基于卫星导航广域增强系统的短波频率选择方法和系统

摘要

本发明公开了一种基于卫星导航广域增强系统的短波频率选择方法和系统，其技术方案为：计算通信链路的第一位置和第二位置之间的路径中间点；通过卫星导航接收机接收广域增强信息，获得电离层格网点排序信息及其相应的电离层垂直传输延迟值；查找与通信链路的路径中间点最接近的若干个电离层格网点；查找上述若干个电离层格网点对应的电离层垂直传输延迟值；计算通信链路的路径中间点的加权电离层垂直传输延迟值；将加权电离层垂直传输延迟值转换为电离层电子浓度总含量值；将电离层电子浓度总含量值转换为电离层F2层的临界频率的值；根据电离层F2层的临界频率计算对应的短波通信频率。本发明的有益效果是：相比传统的方法具有精度上、实时性上的优势，计算量和数据量大大减少，并且可以克服中国地区电离层资料不足的困难。

说明书

技术领域

本发明涉及一种短波通信频率的选择方法和系统，尤其涉及一种基于卫星导航 广域增强系统的短波通信频率的选择方法和系统。

背景技术

短波通信是利用高空电离层的反射或散射而进行的通信，可实现长距离通信传 输。电离层按照电子分布的情况，通常分成三个层，按高度由下向上，分别称为D 层、E层、F层(日间分为F1和F2层)。由于电离层变化不规则，易造成短波通 信链路不稳定。欲建立可靠的短波通信，不能在短波频段内任意选择一个频率。在 给定距离和方向的路径上，在一定时间内短波通信只能用一个有限的频带(徐义君 等，基于短波的天波传播衰减预测模型研究，《微型机与应用》2010年第29卷第 18期)。所以需对短波通信频率进行选择。

短波通信主要依靠E层和F2层的反射进行，其中E层是比较稳定的层，E层 的通信频率选择也相对简单；而F2层是电离层的最高电离区域，它除受太阳辐射 作用外，还受到风、扩散、漂移等动力学效应的强烈影响，F2层的通信频率选择 较为复杂和困难。

短波通信频率选择可采用国际参考电离层(IRI)模型进行，IRI模型是依据较 长时间内收集到的观察资料而建立的，是反映电离层变化的一种预报值。其优点是 一旦建立后就能长期使用，可将参数固化在设备内，不需要频繁更新。根据此模型 已经有很多成熟的信道计算方法和经验(冯晓哲等，短波单站定位中的准抛物电离 层参数实时修正，电子信息对抗技术，2008年9月第5期)。

但是，由于IRI给出的是电离层的平均模式，它不能对电离层的实时或短期状 态进行预报。由于影响电离层的因素很多，许多因素又带有较大的随机性，而目前 对各种因素的相互关系、变化规律及内部机制等又未完全搞清，有很多“不规则” 变化。所以利用该模型得到的电离层参数精度一般都不太好。(刘经南、陈俊勇， 广域差分GPS原理和方法，测绘出版社，1997)并且，由于没有采用中国地区的 资料，IRI计算的结果在中国出现一定的偏离；且该方法计算量和数据量很大，不 适合嵌入式设备使用。

GNSS广域增强系统不断播发全球经纬度格网交叉点(格网点，IGP)相对于 GPS L1频率的电离层垂直延迟改正值。GNSS广域增强系统发布的是准实时数据， 相比IRI的电离层经验值，具有精度上、实时性上的优势。但是该数据一直没有用 于对短波通信频率的选择。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种基于卫星导航广域增强系统的短波 频率选择方法，可用于通信距离在4000km以内的(F2层单跳模式)船台到岸台 的短波通信频率的选择。

本发明的另一目的在于提供一种基于卫星导航广域增强系统的短波频率选择 系统。

本发明的技术方案为：一种基于卫星导航广域增强系统的短波频率选择方法， 包括以下步骤：

计算通信链路的第一位置和第二位置之间的路径中间点点的经纬度；

通过卫星导航接收机接收广域增强信息，获得电离层格网点排序信息及其对应 的电离层垂直传输延迟值；

查找与通信链路的路径中间点最接近的至少一个电离层格网点；

查找上述电离层格网点对应的电离层垂直传输延迟值；

计算通信链路的路径中间点的加权电离层垂直传输延迟值；

将上述的加权电离层垂直传输延迟值转换为电离层电子浓度总含量值(TEC)；

将上述的电离层电子浓度总含量值转换为电离层F2层的临界频率的值(f₀F2)；

根据上述计算的电离层F2层的临界频率(f₀F2)计算对应的短波通信频率。

根据本发明的基于卫星导航广域增强系统的短波频率选择方法的一实施例，在 计算通信链路的路径中间点的步骤中，根据第一位置和第二位置的经纬度，计算通 信链路的路径中间点的经纬度，其中第一位置是海岸电台的位置且是已知的，第二 位置是船台的位置且由船舶卫星导航定位获得；查找与通信链路的路径中间点最接 近的若干个电离层格网点的步骤中，电离层格网点的数量为4个。

根据本发明的基于卫星导航广域增强系统的短波频率选择方法的一实施例，在 计算通信链路的路径中间点的加权电离层垂直传输延迟值的步骤中，使用公式：

D_mid＝k₁·VD₁+k₂·VD₂+k₃·VD₃+k₄·VD₄

公式中D_mid为通信链路的路径中间点的加权电离层垂直传输延迟值，VD₁、 VD₂、VD₃、VD₄分别为四个电离层格网点的电离层垂直传输延迟值，k₁～k₄为加权 值，其取值范围0～1且k₁+k₂+k₃+k₄＝1，并且k₁～k₄跟通信链路的路径中间点与 所述四个电离层格网点的直线距离成反比。

根据本发明的基于卫星导航广域增强系统的短波频率选择方法的一实施例，将 上述的加权电离层垂直传输延迟值转换为电离层电子浓度总含量值的步骤中，使用 公式：

$\mathrm{TEC}=\frac{{\mathrm{cf}}^2}{40.3}{D}_{\mathrm{mid}}$

公式中TEC为电离层电子浓度总含量值，c为光速，f为导航信号频率。

根据本发明的基于卫星导航广域增强系统的短波频率选择方法的一实施例，将 上述的电离层电子浓度总含量值转换为电离层F2层的临界频率的值的步骤中，使 用公式：

${\mathrm{foF}}_2=\sqrt{\frac{\mathrm{TEC}}{4.13\times 1.24\times {10}^{10}\times H_0}}$

其中f0F₂为电离层F2层的临界频率，H₀为氧原子标高。

根据本发明的基于卫星导航广域增强系统的短波频率选择方法的一实施例，在 根据上述计算的电离层F2层的临界频率(f₀F2)计算相应的短波通信频率的步骤 中，使用ITU-R P.1240-1《基本最高可用频率(MUF)、实际MUF和射线预测方法》 中3.1、6和7等章节提供的方法进行计算，得到最佳通信频率(OWF)。

本发明还揭示了一种基于卫星导航广域增强系统的短波频率选择系统，包括路 径中间点计算模块、电离层格网点排序信息获取模块、电离层格网点查找模块、电 离层垂直传输延迟获取模块、加权电离层垂直传输延迟值计算模块、电离层电子浓 度总含量值转换模块、电离层F2层临界频率值转换模块、短波通信频率选择模块， 其中：

所述路径中间点计算模块，计算第一位置和第二位置之间的通信链路的路径中 间点；

所述电离层格网点排序信息获取模块，通过卫星导航接收机接收广域增强信 息，获得电离层格网点排序信息；

所述电离层格网点查找模块，查找与通信链路的路径中间点最接近的至少一个 电离层格网点；

所述电离层垂直传输延迟获取模块，在卫星导航接收机接收的广域增强信息 中，获得上述至少一个电离层格网点对应的电离层垂直传输延迟值；

所述加权电离层垂直传输延迟值计算模块，计算通信链路的路径中间点的加权 电离层垂直传输延迟值；

所述电离层电子浓度总含量值转换模块，将上述的加权电离层垂直传输延迟值 转换为电离层电子浓度总含量值；

所述电离层F2层临界频率值转换模块，将上述的电离层电子浓度总含量值转 换为电离层F2层的临界频率的值；

所述短波通信频率选择模块，根据上述计算的电离层F2层的临界频率(f₀F2) 计算对应的短波通信频率。

根据本发明的基于卫星导航广域增强系统的短波频率选择系统的一实施例，在 所述路径中间点计算模块中，根据第一位置和第二位置的经纬度，计算通信链路的 路径中间点的经纬度，其中第一位置是海岸电台的位置且是已知的，第二位置是船 台的位置且由卫星导航定位获得；在所述电离层格网点查找模块中，电离层格网点 的数量为4个。

根据本发明的基于卫星导航广域增强系统的短波频率选择系统的一实施例，在 所述加权电离层垂直传输延迟值计算模块中，使用公式：

D_mid＝k₁·VD₁+k₂·VD₂+k₃·VD₃+k₄·VD₄

公式中D_mid为通信链路的路径中间点的加权电离层垂直传输延迟值，VD₁、 VD₂、VD₃、VD₄分别为四个电离层格网点的电离层垂直传输延时，k₁～k₄为加权值， 其取值范围0～1且k₁+k₂+k₃+k₄＝1，并且k₁～k₄跟通信链路的路径中间点与所述 四个电离层格网点的直线距离成反比。

根据本发明的基于卫星导航广域增强系统的短波频率选择系统的一实施例，在 所述电离层电子浓度总含量值转换模块中，使用公式：

$\mathrm{TEC}=\frac{{\mathrm{cf}}^2}{40.3}{D}_{\mathrm{mid}}$

公式中TEC为电离层电子浓度总含量值，c为光速，f为导航信号频率。

根据本发明的基于卫星导航广域增强系统的短波频率选择系统的一实施例，在 所述电离层F2层临界频率值转换模块中，使用公式：

${\mathrm{foF}}_2=\sqrt{\frac{\mathrm{TEC}}{4.13\times 1.24\times {10}^{10}\times H_0}}$

公式中foF₂为电离层F2层的临界频率，H₀为氧原子标高。

根据本发明的基于卫星导航广域增强系统的短波频率选择方法的一实施例，在 所述短波通信频率选择模块中，根据上述计算的电离层F2层的临界频率(f₀F2)， 使用ITU-R P.1240-1《基本最高可用频率(MUF)、实际MUF和射线预测方法》中 3.1、6和7等章节提供的方法进行计算，得到最佳通信频率(OWF)。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明采用GNSS广域增强信息， 对通信链路的路径中间点最接近的若干个电离层格网点计算加权电离层垂直传输 延迟值，从而获得最佳通信频率，相比传统的方法具有精度上、实时性上的优势， 计算量和数据量大大减少，并且可以克服中国地区电离层资料不足的困难。

附图说明

图1示出了本发明的基于卫星导航广域增强系统的短波频率选择方法的实施 例的流程图。

图2示出了通信链路的路径中间点和最接近的电离层格网点的位置关系示意 图。

图3示出了本发明的基于卫星导航广域增强系统的短波频率选择系统的实施 例的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

基于卫星导航广域增强系统的短波频率选择方法的实施例

图1示出了本发明的基于卫星导航广域增强系统的短波频率选择方法的实施 例的流程，请参见图1，下面是对本实施例的短波频率选择方法的各个步骤的详细 描述。

步骤S100：获得船台的卫星导航定位结果。

步骤S101：计算船台和岸台之间的通信链路的路径中间点。

根据岸台(第一位置)和船台(第二位置)的经纬度，计算通信链路的路径中 间点的经纬度，其中第一位置即海岸电台的位置是已知的，第二位置即船台的位置 由卫星导航定位获得。

步骤S102：通过卫星导航(GNSS)接收机接收广域增强信息。

步骤S103：获得电离层格网点(IGP)排序信息(IGPM)。

广域增强系统预先对电离层格网点(IGP)进行了定义和编号，形成了IGP的 位置表，包括11个带(编号0～10)，其中在纬度N55～S55之间的区域，IGP的 间隔为5°，在纬度N55～N85和S55～S85之间的区域，IGP的间隔为10°。详见 RTCA DO-229D《GPS广域增强系统机载设备最低性能要求》的表A-14和图A-14。

上述信息在电离层格网点排序信息的报文中播放，接收到IGP位置表后，将 IGP位置保存在存储器中。

步骤S104：查找与通信链路的路径中间点最接近的若干个电离层格网点。

根据位置关系，查找与路径中间点最近的几个IGP点，本实施例选择四个， 分别为IGP₁、IGP₂、IGP₃、IGP₄。如图2所示，其中Mid代表通信链路的路径中 间点，与Mid最接近的四个IGP点分别为图2中所示的IGP₁、IGP₂、IGP₃、IGP₄。

步骤S105：通过卫星导航接收机接收广域增强信息，获得上述4个电离层格 网点对应的电离层垂直传输延迟值。即获得IGP₁、IGP₂、IGP₃、IGP₄的电离层垂 直传输延迟值，分别为VD₁、VD₂、VD₃、VD₄。

步骤S106：计算通信链路的路径中间点的加权电离层垂直传输延迟值。

其中用到的公式为：D_mid＝k₁·VD₁+k₂·VD₂+k₃·VD₃+k₄·VD₄

公式中D_mid为通信链路的路径中间点的加权电离层垂直传输延迟值，k₁～k₄为 加权值，其取值范围0～1且k₁+k₂+k₃+k₄＝1，并且k₁～k₄跟通信链路的路径中间 点与所述四个电离层格网点的直线距离成反比，直线距离越大则值越小。Mid点与 IGP₁、IGP₂、IGP₃、IGP₄点的直线距离分别为l₁、l₂、l₃、l₄，则有：

$k_i=\frac{l_1+l_2+l_3+l_4-l_i}{3(l_1+l_2+l_3+l_4)}$

式中：k_i为第i个电离层垂直传输延迟值即VDi的加权值，l_i为Mid点与第i 个IGP点的距离。当Mid点位于IGP₁、IGP₂、IGP₃、IGP₄点的中心时，有 k₁＝k₂＝k₃＝k₄＝0.25。

步骤S108：将加权电离层垂直传输延迟值转换为电离层电子浓度总含量值。

使用公式：

$\mathrm{TEC}=\frac{{\mathrm{cf}}^2}{40.3}{D}_{\mathrm{mid}}$

其中TEC为电离层电子浓度总含量值，c为光速，f为导航信号频率。

步骤S110：将上述的电离层电子浓度总含量值转换为电离层F2层的临界频率 的值。

F2层峰值电子浓度(NmF₂)与F2层的临界频率(foF₂)的关系(见Davies，K.，and  X.M.Liu，Ionospheric slab thickness in middle and low latitudes.Radio Sci，1991， 26(4))为：

NmF₂＝1.24×10¹⁰(foF₂)²

而TEC与NmF₂的关系的经验公式(见Ezquer，R.G.等，Predicted and measured  total electron content at both peaks of the equatorial anomaly，Radio Sci.，1994，29(4)) 为：

TEC＝4.13×H₀×N_mF₂

于是：

TEC＝4.13×1.24×10¹⁰×H₀×(foF₂)²

式中，H₀为氧原子标高，为给定值。

因此：

${\mathrm{foF}}_2=\sqrt{\frac{\mathrm{TEC}}{4.13\times 1.24\times {10}^{10}\times H_0}}$

其中f0F₂为电离层F2层的临界频率，H₀为氧原子标高。

步骤S112：根据上述计算的电离层F2层的临界频率(f₀F2)计算对应的短波 通信频率，使用ITU-R P.1240-1《基本最高可用频率(MUF)、实际MUF和射线预 测方法》中3.1、6和7等章节提供的方法进行计算，可得到最佳通信频率(OWF)。

根据最佳通信频率和预定的通信信道范围，选择实际工作信道。以海事短波单 边带电台为例，假设计算得到的最佳通信频率为6.52MHz，但是由于电台实际工 作信道需要符合ITU(国际电信联盟)的要求，在6MHz波段实际可使用的全双工 单边带话音信道为：

  信道编号   船台接收频率(MHz)   船台发射频率(MHz)   601   6.501   6.200   602   6.504   6.203   603   6.507   6.206   604   6.510   6.209   605   6.513   6.212   606   6.516   6.215   607   6.519   6.218   608   6.522   6.221

根据最佳通信频率和可用信道，可选择607或邻近的606、608信道，同时还应 注意避免与岸台预定的播发信道冲突。

基于卫星导航广域增强系统的短波频率选择系统的实施例

图3示出了本发明的基于卫星导航广域增强系统的短波频率选择系统的实施 例的原理，请参见图3，本实施例的短波频率选择系统包括：路径中间点计算模块 10、电离层格网点排序信息获取模块11、电离层格网点查找模块12、电离层垂直 传输延迟获取模块13、加权电离层垂直传输延迟值计算模块14、电离层电子浓度 总含量值转换模块15、电离层F2层临界频率值转换模块16、短波通信频率选择 模块17。

路径中间点计算模块10计算第一位置和第二位置之间的通信链路的路径中间 点。路径中间点计算模块10根据第一位置和第二位置的经纬度，计算通信链路的 中间点的经纬度，其中第一位置是海岸电台的位置且是已知的，第二位置是船台的 位置且由卫星导航定位获得。

电离层格网点排序信息获取模块11通过卫星导航接收机接收广域增强信息， 获得电离层格网点排序信息。广域增强系统预先对电离层格网点(IGP)进行了定 义和编号，形成了IGP的位置表，包括11个带(编号0～10)，其中在纬度N55～S55 之间的区域，IGP的间隔为5°，在纬度N55～N85和S55～S85之间的区域，IGP 的间隔为10°。详见RTCA DO-229D《GPS广域增强系统机载设备最低性能要求》 的表A-14和图A-14。

上述信息在电离层格网点排序信息的报文中播放，接收到IGP位置表后，将 IGP位置保存在存储器中。

电离层格网点查找模块12查找与通信链路的路径中间点最接近的若干个电离 层格网点。根据位置关系，查找与路径中间点最近的几个IGP点，本实施例选择 四个，分别为IGP₁、IGP₂、IGP₃、IGP₄。如图2所示，其中Mid代表通信链路的 路径中间点，与Mid最接近的四个IGP点分别为图2中所示的IGP₁、IGP₂、IGP₃、 IGP₄。

电离层垂直传输延迟获取模块13通过卫星导航接收机接收广域增强信息，获 得上述若干个电离层格网点对应的电离层垂直传输延迟值。

加权电离层垂直传输延迟值计算模块14计算通信链路的路径中间点的加权电 离层垂直传输延迟值。在加权电离层垂直传输延迟值计算模块14中，使用公式：

D_mid＝k₁·VD₁+k₂·VD₂+k₃·VD₃+k₄·VD₄

公式中D_mid为通信链路的路径中间点的加权电离层垂直传输延迟值，VD₁、 VD₂、VD₃、VD₄分别为四个电离层格网点的电离层垂直传输延时，k₁～k₄为加权值， 其取值范围0～1且k₁+k₂+k₃+k₄＝1，并且k₁～k₄跟通信链路的路径中间点与所述 四个电离层格网点的直线距离成反比，直线距离越大则值越小。Mid点与IGP₁、 IGP₂、IGP₃、IGP₄点的几何距离分别为l₁、l₂、l₃、l₄，则有：

$k_i=\frac{l_1+l_2+l_3+l_4-l_i}{3(l_1+l_2+l_3+l_4)}$

式中：k_i为第i个电离层垂直传输延迟值即VDi的加权值，l_i为Mid点与第i 个IGP点的距离。当Mid点位于IGP₁、IGP₂、IGP₃、IGP₄点的中心时，有 k₁＝k₂＝k₃＝k₄＝0.25。

电离层电子浓度总含量值转换模块15将上述的加权电离层垂直传输延迟值转 换为电离层电子浓度总含量值。在电离层电子浓度总含量值转换模块15中，使用 公式：

$\mathrm{TEC}=\frac{{\mathrm{cf}}^2}{40.3}{D}_{\mathrm{mid}}$

其中TEC为电离层电子浓度总含量值，c为光速，f为导航信号频率。

电离层F2层临界频率值转换模块16将上述的电离层电子浓度总含量值转换 为电离层F2层的临界频率的值。F2层峰值电子浓度(NmF₂)与F2层的临界频率 (foF₂)的关系(见Davies，K.，and X.M.Liu，Ionospheric slab thickness in middle and  low latitudes.Radio Sci，1991，26(4))为：

NmF₂＝1.24×10¹⁰(foF₂)²

而TEC与NmF₂的关系的经验公式(见Ezquer，R.G.等，Predicted and measured  total electron content at both peaks of the equatorial anomaly，Radio Sci.，1994，29(4)) 为：

TEC＝4.13×H₀×N_mF₂

于是：

TEC＝4.13×1.24×10¹⁰×H₀×(foF₂)²

式中，H₀为氧原子标高，为给定值。

因此：

${\mathrm{foF}}_2=\sqrt{\frac{\mathrm{TEC}}{4.13\times 1.24\times {10}^{10}\times H_0}}$

其中foF₂为电离层F2层的临界频率，H₀为氧原子标高。

短波通信频率选择模块17根据上述计算的电离层F2层的临界频率(f₀F2)计 算对应的短波通信频率，使用ITU-R P.1240-1《基本最高可用频率(MUF)、实际 MUF和射线预测方法》中3.1、6和7等章节提供的方法进行计算，可得到最佳通 信频率(OWF)。

根据最佳通信频率和预定的通信信道范围，选择实际工作信道。以海事短波单 边带电台为例，假设计算得到的最佳通信频率为6.52MHz，但是由于电台实际工 作信道需要符合ITU(国际电信联盟)的要求，在6MHz波段实际可使用的全双工 单边带话音信道为：

  信道编号   船台接收频率(MHz)   船台发射频率(MHz)   601   6.501   6.200   602   6.504   6.203   603   6.507   6.206   604   6.510   6.209   605   6.513   6.212   606   6.516   6.215   607   6.519   6.218   608   6.522   6.221

根据最佳通信频率和可用信道，可选择607或邻近的606、608信道，同时还应 注意避免与岸台预定的播发信道冲突。

上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现和使用本发明的，本领域普通 技术人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变 化，因而本发明的发明范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书所提 到的创新性特征的最大范围。