[发明专利]地-各向异性电离层波导VLF波传播特性的获取方法

说明书

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。

技术领域

本发明属于电子通信技术领域，具体涉及一种模拟地-各向异性电离层波导VLF波传播特性的方法。

背景技术

甚低频(Very Low Frequency，VLF)电磁波(3～30kHz)在通信和导航、授时、电离层监测、地质勘探和地震预测等方面有着广泛的应用前景。VLF电磁波在地球-电离层波导中传播时损耗小，幅度与相位稳定，并能穿透一定深度的海水和土壤。除了实验手段，常见的计算地-电离层波导VLF波传播的方法包括波导模理论方法和时域有限差分方法。与数值FDTD方法相比，频域有限元(Finite element method，FEM)方法可以采用非均匀三角形网格，边界适应性强，具有求解速度快等优点，迄今为止尚未见基于有限元法地-电离层波导的波传播特性研究。此外，在现有的解析解和数值仿真中，传播路径的确定多基于发射点和接收点满足的球面三角(或精度为3°的多个地理方位角)，将地球等效为一均匀圆球，未引入椭球率；尽管有文献基于波导模理论研究了地磁场引起电离层的各向异性，但均采用简化模型，未考虑地磁场沿传播路径的变化，这些因素一定程度上会影响地-电离层波导结构模型建立的准确性。

发明内容

本发明是针对背景技术存在的缺陷，提供一种地-各向异性电离层波导VLF波传播特性的获取方法。

本发明采用的技术方案如下：

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N_e(h)。

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。

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相对介电系数，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。

附图说明

图1为地球直角坐标系-地电离层波导结构直角坐标系的变换关系示意图；

图2为二维直角坐标系下地-电离层波导模型；

图3为地电离层波导结构直角坐标系和地磁场所在球坐标系的转换示意图。

具体实施方式