复杂路径低频地波传播特性预测理论与方法研究

摘要

精确的位置和准确的时间是军事和民用领域的重要信息，低频地波导航系统是无线电导航、定位、授时系统的重要组成部分，是弥补卫星导航系统信号弱、抗干扰能力差的首选方法。但受传播路径复杂的地形起伏及地物变化的影响，经典的低频地波传播理论方法预测精度较低，限制了该系统导航和授时精度的提高。
　　 本论文在国家自然基金项目(No.60671035)和××××国防专项工程的支持下，针对经典理论预测存在的问题，开展了复杂路径低频地波传播特性高精度快速预测的理论与方法研究。主要内容和创新点如下：
　　 1.提出采用时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain Method，FDTD)预测地形起伏剧烈、地物突变区域的地波传播问题。首次预测到接收点后地形起伏及地物突变产生的散(反)射波在接收点引起的地波场强和相位的振荡效应；首次对实际导航授时信号(载波调制高斯脉冲信号)在有耗媒质表面传播的时域特性进行了数值分析；以FDTD数值结果为参考，分析了传统理论算法的局限性及误差，明确传统理论算法的适用条件；开展了蒲城发射台低频授时信号经近距离复杂传播路径传播后信号场强及相位的外场实测试验(陕西铜川局部区域和秦岭山区局部区域外场实测试验)，验证了FDTD方法在复杂区域传播路径预测的有效性，并观测到了地形起伏区域的场强及相位的振荡效应。
　　 2.针对局部复杂的长距离传播路径，提出一种新的预测方法-FDTD修正的积分方程方法。该方法将FDTD数值方法和积分方法相结合，克服了积分方法在局部地形起伏剧烈和地物突变区域预测误差大的缺点，同时解决数值计算方法对计算资源要求过大的问题，可实现局部复杂的长距离高精度的低频地波传播特性预测；开展了宣城发射台低频导航信号经长距离平原路径传播后在河南嵩山附近局部复杂区域传播相位的外场实测试验，该传播路径可有效使用FDTD修正的积分方程方法进行预测，实测结果验证了该预测方法正确性。
　　 3.采用自适应滑动窗(Adaptive Moving Window，AMW)FDTD技术解决长距离复杂路径地波传播的预测问题。FDTD计算窗包含电磁脉冲能量，沿电波传播方向滑动，其滑动速度按信号在滑动窗内的相对位置自适应调整，AMW-FDTD技术可实现长距离复杂区域电波传播的快速预测。利用AMWFDTD方法预测了宣城发射台低频导航信号经长距离复杂路径传播后，在江西进贤至上饶附近局部区域的传播相位，并同时在该区域开展了传播时延的外场实验测量，实测与AMWFDTD预测结果吻合较好，验证了AMWFDTD预测方法的有效性。
　　 4.采用基于统一计算设备构架(Compute Unified Device Architecture，CUDA)的GPU并行技术实现了FDTD方法、FDTD修正的积分方程方法以及AMWFDTD方法的并行加速。运用GPU大量的流处理单元大幅度提高了FDTD的计算速度，缩短了计算时间，使长距离工程应用成为可能。
　　 本论文采用FDTD方法、FDTD修正的积分方程方法、AMWFDTD方法及GPU并行技术，实现了长距离复杂路径低频地波传播特性的高精度快速预测。论文研究成果不仅具有重要的理论价值，同时具有较高的工程实用价值，可大幅提高长波导航授时系统的精度。本论文的研究成果不仅适用于低频段，对其它频段电波传播特性的理论预测也具有较高的参考价值。