电离层参数日变化对短波天波传播距离的影响

摘要：为研究电离层参数的日变化规律对短波天波传播距离的影响，采用IRI模型对电离层参数一天内的变化进行仿真计算和特性分析，并利用射线追踪技术进行了不同电子浓度廓线环境下的天波射线轨迹计算，分析了射线单跳距离的日变化特性。统计分析表明：电离层电子浓度廓线在一天内会随着日出、日落表现出现明显变化。其中，从拂晓时分到下午的时间段内，对短波天波影响最大的F层最大电子浓度范围可从约4×1011个/m3达到2.4×1012个/m3，临界频率从6MHz达到14MHz左右，而F层的峰值高度在中午达到最高可至约410m，早晨最低至250m左右。电离层剧烈的日变化导致天波的单跳距离产生大范围波动，变化范围可从1000～3500km。分析结果可为依赖于天波传播的通信和雷达等装备的工作参数选择及装备使用效率的提升提供量化参考。

关键词：电离层;国际参考电离层模型;电子浓度;短波;射线追踪;单跳距离

一、引言

短波通常是指频率为3～30MHz的无线电波，其波长为10～100m，可通过地波和天波形式传播。其中地波绕射能力差，有效传播距离有限，但以天波形式传播时，可利用电离层反射实现远距离传输。相比于甚高频、特高频等通信频段在直线传播时受到地球曲率影响，距离受限的不利因素，短波天波通信提供了一種易于实现的超视距通信方式。虽然短波天波通信受电离层的时空特性变化影响极大，但是近年来随着高频自适应通信系统的使用，短波通信的可靠性得到极大提升，天波传播仍广泛应用于短波远距离通信中[1]。

天波传播和电离层的关系非常密切，作为天波信号的反射媒介，电离层的特性参数随时间、空间不断变化，导致天波路径损耗随昼夜、频率、地点而不断变化。为了保障远距离通信的可靠性，准确的了解电离层环境参数的变化规律，明确电离层电子浓度分布特性，对天波传播单跳距离的评估预测有着至关重要的作用。

二、电离层参数分布变化特性

电离层为色散介质，其折射指数主要与电波频率和电子浓度有关，并且会随时间、空间等地球物理条件发生大尺度变化。电离层电子浓度随高度的分布（即电子浓度高度剖面）是电离层最基本的特征参量，并且随不同太阳活动水平、季节、地方时、地理纬度等存在复杂的变化。电子浓度随不同太阳活动水平、季节、地方时、地理纬度等存在复杂的变化。通常具有以下特点：

1.太阳活动高年的电子浓度大于太阳活动低年。

2.白天的电子浓度大于夜间。

3.对季节变化而言，春秋季电子浓度大于冬季，冬季大于夏季。

4.从地理纬度来看，低纬（0°～25°）电子浓度明显大于其它区域。中纬度（25°～50°）具有电离层的典型特征。高纬度地区电子浓度相对中纬下降，但在纬度60°～70°附近存在最小值。

电离层的电子浓度一般在200～400km之间达到最大值，最大电子浓度一般为10¹¹～10¹²/m³。在60～70km处最小，一般为10⁸～10⁹/m³。

根据电子浓度随高度分布的特点，将电离层分为五个区域，分别为D层、E层、F₁层、F₂层，以及顶层[2]，见图2。

除顶部外，D、E、F层对短波传播具有重要作用，各层主要特征如下表[3]：

三、短波天波传播轨迹计算

目前，求解基于费尔马原理的射线微分方程是计算电离层短波射线轨迹的常用方法。该方法以群路径步长作为自变量，利用六个微分方程分步求解射线到达的地理位置参数，将这些点连接起来即可得到球坐标系中的短波轨迹。本文利用快速射线追踪算法实现天波传播轨迹的计算。

地面向空中发射天波信号，信号首先经过对流层，此时可以将射线看作直线传播，利用几何关系直接计算。进入电离层后，则采用变步长技术，利用球坐标下的射线方程进行准确快速计算。在电离层段，以群路径P'为自变量的射线方程可描述为[6]：

上述射线方程求解时主要涉及群路径步长dP'的取值问题。dP'的取值越小，计算的结果越精确，但计算量和计算时间将成倍增加。为了在计算精度和计算量之间取得平衡，引入了变步长技术。考虑到在射线追踪计算过程中，主要影响因素是沿射线路径的等离子体频率梯度，因此可按下式通过等离子体频率梯度自适应的调整群路径步长 [7，8]：

四、仿真结果分析

国际参考电离层（International Reference Ionosphere， IRI）模型是目前国际上应用最为广泛，最为重要的经验电离层模型之一[9]。该模型依据大量的地面观测资料和多年累积的电离层研究成果建立，以统计预报的形式反映平静电离层的平均状态，能够较好地反映出电离层介质的时空变化特性，并给出全球电离层的相关参数。

利用IRI模型，获得海口地区在太阳活动高年夏季的一天内6个时刻的电子浓度廓线计算结果如图4。

从图4可以清楚地看出电子浓度的日夜变化规律：日出之后，电子浓度不断增加，到正午稍后时分达到最大值，之后又逐渐减小。夜间由于没有阳光照射，有些电子和正离子就会重新复合成为中性气体分子，D层由于这种复合而消失;E层仍然存在，但其高度比白天低，电子浓度比白天小;F1层和F2合并成为F层且电子浓度下降。到拂晓时各层的电子浓度达到最小。一日之内，在黎明和黄昏时分电子浓度变化最快。

以下给出F₂层的最大电子浓度N_mF₂在一天24小时内的变化曲线：

五、结束语

短波通信系统构造简单，在远距离尤其是超视距通信领域大量应用。随着纠错编解码、自适应频率选择、组网通信等技术的发展，短波通信呈现出旺盛的生命力。但是电离层复杂多变的时空变化特性仍是影响短波天波传输时传播性能的最大因素，通过对电离层环境参数变化规律的研究和预测，有针对性地对短波通信的工作频率、发射仰角、工作时段和通信位置等进行规划和调整，对提高短波通信系统的使用性能具有重要意义。

作者单位：李阜东    中国西南电子技术研究所

参  考  文  献

[1]宋铮，张建华，黄冶.天线与电波传播[M] .西安电子科技大学出版，2003.7.

[2] 刘瑞源，权坤海，戴开良等.国际参考电离层用于中国地区时的修正计算方法[J].地球物理学报，1994，37（4）：422-431.

[3] 邮电部北京设计院. 电信工程设计手册（短波通信）[M] . 北京： 人民邮电出版社， 1991： 50-174.

[4] 胡绘斌.预测复杂环境下电波传播特性的算法研究[D].长沙：国防科学技术大学，2006.

[5] 孙方，康士峰，赵振维，等.快速算法实现电离层短波射线追踪[J].通信技术，2010，43（7）：14-16.

[6] 郭杰，于大鹏，雷雪，等.基于数值射线追踪的短波电离层传播轨迹研究[J].通信技术，2008，41（4）：33-35

[7] 柳文，焦培南，王世凯，等.电离层短波三维射线追踪及其应用研究[J].电波科学学报，2008，23（1）：41-48

[8] 周向春，谢树果，赵正予.变步长技术在电离层射线追踪中的应用[J].武汉大学学报，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.