申请/专利权人：电子科技大学

申请日：2021-11-02

公开（公告）日：2023-03-28

公开（公告）号：CN114024632B

主分类号：H04B17/309

分类号：H04B17/309;H04B17/391;G06F30/23;G06F17/11

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2023.03.28#授权;2022.02.25#实质审查的生效;2022.02.08#公开

摘要：本发明公开了一种地‑各向异性电离层波导VLF波传播特性的获取方法，属于电子通信技术领域。本发明方法利用坐标变换和地球的椭球率，采用二分法求解过球面上两定点的大圆所满足的方程，确定电磁波的传播路径；还提出了一种新的电子密度模型，通过国际地磁参考场和坐标变换以求得传播路径上各向异性电离层的介电系数，基于有限元方法计算地‑各向异性电离层波导VLF波的传播特性，与实测结果对比，对该电子密度模型进行修正，最终得到地‑各向异性电离层波导VLF波的传播特性。通过计算不同频率VLF波在接收点的幅度和相位的传播特性以模拟原始信号，通过模拟原始信号及与实测结果的比对，实现电离层监测、地震监测、达到通信、导航目的。

主权项：1.一种地-各向异性电离层波导VLF波传播特性的获取方法，包括以下步骤：S1已知VLF波的发射点和接收点的经纬度，以及VLF波实际传播路径上任意一个待求点的经度L3，计算在地电离层波导结构直角坐标系下VLF波实际传播路径所在的大圆路径；S2计算VLF波实际传播路径上任意一点在任意时刻的电离层D区的电子密度Neh；S3选取VLF波实际传播路径上的若干预测点，计算所有预测点的地磁要素；S4计算VLF波实际传播路径上所有预测点的各向异性的相对介电系数；S5基于有限元方法进行数值建模仿真，获得接收点VLF波的幅度和相位的传播特性；具体地，步骤S1中，计算在地电离层波导结构直角坐标系下VLF波实际传播路径所在的大圆路径，包括以下步骤：S1.1地球椭球坐标系-地球直角坐标系的转换；在地球椭球坐标系下，已知发射点的经度L1和纬度u1，接收点的经度L2和纬度u2，利用公式1的地球椭球坐标系和地球直角坐标系的转换关系，得到地球直角坐标系下发射点的坐标x1，y1，z1和接收点的坐标x2，y2，z2： 其中，xn、yn和zn分别为空间中任意一点位置在地球直角坐标系下的三个分量，下标n＝1、2、3...，a和b分别为地球的赤道半径和极半径；S1.2已知VLF波实际传播路径上任意一个待求点的经度L3，计算该待求点在地球直角坐标系下的坐标x3，y3，z3；通过接收点、发射点和待求点的空间平面方程表示为：f＝a1xn+b1yn+c1zn＝02其中f为空间平面方程，系数a1、b1和c1满足：a1＝y1z2-y2z1,b1＝x2z1-x1z2,c1＝x1y2-x2y1已知实际传播路径上任意一个待求点的经度L3，采用二分法求解式1和式2，得到待求点的纬度u3，然后代入式1得到待求点在地球直角坐标系下的坐标x3，y3，z3；S1.3计算待求点在地电离层波导结构直角坐标系下的坐标X″3,Y″3，从而得到在地电离层波导结构直角坐标系下VLF波实际传播路径所在的大圆路径；将地球直角坐标系oxyz先绕y轴旋转β角，再绕x轴旋转-α角，得到地电离层波导结构直角坐标系O″X″Y″Z″；地球直角坐标系-地电离层波导结构直角坐标系的变换关系为： 其中R为转换矩阵，X″n、Y″n、Z″n分别为传播路径上任意一点在地电离层波导结构直角坐标系下的三个分量，下标n＝1、2、3...，α和β为坐标变换的旋转角度；令Z″n＝0，分别将x1，y1，z1和x2，y2，z2代入式3，求出α和β；再代入地球直角坐标系下发射点的坐标x1，y1，z1、接收点的坐标x2，y2，z2、待求点的坐标x3，y3，z3，得到地电离层波导结构直角坐标系下的发射点的坐标X″1,Y″1、接收点的坐标X″2,Y″2、待求点的坐标X″3,Y″3，从而得到在地电离层波导结构直角坐标系下VLF波实际传播路径所在的大圆路径；步骤S4中，计算VLF波实际传播路径上所有预测点的相对介电系数，包括以下步骤：从地电离层波导结构直角坐标系到地磁场所在球坐标系的转换关系为： 其中Q为转换矩阵，Aθ、Ar为地磁场所在球坐标系的坐标或电磁场矢量的三个分量，AX、AY、AZ为地-电离层波导结构直角坐标系的坐标或电磁场矢量的三个分量，θi为磁倾角，θd为磁偏角；在地磁场所在球坐标系中，预测点地磁场H0的方向与球坐标系中坐标或电磁场Ar方向重合，电离层D区中各向异性的相对介电系数张量表达式为： 其中 ε′、ε″、q为计算过程的中间变量，没有具体物理意义；ω为工作角频率，ω0为等离子体频率，ωT为磁旋频率，ν为等离子体碰撞频率，ε0为真空介电常数，i为虚数单位；在电离层D区中，离地高度h的等离子体频率满足： Neh为离地高度h的电子密度，m为电子质量；磁旋频率满足：ωT＝μ0eH0m11e为电子的电量，H0为预测点的地磁场，μ0为真空磁导率；得到在地电离层波导结构直角坐标系O″X″Y″Z″下，电离层D区各预测点的各向异性的相对介电系数： 步骤S5中，获得接收点VLF波的幅度和相位的传播特性的方式为：基于有限元方法，根据待求点的经度和纬度，获取大圆路径上的横纵坐标进行地层、空气层和电离层的建模，设置工作频率、电偶极子源、散射边界条件、发射点和接收点的位置，引入随横纵坐标变换的电子密度，设置各向异性的相对介电系数，然后进行网格划分，对矩阵方程进行物理求解，进而获得接收点VLF波的幅度和相位。

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