Transcript 太陽黑子數的預報模式。
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運用我國福衛三號與地面雷達
建立電離層高頻電波通信預報模式與驗證
第一年計畫
執行成果報告
朱延祥，蔡龍治，蘇清論
國立中央大學太空科學研究所
Slide 2
報告內容
一、前言－計畫目的與重要性
二、執行成果(第一年)
－太陽黑子數預報模式之建立
－福衛三號電離層資料品質管空程序之建立
－福衛三號資料即時電離層模式系統之開發
三、計畫第二年初步成果
四、結論
Slide 3
前言
計畫目的
預計以三年的時間，根據我國福衛三號電離層資料以及
全球地面電離層雷達觀測資料，開發完成自主的高頻電
波通訊頻率即時與長期預報模式。第一年的目標，為建
立太陽黑子數的預報模式，作為高頻電波長期預報模式
建立的基礎，同時並建立完整的福衛三號電離層資料品
質管控程序，開發數值方法，以奠定利用福衛三號電離
層資料建立高頻電波即時預報系統的基礎。第一年計畫
執行期限為96年7月1日至97年6月30日，已執行完成。
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計畫第一年已完成工作項目
(1)建立電離層高頻電波中長期電腦預報模式---太陽黑子數的預報模式。
已完成
(2)福衛三號電離層資料分析與處理程序的建立
已完成
(3)利用已完成的全球電離層觀測儀系統網驗證福衛三號所得電離層參數
(e.g. F2 層臨界電漿頻率(foF2), F2 層臨界頻率高度 (hmF2), foE, and
hmE) 結果，進一步校正福衛三號所得電離層垂直密度分佈
已完成
(4)利用於福衛三號掩星所得電離層垂直電子密度資料進行全球四維模式
數值分析方法一：二維球面諧波函數最佳化加上垂直雀普曼
(Chapman)函數最佳化，用以建立即時全球電離層模式系統一。
已完成
Slide 5
前言(續)
第二年計畫目標：
為結合第一年的成果，開發出電離層高頻電波最
大可用頻率(MUF)，電場強度以及最低可用頻率
( LUF)的長期與短期的預報模式。目前已提出計
畫申請書，已進入審查作業階段。
第三年計畫目標：
為實地驗證所開發出的預報模式，並進行技術移
轉。提供給國軍需求單位，以滿足高頻電波通訊
任務頻率選用需求。
Slide 6
前言(續)
本研究的重要性
＊滿足海軍敦睦遠航任務遠距通訊頻率選用之需求
＊作為長期建置國軍高頻通訊系統參數設定之依據
＊高頻電波最佳通訊路徑預先之設定
＊高頻電波通訊抗干擾措施的預先規劃
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電離層高頻電波傳播模式
電離層反射
One Hop
Two Hop
發射機
接收機
電離層最高反射電波頻率fo與電離
層最大電子密度ne之關係
Slide 8
最大可用頻率(MUF)之定義
MUF f v sec io
f v 9 10
6
io
ne
若發射短波電波頻率超過 fv csca , 則電波將會穿透電離層，
而不會被反射回地面，其中 f 為反射點處的最大臨界頻率
(Maximum critical frequency)，ne為電離層最大電子密度。因
此欲進行電離層短波傳播，操作頻率必須小於或等於最大可用
頻率，亦即MUF。在實際的電波傳播應用上，則通常使用最佳
操作頻率FOT，來作為短波通訊之用，亦即 FOT=0.85*MUF
v
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最大可用頻率(MUF)之特性
太陽活動性變化
季節變化
一
月
四
月
電離層最大臨界頻率
太陽黑子數
七
月
十
月
電離層E層最大臨界頻率
全球經緯度變化
日夜變化
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福衛三號電波掩星(Radio
Occultation)技術示意圖
GPS電波
GPS電波
偏折角
P
GPS 衛星
地球
福衛三號
地球大氣層
由福衛三號所量得的GPS
電波穿過電離層所產生的
偏折角後，可以算出電
離層最大電子密度，進而
得到電離層高頻電波最大
可用頻率
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福衛三號電離層資料品
質控管程序之建立
原始資料
定義Peak-height
定義Slope
定義Mean Deviation
Peak-height=0 刪除
或
Slope>=-0.02 | Slope<=-9 刪除
或
MD>=3 刪除
較可信賴的資料
Peak
Height
Slope
Slide 12
福衛三號電離層資料品質控管程序前後
之比較(與IRI模式相比)
之前
2006/08
福
衛
三
號
數
據
2006/10
IRI 模式數據
之後
2006/09
福
衛
三
號
2006/11 數
據
2006/08
2006/09
2006/10
2006/11
IRI 模式數據
註：IRI – 國際電離層參考模型(International Reference Ionosphere)
Slide 13
驗證福衛三號電離層資料所使用之地面
雷達全球分布圖
Slide 14
福衛三號電離層資料品質控管程序後與
地面雷達實測資料相比
斜率=0.747
福
衛
三
號
測
得
電
離
層
最
大
電
子
密
度
斜率=0.821
2007/07
斜率=0.843
2007/10
2007/08
2007/11
斜率=0.885
地面雷達實測電離層最大電子密度
斜率=0.873
斜率=0.791
2007/09
2007/12
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子計畫一執行成果：福衛三號電離層最
大臨界頻率(foF2)全球即時分布之獲得
2008/03/16, 03 UT
N e , , h , t
n
N
e max
, , t e
h h m , , t
h h m , , t H , , t
1
e
1
2
H , , t
(2 9)
i 1
最大電子
密度值
利用查普曼層(Chapman Layer)方程式擬合福衛三號觀測之電離層電子密度剖面，求出
最大電子密度值，再利用球面諧波多項式，擬合最大電子密度觀測值，得到全球分布。
Slide 16
子計畫二執行成果：太陽黑子數預
測模式的開發與建立
太陽黑子數預測值
N 1
N
N 1
Rˆ n
Rn Rn
過去Ｎ個週期中第ｎ個月之平均太陽黑子數
第ｎ個月之預測太陽黑子數與平均太陽黑子數之預測差值
其中Ki為待定係數
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利用太陽黑子數預測值預報高頻
電波最高可用頻率(MUF)的原理
MUF
其中
predict
a SSN
predict
b
MUFpredict : 高頻(HF)電波最高可用頻率預測值
SSNpredict: 太陽黑子數預測值
a : 由全球數值分析所獲得之已知比例常數
b :由全球數值分析所獲得之已知係數
註： a與b為經度，緯度，地方時，與季節的函數
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電離層電波傳播預報模式
計算流程圖
參數輸入
預測太陽黑子數
決定高頻電波
傳播路徑
計算MUF
計算傳播路徑損失
計算控制點
計算接收電場強度
E - mode
F2 -mode
計算MLF
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Ionospheric reflection point
RX
TX
Ground reflection point
(控制點)
Slide 20
電離層最大電子密度
日夜變化之初步預測結果
Slide 21
不同傳播距離下高頻電波
MUF之初步預測結果
傳播距離2500公里
傳播距離4000公里
傳播距離0公里
傳播距離1000公里
Slide 22
結論
一、電離層電波傳播預報模式正在中央大學順利發展中，研
究方向及進度均符合國軍單位需求。
二、本模式將結合太陽黑子數之預報程式與電離層高頻電波
最大可通訊頻率(MUF)的預報模式，建立國人自主發展
之選頻軟體，除MUF之外，本模式亦將提供電場強度與
傳播損失的預報。
三、預計在第三年將選定傳播距離不同的通訊鏈路，執行模
式預報結果的驗證與測試。並與國外現有的預報模式比
較，以確定本模式的優異性。
四、本計畫預期研究成果可提供海軍作為遠距高頻通信頻率
選擇工具，預判可有效提升現行艦岸通信與敦睦遠航高
頻通信網路通達率，滿足海軍使用需求。
運用我國福衛三號與地面雷達
建立電離層高頻電波通信預報模式與驗證
第一年計畫
執行成果報告
朱延祥，蔡龍治，蘇清論
國立中央大學太空科學研究所
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報告內容
一、前言－計畫目的與重要性
二、執行成果(第一年)
－太陽黑子數預報模式之建立
－福衛三號電離層資料品質管空程序之建立
－福衛三號資料即時電離層模式系統之開發
三、計畫第二年初步成果
四、結論
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前言
計畫目的
預計以三年的時間，根據我國福衛三號電離層資料以及
全球地面電離層雷達觀測資料，開發完成自主的高頻電
波通訊頻率即時與長期預報模式。第一年的目標，為建
立太陽黑子數的預報模式，作為高頻電波長期預報模式
建立的基礎，同時並建立完整的福衛三號電離層資料品
質管控程序，開發數值方法，以奠定利用福衛三號電離
層資料建立高頻電波即時預報系統的基礎。第一年計畫
執行期限為96年7月1日至97年6月30日，已執行完成。
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計畫第一年已完成工作項目
(1)建立電離層高頻電波中長期電腦預報模式---太陽黑子數的預報模式。
已完成
(2)福衛三號電離層資料分析與處理程序的建立
已完成
(3)利用已完成的全球電離層觀測儀系統網驗證福衛三號所得電離層參數
(e.g. F2 層臨界電漿頻率(foF2), F2 層臨界頻率高度 (hmF2), foE, and
hmE) 結果，進一步校正福衛三號所得電離層垂直密度分佈
已完成
(4)利用於福衛三號掩星所得電離層垂直電子密度資料進行全球四維模式
數值分析方法一：二維球面諧波函數最佳化加上垂直雀普曼
(Chapman)函數最佳化，用以建立即時全球電離層模式系統一。
已完成
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前言(續)
第二年計畫目標：
為結合第一年的成果，開發出電離層高頻電波最
大可用頻率(MUF)，電場強度以及最低可用頻率
( LUF)的長期與短期的預報模式。目前已提出計
畫申請書，已進入審查作業階段。
第三年計畫目標：
為實地驗證所開發出的預報模式，並進行技術移
轉。提供給國軍需求單位，以滿足高頻電波通訊
任務頻率選用需求。
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前言(續)
本研究的重要性
＊滿足海軍敦睦遠航任務遠距通訊頻率選用之需求
＊作為長期建置國軍高頻通訊系統參數設定之依據
＊高頻電波最佳通訊路徑預先之設定
＊高頻電波通訊抗干擾措施的預先規劃
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電離層高頻電波傳播模式
電離層反射
One Hop
Two Hop
發射機
接收機
電離層最高反射電波頻率fo與電離
層最大電子密度ne之關係
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最大可用頻率(MUF)之定義
MUF f v sec io
f v 9 10
6
io
ne
若發射短波電波頻率超過 fv csca , 則電波將會穿透電離層，
而不會被反射回地面，其中 f 為反射點處的最大臨界頻率
(Maximum critical frequency)，ne為電離層最大電子密度。因
此欲進行電離層短波傳播，操作頻率必須小於或等於最大可用
頻率，亦即MUF。在實際的電波傳播應用上，則通常使用最佳
操作頻率FOT，來作為短波通訊之用，亦即 FOT=0.85*MUF
v
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最大可用頻率(MUF)之特性
太陽活動性變化
季節變化
一
月
四
月
電離層最大臨界頻率
太陽黑子數
七
月
十
月
電離層E層最大臨界頻率
全球經緯度變化
日夜變化
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福衛三號電波掩星(Radio
Occultation)技術示意圖
GPS電波
GPS電波
偏折角
P
GPS 衛星
地球
福衛三號
地球大氣層
由福衛三號所量得的GPS
電波穿過電離層所產生的
偏折角後，可以算出電
離層最大電子密度，進而
得到電離層高頻電波最大
可用頻率
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福衛三號電離層資料品
質控管程序之建立
原始資料
定義Peak-height
定義Slope
定義Mean Deviation
Peak-height=0 刪除
或
Slope>=-0.02 | Slope<=-9 刪除
或
MD>=3 刪除
較可信賴的資料
Peak
Height
Slope
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福衛三號電離層資料品質控管程序前後
之比較(與IRI模式相比)
之前
2006/08
福
衛
三
號
數
據
2006/10
IRI 模式數據
之後
2006/09
福
衛
三
號
2006/11 數
據
2006/08
2006/09
2006/10
2006/11
IRI 模式數據
註：IRI – 國際電離層參考模型(International Reference Ionosphere)
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驗證福衛三號電離層資料所使用之地面
雷達全球分布圖
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福衛三號電離層資料品質控管程序後與
地面雷達實測資料相比
斜率=0.747
福
衛
三
號
測
得
電
離
層
最
大
電
子
密
度
斜率=0.821
2007/07
斜率=0.843
2007/10
2007/08
2007/11
斜率=0.885
地面雷達實測電離層最大電子密度
斜率=0.873
斜率=0.791
2007/09
2007/12
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子計畫一執行成果：福衛三號電離層最
大臨界頻率(foF2)全球即時分布之獲得
2008/03/16, 03 UT
N e , , h , t
n
N
e max
, , t e
h h m , , t
h h m , , t H , , t
1
e
1
2
H , , t
(2 9)
i 1
最大電子
密度值
利用查普曼層(Chapman Layer)方程式擬合福衛三號觀測之電離層電子密度剖面，求出
最大電子密度值，再利用球面諧波多項式，擬合最大電子密度觀測值，得到全球分布。
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子計畫二執行成果：太陽黑子數預
測模式的開發與建立
太陽黑子數預測值
N 1
N
N 1
Rˆ n
Rn Rn
過去Ｎ個週期中第ｎ個月之平均太陽黑子數
第ｎ個月之預測太陽黑子數與平均太陽黑子數之預測差值
其中Ki為待定係數
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利用太陽黑子數預測值預報高頻
電波最高可用頻率(MUF)的原理
MUF
其中
predict
a SSN
predict
b
MUFpredict : 高頻(HF)電波最高可用頻率預測值
SSNpredict: 太陽黑子數預測值
a : 由全球數值分析所獲得之已知比例常數
b :由全球數值分析所獲得之已知係數
註： a與b為經度，緯度，地方時，與季節的函數
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電離層電波傳播預報模式
計算流程圖
參數輸入
預測太陽黑子數
決定高頻電波
傳播路徑
計算MUF
計算傳播路徑損失
計算控制點
計算接收電場強度
E - mode
F2 -mode
計算MLF
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Ionospheric reflection point
RX
TX
Ground reflection point
(控制點)
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電離層最大電子密度
日夜變化之初步預測結果
Slide 21
不同傳播距離下高頻電波
MUF之初步預測結果
傳播距離2500公里
傳播距離4000公里
傳播距離0公里
傳播距離1000公里
Slide 22
結論
一、電離層電波傳播預報模式正在中央大學順利發展中，研
究方向及進度均符合國軍單位需求。
二、本模式將結合太陽黑子數之預報程式與電離層高頻電波
最大可通訊頻率(MUF)的預報模式，建立國人自主發展
之選頻軟體，除MUF之外，本模式亦將提供電場強度與
傳播損失的預報。
三、預計在第三年將選定傳播距離不同的通訊鏈路，執行模
式預報結果的驗證與測試。並與國外現有的預報模式比
較，以確定本模式的優異性。
四、本計畫預期研究成果可提供海軍作為遠距高頻通信頻率
選擇工具，預判可有效提升現行艦岸通信與敦睦遠航高
頻通信網路通達率，滿足海軍使用需求。