复杂路径低频地波传播相位延迟的高精度快速预测方法研究

In a low frequency ground wave navigation system, accurately predicting phase delay is the key in improving the accuracy of positioning, navigation, and timing (PNT). The finite-difference time-domain (FDTD) method has proven to be capable of improving system accuracy dramatically. However, it suffers from very high computational cost especially for long distance complex terrain prediction where using this method as the forward algorithm for ground conductivity inversion is almost impossible. To solve this problem, a combined "low dispersion FDTD pesudo-spectral time-domain PSTD" method is proposed to improve the accuracy therefore reduce cost of the numerical simulation. The memory request and computational time will be reduced significantly by using Segmented Long Path(SLD) technique together with the CPU & GPU based parallel computing techniques. A combined integral equation (IE) and numerical method is proposed to improve the accuracy in the ground conductivity inversion for complex terrain, where the impact of air refraction index on the phase delay will be taken into account. Field tests will be carried out for verification purpose. This investigation will significantly improve the accuracy of both phase delay prediction and ground conductivity inversion in low frequency ground wave propagation system, and ultimately improve the long wave navigation and timing accuracy.

传播相位延迟的预测水平是提高低频地波导航/授时精度的关键，FDTD数值方法能够大幅提高预测精度，但是，长距离、大区域复杂路径传播条件下带来了"数值计算误差大、计算速度慢、内存资源占用大、以FDTD作为前向算法反演大地电导率耗时过长"等问题。针对上述问题，本项目开展以下工作：提出一种"低色散FDTD＋PSTD"频域空域结合的数值计算方法以提高数值计算的理论预测精度；采用分段长距离技术结合基于GPU+CPU的并行计算技术以实现内存资源占用和计算时间的大幅度减小；提出一种积分方程方法与数值计算方法联合剥离复杂地形因素影响的高精度大地电导率反演方法；研究大气折射率对传播相位延迟的影响；开展高精度外场试验以实现对理论研究的支撑和验证。本项目的完成将大幅度提高复杂传播路径低频地波相位延迟的理论预测精度和大地电导率反演精度，提高理论预测方法的工程适应性，为提高长波导航/授时的精度提供有力的技术支撑。

传播相位延迟的预测水平是提高低频地波导航/授时精度的关键，FDTD数值方法能够大幅提高预测精度，但是，长距离、大区域复杂路径传播条件下带来了“数值计算误差大、计算速度慢、内存资源占用大、以FDTD作为前向算法反演大地电导率耗时过长”等问题。针对上述问题，本项目开展了以下工作：提出一套低色散数值计算方案，包括一种“M(2,4)FDTD+FDTD”的低色散混合数值计算方法和一种“低色散FDTD＋PSTD”频域空域结合的数值计算方法，有效减小了数值色散误差，提高了数值计算的理论预测精度；采用解析方法与数值计算方法相结合技术以及分段长距离技术，实现了长距离局部复杂/大区域复杂路径下的高精度快速预测问题；结合基于MPI+OpenMP以及CUDA的GPU+CPU的并行计算方案，实现了内存资源占用和计算时间的大幅度减小；提出一种积分方程方法与数值计算方法联合剥离复杂地形因素影响的高精度大地电导率反演方法，巧妙的解决了单纯积分方程方法进行反演所存在的问题，实现了现有大地电导率中地形因素的剥离；研究了大气折射率空间变化以及时间变化对传播相位延迟的影响程度，并结合数值计算方法初步构建了大气折射率空时模型。同时，搭建了长期监测平台，有针对性的开展了局部区域的外场试验，为理论预测方案的研究、分析与验证提供支撑。课题组圆满完成了项目研究内容与研究目标，研究过程中共发表论文15篇（SCI收录8篇、EI收录5篇）、申请发明专利9项（1项授权）、培养博士3人（毕业1人）、硕士13人（毕业8名）、在站博士后5人。本项目的完成将大幅度提高复杂传播路径低频地波相位延迟的理论预测精度和大地电导率反演精度，提高理论预测方法的工程适应性，为提高长波导航/授时的精度提供有力的技术支撑。