一種中國低緯地區電離層閃爍發生概率預報方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及衛星通信、衛星導航、雷達及測控領域，用于實現衛星通信/衛星導航 /雷達/測控系統的電離層閃爍影響中長期預報，為系統余量設計、信號體制設計、衛星運 行軌道設計等提供技術支撐。
【背景技術】
[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。當衛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、相位以及到達角發生快速起伏變化，導致信號衰落、頻移等，被稱為電離 層閃爍。電離層閃爍效應會直接影響衛星通信/衛星導航/雷達/測控等電子信息系統的 誤碼率、通信質量、定位精度、作用距離、測距側向精度等性能指標，電離層閃爍甚至會導致 衛星通信/衛星導航中斷，SAR雷達無法成像、空間目標監視雷達丟失目標等嚴重后果，因 此，通過監測、建模、預報和服務等空間天氣保障工作，減緩電離層環境對現代無線電技術 系統的不利影響，具有重要應用價值。電離層閃爍發生概率預報模型可預報某頻段某地區 指定電離層閃爍指數S4的中長期發生概率，即出現時間百分比，也可給出指定出現時間百 分比的電離層閃爍指數S4。電離層閃爍指數S4發生概率預報信息可輔助衛星通信/目標 監視雷達等的系統余量設計、衛星通信/目標監視雷達等系統的運行任務規劃、生命安全 等衛星導航應用的完好性風險分析等。中國低煒地區電離層閃爍發生概率預報模型也是電 離層閃爍事件區域現報與短期區域預報的技術基礎。
[0003] 在現有技術中，美國電離層閃爍發生概率預報模型（WideBand Model，WBM0D) 是全球僅有一個全球電離層閃爍發生概率氣候學模型。NWRA(Northwest Research Associates, Inc.)根據全球電離層不均勾體的氣候學特征以及穿越電離層的電波傳播效 應，開發了電離層閃爍發生概率氣候學預報模型WBMOD。2008年，NWRA向軍方發布了 WBMOD Versionl5,該模型由電離層不均勻體強度CkL概率密度分布模型、多相位屏模型以及預報 置信度模型共三個模型組成，可實現全球區域的電離層閃爍發生概率預報、信號衰落深度 預報、閃爍指數預報等功能。為了保護知識產權，NWRA未公開WBMOD核心技術細節。印度 K.N. Iyer(2006)等人則基于印度地區的VHF閃爍觀測歷史數據開發了一個VHF電離層閃爍 概率區域預報經驗模型，該模型利用三次樣條函數來擬合電離層閃爍發生概率隨時間，季 節，太陽活動和地磁活動的變化規律，該模型不具備其它頻段電離層閃爍發生概率預報等 應用拓展能力。
[0004] 國內僅有中科院等研究人員利用單站電離層閃爍觀測數據建立的固定地點電離 層閃爍發生概率預報模型，其不具備其它頻段和其它地區電離層閃爍發生概率預報應用拓 展能力。因此，本發明提供的一種中國低煒地區電離層閃爍發生概率預報方法為國內獨創。
【發明內容】
[0005] 為了解決上述現有技術中存在的問題，本發明提供了一種中國低煒地區電離層閃 爍發生概率預報方法，本發明的方法是這樣實現的：
[0006] 1、步驟1、用戶指定發射機位置、接收機位置、時間、工作頻段和電離層閃爍指數 S4閾值等參數，獲得同時間的太陽活動指數Rz和地磁活動指數Kp的預報值。
[0007] 步驟2、對于指定的電離層閃爍指數S4閾值，利用多相位屏理論反演相應的電離 層不均勾體強度CkL。閾值。
[0008] 步驟3、依據中國低煒地區電離層不均勻體強度CkL的概率密度分布模型，預報指 定地點、時間、太陽活動指數Rz、地磁活動指數Kp等條件下的電離層不均勻體強度CkL的概 率密度分布。
[0009] 步驟4、計算大于電離層不均勻體強度CkL。閾值的累積概率，即為相應的電離層閃 爍指數S4閾值的發生概率。
[0010] 2、根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2具體為：
[0011] A、基于發射機位置、接收機位置、工作頻段、電離層閃爍指數S4閾值等數據，假定 電離層不均勻體的高度距離地球表面350km，反演相應的電離層不均勻體強度CkL。閾值。具 體計算公式為：
[0012] 定義波數等于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 離層不均勻體強度，表示為CkL，即：
[0014] 式中：V = p/2, p為二維冪律譜指數，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，L為電離層不均勻體厚度，Γ為伽馬函數。
[0015] 基于弱散射相位屏理論，電離層閃爍指數&與C kL的關系式為：
[0017] 式中，S4w表示單次散射條件下S 4的表達式，Z為菲涅耳帶參數，F為菲涅耳調制項， 由電離層不均勻體的形狀、傳播幾何條件參數決定。Θ為傳播角。
[0021] 式中，ZjPz2分別為接收機和發射機到電離層不均勻體等效相位屏的垂直距離參 數，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，相關參數計算公式為：
[0022] k" = [Ar +C +Dr ]/2 CN 105116469 A 說明書 3/10 頁
[0028] 式中，在計算傾斜路徑的S4時采用的幾何坐標系統方向為：x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Q (q)中空間波 數q二次函數中的系數：
[0049] 式中，Φ B為地球磁平面在坐標系統中的方位角，Φ B為地球磁場線相對于坐標系 統中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系統中x-y平面 的夾角。
[0050] B、在多次散射條件下，S4會飽和，此時利用瑞利統計可得：
[0052] 綜上可得，對于指定的電離層閃爍指數S4,利用多相位屏理論反演相應的電離層 不均勻體強度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，其余參數同上。
[0055] 3、根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3具體為：
[0056] Α、中國低煒地區夜間電離層不均勻體強度CkL的概率密度分布為三段雙高斯函數 形式。其具體形式為：
[0059] 其中，PDF為電離層不均勻體強度CkL的概率密度分布，μ JP μ 2分別為第一個和 第二個高斯函數中值，〇 Jp σ 2分別為第一個和第二個高斯函數半帶寬，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可設定為固定值0.8,而高峰半帶寬〇 2僅為太陽黑子數函數。 在Rz等于0時σ 2為1，當Rz大于等于150時σ 2為〇. 7,在這區間為線性變化。
[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。電離層駝峰區CkL 中值與Rz之間的模型為：
[0068] 日變化函數模型為： 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] 則一天內任意時刻的中值通過日變化函數擬合獲得：
[0072] X = Xday+ (Xnight-Xday) X f (te)
[0073] D、基于歷史數據獲得的CkL煒度剖面經驗模型
[0075] 式中，C。為赤道區CkL經驗中值31.0或者赤道區中值μ JP μ 2值，C。為?它峰區 CkL經驗中值35. 0或者駝峰區中值μ JP μ 2值，λ ^為駝峰區中心地磁煒度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是四個環境自變量的因變量，其函數為：