昼夜过渡区低频一跳天波中不同模式区分及特性分析

昼夜混合路径条件下低频天波传播特性的研究对导航授时系统中应用模式拓展及低电离层参数反演均具有重要的研究意义.本文以地—电离层中100 kHz载频罗兰-C信号的时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)仿真为前提,基于传统的过零检测和快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)/逆快速傅里叶变换(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)频谱相除算法,对昼夜混合信道(传播路径为东西取向)中地面接收的一跳天波进行模式区分及特性分析.给出了在白天至夜晚、夜晚至白天两种突变电离层下罗兰-C一跳天波中不同模式随收发距离的变化规律,同时给出了模式干涉区域优势场量的分布情况.结果表明,对于昼夜混合模型,一跳天波中存在来自不同高度及昼夜突跳边界反射的多种模式,基于传统方法检测的幅度相位存在不稳定干涉效应,模式界定困难,而基于FFT/IFFT频谱相除算法能够将主要模式进行细化区分,从而获得更高精度、更平稳的模式特性.

低频多跳天波时延估计算法比较

低频天波传播时延的准确预测对其在远程导航授时中的应用潜力挖掘具有重要意义.为了获得地-电离层波导中低频多跳天波模式的传播时延特性,同时验证典型多径时延估计算法在不同信道环境下的作用性能,文中首先采用时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)电磁计算方法对不同电离层反射情况下的距发射台400 km处地面接收的低频天地波耦合总场进行正演预测,然后分别基于快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)/快速傅里叶逆变换(inverse fast Fourier transform,IFFT)频谱相除、多重信号分类(multiple signal classification,MUSIC)和旋转不变技术信号参数估计(estimating signal parameters via rotational invariance techniques,ESPRIT)三种算法对电磁场数值预测结果进行后处理,解耦得到不同模式(地波、一跳天波、二跳天波、三跳天波及四跳天波)的时延,并在此基础上分析比较了无噪声和信噪比(signal-noise ratio,SNR)为0 dB、-5 dB以及-10 dB情况下三种算法对多跳天波的时延估计结果.结果表明,波跳次数越高,算法的检测能力越差.对于文中所模拟的信道条件,在弱噪声(SNR=0 dB)、电离层强反射时,FFT/IFFT算法结果精度最高,时延误差不超过400 ns;而在强噪声(SNR=-10 dB)、电离层弱反射时,ESPRIT算法稳定性最好,误差范围在5μs以内.