[发明专利]一种实测数据驱动的电离层法拉第旋转效应估计方法

权利要求书

1.一种实测数据驱动的电离层法拉第旋转效应估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A，输入无线电信号的发射点位置和接收点位置，计算信号的传播路径：

步骤A1，将发射点位置和接收点位置的纬度、经度和高度坐标转换为空间直角坐标，分别标记为(X₀,Y₀,Z₀)和(X₁,Y₁,Z₁)，转换表达式为：

其中R_e为地球半径，e²＝0.00669437999013；

步骤A2，将信号发射点位置和接收点位置转换为站心直角坐标(N,E,U)，转换表达式为：

T为旋转矩阵，计算方法如下：

分别表示发射点的经度和纬度坐标；

步骤A3，计算发射点和接收点间的仰角E，计算表达式为：

步骤A4，计算发射点和接收点间的方位角A，计算表达式为：

步骤A5，计算发射点和接收点间电波传播路径上，高度为h处网格点的经纬度坐标计算公式如下：

ψ₀为发射与接收点间的地心夹角，计算公式如下：

h₀表示发射点的高度坐标；

步骤B，利用全球电离层TEC地图分布，插值得到信号传播路径上的垂直总电子含量TEC：

步骤B1，从互联网下载全球电离层TEC地图；

步骤B2，输入信号传播路径上网格点的地理坐标查找其四个相邻网格点的起始和终止纬度坐标起始和终止经度坐标(λ₁,λ₂)；

步骤B3，计算归一化的经度变量和纬度变量(x_h,y_h)，计算方法如下：

式中：Δλ_h＝λ_h-λ₁，

步骤B4，插值得到信号传播路径上的全部坐标点处的垂直总电子含量TEC，计算方法如下：

W₁(x,y)＝f(x,y)

W₂(x,y)＝f(1-x,y)

W₃(x,y)＝f(1-x,1-y)

W₄(x,y)＝f(x,1-y)

W(x,y)＝f(x,y)＝x²y²(9-6x-6y+4xy)

I为待求点的垂直电离层TEC，W_i(x_h,y_h)为Junkins加权函数，i为网格点的编号；表示网格点的垂直电离层TEC；

步骤C，利用信号传播路径上的实测TEC数据驱动电离层模型，计算传播路径上的电子密度：

步骤C1，提取传播路径上任意点对应的地理纬度、经度和电离层总电子含量，记为j为对应的网格点编号，λ_j分别为第j个网格点对应纬度和经度；

步骤C2，利用NeQuick模型计算对应穿刺点的电离层总电子含量，记为

步骤C3，计算观测值与模型值两者的差值dI_j，公式表达为：

ER_j为第j个穿刺点上NeQuick模型的等效太阳辐射活动指数；

步骤C4，调整NeQuick模型中的等效太阳辐射活动指数，并重新输出相应模型的电离层估计值I_MOD，直到搜索到满足下式的ER参量，将其标记为optER并保存，搜索公式如下：

式中，Num为观测样本的个数，ER_min表示ER搜索时取的最小值，ER_max表示ER搜索时取的最大值；

步骤C5，将搜索到的等效太阳辐射活动指数输入到NeQuick模型中，驱动NeQuick模型计算得到更新后的电离层电子密度n_e；

步骤D，利用国际参考地磁场模型IGRF，计算传播路径上的地磁场强度：

步骤D1，利用国际参考地磁场模型IGRF，计算NED坐标系下信号传播路径上的地磁场强度和方向，包括北向磁场强度分量X、东向磁场强度分量Y和垂直向磁场强度分量Z；

步骤D2，计算地磁场总强度B，公式如下：

步骤D3，将磁场分量从NED坐标转换为站心直角坐标(N,E,U)，坐标系转换方法为：

步骤D4，将磁场分量从NEU坐标转换为ECEF地心地固坐标(X_B,Y_B,Z_B)；

步骤E，利用复合辛普森数值积分法，计算电离层法拉第旋转角：

步骤E1，计算波传播方向矢量与磁场方向矢量的夹角θ，采用矢量夹角公式计算：

(X_los,Y_los,Z_los)表示电波传播方向矢量；

步骤E2，计算传播路径上任意网格点的法拉第旋转角积分量f(p)，计算方法如下：

n_e(p)是位置p处的电子密度，c＝3×10⁸m/s是自由空间中的光速，e＝1.602×10^-19C是基本电荷，m_e＝9.109×10^-31kg是电子质量，f是入射无线电波的频率，ε₀＝8.854×10^-12C²/N·m²是自由空间的介电常数；B_z(p)是平行于波传播方向的磁场分量，B是磁场强度；

步骤E3，利用复合辛普森数值积分法，计算法拉第旋转角Ω，实现方法如下：

a，b分别表示积分函数的下限和上限，n表示积分子区间的个数，S表示积分步长，p_j＝a+js,j＝0,1,...,n。