文章目录

摘要

abstract

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究进展

    1.2.1 VLF电波传播解析方法的国内外研究进展

    1.2.2 VLF电波传播数值方法的国内外研究进展

1.3 论文主要研究内容

1.4 本章小结

2 地-电离层波导中的VLF电波传播机理

2.1 VLF电波传播的计算方法

    2.1.1 解析方法

    2.1.2 数值方法

2.2 传播信道对VLF电波传播的影响

    2.2.1 电离层

    2.2.2 空气层

    2.2.3 地层

2.3 本章小结

3 基于解析电离层模型的VLF波导模方法分析

3.1 理想情况下VLF电波在地-电离层波导中的传播

    3.1.1 球面波导模算法

    3.1.2 求解高度函数的W.K.B.近似法和Airy函数近似法

    3.1.3 理想情况下模方程根的求解方法

    3.1.4 垂直电偶极子在波导中所建立的场

    3.1.5 地-电离层波导中W.K.B.近似法和Airy函数近似法的对比分析

3.2 非理想情况下基于Airy函数近似法的VLF电波传播

    3.2.1 地面和电离层归一化表面阻抗的求解

    3.2.2 非理想情况下模方程根的求解方法

    3.2.3 模方程根求解方法的计算效果仿真

3.3 基于指数模型的VLF波导模方法的可靠性验证

3.4 本章小结

4 基于修正IRINRL-指数模型的并行球坐标FDTD方法分析

4.1 VLF电波传播的并行球坐标FDTD方法

    4.1.1 FDTD方法的基本理论与迭代公式

    4.1.2 地-电离层波导中本构关系式推导

    4.1.3 极点处理和边界条件

    4.1.4 数值色散分析

    4.1.5 基于CUDA的并行FDTD算法实现

4.2 与IRINRL模型结合的并行球坐标FDTD方法

    4.2.1 IRINRL模型介绍

    4.2.2 基于IRINRL模型的仿真分析

4.3 与修正IRINRL-指数模型结合的并行球坐标FDTD方法

    4.3.1 修正IRINRL-指数模型的介绍

    4.3.2 基于修正IRINRL-指数模型的仿真分析

4.4 本章小结

5 地-电离层波导中VLF电波传播预测的软件设计

5.1 软件需求分析

5.2 软件设计总体结构与各模块设计

    5.2.1 系统总体结构

    5.2.2 各模块设计与功能

5.3 软件测试结果与分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间主要研究成果

文章摘要:甚低频（Very Low Frequency,VLF）电波因具有损耗小、幅度和相位稳定、渗透性强等特点,被广泛应用于超远程导航、授时及通信等领域。然而,受地-电离层波导内媒质（特别是电离层）复杂空时变化的影响,VLF电波表现出复杂的传播特性。掌握并预测VLF电波在地-电离层波导中的传播特性对于提高VLF导航/授时系统精度及通信有效性等具有重要意义。本文围绕地-电离层波导中电离层对VLF电波传播特性的影响展开研究,分别利用VLF波导模方法和时域有限差分法（Finite Difference Time Domain,FDTD）对VLF电波传播特性进行了研究,并设计了一款VLF电波传播预测软件。具体内容如下:（1）从VLF电波传播的计算方法和传播信道媒质特性两方面,对VLF电波在地-电离层波导中的传播机理进行了分析。（2）针对地-电离层波导中VLF电波传播特性的快速定性预测问题,在推导VLF波导模方法的解算原理、梳理其所涉及的关键模块的基础上,首先,对比分析了 W.K.B.近似法和Airy函数近似法的实现过程,通过系统的仿真分析,明确其适用范围:W.K.B.近似法和Airy函数近似法分别适用于VLF电波的低频段和中/高频段;其次,提出了基于欧拉-牛顿迭代法的模方程根求解方法,对比分析表明,该方法具有高精度、高可靠性与高效率的特点。（3）针对复杂电离层影响下的VLF电波传播高精度预测问题,提出了电离层修正方案——修正IRINRL-指数模型（IRINRL:国际参考电离层模型（International Reference Ionosphere,IRI）和 NRLMSISE-00 模型（US Naval Research Laboratory Mass Spectrometer and Incoherent Scatter Radar Extended）相结合）,并构建了基于并行二维球坐标FDTD方法结合修正IRINRL-指数模型的VLF电波传播预测模型,该模型可考虑实际电波传播环境,尤其是电离层的复杂空时变化。与实测数据的对比分析结果显示:该预测模型能够更准确地反映实际复杂电离层变化对VLF电波传播特性的影响,有效提高了 VLF电波传播的预测精度。（4）针对实际工程需要,设计了一款人机交互良好的VLF电波传播预测软件,该软件能够基于指数模型和修正IRINRL-指数模型,分别利用VLF波导模方法和并行球坐标FDTD方法实现对VLF电波传播的快速定性预测和复杂电离层变化下的预测。本文研究成果可为VLF超远程导航/授时系统的精度提升提供一定的理论与技术支撑。

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