基于双系数及双序列的电离层扰动探测方法、装置及介质制造方法及图纸

本发明专利技术属于扰动探测技术领域，具体公开了一种基于双系数及双序列的电离层扰动探测方法、装置及介质。其中方法包括构建背景场，所述背景场与待测轨道相似；根据待测轨道与背景场的差值对电离层扰动进行提取。本发明专利技术利用太阳同步轨道固定，且经过同一地点当地时保持基本稳定的特点，可以使历史数据更多的参与电离层扰动探测，从而排除一些会经常性出现在探测地点的电离层异常，使探测结果更加精确。使探测结果更加精确。使探测结果更加精确。

【技术实现步骤摘要】
基于双系数及双序列的电离层扰动探测方法、装置及介质


[0001]本专利技术属于扰动探测
，更具体地，涉及一种基于双系数及双序列的电离层扰动探测方法、装置及介质。

技术介绍

[0002]目前最为常用的是Desantis开发的基于样条分析的磁群异常检测算法、电子密度对数算法以及单轨电子密度异常探测算法用于处理磁场和等离子体数据。这三种算法都需要先对数据进行轨道划分，然后使用多项式拟合以去除长趋势，最后使用滑动窗口按一定阈值进行提取，具体流程见图1。这类方法主要通过各类拟合函数去除长趋势的影响，并选用滑动窗口最终判断是否为异常。
[0003]这三种方法中，电子密度对数算法(NeLog)和单轨电子密度异常探测算法(NeSTAD)是当前在电离层探测研究中应用较多的基于原位观测数据的探测方法，下面简述两种方法的实现过程。
[0004]电子密度对数算法的输入数据为2Hz的Swarm电子密度数据，以地震前后各一个月作为探测时间范围，对由地震孕震阶段和余震期进行探测。其探测范围为Dobrovolsky区域附近
±5°
，并且探测的轨道的地方时应为夜晚10时至早晨6时，以避免赤道电离层异常等电离层活动的干扰。在选定待测轨道以后，对待测轨道的电子密度取以10为底的对数；取对数后的纬向剖面曲线做十次多项式拟合，以拟合后的曲线作为探测用背景场。计算残差的整体均方根误差(RMS)，并以中误差的k倍作为阈值，检查残差中数值大于阈值的位置作为异常。为了避免零星的误差及拟合边缘误差，只有超过连续10个异常点数的样本会被记录，且不采信边缘纬度5
°
范围内的异常结果。
[0005]单轨电子密度异常探测算法使用Swarm朗缪尔原位电子密度观测，等离子体泡数据以及磁暴环电流指数(Dst)来进行电离层扰动探测。该方法主要通过计算二次差值来作为异常判断的依据：
[0006][0007]遍历轨道后可以计算得二次差值序列。对二次差值序列使用以四分位数为基础的阈值进行检查，二次差值大于上界(K
up
)或小于下界(K
down
)的位置，标记为电离层扰动。上下界的定义如所示，其中Q1和Q3分别为第一四分位数和第三四分位数，IQR为四分位距，k取1.5或3。对标记的异常位置，需要使用Swarm等离子体泡数据进行进一步的筛选，以排除电离层自身的干扰。
[0008]K
up
＝Q3+k
·
IQR；K
down
＝Q1
‑
k
·
IQR
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0009]从图2中可知NeLog对于夜间电子密度异常的探测能力是比较高的。无论是位于高磁纬度还是低磁纬度的异常，都具有相当强的探测能力；并且对正负异常都具备一定的辨识能力。但该方法仅能在夜间使用，极大限制了其适用范围。
[0010]NeSTAD在Swarm以外的电磁卫星使用时。无法使用Swarm离子体泡数据产品，因此该方法无法在张衡一号等其它卫星的数据产品中完整应用。从图3中可知NeSTAD具有一定
的探测能力，可以识别出模拟的电子密度异常。但其缺陷也较为明显，那就是划定的异常范围过大(待测轨道有21％的数据被认为是异常)，这说明该方法存在大量的异常误识别，不能满足精确提取的要求。

技术实现思路

[0011]提供了本专利技术以解决现有技术中存在的上述问题。因此，需要一种基于双系数及双序列的电离层扰动探测方法、装置及介质，针对当前常用的电磁卫星原位数据电离层扰动探测方法大多是基于Swarm星座的数据产品开发的，该星座为近极地轨道。对于张衡一号等处于太阳同步轨道电磁卫星的数据产品并不适用，尤其没有利用太阳同步轨道固定，且经过同一地点当地时保持基本稳定的特点的问题，本专利技术利用这一特点可以使历史数据更多的参与电离层扰动探测，从而排除一些会经常性出现在探测地点的电离层异常，使探测结果更加精确。
[0012]根据本专利技术的第一方案，提供了一种基于双系数及双序列的电离层扰动探测方法，所述方法包括：
[0013]构建背景场，所述背景场与待测轨道相似；
[0014]根据待测轨道与背景场的差值对电离层扰动进行提取。
[0015]进一步地，所述构建背景场，具体包括：
[0016]获取输入数据，所述输入数据包括张衡一号朗缪尔探针二级电子密度数据、事件的时空信息、探测的空间覆盖与时间窗口；
[0017]基于所述输入数据，确定待测轨道；
[0018]根据所述待测轨道确定相邻轨道集合，所述相连轨道集合包括待测轨道及其向西、向东各两条轨道；
[0019]基于所述相邻轨道集合进行背景场的构建。
[0020]进一步地，所述基于所述输入数据，确定待测轨道，具体包括：
[0021]将所述张衡一号朗缪尔探针二级电子密度数据进行轨道分隔，每个轨道包含从磁纬度60
°
N(S)到60
°
S(N)的所有数据，并根据事件的时空信息、探测的空间覆盖与时间窗口确定待测轨道。
[0022]进一步地，所述基于所述相邻轨道集合进行背景场的构建，具体包括：
[0023]对每条待测轨道的相邻轨道集合，计算集合内所有轨道的两两对应的弗雷歇系数和皮尔逊相关系数，并分别组成弗雷歇系数矩阵和相关系数矩阵；所述弗雷歇系数矩阵或所述相关系数矩阵为主对角线为1的对称矩阵，每一行/列所对应的数值即为集合内某一条轨道对应的与其他所有轨道的弗雷歇系数或相关系数的值；
[0024]基于所述弗雷歇系数矩阵和相关系数矩阵，通过如下公式(3)
‑
(6)获取G1～G4序列：
[0025]G1＝sum(NFI,1)/n
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(3)
[0026]G2＝NFI(L,:)
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(4)
[0027]G3＝sum(COF,1)/n
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(5)
[0028]G4＝COF(L,:)
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(6)
[0029]其中，n为相邻轨道集合内的轨道数，L为待测轨道对应的编号，sum为累加求和，
NFI为归一化弗雷歇系数，COF为皮尔逊相关系数，G1和G3序列表示各条轨道所对应的电子密度纬向剖面曲线与集合内其它轨道的相似程度，在G1或G3序列中，数值较大的轨道与集合内其它所有轨道更为相似，G2和G4表示待测轨道与集合内其它轨道的相似程度，数值越高的轨道与待测轨道更为相似；
[0030]通过G1～G4序列相加得到权序列G；取其中除待测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双系数及双序列的电离层扰动探测方法，其特征在于，所述方法包括：构建背景场，所述背景场与待测轨道相似；根据待测轨道与背景场的差值对电离层扰动进行提取。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建背景场，具体包括：获取输入数据，所述输入数据包括张衡一号朗缪尔探针二级电子密度数据、事件的时空信息、探测的空间覆盖与时间窗口；基于所述输入数据，确定待测轨道；根据所述待测轨道确定相邻轨道集合，所述相连轨道集合包括待测轨道及其向西、向东各两条轨道；基于所述相邻轨道集合进行背景场的构建。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述输入数据，确定待测轨道，具体包括：将所述张衡一号朗缪尔探针二级电子密度数据进行轨道分隔，每个轨道包含从磁纬度60
°
N(S)到60
°
S(N)的所有数据，并根据事件的时空信息、探测的空间覆盖与时间窗口确定待测轨道。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述相邻轨道集合进行背景场的构建，具体包括：对每条待测轨道的相邻轨道集合，计算集合内所有轨道的两两对应的弗雷歇系数和皮尔逊相关系数，并分别组成弗雷歇系数矩阵和相关系数矩阵；所述弗雷歇系数矩阵或所述相关系数矩阵为主对角线为1的对称矩阵，每一行/列所对应的数值即为集合内某一条轨道对应的与其他所有轨道的弗雷歇系数或相关系数的值；基于所述弗雷歇系数矩阵和相关系数矩阵，通过如下公式(3)
‑
(6)获取G1～G4序列：G1＝sum(NFI，1)/n
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(3)G2＝NFI(L，：)
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(4)G3＝sum(COF，1)/n
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(5)G4＝COF(L，：)
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(6)其中，n为相邻轨道集合内的轨道数，L为待测轨道对应的编号，sum为累加求和，NFI为归一化弗雷歇系数，COF为皮尔逊相关系数，G1和G3序列表示各条轨道所对应的电子密度纬向剖面曲线与集合内其它轨道的相似程度，在G1或G3序列中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈必焰，曹恒瑞，王金勇，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：