电离层吸收衰减预测方法的比较研究

　　摘要本文对比分析了利用ITU半经验模型和3种电子碰撞模型预测天波链路电离层吸收衰减的方法.利用中国参考电离层模型和质谱仪非相干散射大气模型构建背景电离层和背景大气，在构建的背景环境中利用三维射线追踪方法仿真分析由半经验模型和3种电子碰撞模型计算得到的电离层吸收衰减与电波频率、出射仰角、大圆距离的关系.并进行了大圆距离100km、200km、400km的短波通信测试试验，分析了各预测方法的准确度.从试验结果来看，日间两种模型性能差异不大，而日落期利用电子碰撞模型预测得到的电离层吸收衰减优于以往采用的ITU半经验模型;在可用频段的较大频率处，实测值更接近电子碰撞模型.仿真与试验均证实三种电子碰撞模型预测值相近，根据实际可获得大气中性成分数据.

　　关键词吸收衰减;电子碰撞;短波;射线追踪;电离层

　　引言

　　短波通信的高频无线电波传播模式大致可以划分为地波传播模式和天波传播模式两种.地波传播模式下，电波传播距离很近;天波传播模式下，理论上，在特定电离层环境下，如果无线电波频率低于电离层临界频率，则发射站到近距离区域的天波传播链路均存在.通过对电离层特性的准确获取并选择最佳工作频率，可以实现短波无盲区通信和侦察.频率选取的准则主要包括信号能量与通信准确率，因此对近距离天波电离层吸收衰减的精确预测可以更好地为短波通信提供选频指导和场强预估.

　　电离层吸收衰减是天波传播过程中除自由扩散衰减外最大的衰减量，对于天波传播总衰减、场强等的计算至关重要.远距离传播链路(收发点距离几千千米)的吸收衰减预测值一般采用国际电信联盟(InternationalTelecommunicationUnion,ITU)的方法，不超过7000km的路径可进行射线路径分析，超过9000km的路径使用从拟合到测量数据的组合模经验公式，7000~9000km距离范围内则是两种方法的平滑过渡[1].

　　2009年何昉等[2]提出了一种精确的计算电离层吸收衰减的方法，仿真分析了吸收衰减与电波频率、仰角的关系.2019年王红光等[3]提出了基于电磁波传播的抛物方程，计算电离层短波链路衰减的方法.对于电离层吸收衰减的计算，大部分公开文献使用了ITU半经验方法，对于电子碰撞模型方法，文献中仅介绍了其中一种电子碰撞模型的仿真，无试验数据.缺乏ITU半经验方法与电子碰撞模型方法预测吸收衰减的对比分析及试验验证.本文针对近距离(大圆距离400km以内)天波链路，利用半经验模型和电子碰撞模型计算得到电离层吸收衰减，并进行仿真与试验验证，对比分析了各方法的准确性.

　　1三维射线追踪方法

　　射线追踪技术把波场的能量近似为沿着射线传播，用光学的处理方法来简化处理波场问题，已被广泛应用于电波传播领域.首先利用中国参考电离层(chinesereferenceionosphere,CRI)模型和质谱仪非相干散射2000模型(massspectrometerincoherentscatter2000models,MSISE00)构建电离层背景和大气背景.CRI为基于可用数据源建立电离层的经验模型，对于给定的位置、时间和日期，CRI模型可提供电离层高度范围内电子密度、电子温度、离子温度等参数的月平均值.

　　电离层的中性气体成分参数由MSISE00大气模型使用质谱仪、非相干散射雷达、轨道及加速度探测数据、探空火箭等获取的数据，采用最小二乘法进行数据拟合得到.MSISE00大气模型以F10.7为太阳活动影响参数，以Ap指数为地磁作用影响参数.同时与IRI电离层模型一样，MSISE00大气模型受经纬度、季节、地方时等影响.对于给定的位置、时间和日期，MSISE00模型提供对应时间、位置中性成分的浓度.

　　2电离层吸收衰减模型

　　2.1半经验模型

　　电离层吸收衰减的半经验模型是根据大量的试验数据得出的.对于天波多跳传播路径，2019版的ITU-RP.533-14报告[1]提供了点对点短波电离层反射链路吸收衰减的半经验模型，La(dB)为大圆距离7000km以内m个控制点的天波n跳吸收衰减，控制点是根据300km的一个固定反射高度和90km控制高度(每跳有两个控制点)决定的.2.2电子碰撞模型电离层吸收衰减是指电波通过电离层时，波的电矢量引起电子运动，电子同中性粒子及正离子发生碰撞，部分能量转移到中性分子，最终变成热能，从而引起的电波振幅的吸收衰减.

　　对于短波天波传播，发生在D层的吸收衰减为非偏移吸收衰减，发生在E层或F层的吸收衰减为偏移吸收衰减，因为D层内中性分子较多，碰撞衰减较大，所以非偏移吸收衰减较大;而发生在E层或F层的偏移吸收衰减很小(≤1dB)，一般可以忽略，所以电离层吸收衰减主要指发生在D层的非偏移吸收衰减.本文由折射指数的路径积分推导得到电子碰撞吸收衰减.

　　3仿真实验

　　利用IRI模型和MSISE00大气模型生成一个以新乡(35.30°N，113.93°E)为圆心，半径800km，圆心角4°，高度400km的正南方向扇形区域的电离层环境和大气环境.以0高度圆心为发射点进行三维射线追踪，设置射线方向是正南;电波频率为1~10MHz，间隔为0.1MHz;电波出射仰角为40°~90°，间隔为1°.在生成的所有链路中，找到所有可以到达地面的链路.选用一组典型值来三维展示射线电波频率-出射仰角-大圆距离-电离层吸收衰减的关系.

　　4试验验证

　　2020年9月下旬(R12=6)在北半球中纬度地区开展了多组短波电台通信试验，验证近距离天波电离层吸收衰减预测.其中该试验系统的天线增益根据出射仰角、电波频率由天线方向图计算.系统损耗根据该试验系统的工程经验计算得出，误差≤1dB.序号1~9对应的试验时间分别为：26日15：30、27日10：30、27日17：00、25日10：30、25日15：30、26日10：30、28日15：30、29日10：30、29日15：30和29日19：00.根据全部测试试验结果及对应时间、收发站位置的不同，预测方法得到的仿真预测值统计结果.

　　仿真了各个时间点1~10MHz，0.1MHz步进，出射仰角40~90°，1°步进的电波射线路径，统计的预测值最大频率(maximumfrequency,MF)、最小频率(lowestfrequency,LUF)根据实测的最大可用频率(maximumusablefrequency,MUF)、最小可用频率(lowestusablefrequency,LUF)选取，选择有实测数据的部分频段，仿真值频段略宽于实测值频段.在选取的仿真频段内，利用射线追踪可到达大圆距离D的频点个数即为仿真值的数据量.在D处无落点但在D的前后均有落点的频率，认为该频率可到达D，根据前后落点射线计算该射线相关参数.

　　电力论文投稿刊物：电波科学学报(双月刊)创刊于1986年，是中国科协主管、中国电子学会主办、中国电波传播研究所承办的国内外公开发行的学术性刊物。始终把反映我国电波科学事业发展最新水平，繁荣和推动我国电波科学事业的进步，促进国内外电波科学领域的学术与成果交流，攀登世界科技选进水平作为办刊的宗旨和奋斗目标，它被电波科学界公认为"是国内电波科学权威性的刊物"。

　　5结论

　　本文针对天波链路的电离层吸收衰减，利用ITU提供的半经验模型和三种电子碰撞模型进行了预测值的仿真分析与试验验证，仅从试验结果来看日间两种模型性能差异不大，而日落期利用电子碰撞模型预测得到的电离层吸收衰减优于以往采用的ITU半经验模型;在可用频段的较大频率处，实测值更接近电子碰撞模型.仿真与试验均证实三种电子碰撞模型预测值相近，根据实际可获得大气中性成分数据.对于吸收衰减的准确预测是短波通信与侦察总衰减预测、场强预测、信噪比预测等的必要基础和关键环节.电子碰撞模型是基于试验场景的，若试验区域可获得的电离层环境和大气环境数据准确度提高，则电子碰撞模型预测准确度也可以提高.而ITU半经验模型是基于大量实验数据的统计结果，对于未统计到的某些区域、某些时间可能会存在比较大的误差.

　　参考文献：

　　[1]InternationalTelecommunicationUnion.RecommendationITU-RP.533-14methodforthepredictionoftheperformanceofHFcircuits[S].Geneva:ITU,2019.

　　[2]何昉,赵正予.电离层对高频电波吸收衰减的影响研究[J].电波科学学报,2009,24(4):720-723.HEF,ZHAOZY.Ionosphericlossofhighfrequencyradiowavepropagatedintheionosphericregions[J].Chinesejournalofradioscience,2009,24(4):720-723.(inChinese)

　　[3]王红光,张利军,孙方,等.基于抛物方程的短波电离层传播数值模拟研究[J].电波科学学报,2019,34(5):545-551.WANGHG,ZHANGLJ,SUNF,etal.NumericalsimulationofionosphericpropagationlossatHFbasedonparabolicequation[J].Chinesejournalofradioscience,2019,34(5):545-551.(inChinese)

　　作者：王严1李雪1尹文禄2蔚娜1娄鹏1