基于LoranC甚低频信号的低电离层D层探测系统及方法

基于loranc甚低频信号的低电离层d层探测系统及方法
技术领域
1.本发明属于电离层探测技术领域，特别涉及基于loranc甚低频信号的低电离层d层探测系统及方法。


背景技术：

2.地球空间环境按照距离地表从低到高的顺序以及各个区域的大气性质，距离为几十公里起至离地心距离约10个地球半径的磁层顶，依次包括对流层、平流层、中层、热层、电离层、等离子体层、磁层、磁层顶。其中，电离层是镶嵌在地球中性大气层中的一个重要区域，是连接日地空间环境的重要纽带。电离层的形成主要是宇宙射线和高能粒子与地球上层大气原子核分子相互作用从而使大气电离的结果，高度范围约距地面60-1000km(刘选谋，1994)。在电离层这个区域中，包含足以反射电磁波的电子、离子与中性粒子构成，不同的电子浓度会给无线电波传播造成不同程度的影响。
3.根据电子浓度，电离层可以划分为d层、e层、f层三个区域，对应的高度分别为60-90km，90-130km，130-1000km。d层位于电离层最底层60-90km，主要电离源是太阳辐射，因此具有明显的日变化和季节变化特征。该层电子碰撞频率约等于电子磁旋频率，白天对无线电磁波吸收严重，夜间随着太阳辐射减弱而消失。该层电子浓度较低，传统高频垂测仪难以探测，常见的探测手段有直接探测和间接探测，其中，直接探测为火箭就地探测，但是方案成本高并且无法长时间持续探测；间接探测通常为vlf(very low frequency，vlf)发射机甚低频波遥感探测以及闪电甚低频信号遥感探测。vlf台链遥感探测中甚低频波频段范围为3-30khz，具有在由地面和电离层构成的波导内远距离传播，具有损耗小、相位稳定的特点，适合作为探测信号对电离层d区进行反演。但是，甚低频通信系统中，技术难点或可执行难点是发射天线，辐射vlf的天线尺寸要遵循vlf的波长进行设计，vlf的波长为3khz-30khz，波长对应范围在100km-10km之间。甚低频人工台链发射台大多采用垂直单极子天线阵，基于大型山谷或者大平原建立大型发射塔构建天线阵进行架设；同时，由于波长很长，就算搭建大型天线阵，天线的辐射效率也还很低。为获得较大的功率和辐射效率，用于甚低频通信发射天线阵通常很大，建设及运行成本极高。而在闪电发生时辐射出甚低频电磁波大部分通过地球-电离层波导传播到全球各地，在接收机的数据处理中，称为“天电”信号，因此可以利用闪电源的信号，先确定闪电发生位置，再测得接收到的闪电信号时延确定反射点的高度，进而获得电离层信息。但是，基于自然源的闪电脉冲探测技术中，闪电的发生并不稳定，无法按照需求进行实时探测。
4.综上所述，现有技术中的探空火箭具有不可持续、成本高，vlf台链遥感具有可持续成本高，闪电低频遥感不可持续成本低的特点，也就是说现有技术中的探测方法不能同时实现电离层d层的低成本持续探测的技术问题。


技术实现要素：

5.针对背景技术存在的问题，本发明提供基于loranc甚低频信号的低电离层d层探
测系统及方法。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于loranc甚低频信号的低电离层d层探测方法，包括以下步骤：
7.步骤1、预先根据接收站预设的若干组收发参数-电离层d层状态数据进行被测点电离层d层正演，得到模拟天波相位差的集合；其中，每一组收发参数-电离层d层状态数据均包括loranc台链坐标、接收站坐标、以及对应的电离层d层锐度以及虚高；
8.步骤2、接收站接收loranc台链的甚低频波信号，根据接收到的甚低频波信号以及原始甚低频波信号，利用频谱相除方法得到天地波时延差；
9.步骤3、根据电磁波传播模型，计算loranc台链到接收站的地波时延，并根据天地波时延差与地波时延之和计算出天波时延；
10.步骤4、将天波时延转换为实测天波相位差；
11.步骤5、以实测天波相位差为索引，在正演数据表中查找出对应的电离层d层状态数据。
12.在上述基于loranc甚低频信号的低电离层d层探测方法中，步骤1所述预先根据接收站预设的若干组收发参数-电离层d层状态数据进行被测点电离层d层正演，包括：根据预先接收站预设的若干组模拟天波相位差-电离层d层状态数据，使用lwpc模型进行被测点电离层d层正演。
13.在上述基于loranc甚低频信号的低电离层d层探测方法中，步骤3的实现包括以下步骤：
14.步骤3.1、计算loranc台链到接收站的地波时延：
15.利用公式，计算地波时延；其中，δtg为地波时延；ts为loranc台链的发射时刻；t2为接收站的接收时刻；δd为loranc台链到接收站的距离；v为甚低频波传播速度。
16.步骤3.2、根据天地波时延差与地波时延之和计算天波时延：
17.利用公式，δts＝δtg+δt
sg
，计算出天波时延，其中，δts为天波时延；δtg为地波时延；δt
sg
为天地波时延差。
18.在上述基于loranc甚低频信号的低电离层d层探测方法中，步骤4所述将天波时延转换为实测天波相位差，包括：
19.利用公式，δps＝δts×f×
360
°
，将天波时延转换为实测天波相位差，其中，δps为实测天波相位差；f为甚低频波频率。
20.一种基于loranc甚低频信号的低电离层d层探测方法的系统，包括loranc台链和接收站；还包括正演模块、接收模块、计算模块、转换模块以及查找模块；其中，
21.正演模块，用于预先根据接收站预设的若干组收发参数-电离层d层状态数据进行被测点电离层d层正演，得到模拟天波相位差的集合，其中，每一组收发参数-电离层d层状态数据均包括loranc台链坐标、接收站坐标、以及对应的电离层d层锐度以及虚高；
22.接收模块，用于接收站接收loranc台链的甚低频波信号，根据接收到的甚低频波信号以及原始甚低频波信号，利用频谱相除方法得到天地波时延差；
23.计算模块，用于根据电磁波传播模型，计算loranc台链到接收站的地波时延，并根据天地波时延差与地波时延之和计算出天波时延；
24.转换模块，用于将天波时延转换为实测天波相位差；
25.查找模块，用于以实测天波相位差为索引，在正演数据表中查找出对应的电离层d层状态数据。
26.与现有技术相比，本发明利用loranc台链成熟、站点位置已知、发射时间持续稳定，作为一个非常良好的信号源，使用现有的loranc脉冲信号作为反演信号源进行电离层d层反演，无需新设立发射基站，节省了基站的建设及运行成本。且相对较于探空火箭和自然源(闪电源)等还具有发射信号稳定持续，发射源位置已知的优势，可以实现单接收站持续、低成本的电离层d层探测。
附图说明
27.图1为本发明实施例提供的基于loranc甚低频信号的低电离层d层探测方法的流程示意图；
28.图2为本发明实施例提供的基于loranc甚低频信号的低电离层d层探测方法中lwpc模拟结果示意图；
29.图3为本发明实施例提供的基于loranc甚低频信号的低电离层d层探测方法中的天波、地波以及天地波混合波形示意图；
30.图4为本发明实施例提供的基于loranc甚低频信号的低电离层d层探测方法中ifft相除后得到的天地波时延差示意图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
33.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
34.本实施例是通过以下技术方案实现的：
35.基于loranc甚低频信号的低电离层d层探测方法，包括：
36.预先根据接收站预设的若干组收发参数-电离层d层状态数据进行被测点电离层d层正演，得到模拟天波相位差的集合，其中，每一组收发参数-电离层d层状态数据均包括loranc台链坐标、接收站坐标、以及对应的电离层d层锐度以及虚高；
37.接收站接收loranc台链的甚低频波信号，根据接收到的甚低频波信号以及原始甚低频波信号，利用频谱相除方法得到天地波时延差；
38.根据电磁波传播模型，计算loranc台链到接收站的地波时延，并根据天地波时延差与地波时延之和计算出天波时延；
39.将天波时延转换为实测天波相位差；
40.以实测天波相位差为索引，在正演数据表中查找出对应的电离层d层状态数据。
41.并且，预先根据接收站预设的若干组收发参数-电离层d层状态数据进行被测点电离层d层正演，包括：
42.预先根据接收站预设的若干组模拟天波相位差-电离层d层状态数据，使用lwpc模型进行被测点电离层d层正演。
43.并且，计算loranc台链到接收站的地波时延，包括：
44.利用公式，计算地波时延，其中，
45.δtg为地波时延；ts为loranc台链的发射时刻；t2为接收站的接收时刻；δd为loranc台链到接收站的距离；v为甚低频波传播速度。
46.根据天地波时延差与地波时延之和计算出天波时延，包括：
47.利用公式，δts＝δtg+δt
sg
，计算出天波时延，其中，
48.δts为天波时延；δtg为地波时延；δt
sg
为天地波时延差。
49.并且，将天波时延转换为实测天波相位差，包括：
50.利用公式，δps＝δts×f×
360
°
，将天波时延转换为实测天波相位差，其中，δps为实测天波相位差；f为甚低频波频率。
51.本实施例还提供了基于loranc甚低频信号的低电离层d层探测系统，包括loranc台链和接收站；loranc台链，用于发射甚低频波信号；接收站，用于接收loranc台链发射的甚低频波信号。
52.系统还包括：正演模块、接收模块、计算模块、转换模块以及查找模块，其中，
53.正演模块，用于预先根据接收站预设的若干组收发参数-电离层d层状态数据进行被测点电离层d层正演，得到模拟天波相位差的集合，其中，每一组收发参数-电离层d层状态数据均包括loranc台链坐标、接收站坐标、以及对应的电离层d层锐度以及虚高；
54.接收模块，用于接收站接收loranc台链的甚低频波信号，根据接收到的甚低频波信号以及原始甚低频波信号，利用频谱相除方法得到天地波时延差；
55.计算模块，用于根据电磁波传播模型，计算loranc台链到接收站的地波时延，并根据天地波时延差与地波时延之和计算出天波时延；
56.转换模块，用于将天波时延转换为实测天波相位差；
57.查找模块，用于以实测天波相位差为索引，在正演数据表中查找出对应的电离层d层状态数据。
58.计算模块利用公式，计算地波时延，其中，δtg为地波时延；ts为loranc台链的发射时刻；t2为接收站的接收时刻；δd为loranc台链到接收站的距离；v为甚低频波传播速度。
59.计算模块利用公式，δts＝δtg+δt
sg
，计算出天波时延，其中，δts为天波时延；δtg为地波时延；δt
sg
为天地波时延差。
60.转换模块利用公式，δps＝δts×f×
360
°
，将天波时延转换为实测天波相位差，其
中，δps为实测天波相位差；f为甚低频波频率。
61.实施例1
62.如图1所示，基于loranc甚低频信号的低电离层d层探测方法包括：
63.s101：预先根据接收站预设的若干组收发参数-电离层d层状态数据进行被测点电离层d层正演，得到模拟天波相位差的集合，其中，每一组收发参数-电离层d层状态数据中，收发参数包括loranc台链坐标、接收站坐标、发射天线角度；电离层d层状态数据包括电离层d层高度、电离层d层锐度以及虚高。
64.示例性的，每一个loranc台链都是固定的，其坐标都是公开的，因此，需要对每一个被测点，人为确定针对被测点的信号接收站坐标、发射天线角度、电离层d层高度，与路径信息(使用锐度β以及虚高h’进行描述)。例如，可以先在loranc台链位置、接收站、发射天线角度、电离层d层高度均不变的情况下，规定不同的电离层d层状态下的路径信息，然后分别生成不同参数下的模拟天波相位差，再依次分别改变发射天线角度、电离层d层高度，并规定不同的电离层d层状态下的路径信息，得到所有发射天线角度、电离层d层高度，与路径信息的组合。
65.将上述数据输入到lwpc(long-wavelength propagation capability，长波传播模型)中，得到各个锐度β以及虚高h’值对应的模拟天波相位差-电离层d层状态数据的正演数据表。根据不同的电离层d层状态数据构建模型，将所有的可能电离层d层状态数据都模拟出来，进而得到对应的模拟天波相位差。根据电离层传播原理，电离层d层状态数据与模拟天波相位差是可逆且一一对应的。
66.lwpc使用电离层模型为(wait，1964)提出的电离层模型通过处在不同高度的水平电导率来描述电离层状态v(h)表示不同高度上电子和中性粒子的碰撞频率(考虑电离层d层)。依据(belrose,1964)和(kane,1961)的研究，低电离层电子密度：ne＝1.43
×
107×
exp(-0.15h
′
)
×
exp[(β-0.15)(h-h
′
)]，其中，h为电离层高度，锐度β以及虚高h’就是需要的参数。lwpc程序的本来功能是通过输入路径信息及锐度β以及虚高h’计算得到接收站的模拟天波相位差。
[0067]
图2为本发明实施例提供的基于loranc甚低频信号的低电离层d层探测方法中lwpc模拟结果示意图，如图2所示，横坐标轴表示锐度β，纵坐标轴表示电离层d层虚高h’，像素点颜色深浅代表接收站的模拟天波相位差，单位为度。
[0068]
s102：接收站接收loranc台链的甚低频波信号，根据接收到的甚低频波信号以及原始甚低频波信号，利用频谱相除方法得到天地波时延差。
[0069]
loranc系统全称是远程导航，loranc系统由设在地面的1个主台与2～3个副台合成的台链和接收设备组成。作用距离可达2000公里，工作频率为100千赫，工作在甚低频波波段。无线电发射台发射无线电信号，船上接收机接收后，根据信号的时间差或相位差，测出船舶与发射台之间的距离差，距离差保持不变的航迹是一条双曲线。再测定飞机对主台和另一副台的距离差，可得另一条双曲线，根据两条双曲线的交点可以定出轮船的位置。
[0070]
由于从测量时间差而得到距离差的测量方法精度不高，只能起粗测的作用。副台发射的载频信号的相位和主台的相同，因而飞机上接收到的主、副台载频信号的相位差和距离差成比例。测量相位差就可得到距离差。
[0071]
测量相位差的多值性问题，可以用粗测的时间差来解决(见无线电导航)。loranc
台链既测量脉冲的时间差又测量载频的相位差，所以又称它为低频脉相双曲线导航系统。
[0072]
使用磁环天线接受来自loranc的vlf信号，采样频率为1mhz，经过滤波放大8000倍后，根据电磁感应定律将接收到的电信号转换为磁信号，再利用麦克斯韦方程组，将磁信号转化为以dbμ为单位的电信号。
[0073]
图3为本发明实施例提供的基于loranc甚低频信号的低电离层d层探测方法中的天波、地波以及天地波混合波形示意图；示意图中模拟处理后的信号波形如图3所示，天波延迟200微秒，地波延迟100微秒。
[0074]
再使用“基于ifft(inverse fast fourier transform，快速傅里叶变换)频谱相除的loranc天地波识别新算法，基于ifft频谱相除的loranc天地波识别新算法
①
公开的ifft频谱相除方法得到天地波时延差。
[0075]
图4为本发明实施例提供的基于loranc甚低频信号的低电离层d层探测方法中ifft相除后得到的天地波时延差示意图，如图4所示，天波与地波之间的天地波时延差为100微秒。
[0076]
s103：根据电磁波传播模型，计算loranc台链到接收站的地波时延，并根据天地波时延差与地波时延之和计算出天波时延。
[0077]
利用公式，计算地波时延，其中，δtg为地波时延；ts为loranc台链的发射时刻；t2为接收站的接收时刻；δd为loranc台链到接收站的距离；v为甚低频波传播速度。陆地空气中传播速度为约299.2m/μs，海面空气传播速度约为299.5m/μs。
[0078]
天波时延等于地波时延加天地波时延差，因此，可以利用公式，
[0079]
δts＝δtg+δt
sg
，计算出天波时延，其中，δts为天波时延；δtg为地波时延；δt
sg
为天地波时延差。
[0080]
s104：将天波时延转换为实测天波相位差。
[0081]
实测天波相位差与时延差之间可以相互转化，因此，可以利用公式，
[0082]
δps＝δts×f×
360
°
，将天波时延转换为实测天波相位差，其中，δps为实测天波相位差；f为甚低频波频率。
[0083]
可以理解的是，实测天波相位差是指接收台站接收的天波相位相对于loranc台链发射的波束的相位差；类似的，模拟天波相位差是指模拟接收台站接收的天波相位相对于loranc台链发射的波束的相位差。
[0084]
s105：以实测天波相位差为索引，在正演数据表中查找出对应的电离层d层状态数据。
[0085]
在正演数据表查找与实测天波相位差最接近的模拟天波相位差，确定出模拟天波相位差，进而将模拟天波相位差对应的锐度β以及虚高h’值作为要探测的低电离d层状态数据，进而得到甚低频波的传播路径及幅度。
[0086]
通常在loranc台链导航系统中，天波对loranc台链作为干扰项，因此，在进行定位时，loranc在定位目标时需要去除天波以利用地波进行相位差以及时间差定位获得接收台站的位置信息，所以，本领域技术人员为了避免对导航造成影响，应当尽量消除loranc台链产生的天波。而本实施例使用loranc台链产生的天波进行电离层状态探测将loranc信号中
的地波滤除，主要利用天波的相位差进行电离层探测，地波的作用仅是为了得到天地波时延差，进而得到天波的实测天波相位差信息。
[0087]
本实施例中直接利用天地波之间的相对时延差，得到接收站的实测天波相位差。
[0088]
与常规台站发射信号相比，loranc台链发射的信号对于电离层反演探测有着显著优势。常规台站发射信号一般做通信使用，发射的是调制连续波信号，信号信息的获取需要解调msk(minimum shift keying，最小频移键控msk)等信号，并需要知道发射台站发射信号的具体信息，天地波很难分离，难以作为vlf(very low frequency，甚低频)相位反演探测的信号源。loranc台链发射的信号是授时定位用的脉冲信号，信号设计初衷需要利用相位差实现授时定位等功能，相较于连续波信号，脉冲信号较强且可以直接通过天地波分离技术获取相位信息，这对于反演电离层信息有着显著优势。loranc台链还具有台站数量多，分布广泛的特点，这也是由于其设计功能决定的，如前文所述，loranc信号需要利用多个台站对目标进行双曲线定位确定时间位置信息，而常规台站大多位置固定，且只有一个台站发射vlf信号作为通信使用。因此使用loranc信号作为信号源可以实现多地电离层反演测量，并可以利用多个台站信号比较确认反演结果的准确性。
[0089]
实施例2
[0090]
与实施例1相对应，实施例2还提供了基于loranc甚低频信号的低电离层d层探测系统，包括loranc台链和接收站，还包括正演模块、接收模块、计算模块、转换模块以及查找模块，其中，
[0091]
loranc台链，用于发射甚低频波信号；
[0092]
接收站，用于接收loranc台链发射的甚低频波信号；
[0093]
正演模块，用于预先根据接收站预设的若干组收发参数-电离层d层状态数据进行被测点电离层d层正演，得到模拟天波相位差的集合，其中，每一组收发参数-电离层d层状态数据均包括loranc台链坐标、接收站坐标、以及对应的电离层d层锐度以及虚高；
[0094]
接收模块，用于接收站接收loranc台链的甚低频波信号，根据接收到的甚低频波信号以及原始甚低频波信号，利用频谱相除方法得到天地波时延差；
[0095]
计算模块，用于根据电磁波传播模型，计算loranc台链到接收站的地波时延，并根据天地波时延差与地波时延之和计算出天波时延；
[0096]
转换模块，用于将天波时延转换为实测天波相位差；
[0097]
查找模块，用于以实测天波相位差为索引，在正演数据表中查找出对应的电离层d层状态数据。
[0098]
实施例2的一种具体实施方式中，
[0099]
(1)正演模块，用于：
[0100]
预先根据接收站预设的若干组模拟天波相位差-电离层d层状态数据，使用lwpc模型进行被测点电离层d层正演。
[0101]
(2)计算模块，用于：
[0102]
利用公式，计算地波时延，其中，
[0103]
δtg为地波时延；ts为loranc台链的发射时刻；t2为接收站的接收时刻；δd为
loranc台链到接收站的距离；v为甚低频波传播速度。
[0104]
计算模块还用于：
[0105]
利用公式，δts＝δtg+δt
sg
，计算出天波时延，其中，
[0106]
δts为天波时延；δtg为地波时延；δt
sg
为天地波时延差。
[0107]
(3)转换模块，用于：
[0108]
利用公式，δps＝δts×f×
360
°
，将天波时延转换为实测天波相位差，其中，δps为实测天波相位差；f为甚低频波频率。
[0109]
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
[0110]
①
基于ifft频谱相除的loranc天地波识别新算法[j].朱银兵，许江宁，王红星等，电子与信息学报，2009，31(005)：1153-1156。