据进行短波通信链路通信质量评估的工程实用方法。

技术实现要素：

本发明技术解决问题：为了合理有效地利用不同探测机制下的短波探测数据，提高探测数据的利用率，为短波通信链路的短期频率规划提供支撑，本发明利用非线性预测、多维空间重构等理论，提供一种基于垂直和斜向探测数据的短波通信链路特性分析方法，有效地规避或者降低电离层变化对短波通信链路的影响，确保短波通信链路稳定高效的通信。

本发明技术解决方案：一种基于多体制探测数据的短波通信可靠性评估方法，包括以下步骤：

步骤A：计算短波通信链路和所有探测链路的反射点位置，选取与短波通信链路电离层反射点位置相近的探测链路数据；

步骤B：根据步骤A确定的探测链路电离层反射点位置及探测链路数据，预报得到探测链路电离层反射点的电离层参数；

步骤C：根据步骤A确定的短波通信链路和探测链路电离层反射点位置，以及步骤B预报得到的探测链路电离层反射点的电离层参数，重构得到短波通信链路电离层反射点的电离层参数；

步骤D：根据步骤C得到的短波通信链路电离层反射点电离层参数值，预测短波通信链路的最高可用频率；

步骤E：根据步骤D得到的最高可用频率，计算短波通信链路采用最高可用频率进行通信时的接收场强，分析短波通信链路的可靠性。

所述步骤A包括以下步骤：

步骤A1，根据短波通信物理模型和传播射线理论，计算短波通信链路电离层反射点经纬度；

步骤A2，获取所有探测站位置和探测类型，计算各探测链路电离层反射点经纬度，并根据步骤A1确定的短波通信链路电离层反射点经纬度，选取与短波通信链路电离层反射点位置相近的探测链路；

步骤A3，根据步骤A2所选取探测链路，读取其最近5天的探测链路数据，并依据探测链路数据计算电离层参数。

所述步骤C包括以下步骤：

步骤C1，根据步骤A确定的探测链路电离层反射点位置，计算探测链路电离层反射点与短波通信链路电离层反射点的电离层距离；

步骤C2，根据步骤B确定的探测链路电离层反射点的电离层参数值，分析计算其与参考电离层模型电离层参数值差值的相关量；

步骤C3，根据步骤C1和C2计算结果，利用区域重构方程组求取探测链路电离层反射点与短波通信链路电离层反射点的权重系数W；

步骤C4，根据步骤C3确定的权重系数W，计算短波通信链路电离层反射点电离层参数和参考电离层模型值差值的相关量，以及短波通信链路电离层反射点电离层参数值。

所述步骤D包括以下步骤：

步骤D1，根据步骤C分析得到的短波通信链路电离层反射点电离层参数值，计算短波通信链路的E层最高可用频率E(d)MUF；

步骤D2，根据步骤C分析得到的短波通信链路电离层反射点电离层参数值，计算短波通信链路的F1层最高可用频率F1(d)MUF；

步骤D3，根据步骤C分析得到的短波通信链路电离层反射点电离层参数值，结合短波通信链路的传播距离情况，计算短波通信链路的F2层最高可用频率F2(d)MUF；

步骤D4，根据步骤D1、D2、D3分析得到的E(d)MUF、F1(d)MUF和F2(d)MUF，计算短波通信链路最高可用频率MUF。

所述步骤D3具体如下：

步骤D31，判断短波通信链路的传播路径距离d是否大于单跳最大跳距d_max；

步骤D32，若传播路径距离d小于等于单跳最大跳距d_max，结合步骤C分析得到的电离层参数值,按照单跳模式计算F2层基本MUF；若传播路径距离d大于单跳最大跳距d_max，按照电波传播为多跳模式计算F2层基本MUF。

所述步骤E具体如下：

步骤E1，判断短波通信链路的传播路径距离，若传播路径距离小于7000km，执行步骤E2；若传播路径距离大于9000km，执行步骤E3；否则同时执行步骤E2、E3和E4；

步骤E2，若传播路径距离小于7000km，分析计算短波通信链路采用最高可用频率进行通信时的各种传播模式及合成接收场强；

步骤E3，若传播路径距离大于9000km，分析计算短波通信链路采用最高可用频率进行通信时的接收场强；

步骤E4，若传播路径距离介于[7000,9000]km之间时，在执行E2和E3基础上进行场强插值，得到该传播路径距离上采用最高可用频率进行通信时的接收场强；

步骤E5，根据步骤E2或E3或E4计算得到的场强，分析短波通信链路的可靠性。

所述步骤E5具体如下：

步骤E51，根据步骤E2或E3或E4计算得到的场强，计算接收功率中值；

步骤E52，根据E51计算得到的接收功率中值，计算信噪比中间值、信噪比的上十分值偏差和信噪比的下十分值偏差；

步骤E53，根据E52计算得到的信噪比中间值、信噪比的上十分值偏差和信噪比的下十分值偏差，计算短波通信链路的可靠性。

本发明与现有技术相比的优点在于：发明最大的优势就在于建立的短波链路可靠性预报方法，可以为短波通信系统提供短波通信链路质量评估短期预报服务，使用户能够提前获知未来时刻短波经由电离层进行通信的接收效果，为短波可靠性不高时选择其他通信方式或换频提供依据，能够有效规避无法进行短波通信引起的经济损失。同时在短波通信链路初次建立连接或者通信突然中断的情况下，能够较快的获得准确的工作频率参数，快速建立或者恢复通信，保障短波通信网络的正常、高效运作，降低电离层变化对短波信道优选频率的影响。

(1)融合了垂直和斜向探测两类数据用于短波通信链路特性分析；

(2)引用了非线性预测理论用于电离层参数的短期预报；

(3)引用了多维重构理论用于电离层空间特性的分析。

本发明解决了多体制探测数据融合度不好的问题，通过电离层垂测、斜测数据，提高了短波通信频率预测的准确度。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为吸收损耗因子AT_noon图；

图3为吸收穿透因子图；

图4为日吸收指数p图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实例，对本发明提出的技术方案，详细说明如后。

如图1所示，本发明基于多体制探测数据的短波通信可靠性评估方法，包括如下具体步骤：

步骤A：计算短波通信链路和所有探测链路的反射点位置，选取与短波通信链路电离层反射点位置相近的探测链路数据。其具体过程包括：

A1，根据短波通信物理模型和传播射线理论，计算短波通信链路电离层反射点经纬度(θ_c,λ_c)。

式中，d为传播路径距离，a₀为地球半径，θ_t、λ_t为发射点的经、纬度，λ_r为接收点的纬度。公式(1)至(4)详见《无线电波传播》(电子工业出版社)634页。

A2，获取所有探测站位置和探测类型，计算各探测链路电离层反射点经纬度，并根据步骤A1确定的短波通信链路电离层反射点经纬度，选取与短波通信链路电离层反射点位置相近的探测链路。

A21，若探测链路是垂直探测，则探测站经纬度即为探测链路电离层反射点经纬度；若探测链路是斜向探测，探测链路电离层反射点经纬度计算方法同步骤A1；

A22，选取与短波通信链路电离层反射点位置相近的探测链路。

预先设定距离门限d_lim，数值由用户指定，当用户没有指定时，可根据经验值来确定，或者保留最后一次历史设定值，据此，获取距离短波通信链路电离层反射点位置最近的N_link条探测链路。N_link值由用户指定，当用户没有指定时，可根据经验值来确定，或者保留最后一次历史设定值。

A3，根据步骤A2所选取探测链路，读取其最近5天的探测链路数据，并依据探测链路数据计算电离层参数。

若探测链路是垂直探测，则直接获取探测所得E层临界频率(foE)、F1层临界频率(foF1)、F2层临界频率(foF2)和F2层距离为3000km的传输因子(M(3000)F2)等电离层参数。

若探测链路是斜向探测，则根据MUF、频率－时延等斜向探测数据分析得到foE、foF1、foF2和M(3000)F2等电离层参数。

E层和F1层foE、foF1参数可直接利用传播射线理论中基本MUF与临界频率的关系导出，其具体计算方法如下：

式中，E(d)MUF为E层MUF，F1(d)MUF为F1层MUF。

式(5)中，M_E为E层转换因子，表示为：

M_E＝3.94+2.80x-1.70x²-0.60x³+0.96x⁴ (7)

x为距离因子，表示为：

x＝min(d/1150-1,0.74) (8)

式(5)、(6)中，d为传播路径距离，M_F1为F1层转换因子，表示为：

M_F1＝J₀-0.01(J₀-J₁₀₀)R₁₂ (9)

式中，R₁₂为太阳黑子12月平均流动值，J₀和J₁₀₀分别为太阳黑子为0和100时的距离因子，表示为：

J₀＝0.16+2.64×10^-3d-0.40×10^-6d² (10)

J₁₀₀＝-0.52+2.69×10^-3d-0.39×10^-6d² (11)

公式(5)至(11)详见ITU建议书P.1240-1第3页。

对F2层传播情况，首先利用MUF及其对应时延计算M(3000)F2，其计算方法如下：

式中，h_r为反射点镜面反射高度，其计算方法如下：

式中，a₀为地球半径，d为传播路径距离，τ为MUF对应的时延，c为光速。公式(12)、(13)详见《无线电波传播》(电子工业出版社)638页。

在得到M(3000)F2基础上，利用试探法计算foF2：令临界频率foF2在[2,30]按步长0.01MHz代入(14)式计算MUF，取预测值与实测值最小误差时对应的foF2为反演结果。其具体计算公式如下：

F2(d)MUF＝[1+C_d/C₃₀₀₀(B-1)]foF2+0.5·f_H(1-d/d_max) (14)

C_d＝0.74-0.591Z-0.424Z²-0.090Z³+0.088Z⁴+0.181Z⁵+0.096Z⁶ (15)

Z＝1-2d/d_max (16)

B＝M(3000)F2-0.124+{[M(3000)F2]²-4}·[0.0215+0.005·sin(7.854/x-1.9635)]

(18)

x＝max(foF2/foE,2) (19)

其中，d为传播路径距离，d_max为F2层传播最大跳距，f_H为传播路径中点处磁旋频率，C₃₀₀₀为3000km处的C_d值。

公式(14)至(19)详见《无线电波传播》(电子工业出版社)646页。

步骤B：根据步骤A确定的探测链路电离层反射点位置及探测链路数据，预报探测链路电离层反射点的电离层参数，其具体过程包括：

本发明采用加权分析法实现探测链路电离层参数的24小时短期预报：

式中，I_n(t)为当前要预报的前n天对应t时刻的探测值，t为0，1，2，…，23，N+1为最大加权分析天数，本发明取最大加权分析天数为5(即N＝4)。

步骤C：根据步骤A确定的短波通信链路和探测链路电离层反射点位置，以及步骤B预报得到的探测链路电离层反射点的电离层参数，重构得到短波通信链路电离层反射点的电离层参数。其具体过程包括：

C1，根据步骤A确定的探测链路电离层反射点位置，计算探测链路电离层反射点与短波通信链路电离层反射点的电离层距离。定义空间任意两点(θ_i,λ_i)和(θ_j,λ_j)之间的电离层距离d_ij为：

式中，SF为尺度因子，用以考虑电离层的特性变量相关性在纬度和经度方向的差别，SF建议值2。

C2，根据步骤B确定的探测链路电离层反射点的电离层参数值I(θ,λ)，分析计算其与参考电离层模型电离层参数值差值的相关量Z(θ,λ)：

式中，为参考电离层模型电离层参数值，(θ,λ)为探测链路电离层反射点的经、纬度。

C3，根据步骤C1和C2计算结果，利用区域重构方程组求取探测链路电离层反射点与短波通信链路电离层反射点的权重系数W：

式中，N为探测链路的条数，d_ij为第i条探测链路电离层反射点(θ_i,λ_i)与第j条探测链路电离层反射点(θ_j,λ_j)之间的距离，d_i0为第i条探测链路电离层反射点与短波通信链路电离层反射点(θ₀,λ₀)之间的距离，μ为拉格朗日乘数。

C4，根据步骤C3确定的权重系数W，计算短波通信链路电离层反射点电离层参数和参考电离层模型值差值的相关量，以及短波通信链路电离层反射点电离层参数值。

C41，根据步骤C3确定的权重系数，计算短波通信链路电离层反射点电离层参数和参考电离层模型值差值的相关量Z(θ₀,λ₀)。

C42，根据C41确定的相关量，计算短波通信链路电离层反射点电离层参数值I(θ₀,λ₀)。

式中，为短波通信链路电离层反射点处的参考电离层模型电离层参数值。

公式(21)至(25)详见《中国电子科学研究院学报》2013年第5期530页。

步骤D：根据步骤C得到的短波通信链路电离层反射点电离层参数值，预测短波通信链路的最高可用频率。其具体过程包括：

D1，根据步骤C分析得到的短波通信链路电离层反射点电离层参数值，计算短波通信链路的E层最高可用频率E(d)MUF。

E(d)MUF＝M_E·foE(MHz) (26)

式中：

M_E＝3.94+2.80y-1.70y²-0.60y³+0.96y⁴；

其中，M_E为E层转换因子，d为传播路径距离。

公式(26)详见ITU建议书ITU-R P.1240-1第3页。

D2，根据步骤C分析得到的短波通信链路电离层反射点电离层参数值，计算短波通信链路的F1层最高可用频率F1(d)MUF。

F1(d)MUF＝M_F1·foF1(MHz) (27)

式中：

M_F1＝J₀-0.01(J₀-J₁₀₀)R₁₂；

J₀＝0.16+2.64×10^-3d-0.40×10^-6d²；

J₁₀₀＝-0.52+2.69×10^-3d-0.39×10^-6d²。

其中，M_F1为F1层转换因子，J₀和J₁₀₀分别为太阳黑子为0和100时的距离因子，R₁₂为太阳黑子12月平均流动值，d为传播路径距离。

公式(27)详见ITU建议书ITU-R P.1240-1第3页。

D3，根据步骤C分析得到的短波通信链路电离层反射点电离层参数值，结合短波通信链路的传播路径距离情况，计算短波通信链路的F2层最高可用频率F2(d)MUF。

D31，判断短波通信链路传播路径距离d是否大于单跳最大跳距d_max，根据是否大于d_max，分别由公式(14)和(28)计算F2层最高可用频率F2(d)MUF。

D32，当传播路径距离d≤d_max，电波传播为单跳模式，控制点为传播路径中点，F2层基本MUF由(14)式计算得到。

当传播路径距离d>d_max，电波传播为多跳模式，控制点为距发收点d₀/2处，F2层基本MUF由(28)式计算得到。

F2(d)MUF＝min[F2(d_max)MUF₁,F2(d_max)MUF₂] (28)

式中，d₀为最少跳次模式的跳距，F2(d_max)MUF₁和F2(d_max)MUF₂分别为两控制点处的最低跳模式的F2(d_max)MUF，由(14)式计算得到。

公式(28)详见《无线电波传播》(电子工业出版社)646页。

步骤D4，根据步骤D1、D2、D3分析得到的E(d)MUF、F1(d)MUF和F2(d)MUF，计算短波通信链路最高可用频率MUF。

MUF＝max[E(d)MUF,F1(d)MUF,F2(d)MUF·R_op](MHz) (29)

式中，R_op为F2层工作MUF与基本MUF的比值，如表1所列。

表1详见《无线电波传播》(电子工业出版社)632页。

表1 F2层工作MUF与基本MUF的比值R_op

步骤E：根据步骤D得到的最高可用频率，计算短波通信链路采用最高可用频率进行通信时的接收场强，分析短波通信链路的可靠性。其具体过程包括：

E1，判断短波通信链路的传播路径距离d，若传播路径距离d小于7000km，执行步骤E2；若传播路径距离d大于9000km，执行步骤E3；否则同时执行步骤E2、E3和E4。

E2，若传播路径距离d小于7000km，分析计算短波通信链路采用最高可用频率进行通信时的各种传播模式及合成接收场强。

E_tw＝94.25+P_t+G_t-20lgp′-L_m-L_g-L_h-L_i (30)

式中：

E_tw—接收场强中值，dBμV/m；

P_t—辐射功率，dBkW；

G_t—所在发射方位和仰角上相对于各向同性天线的发射天线增益因子，dB；

p'—天波射线倾斜传播距离，km，用公式(31)计算：

式中：Δ由式(40)给出。

d_n为用d_n＝d/n算出的n跳模的跳跃长度，km；

公式(30)、(31)详见ITU建议书ITU-R P.533-10第10页。

L_m为高于最高可用频率(MUF)的传输损耗因子，dB，对于E层和F2层传播模式，分别用公式(32)和(33)计算：

式中，n为天数，t为0,1,2…23。

L_g为地反射损耗因子，dB，对于n跳模，用公式(34)计算：

L_g＝2(n-1) (34)

公式(32)至(34)详见ITU建议书ITU-R P.533-10第11页。

L_i为电离层吸收损耗因子，dB，对于n跳模，用公式(35)计算：

其中：

F(χ)＝max[cos^p(0.881χ),0.02]；

f_V＝f×cosi₁₁₀；

式中：f_L为最低参考频率，MHz(表4所给出的控制点处确定的电子回转频率的平均值，约为100km高度的地球磁场的纵向分量)；

k为控制点的数量(如表4所列)；

i₁₁₀为110km处的倾角；

R₁₂为太阳黑子12月平均流动值；

AT_noon为吸收损耗因子，dB，由图2给出；

χ_j为第j个控制点处的太阳顶角或102°，取较小者；

χ_jnoon为当地午间的χ_j值；

为吸收层穿透因子，是等效垂直入射波频率f_V与FoE之比的函数，由图3给出；

P为日吸收指数，由图4给出。

L_h为极光区和其它信号损耗因子，dB。表2和表3给出了根据地球中心偶极子(78.5°N,68.2°W)地磁纬度G_n(赤道南北)和当地时间t可求得L_h的相应值，当G_n<42.5°时，L_h＝0。在北半球，12月至2月为冬季；3月至5月和9月至11月为春秋分季；6月至8月为夏季。在南半球，冬季和夏季的月份互换。

表2 传播路径距离不大于2500km的极光区和其他信号损耗因子

表3 传播路径距离大于2500km的极光区和其他信号损耗因子

表2、表3详见《无线电波传播》(电子工业出版社)657、658页。从计算各传播模式场强中值选出两个强的E层模式与三个强的F2层模式的场强

中值进行功率叠加得合成接收场强中值，用公式(36)计算：

式中：

E_ts—接收场强中值，dBμV/m,

E_tw—每一模式对应的场强值，dBμV/m。

公式(35)、(36)详见ITU建议书ITU-R P.533-10第10至12页。

E3，传播路径距离大于9000km，计算短波通信链路采用MUF进行通信时的接收场强值。

将传播路径距离按照不超过4000km的跳距平均分成最少n段，其合成场强中值，用公式(37)计算：

式中：

E_tl—合成场强中值，dBμV/m；

E₀—3MW等效的各向同性辐射功率的自由空间场强，dBμV/m，用公式(38)计算：

E₀＝139.6-20lg p′ (38)

p'—天波射线倾斜传播距离，km，用公式(39)和(40)计算：

d_n—用d_n＝d/n算出的n跳模的跳跃长度，km；

G_t1—发射天线在所需方位角上仰角在0°-8°范围内的最大增益，dB；

G_ap—远距离由于聚焦使场强增加的增益因子，dB，用公式(41)计算，当d为πR₀的倍数时，取15dB；

式(41)中，R₀为地球半径。

L_y—天波传播效应因子，dB，建议值为-3.7dB；

f_M—最高参考频率，MHz；

f_L—最低参考频率，MHz；

f_H—以表4中射线路径镜反射高度的控制点位置求得其电子磁旋频率的平均值，MHz。

P_t—发射功率，dBW。

表4 射线路经镜反射高度的控制点位置

公式(37)、(38)详见《无线电波传播》(电子工业出版社)658页；表4见《无线电波传播》(电子工业出版社)634页。

E4，若传播路径距离介于[7000,9000]km之间时，在执行E2和E3基础上进行场强插值，得到该传播路径距离上采用最高可用频率进行通信时的接收场强。

在这个距离范围，天波场强中值E_ti利用E_ts和E_tl进行内插计算，用公式(42)计算：

E_ti＝100lg10X_i (42)

式中：

E_ti—天波场强中值，dBμV/m；

X_s＝10^0.01E_ts

X_l＝10^0.01E_tl

E_ts——接收场强中值，dBμV/m；

E_tl——合成场强中值，dBμV/m。

公式(42)详见《无线电波传播》(电子工业出版社)660页。

E5，根据步骤E2或E3或E4计算得到的场强，分析短波通信链路的可靠性。

E51，根据步骤E2或E3或E4计算得到的场强，计算接收功率中值。

S＝E+G-20logf-107.2 (43)

其中，E为接收场强，G表示入射的方向上接收天线增益，f为通信信号频率。

E52，根据E51计算得到的接收功率中值，计算信噪比中间值S/N、信噪比的上十分值偏差D_uSN和信噪比的下十分值偏差D_lSN。

其中，F_aA、F_aM、F_aG分别为大气噪声、人为噪声、银河噪声噪声系数中间值，b为带宽。

其中，D_uS_d、D_uS_h分别为信号上十分值偏差(每日)、信号上十分值偏差(每时)，D_lA、D_lM、D_lG分别为大气噪声、人为噪声、银河噪声下十分值偏差。

其中，D_lS_d、D_lS_h分别为信号下十分值偏差(每日)、信号下十分值偏差(每时)，D_uA、D_uM、D_uG分别为大气噪声、人为噪声、银河噪声上十分值偏差。

E53，根据E52计算得到的信噪比中间值、信噪比的上十分值偏差和信噪比的下十分值偏差，计算短波通信链路的可靠性。

其中，S/N_r为用户要求的信噪比。

公式(44)详见《无线电波传播》(电子工业出版社)663页；公式(45)至公式(47)详见《无线电波传播》(电子工业出版社)666-669页。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。