本發(fā)明屬于短波信道模型仿真計(jì)算領(lǐng)域，特別涉及該領(lǐng)域中的一種基于射線追蹤算法和its模型的寬帶短波信道仿真計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

1、短波和衛(wèi)星是兩種重要的通信手段，與衛(wèi)星通信相比，短波通信有很多優(yōu)勢，比如建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用低、設(shè)備簡單、機(jī)動靈活以及抗摧毀能力強(qiáng)等，因此在軍事通信領(lǐng)域占據(jù)重要地位。短波通信主要利用天波通過電離層反射傳播，不需要使用中繼站就能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。同時，由于電離層的開放性和不可毀滅性，與電纜、光纜、衛(wèi)星等通信手段相比，短波通信在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信的過程中占有很大優(yōu)勢。短波通信的組網(wǎng)方式非常方便、快速，機(jī)動性很強(qiáng)，抵抗自然災(zāi)害和戰(zhàn)爭毀滅的能力比較強(qiáng)，而且設(shè)備的體積較小，頻率的改動非常方便，可以有效避開人為干擾，恢復(fù)能力強(qiáng)。

2、實(shí)際應(yīng)用過程中，短波信號傳播區(qū)域覆蓋了不同區(qū)域電離層的各種不均勻體結(jié)構(gòu)，已有基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜔o法解決短波信號傳播的高精度預(yù)測問題。在短波傳播鏈路計(jì)算過程中，利用這些模型計(jì)算時往往存在較大的誤差，在工程應(yīng)用中存在各種不足之處。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就是針對短波信號傳播問題，考慮傳播路徑上不同緯度地區(qū)電離層對短波信號的影響，提供一種基于射線追蹤算法和its模型的寬帶短波信道仿真計(jì)算方法。

2、本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種基于射線追蹤算法和its模型的寬帶短波信道仿真計(jì)算方法，其改進(jìn)之處在于，包括如下步驟：

4、步驟1，設(shè)定發(fā)射點(diǎn)位置、接收點(diǎn)位置的地理經(jīng)緯度信息；

5、步驟2，利用電離層背景模型計(jì)算電離層電子密度及其在各方向的變化梯度：對于緯度小于等于60°的中低緯度地區(qū)采用國際參考電離層iri模型計(jì)算三維電子密度分布，對于緯度大于60°的高緯度及極區(qū)采用echarm模型計(jì)算三維電子密度分布；

6、步驟3，利用三維射線追蹤算法計(jì)算短波信號在收發(fā)點(diǎn)位置之間傳播的傳播參數(shù)，包括最小時延、最大時延、平均時延和多普勒頻移；

7、步驟4，以三維射線追蹤算法計(jì)算得到的傳播參數(shù)或者試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的傳播參數(shù)為輸入，根據(jù)its模型獲得短波信道的沖擊響應(yīng)函數(shù)。

8、進(jìn)一步的，所述步驟3具體為：

9、步驟31，根據(jù)設(shè)置的發(fā)射點(diǎn)位置xa，ya和接收點(diǎn)位置xb，yb，計(jì)算發(fā)射點(diǎn)位置到接收點(diǎn)位置的方位角β：

10、計(jì)算兩點(diǎn)之間的坐標(biāo)差δx＝xa-xb,δy＝y(tǒng)a-yb，如果δx>0,δy>0，則β＝arctg(δy/δx)；如果δx<0,δy>0，則β＝180°-arctg(δy/δx)；如果δx<0,δy<0，則β＝180°+arctg(δy/δx)；如果δx>0,δy<0，則β＝360°-arctg(δy/δx)；

11、步驟32，利用三維射線追蹤算法計(jì)算射線的傳播路徑：

12、

13、上式中，ω為入射波頻率，c為光速，r,θ和為球坐標(biāo)系中射線路徑坐標(biāo)，kr,kθ和為波矢在球坐標(biāo)系中的分量，p'為射線群路徑，δf為多普勒頻移，t為時間，h為哈密頓算子：

14、

15、上式中，n為電離層折射指數(shù)：

16、

17、上式中，m為電子質(zhì)量，e為電子電量，bl為地磁場在電磁波傳播方向的投影，bt為地磁場在垂直于電磁波傳播方向的投影，n為電子密度，“+”為尋常波，“-”為非尋常波，ε0為真空介電常數(shù)；

18、步驟33，根據(jù)步驟31的計(jì)算結(jié)果設(shè)置方位角，并設(shè)置群路徑計(jì)算步長、仰角范圍、仰角步長；

19、步驟34，根據(jù)以上步驟計(jì)算指定頻率不同仰角情況下的射線路徑，得到最大時延、最小時延、平均時延和多普勒頻移，時延t的計(jì)算方法為：

20、t＝p'/c

21、上式中，c為光速。

22、進(jìn)一步的，所述步驟4具體為：

23、步驟41，its模型的結(jié)構(gòu)是以時變信道脈沖響應(yīng)的形式來描述的，該時變脈沖響應(yīng)定義為時間t和時延變量τ的函數(shù)，其表達(dá)式為：

24、

25、上式中，n＝1,2,…n表示多徑模式，hn(t,τ)代表第n條短波傳播路徑的沖激響應(yīng)，包括三個部分：隨機(jī)調(diào)制函數(shù)ψn(t,τ)、確定相位函數(shù)dn(t,τ)和延遲功率剖面函數(shù)pn(τ)；

26、步驟42，隨機(jī)調(diào)制函數(shù)仿真：

27、使用正弦波疊加法來構(gòu)建寬帶信道模型中的隨機(jī)調(diào)制函數(shù)；

28、步驟43，確定相位函數(shù)仿真：

29、確定相位函數(shù)定義為：

30、

31、根據(jù)歐拉公式：

32、d(t,τ)＝cos2π[fs+b(τ-τc)]t+jsin2π[fs+b(τ-τc)]t

33、寫成離散的形式為：

34、

35、上式中，τ是時延變量；τc是功率峰值對應(yīng)的時延；τl是功率為接收門限時的延遲下限，b是相對于τ的多普勒頻移變化率；fs是τ＝τc時的多普勒頻移，fsl表示在τ＝τl時的多普勒值，fts表示信道的采樣頻率；

36、步驟44，延遲功率剖面仿真：

37、延遲功率剖面函數(shù)的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型為：

38、

39、上式中，a是接收信道的功率峰值，α表示延遲功率剖面曲線形狀的參數(shù)；γ(·)為伽馬分布函數(shù)；τ是時延變量；τc是功率峰值對應(yīng)的時延，δ控制時延擴(kuò)展的寬度。

40、本發(fā)明的有益效果是：

41、本發(fā)明所公開的方法，實(shí)現(xiàn)了寬帶短波信道仿真計(jì)算，得到的短波信道模型考慮了電離層引起的短波信號時延、多普勒擴(kuò)展效應(yīng)，可以仿真計(jì)算全球任意區(qū)域短波鏈路信道。

技術(shù)特征：

1.一種基于射線追蹤算法和its模型的寬帶短波信道仿真計(jì)算方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于射線追蹤算法和its模型的寬帶短波信道仿真計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟3具體為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于射線追蹤算法和its模型的寬帶短波信道仿真計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟4具體為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于射線追蹤算法和ITS模型的寬帶短波信道仿真計(jì)算方法，包括如下步驟：步驟1，設(shè)定發(fā)射點(diǎn)位置、接收點(diǎn)位置的地理經(jīng)緯度信息；步驟2，利用電離層背景模型計(jì)算電離層電子密度及其在各方向的變化梯度；步驟3，利用三維射線追蹤算法計(jì)算短波信號在收發(fā)點(diǎn)位置之間傳播的傳播參數(shù)，包括最小時延、最大時延、平均時延和多普勒頻移；步驟4，以三維射線追蹤算法計(jì)算得到的傳播參數(shù)或者試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的傳播參數(shù)為輸入，根據(jù)ITS模型獲得短波信道的沖擊響應(yīng)函數(shù)。本發(fā)明所公開的方法，實(shí)現(xiàn)了寬帶短波信道仿真計(jì)算，得到的短波信道模型考慮了電離層引起的短波信號時延、多普勒擴(kuò)展效應(yīng)，可以仿真計(jì)算全球任意區(qū)域短波鏈路信道。

技術(shù)研發(fā)人員：班盼盼,孫樹計(jì),徐彤,孫鳳娟,陳春,胡艷莉,胡冉冉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國電波傳播研究所（中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/7