具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，本实施例公开了一种空间等离子体云团信道特性及通信性能的快速估算方法，由空间等离子体云团有效区域估算、信道特性估算、通信性能估算组成，首先空间等离子体云团有效区域估算是所有工作的基础，根据计算得到的空间等离子体云团有效区域来对其信道特性以及通信性能进行估算，空间等离子体云团信道特性包括多径时延、多普勒频移、相干带宽以及相干时间，空间等离子体云团通信系统性能包括通信速率和通信误码率。如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤1，计算空间等离子体云团有效区域：

结合电波频率以及空间等离子体云团电子密度时空分布，根据设定的折射指数阈值可计算给出空间等离子体云团有效区域，不同的电波频段对应不同的有效区域；

空间等离子体云团生成及时空演化模型，能够给出某一时刻空间等离子体云团电子密度的时空分布，如图2所示。不同频率电波经过空间等离子体云团后的传播特性并不相同，因此对于不同频率的电波来讲，云团的有效区域也不同。假设电波频率为f，空间等离子体云团某一点的电子密度为N_e，则其等离子体频率f_p可由下式计算：

忽略地磁场的影响，频率为f的电波经过该点时，其折射指数n计算方法如下：

可设定一个阈值n₀，当n＞n₀时，该点才会对该频率的电波传播产生影响，将n₀带入到式(1)和式(2)，可算出对应的电子密度N₀：

利用式(3)即可计算空间等离子体云团的有效区域：云团电子密度大于N₀的区域及频率为f的电波对应的有效区域；

步骤2，估算空间等离子体云团最大多径时延：

基于空间等离子体云团有效区域的空间尺度，计算最极端情况下电波最短路径和最长路径的路程差，从而估算出空间等离子体云团的最大多径时延。

根据步骤1中的方法，计算空间等离子体云团的有效区域，高度为h，宽度为w。图3给出了发射点至接收点间最极端情况下的两条传播路径，即两条路径间的路程差最大，通过计算两条路径间的路程差值，就可以估算出空间等离子体云团的最大多径时延。假设云团中心点距地面高度为h，距发射点的水平距离为l_ct，发射点与接收点的距离为l_tr，根据步骤1计算得出云团的水平方向宽度为w_c，竖直方向宽度为h_c，根据图3中的几何关系分别计算得到路径1的长度l₁，路径2的长度l₂：

空间等离子体云团的最大多径时延τ计算方法如下：

c为光速；

步骤3，估算空间等离子体云团最大多普勒频移：

基于高空大气风场模型以及空间等离子体云团时空演化模型，计算最大风速条件下不同时刻电波路径的路程差，并在此基础上获得接收点相对于发射点的移动速度，从而估算得到空间等离子体云团最大多普勒频移。

空间等离子体云团电波多普勒效应可认为主要由高空风场所致，根据国际参考风场模型HWM07可以得到高空风场的变化特性。假设通过风场模型得到在云团高度处的纬向最大风速为v₁，经向最大风速为v₂，高度方向速度为v_v，则水平方向的合速度v_h为：

假设v_h与发射点和接收点间连线的夹角为θ，则高空风场沿着发射点和接收点间连线方向的速度为：

v_tr＝v_h cosθ (8)

图4中给出了两个不同时刻电波经云团传播的路径，假设发射点与接收点的距离为l_tr，t₁时刻云团中心距地面高度为h₁，云团中心距发射点水平距离为l_ct1，利用步骤1中方法计算得到云团竖直方向宽度为h_c1，则t₁时刻电波的传播路径长度l_t1为：

t₂时刻云团中心距地面高度h₂＝h₁+v_v(t₂-t₁)，云团中心距发射点水平距离l_ct2＝l_ct1+v_tr(t₂-t₁)，利用步骤1中方法计算得到云团竖直方向宽度为h_c2，则t₂时刻电波的传播路径长度l_t2为：

发射点与接收点间的相对移动速度v_d计算方法如下：

空间等离子体云团最大多普勒频移f_d计算方法如下：

c为光速，f为电波频率；

步骤4，估算空间等离子体云团信道相干带宽：

在广义平稳非相关散射(WSSUS)假设下，相干带宽定义为相关函数的3dB带宽，更一般的情况，信道相干带宽可由其最大时延得到。根据步骤2计算得到空间等离子体云团最大多径时延为τ，则其相干带宽B_c计算方法如下：

步骤5，估算空间等离子体云团信道相干时间：

根据步骤3计算得到空间等离子体云团最大多普勒频移为f_d，则其信道相干时间T_c计算方法如下：

步骤6，估算空间等离子体云团的最大通信速率：

基于空间等离子体云团信道相干带宽及其计算得到的接收点信号功率，综合考虑接收点的噪声水平，最终估算给出空间等离子体云团通信速率。

根据步骤4计算得到的空间等离子体云团信道相干带宽B_c，一般工程上取相干带宽的1/5到1/3为信号带宽，本实施例采用1/3进行计算，即信道带宽根据香农定理，信道容量C可表示为：

其中，S为接收信号的平均功率，N为噪声功率，单位均为W。

接收信号的平均功率S可由发射功率P_t(单位dB)与路径损耗L(单位dB)计算得到，路径损耗分为两部分，一部分为自由空间损耗L_f，另一部分为电离层和云团的吸收损耗L_i，计算方法分别为：

L_f＝20lg f+20lg d+32.44 (16)

L_i＝8.68∫_SβdS (17)

L_f与L_i的单位为dB，f为电波频率，单位MHz，d为自由空间传播距离，单位km。

为吸收指数，c为光速，ω为角频率，f_p为等离子体频率，v为碰撞频率；

接收信号的平均功率S可表示为：

噪声主要考虑从环境中接收的热噪声与人为噪声，首先计算天线的噪声系数F_a，计算方法如下：

F_a＝c_a-d_a lgf (19)

c_a与d_a为设定常数，取值如下表所示。

热噪声功率n_t可表示为：

n_t＝KT₀B_n (20)

K为波尔兹曼常数，其值为1.38×10^-23J/K，T₀为环境温度，单位K，B_n为接收机噪声带宽，单位Hz；

噪声功率N为：

将接收信号平均功率S与噪声功率N带入式(15)中，计算得到的信道容量C即为空间等离子体云团的最大通信速率；

步骤7，估算空间等离子体云团通信误码率：

考虑几种常用的调制方式，分别为2ASK、2FSK、2PSK，采用相干解调方法，当信噪比远远大于1时，其误码率可分别有以下公式计算：

r为信噪比，由步骤6中的接收信号平均功率S除以噪声功率N得到。

综上所述，本发明公开的方法可实现对空间等离子体云团信道特性以及通信性能的快速估算，有效并具有相对较高的准确性，特别适用于对等离子体云团信道特性及通信性能实时快速评估，对空间等离子体云团通信技术的发展与应用具有重要的价值与意义。