通过E层和F层不规则体的电离层环境及电波传播路径仿真方法

本发明涉及电离层电波传播仿真，具体涉及一种通过e层和f层不规则体的电离层环境及电波传播路径仿真方法，适用于短波通信链路预测、电离层闪烁预警及电波环境评估领域。

背景技术：

1、电离层是影响高频无线电波传播的关键空间环境区域，其中e层（约90-140km高度）的突发e层（sporadic-e，简称es层）和f层（约200-400km高度）的等离子体泡（equatorial plasma bubble，简称epb）是两种重要的电离层不规则结构。这两种不规则体都会对电波传播产生严重的散射、反射和闪烁效应，是短波通信质量下降和导航定位误差增大的重要诱因。

2、目前，对于电离层电波传播的仿真研究主要存在以下问题：

3、（1）电离层模型分辨率不足：现有电离层模型（如iri-2020）的空间分辨率较低（典型值为2.5°×5°），无法精细刻画海南等低纬地区局部区域的不规则体结构特征，难以满足电波传播仿真的精度要求；

4、（2）缺乏e层和f层不规则体的统一建模框架：现有的epb模型和es层模型通常各自独立研究，分别侧重于f层的等离子体泡或e层突发层，缺乏将e层和f层不规则体统一纳入电波传播仿真的综合框架；

5、（3）射线追踪方法对复杂不规则结构适应性不足：传统的射线追踪方法多采用解析模型或简单的准抛物（qps）模型，难以处理包含三维不规则结构（epb椭球状扰动、es层”电子云块”集合体）的复杂电离层环境。

6、为了解决上述问题，本发明提出了一种基于高精度三维电子密度背景模型（ai-assim），融合epb和es层两种不规则体，通过数值型三维射线追踪算法实现电波传播路径精细仿真的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种通过e层和f层不规则体的电离层环境及电波传播路径仿真方法，能够实现高分辨率、多层不规则体统一建模的电波传播路径仿真。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、第一方面，本发明提供一种通过e层和f层不规则体的电离层环境仿真方法，包括以下步骤：

4、步骤1：基于ai-assim方法构建三维电离层电子密度背景模型；

5、步骤2：基于高斯扰动函数，构建高斯分布调制的等离子体泡epb模型；

6、步骤3：基于qps准抛物模型，构建es层电子浓度剖面模型；

7、步骤4：将所述等离子体泡epb模型和所述es层电子浓度剖面模型叠加至所述三维电离层电子密度背景模型上，形成包含e层和f层不规则体的复合电离层环境。

8、进一步的，基于ai-assim方法构建三维电离层电子密度背景模型，包括：

9、采用电离层经验模型 iri-2020 作为全局基础背景场，输入仿真时段、地理经纬度、高度参数，输出全球范围粗分辨率电离层电子密度先验分布，作为同化计算初始场。

10、调取三亚非相干散射雷达同步实测数据，实测数据包含 80–800km 高度连续电子密度剖面、电离层分层临界频率观测值，作为同化算法的真实观测约束资料；

11、利用神经网络代价函数迭代同化求解：

12、划定本地化仿真边界：纬度 17° n–20° n、经度 108° e–111° e、高度 100~400km；

13、构建同化代价函数：

14、；

15、式中：为待求解三维电子密度场；为 iri-2020 输出的背景先验场；为syisr 雷达实测观测值；为电离层观测算子；为背景误差协方差矩阵；为观测误差协方差矩阵；

16、以神经网络框架迭代最小化代价函数，不断修正 iri-2020 粗网格偏差；

17、网格插值输出精细化三维场，最终生成纬度、经度分辨率 0.2°，高度分辨率 1km的本地化三维电子密度分布。

18、进一步的，所述步骤2中，基于高斯扰动函数，构建高斯分布调制的等离子体泡epb模型，包括：

19、epb模型为椭球状高斯扰动模型，其南北方向尺度为500km，东西方向尺度为200km，高度方向尺度为100km；epb模型的密度扰动公式为：

20、；

21、其中 (y0, z0) 为epb中心位置， 为东西方向标准差， 为高度方向标准差，为东西方向尺度，为高度方向尺度。

22、进一步的，所述步骤3中，基于qps准抛物模型，构建es层电子浓度剖面模型，包括：

23、es层电子密度场：

24、

25、其中r为地心距离，为es峰值高度的地心距离，r0 = 6371km为地球半径，为分层厚度。为es 电离层底层的地心距离。为电离层高度。

26、进一步的，所述步骤4中，将所述等离子体泡epb模型和所述es层电子浓度剖面模型叠加至所述三维电离层电子密度背景模型上，形成包含e层和f层不规则体的复合电离层环境，包括：

27、将epb模型和es模型同时叠加到ai-assim三维背景密度场上，按高度分层独立叠加，形成包含e层和f层不规则体的复合电离层环境，叠加规则如下：

28、80km ≤高度≤110km：

29、仅叠加es层qps模型电子浓度，无epb扰动：

30、；

31、140km≤高度≤ 400km：

32、仅叠加epb高斯密度扰动，无es分层：

33、

34、高度<80km、110km ≤高度≤140km或高度>400km：

35、采用背景场，不叠加任何不规则体扰动：

36、；

37、其中，为叠加后的复合总电子密度，a为高斯分布半高全宽 fwhm 通用归一系数，系数ζ为地基气辉与卫星观测加权融合得到的 epb 电子密度相对耗尽比率。

38、进一步的，系数ζ通过气辉光学观测和卫星观测的加权融合得到：

39、

40、其中 sat(ζ) 为卫星观测的电子密度耗尽比率，optical(ζ) 为气辉图像中辐射强度最大耗尽区比率，和为加权系数且 ；

41、为椭球状epb 高斯扰动函数；、、、、、为 es层qps模型对应参数。

42、第二方面，本发明提供一种通过e层和f层不规则体的电波传播路径仿真方法，包括以下步骤：

43、基于如第一方面所述的电离层环境仿真方法，得到包含e层和f层不规则体的复合电离层环境；

44、基于所述包含e层和f层不规则体的复合电离层环境，采用球坐标系下的haselgrove方程组进行三维数值射线追踪，仿真电波在所述复合电离层环境中的传播路径。

45、进一步的，基于所述包含e层和f层不规则体的复合电离层环境，采用球坐标系下的haselgrove方程组进行三维数值射线追踪，仿真电波在所述复合电离层环境中的传播路径，包括：

46、根据es层电子密度场，计算等离子体频率 、临界频率 ；

47、根据复合总电子密度 ，算出等离子体频率，结合地磁参数得到磁旋频率，代入 haselgrove 方程组的色散项，求解电离层折射指数；

48、用临界频率  对比发射电波频率 ，判定电波能否穿透 es 层，以此确定射线追踪的仿真高度范围：

49、f>fc   电波穿透es层，仿真覆盖e层与f层；

50、f≤fc  电波被es层反射，仅仿真110 km以下；

51、从电波发射点到电离层底，直线传播：

52、根据输入的初始条件：发射地心坐标、方位角、射线仰角、工作频率，得到进入电离层下边界的初始坐标与波矢量。

53、在电离层范围内，采用球坐标系下的haselgrove方程组进行射线追踪；

54、离开电离层后到地面接收点，直线传播：

55、电磁波沿直线传播，从电离层出口坐标延伸至地面接收位置。

56、进一步的，采用球坐标系下的haselgrove方程组进行射线追踪，包括：

57、

58、其中 p’为群路径，c 为光速，ω = 2πf 为电波角频率，f 为电波频率，n 为折射指数， ，，为波矢量的三个分量；变量，，是一个点在射线路径上的球面极坐标;

59、其中h为哈密顿算符，其与波矢量、相折射指数的关系为

60、；

61、real()表示取实数部分；

62、折射率的 a-h （appleton-hartree）公式表达式如下

63、

64、其中

65、

66、其中为波矢量与地磁场的夹角，为等离子体频率，为磁旋频率，为电磁波波频率。是一个参数，其值取决于哈密顿量h的选择。

67、第三方面，本发明提供了一种通过e层和f层不规则体的电波传播路径仿真系统，包括：

68、背景电离层模块：用于基于ai-assim方法构建高精度三维电离层电子密度背景模型；

69、epb模型模块：用于构建高斯调制的等离子体泡epb模型，并通过气辉光学观测与卫星观测加权融合确定epb中心rms；

70、es层模型模块：用于基于qps准抛物模型构建突发e层es的电子浓度剖面；

71、复合电离层模块：用于将所述epb模型和es模型叠加到背景电离层上，形成包含e层和f层不规则体的多层复合电离层环境；

72、射线追踪仿真模块：用于基于haselgrove方程组进行电波传播路径的三维数值射线追踪，并输出射线轨迹的可视化结果。

73、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

74、1、多层次不规则体统一建模 本发明首次将电离层e层不规则体（突发e层es）和f层不规则体（等离子体泡epb）统一纳入高频电波传播仿真框架，解决了现有模型中epb和es各自独立建模、缺乏综合性的问题，实现了更真实、更完整的电离层电波传播环境模拟。

75、2、高精度数据驱动建模 本发明采用基于人工智能数据同化（ai-assim）的高分辨率三维电子密度背景模型（0.2°×0.2°×1km），结合地基气辉成像仪与卫星的融合观测数据确定epb中心rms，大幅提升了不规则体建模的空间精度和数据驱动的可靠性，相比传统iri模型分辨率得到大幅提升。

76、3、工程应用价值 本发明为短波通信链路质量评估、电离层闪烁预警和临近预报提供了高精度的仿真技术基础和技术支撑，可直接服务于低纬度地区的电波环境保障需求。