电信技术论文_预测大区域复杂环境低频地波传播(2)
7 总结与展望
7.1 全文工作总结
7.2 后续工作展望
致谢
参考文献
攻读博士学位期间取得的研究成果及承担的科研项目
文章摘要:低频无线电导航系统是国家定位、导航与授时(Position,Navigation,and Timing,PNT)体系的重要组成部分,是弥补卫星导航系统抗干扰能力差、信号强度弱、水下及遮蔽环境无法使用等不足的首选方法。当前,制约低频无线电导航系统精度提高的关键是传播时延的预测水平。在现有的低频地波传播预测理论方法中,抛物方程(Parabolic Equation,PE)方法因其在大区域复杂环境电磁预测方面具有其他方法无法比拟的高精度与快速度优势,被引入到低频地波传播应用中。但是,随着PE方法在低频地波传播应用中的深入,其自身的不足也逐渐显现,主要包括:最优PE形式判定依据存在局限性、不能模拟障碍物对电波的双向传播过程、无法考虑有耗媒质对脉冲信号的色散效应、难以分析源区复杂环境对无线电覆盖的影响等。为此,针对上述诸多不足,深入开展复杂环境低频地波传播特性预测的PE方法研究,实现一套高效、高精度的低频地波传播预测PE方法,对掌握大区域复杂环境低频地波传播特性以及提高低频无线电导航系统服务精度具有重要意义和应用价值。本文的研究内容和创新点如下:1.提出了一种评估变换坐标系PE精度的色散方法,探明了移位变换模型上能够使用分布傅里叶变换(Split-Step Fourier Transform,SSFT)求解算法的最优PE方法,首次给出了变换坐标系最优PE方法选取的理论依据。通过将变换坐标系平面波解代入变换坐标系PE形式中,推导出几种典型变换坐标系PE形式的色散关系。首次评估得出变换坐标系中Padé型PE的精度总是优于Taylor型PE,Barrios和Donohue-Kuttler型PE的精度不相上下,且仅在阳坡坡度约17o以内和阴坡坡度约5o以内优于Taylor型PE,并确定了Taylor型PE为移位变换模型上能够使用SSFT数值求解算法的最优PE形式。以经典理论方法结果为参考,分析了最优PE方法在低频地波应用中的局限性,明确了最优PE方法的适用条件。此外,基于实测数据验证了最优PE方法在长距离复杂传播路径预测的有效性。2.针对陡峭地形传播路径,提出了一种改进双向PE(Two-Way PE,2W-PE)方法。该方法通过将传统2W-PE方法中处理不规则地形的阶梯地形模型修改为阶梯地形模型和移位变换模型相结合的方式,提高了传统2W-PE方法的前向和后向预测精度,同时保留了传统2W-PE方法的高效率优势,可实现对长距离陡峭地形传播路径的高精度快速预测。以时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)方法结果为参考,分析了两种2W-PE方法在单个山峰和多个山峰之间的预测性能,给出了两种2W-PE方法的适用范围。3.提出了两种适用于不同源区环境的混合时域PE(Time-Domain PE,TDPE)方法——源区平坦平地面公式(Flat-Earth Formula,FEF)-TDPE方法和源区复杂FDTD-TDPE方法,通过将方法之间优势互补,弥补了传统TDPE方法在短距离高仰角传播预测精度差的缺点,提高了传统TDPE方法的预测精度,形成了对大区域低频脉冲地波传播特性的高精度快速预测能力。在此基础上,分析了罗兰-C信号的时域传播特性,明确了有耗媒质表面对罗兰-C信号的色散效应影响。研究了源区复杂环境对罗兰-C信号辐射特性的影响,首次给出了罗兰-C发射台站选址建议的理论依据。另外,利用实测数据验证了两种混合TDPE方法在实际复杂传播路径预测的有效性。4.提出采用PE方法预测大气折射率空时变化及大地电导率时间变化的地波传播问题,揭示了大气折射率空时变化及大地电导率时间变化对低频地波传播特性的影响规律与影响程度,进一步完善了低频地波传播特性理论。分析了大气折射率的空时变化特性与规律和大地电导率时变特性产生因素及其作用机理,以及两者中各因素变化对低频地波传播特性的影响。研究表明,大气折射率空时变化及大地电导率时间变化对场强的影响几乎可以忽略不计,但对于相位,在1000km的传播距离处,大气折射率的空间变化和时间变化分别可引起百纳秒量级和数十纳秒量级的相位误差,而大地电导率时间变化所引起的相位误差可达百纳秒量级。
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项目基金:文章来源:《电波科学学报》 网址: http://www.dbkxxbzz.cn/qikandaodu/2021/1028/728.html