[发明专利]基于LoranC甚低频信号的低电离层D层探测系统及方法

说明书

本发明涉及电离层探测技术，具体涉及基于LoranC甚低频信号的低电离层D层探测系统及方法，该方法预先根据接收站预设的若干组模拟天波相位差‑电离层D层状态数据进行被测点电离层D层正演；接收站接收LoranC台链的甚低频波信号，根据接收到的甚低频波信号以及原始甚低频波信号，利用频谱相除方法得到天地波时延差；根据电磁波传播模型，计算LoranC台链到接收站的地波时延，并根据天地波时延差与地波时延之和计算出天波时延；将天波时延转换为实测天波相位差；以实测天波相位差为索引，在正演数据表中查找对应的电离层D层状态数据。该方法利用LoranC台链作为信号源，实现了单接收站持续、低成本的电离层D层探测。

技术领域

本发明属于电离层探测技术领域，特别涉及基于LoranC甚低频信号的低电离层D层探测系统及方法。

背景技术

地球空间环境按照距离地表从低到高的顺序以及各个区域的大气性质，距离为几十公里起至离地心距离约10个地球半径的磁层顶，依次包括对流层、平流层、中层、热层、电离层、等离子体层、磁层、磁层顶。其中，电离层是镶嵌在地球中性大气层中的一个重要区域，是连接日地空间环境的重要纽带。电离层的形成主要是宇宙射线和高能粒子与地球上层大气原子核分子相互作用从而使大气电离的结果，高度范围约距地面60-1000km(刘选谋，1994)。在电离层这个区域中，包含足以反射电磁波的电子、离子与中性粒子构成，不同的电子浓度会给无线电波传播造成不同程度的影响。

根据电子浓度，电离层可以划分为D层、E层、F层三个区域，对应的高度分别为60-90km，90-130km，130-1000km。D层位于电离层最底层60-90km，主要电离源是太阳辐射，因此具有明显的日变化和季节变化特征。该层电子碰撞频率约等于电子磁旋频率，白天对无线电磁波吸收严重，夜间随着太阳辐射减弱而消失。该层电子浓度较低，传统高频垂测仪难以探测，常见的探测手段有直接探测和间接探测，其中，直接探测为火箭就地探测，但是方案成本高并且无法长时间持续探测；间接探测通常为VLF(Very Low Frequency，VLF)发射机甚低频波遥感探测以及闪电甚低频信号遥感探测。VLF台链遥感探测中甚低频波频段范围为3-30kHz，具有在由地面和电离层构成的波导内远距离传播，具有损耗小、相位稳定的特点，适合作为探测信号对电离层D区进行反演。但是，甚低频通信系统中，技术难点或可执行难点是发射天线，辐射VLF的天线尺寸要遵循VLF的波长进行设计，VLF的波长为3kHz-30kHz，波长对应范围在100km-10km之间。甚低频人工台链发射台大多采用垂直单极子天线阵，基于大型山谷或者大平原建立大型发射塔构建天线阵进行架设；同时，由于波长很长，就算搭建大型天线阵，天线的辐射效率也还很低。为获得较大的功率和辐射效率，用于甚低频通信发射天线阵通常很大，建设及运行成本极高。而在闪电发生时辐射出甚低频电磁波大部分通过地球-电离层波导传播到全球各地，在接收机的数据处理中，称为“天电”信号，因此可以利用闪电源的信号，先确定闪电发生位置，再测得接收到的闪电信号时延确定反射点的高度，进而获得电离层信息。但是，基于自然源的闪电脉冲探测技术中，闪电的发生并不稳定，无法按照需求进行实时探测。

综上所述，现有技术中的探空火箭具有不可持续、成本高，VLF台链遥感具有可持续成本高，闪电低频遥感不可持续成本低的特点，也就是说现有技术中的探测方法不能同时实现电离层D层的低成本持续探测的技术问题。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供基于LoranC甚低频信号的低电离层D层探测系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于LoranC甚低频信号的低电离层D层探测方法，包括以下步骤：

步骤1、预先根据接收站预设的若干组收发参数-电离层D层状态数据进行被测点电离层D层正演，得到模拟天波相位差的集合；其中，每一组收发参数-电离层D层状态数据均包括LoranC台链坐标、接收站坐标、以及对应的电离层D层锐度以及虚高；