電離層參數日變化對短波天波傳播距離的影響

摘要：為研究電離層參數的日變化規律對短波天波傳播距離的影響，采用IRI模型對電離層參數一天內的變化進行仿真計算和特性分析，并利用射線追蹤技術進行了不同電子濃度廓線環境下的天波射線軌跡計算，分析了射線單跳距離的日變化特性。統計分析表明：電離層電子濃度廓線在一天內會隨著日出、日落表現出現明顯變化。其中，從拂曉時分到下午的時間段內，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/m3達到2.4×1012個/m3，臨界頻率從6MHz達到14MHz左右，而F層的峰值高度在中午達到最高可至約410m，早晨最低至250m左右。電離層劇烈的日變化導致天波的單跳距離產生大范圍波動，變化范圍可從1000～3500km。分析結果可為依賴于天波傳播的通信和雷達等裝備的工作參數選擇及裝備使用效率的提升提供量化參考。

關鍵詞：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，可利用電離層反射實現遠距離傳輸。相比于甚高頻、特高頻等通信頻段在直線傳播時受到地球曲率影響，距離受限的不利因素，短波天波通信提供了一種易于實現的超視距通信方式。雖然短波天波通信受電離層的時空特性變化影響極大，但是近年來隨著高頻自適應通信系統的使用，短波通信的可靠性得到極大提升，天波傳播仍廣泛應用于短波遠距離通信中[1]。

天波傳播和電離層的關系非常密切，作為天波信號的反射媒介，電離層的特性參數隨時間、空間不斷變化，導致天波路徑損耗隨晝夜、頻率、地點而不斷變化。為了保障遠距離通信的可靠性，準確的了解電離層環境參數的變化規律，明確電離層電子濃度分布特性，對天波傳播單跳距離的評估預測有著至關重要的作用。

二、電離層參數分布變化特性

電離層為色散介質，其折射指數主要與電波頻率和電子濃度有關，并且會隨時間、空間等地球物理條件發生大尺度變化。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水平、季節、地方時、地理緯度等存在復雜的變化。電子濃度隨不同太陽活動水平、季節、地方時、地理緯度等存在復雜的變化。通常具有以下特點：

1.太陽活動高年的電子濃度大于太陽活動低年。

2.白天的電子濃度大于夜間。

3.對季節變化而言，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域。中緯度（25°～50°）具有電離層的典型特征。高緯度地區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。

根據電子濃度隨高度分布的特點，將電離層分為五個區域，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算

目前，求解基于費爾馬原理的射線微分方程是計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，利用六個微分方程分步求解射線到達的地理位置參數，將這些點連接起來即可得到球坐標系中的短波軌跡。本文利用快速射線追蹤算法實現天波傳播軌跡的計算。

地面向空中發射天波信號，信號首先經過對流層，此時可以將射線看作直線傳播，利用幾何關系直接計算。進入電離層后，則采用變步長技術，利用球坐標下的射線方程進行準確快速計算。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主要涉及群路徑步長dP'的取值問題。dP'的取值越小，計算的結果越精確，但計算量和計算時間將成倍增加。為了在計算精度和計算量之間取得平衡，引入了變步長技術。考慮到在射線追蹤計算過程中，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的調整群路徑步長 [7，8]：

四、仿真結果分析

國際參考電離層（International Reference Ionosphere， IRI）模型是目前國際上應用最為廣泛，最為重要的經驗電離層模型之一[9]。該模型依據大量的地面觀測資料和多年累積的電離層研究成果建立，以統計預報的形式反映平靜電離層的平均狀態，能夠較好地反映出電離層介質的時空變化特性，并給出全球電離層的相關參數。

利用IRI模型，獲得海口地區在太陽活動高年夏季的一天內6個時刻的電子濃度廓線計算結果如圖4。

從圖4可以清楚地看出電子濃度的日夜變化規律：日出之后，電子濃度不斷增加，到正午稍后時分達到最大值，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重新復合成為中性氣體分子，D層由于這種復合而消失;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。到拂曉時各層的電子濃度達到最小。一日之內，在黎明和黃昏時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小時內的變化曲線：

五、結束語

短波通信系統構造簡單，在遠距離尤其是超視距通信領域大量應用。隨著糾錯編解碼、自適應頻率選擇、組網通信等技術的發展，短波通信呈現出旺盛的生命力。但是電離層復雜多變的時空變化特性仍是影響短波天波傳輸時傳播性能的最大因素，通過對電離層環境參數變化規律的研究和預測，有針對性地對短波通信的工作頻率、發射仰角、工作時段和通信位置等進行規劃和調整，對提高短波通信系統的使用性能具有重要意義。

作者單位：李阜東? ? 中國西南電子技術研究所

參? 考? 文? 獻

[1]宋錚，張建華，黃冶.天線與電波傳播[M] .西安電子科技大學出版，2003.7.

[2] 劉瑞源，權坤海，戴開良等.國際參考電離層用于中國地區時的修正計算方法[J].地球物理學報，1994，37（4）：422-431.

[3] 郵電部北京設計院. 電信工程設計手冊（短波通信）[M] . 北京： 人民郵電出版社， 1991： 50-174.

[4] 胡繪斌.預測復雜環境下電波傳播特性的算法研究[D].長沙：國防科學技術大學，2006.

[5] 孫方，康士峰，趙振維，等.快速算法實現電離層短波射線追蹤[J].通信技術，2010，43（7）：14-16.

[6] 郭杰，于大鵬，雷雪，等.基于數值射線追蹤的短波電離層傳播軌跡研究[J].通信技術，2008，41（4）：33-35

[7] 柳文，焦培南，王世凱，等.電離層短波三維射線追蹤及其應用研究[J].電波科學學報，2008，23（1）：41-48

[8] 周向春，謝樹果，趙正予.變步長技術在電離層射線追蹤中的應用[J].武漢大學學報，2001，47（3）：355-358

[9] Bilitza D，Reinisch B W. International reference ionosphere 2007： improvements and new parameters[J].Advances in Space Research，2008，42： 599-609.