電離層參數(shù)日變化對短波天波傳播距離的影響

摘要：為研究電離層參數(shù)的日變化規(guī)律對短波天波傳播距離的影響，采用IRI模型對電離層參數(shù)一天內(nèi)的變化進(jìn)行仿真計(jì)算和特性分析，并利用射線追蹤技術(shù)進(jìn)行了不同電子濃度廓線環(huán)境下的天波射線軌跡計(jì)算，分析了射線單跳距離的日變化特性。統(tǒng)計(jì)分析表明：電離層電子濃度廓線在一天內(nèi)會(huì)隨著日出、日落表現(xiàn)出現(xiàn)明顯變化。其中，從拂曉時(shí)分到下午的時(shí)間段內(nèi)，對短波天波影響最大的F層最大電子濃度范圍可從約4×1011個(gè)/m3達(dá)到2.4×1012個(gè)/m3，臨界頻率從6MHz達(dá)到14MHz左右，而F層的峰值高度在中午達(dá)到最高可至約410m，早晨最低至250m左右。電離層劇烈的日變化導(dǎo)致天波的單跳距離產(chǎn)生大范圍波動(dòng)，變化范圍可從1000～3500km。分析結(jié)果可為依賴于天波傳播的通信和雷達(dá)等裝備的工作參數(shù)選擇及裝備使用效率的提升提供量化參考。

關(guān)鍵詞：電離層;國際參考電離層模型;電子濃度;短波;射線追蹤;單跳距離

一、引言

短波通常是指頻率為3～30MHz的無線電波，其波長為10～100m，可通過地波和天波形式傳播。其中地波繞射能力差，有效傳播距離有限，但以天波形式傳播時(shí)，可利用電離層反射實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。相比于甚高頻、特高頻等通信頻段在直線傳播時(shí)受到地球曲率影響，距離受限的不利因素，短波天波通信提供了一種易于實(shí)現(xiàn)的超視距通信方式。雖然短波天波通信受電離層的時(shí)空特性變化影響極大，但是近年來隨著高頻自適應(yīng)通信系統(tǒng)的使用，短波通信的可靠性得到極大提升，天波傳播仍廣泛應(yīng)用于短波遠(yuǎn)距離通信中[1]。

天波傳播和電離層的關(guān)系非常密切，作為天波信號(hào)的反射媒介，電離層的特性參數(shù)隨時(shí)間、空間不斷變化，導(dǎo)致天波路徑損耗隨晝夜、頻率、地點(diǎn)而不斷變化。為了保障遠(yuǎn)距離通信的可靠性，準(zhǔn)確的了解電離層環(huán)境參數(shù)的變化規(guī)律，明確電離層電子濃度分布特性，對天波傳播單跳距離的評(píng)估預(yù)測有著至關(guān)重要的作用。

二、電離層參數(shù)分布變化特性

電離層為色散介質(zhì)，其折射指數(shù)主要與電波頻率和電子濃度有關(guān)，并且會(huì)隨時(shí)間、空間等地球物理?xiàng)l件發(fā)生大尺度變化。電離層電子濃度隨高度的分布（即電子濃度高度剖面）是電離層最基本的特征參量，并且隨不同太陽活動(dòng)水平、季節(jié)、地方時(shí)、地理緯度等存在復(fù)雜的變化。電子濃度隨不同太陽活動(dòng)水平、季節(jié)、地方時(shí)、地理緯度等存在復(fù)雜的變化。通常具有以下特點(diǎn)：

1.太陽活動(dòng)高年的電子濃度大于太陽活動(dòng)低年。

2.白天的電子濃度大于夜間。

3.對季節(jié)變化而言，春秋季電子濃度大于冬季，冬季大于夏季。

4.從地理緯度來看，低緯（0°～25°）電子濃度明顯大于其它區(qū)域。中緯度（25°～50°）具有電離層的典型特征。高緯度地區(qū)電子濃度相對中緯下降，但在緯度60°～70°附近存在最小值。

電離層的電子濃度一般在200～400km之間達(dá)到最大值，最大電子濃度一般為10¹¹～10¹²/m³。在60～70km處最小，一般為10⁸～10⁹/m³。

根據(jù)電子濃度隨高度分布的特點(diǎn)，將電離層分為五個(gè)區(qū)域，分別為D層、E層、F₁層、F₂層，以及頂層[2]，見圖2。

除頂部外，D、E、F層對短波傳播具有重要作用，各層主要特征如下表[3]：

三、短波天波傳播軌跡計(jì)算

目前，求解基于費(fèi)爾馬原理的射線微分方程是計(jì)算電離層短波射線軌跡的常用方法。該方法以群路徑步長作為自變量，利用六個(gè)微分方程分步求解射線到達(dá)的地理位置參數(shù)，將這些點(diǎn)連接起來即可得到球坐標(biāo)系中的短波軌跡。本文利用快速射線追蹤算法實(shí)現(xiàn)天波傳播軌跡的計(jì)算。

地面向空中發(fā)射天波信號(hào)，信號(hào)首先經(jīng)過對流層，此時(shí)可以將射線看作直線傳播，利用幾何關(guān)系直接計(jì)算。進(jìn)入電離層后，則采用變步長技術(shù)，利用球坐標(biāo)下的射線方程進(jìn)行準(zhǔn)確快速計(jì)算。在電離層段，以群路徑P'為自變量的射線方程可描述為[6]：

上述射線方程求解時(shí)主要涉及群路徑步長dP'的取值問題。dP'的取值越小，計(jì)算的結(jié)果越精確，但計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間將成倍增加。為了在計(jì)算精度和計(jì)算量之間取得平衡，引入了變步長技術(shù)?？紤]到在射線追蹤計(jì)算過程中，主要影響因素是沿射線路徑的等離子體頻率梯度，因此可按下式通過等離子體頻率梯度自適應(yīng)的調(diào)整群路徑步長 [7，8]：

四、仿真結(jié)果分析

國際參考電離層（International Reference Ionosphere， IRI）模型是目前國際上應(yīng)用最為廣泛，最為重要的經(jīng)驗(yàn)電離層模型之一[9]。該模型依據(jù)大量的地面觀測資料和多年累積的電離層研究成果建立，以統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)的形式反映平靜電離層的平均狀態(tài)，能夠較好地反映出電離層介質(zhì)的時(shí)空變化特性，并給出全球電離層的相關(guān)參數(shù)。

利用IRI模型，獲得?？诘貐^(qū)在太陽活動(dòng)高年夏季的一天內(nèi)6個(gè)時(shí)刻的電子濃度廓線計(jì)算結(jié)果如圖4。

從圖4可以清楚地看出電子濃度的日夜變化規(guī)律：日出之后，電子濃度不斷增加，到正午稍后時(shí)分達(dá)到最大值，之后又逐漸減小。夜間由于沒有陽光照射，有些電子和正離子就會(huì)重新復(fù)合成為中性氣體分子，D層由于這種復(fù)合而消失;E層仍然存在，但其高度比白天低，電子濃度比白天小;F1層和F2合并成為F層且電子濃度下降。到拂曉時(shí)各層的電子濃度達(dá)到最小。一日之內(nèi)，在黎明和黃昏時(shí)分電子濃度變化最快。

以下給出F₂層的最大電子濃度N_mF₂在一天24小時(shí)內(nèi)的變化曲線：

五、結(jié)束語

短波通信系統(tǒng)構(gòu)造簡單，在遠(yuǎn)距離尤其是超視距通信領(lǐng)域大量應(yīng)用。隨著糾錯(cuò)編解碼、自適應(yīng)頻率選擇、組網(wǎng)通信等技術(shù)的發(fā)展，短波通信呈現(xiàn)出旺盛的生命力。但是電離層復(fù)雜多變的時(shí)空變化特性仍是影響短波天波傳輸時(shí)傳播性能的最大因素，通過對電離層環(huán)境參數(shù)變化規(guī)律的研究和預(yù)測，有針對性地對短波通信的工作頻率、發(fā)射仰角、工作時(shí)段和通信位置等進(jìn)行規(guī)劃和調(diào)整，對提高短波通信系統(tǒng)的使用性能具有重要意義。

作者單位：李阜東? ? 中國西南電子技術(shù)研究所

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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