一种适用于电离层暴期间短波链路的最高可用频率计算方法与流程

本发明涉及短波通信和雷达
技术领域：
，尤其涉及一种适用于电离层暴期间短波链路的最高可用频率计算方法。
背景技术：
：从地面向上发射的高频无线电信号能被电离层反射，这是短波天波信号的主要传播方式。高频无线电信号在经由电离层反射时，存在一个与反射电子密度相关的最高可用频率(muf)，如果其频率高于此值，无线电波将穿透电离层不再返回地面。通过对垂测电离图的判读，获取fof2、m(3000)f2因子等参数，即可获得3000km路径上观测站上方反射的muf。同时，电离层斜向探测亦是通过电离层的反射实现两点之间的短波探测。可见，短波链路的muf与电离层电子密度分布密切相关。近年来，电离层平静时muf的统计特性及其预测技术已趋于成熟。其中，以国际电信联盟无线电通信组推荐的itu-rp.533建议最具权威性。该建议以itu-rp.1239建议给出的参考电离层为背景，通过射线路径分析和曲线拟合等方法，建立了短波链路参数预测方法。该建议适用于电离层平静期短波频率场强、可靠性和兼容性的预测，即可以预测f2层临界频率、3000km传播因子等参数的月中值。由此可见，itu-rp.533建议仅适用于电离层平静期的短波链路参数预测。而电离层受化学、动力学和电动力学等多种机制的影响，表现出复杂的变化特性，当发生电离层暴时，由于电离层参数显著偏离其背景值，会导致短波链路muf的相应变化，电离层暴期间短波链路muf计算误差分布和累计误差分布如图1所示。可见，现有技术中对电离层暴期间电离层参数的变化特性和可预报性，以及其造成的短波链路参数变化，还缺乏规律性的认识。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题就是提供一种适用于电离层暴期间短波链路的最高可用频率计算方法。本发明采用如下技术方案：一种适用于电离层暴期间短波链路的最高可用频率计算方法，其改进之处在于，包括如下步骤：步骤1、在全国范围内优选5条优质斜测链路作为背景链路；步骤2、利用国内14个电波观测站的垂测数据fof2、foe和m(3000)f2因子，通过克令格插值算法获取5条背景链路中点位置的垂测数据fof2、foe和m(3000)f2因子，上述fof2指电离层f2层临界频率、foe指电离层e层临界频率；步骤3、分别获取历史电离层暴期间5条背景链路中点的3个垂测数据和斜测链路最高可用频率muf数据，并对背景链路数据进行预处理，作为下述步骤4中的训练样本；步骤4、将上述步骤3中插值得到的电离层暴期间链路中点垂测数据作为itu-rp533建议短波最高可用频率计算公式中的输入，将斜测数据作为输出，利用粒子群算法优化公式中的20个常数参数，设定其优化次数或优化误差，以获得最优常数参数；步骤5、将获得的20个最优常数参数替换原公式中的常数参数，以国内14个电波观测站的垂测数据插值获得指定链路中点的垂测数据作为输入，建立一种适用于电离层暴期间短波链路的最高可用频率计算方法。进一步的，所述步骤3具体包括如下步骤：步骤31、将fof2相对偏差df作为电离层暴的判定标准，其中，式中，fof2为观测值，fof2med为月中值，当df不小于0.3时即认为是正相电离层暴，当df不大于-0.2时即为负相电离层暴；步骤32、利用国内14个电波观测站的垂测数据和克令格插值算法，获取某一链路中点3个垂测数据，并根据以上电离层暴的判定标准，分别筛选某一时间段内电离层暴期间链路中点的fof2、foe和m(3000)f2因子3个垂测数据和该斜测链路的最高可用频率数据；步骤33、对于同一时刻收发点互换的两条链路muf的差值不超过3mhz，即认为该组数据质量可靠，可作为样本数据。进一步的，所述步骤4具体包括如下步骤：步骤41、设置提取itu-rp.533建议短波链路最高可用频率计算公式中的20个常数参数，对于大圆距离小于4000km的短波链路一跳muf，itu-rp.533建议提供的链路参数预测方法如下所示：其中：fh：控制点处的电子磁旋频率；cd＝x1-x2·z-x3·z2-x4·z3+x5·z4+x6·z5+x7·z6；其中，z＝1-2d/dmax；dmax＝x8+(x9+x10/x2-x11/x4+x12/x6)(1/b-x13)；其中：d：传播路径长度；c3000：3000km时的cd值；x＝fof2/foe或x20，取较大者；其中，x1至x20即为预先通过粒子群算法获取的常数参数；步骤42、利用粒子群算法获取最优20个常数参数，利用步骤2中插值获取的电离层暴期间链路中点垂测和斜测数据训练样本，并通过离子群算法对20个常数参数进行优化，设置优化次数或误差阈值，最终获得20个最优常数参数如下：本发明的有益效果是：本发明所公开的适用于电离层暴期间短波链路的最高可用频率计算方法，利用此方法实现了电离层暴期间短波链路最高可用频率的获取，基于itu-rp.533建议短波链路最高可用频率计算公式，结合电离层暴期间的电离层状态信息，将电离层垂测数据插值获得的链路中点垂测数据作为输入，利用粒子群算法优化itu-rp.533建议最高可用频率计算公式中的20个常数参数以获取最优常数参数，建立一种适用于电离层暴期间短波链路的最高可用频率计算方法。附图说明图1是电离层暴期间短波链路muf计算误差分布和累计误差分布；图2是本发明实施例1所公开的计算方法的流程示意图；图3是使用本发明实施例1所公开的计算方法于2017年2月20日至21日正相电离层暴期间短波链路muf计算结果与实测结果对比；图4是使用本发明实施例1所公开的计算方法于2017年3月22日负相电离层暴期间短波链路muf计算结果与实测结果对比。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。实施例1，如图2所示，本实施例公开了一种适用于电离层暴期间短波链路的最高可用频率计算方法，包括如下步骤：步骤1、在全国范围内优选5条优质斜测链路作为背景链路；步骤2、利用国内14个电波观测站的垂测数据fof2、foe和m(3000)f2因子，通过克令格插值算法获取5条背景链路中点位置的垂测数据fof2、foe和m(3000)f2因子，上述fof2指电离层f2层临界频率、foe指电离层e层临界频率；步骤3、分别获取历史电离层暴期间5条背景链路中点的3个垂测数据和斜测链路最高可用频率muf数据，并对背景链路数据进行预处理，作为下述步骤4中的训练样本；所述步骤3具体包括如下步骤：步骤31、将fof2相对偏差df作为电离层暴的判定标准，其中，式中，fof2为观测值，fof2med为月中值，当df不小于0.3时即认为是正相电离层暴，当df不大于-0.2时即为负相电离层暴；步骤32、利用国内14个电波观测站的垂测数据和克令格插值算法，获取某一链路中点3个垂测数据，并根据以上电离层暴的判定标准，分别筛选某一时间段内电离层暴期间链路中点的fof2、foe和m(3000)f2因子3个垂测数据和该斜测链路的最高可用频率数据；步骤33、对于同一时刻收发点互换的两条链路muf的差值不超过3mhz，即认为该组数据质量可靠，可作为样本数据。步骤4、将上述步骤3中插值得到的电离层暴期间链路中点垂测数据作为itu-rp533建议短波最高可用频率计算公式中的输入，将斜测数据作为输出，利用粒子群算法优化公式中的20个常数参数，设定其优化次数或优化误差，以获得最优常数参数；所述步骤4具体包括如下步骤：步骤41、设置提取itu-rp.533建议短波链路最高可用频率计算公式中的20个常数参数，对于大圆距离小于4000km的短波链路一跳muf，itu-rp.533建议提供的链路参数预测方法如下所示：其中：fh：控制点处的电子磁旋频率；cd＝x1-x2·z-x3·z2-x4·z3+x5·z4+x6·z5+x7·z6；其中，z＝1-2d/dmax；dmax＝x8+(x9+x10/x2-x11/x4+x12/x6)(1/b-x13)；其中：d：传播路径长度；c3000：3000km时的cd值；x＝fof2/foe或x20，取较大者；其中，x1至x20即为预先通过粒子群算法获取的常数参数；步骤42、利用粒子群算法获取最优20个常数参数，利用步骤2中插值获取的电离层暴期间链路中点垂测和斜测数据训练样本，并通过离子群算法对20个常数参数进行优化，设置优化次数或误差阈值，最终获得20个最优常数参数如下：步骤5、将获得的20个最优常数参数替换原公式中的常数参数，以国内14个电波观测站的垂测数据插值获得指定链路中点的垂测数据作为输入，建立一种适用于电离层暴期间短波链路的最高可用频率计算方法。为了验证该计算方法在电离层暴期间的可靠性，选取广州-海口链路中点2017年2月20日至21日的正相电离层暴和3月22日的负相电离层暴进行验证，如图3和图4所示。表1和表2则分别给出两次电离层暴期间广州-海口链路实测muf和利用该计算方法获得的计算muf的结果对比。从表中可知，正相电离层暴期间最大误差为0.25mhz，平均绝对误差0.1514mhz。负相电离层暴期间最大误差为0.25mhz，平均绝对误差0.078mhz。可见，与实测结果基本吻合，能够较准确的反映短波链路muf状态。表12017年02月20日至21日正相电离层暴期间广州-海口链路muf(mhz)计算值与实测值计算值15.0814.1313.5412.3111.117.955.23实测值14.9914.0513.2912.0910.917.815.15表22017年03月22日负相电离层暴期间广州-海口链路muf(mhz)计算值与实测值计算值12.8411.9711.2511.9312.148.766.615.88实测值12.8912.0111.2812.0012.318.826.575.84综上所述，本实施例公开的电离层暴期间短波链路最高可用频率计算方法，可以为短波系统用户提供电离层暴期间最高可用频率信息，为相关系统运行提供有效的电离层环境影响信息支持。在电波观测站网电离层垂测和斜测数据的支持下，只需知道指定链路收发点信息，将利用观测数据优化获得的最优常数参数代入itu-rp.533建议短波最高可用频率计算公式中，即可对电离层暴期间该短波链路最高可用频率做出可靠评估，这对电离层暴期间短波系统的性能发挥具有重要的意义。当前第1页12