專利名稱：：一種檢測(cè)電離層tec異常的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及對(duì)空間環(huán)境的監(jiān)測(cè)
技術(shù)領(lǐng)域：
，更具體涉及一種檢測(cè)電離層TEC異常的方法，它是一種適合復(fù)雜多變的空間電離層TEC的監(jiān)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
：作為地球空間環(huán)境的重要組成部分，電離層的活動(dòng)與人類的生產(chǎn)和生活息息相關(guān)，電離層對(duì)現(xiàn)代無線電工程系統(tǒng)和人類的空間活動(dòng)有著重要的影響；太陽活動(dòng)、地球運(yùn)動(dòng)和地磁場變化左右了電離層的存在和時(shí)空變化。太陽耀斑的爆發(fā)能使電離層出現(xiàn)異常，影響無線電通信、導(dǎo)航以及與電磁有關(guān)的業(yè)務(wù)活動(dòng)；太陽的局部擾動(dòng)還會(huì)引起電離層的正常結(jié)構(gòu)引發(fā)電離層暴，從而使得短波通信信號(hào)大幅度衰減；另外，地震活動(dòng)也會(huì)在電離層中誘發(fā)聲重波的產(chǎn)生和傳播。因此，對(duì)空間電離層TEC異常活動(dòng)的檢測(cè)研究成為當(dāng)前空間環(huán)境監(jiān)測(cè)研究的焦點(diǎn)之一。地球周圍的空間環(huán)境與我們的許多活動(dòng)密切相關(guān)，因此，在電離層TEC如此多變的今天，迫切需要尋找一種能有效準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)空間環(huán)境變化特別是識(shí)別電離層TEC是否出現(xiàn)異常變化的新的途徑和方法。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對(duì)目前地球周圍的電離層TEC復(fù)雜多變，從而間接影響到人類的生產(chǎn)和生活問題，提出了一種檢測(cè)電離層TEC異常的方法，該方法簡單，利于編程，選取平滑后的TEC殘差時(shí)間序列作為研究對(duì)象，極大地提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度，具有顯著的科研和使用價(jià)值。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)措施本發(fā)明包括對(duì)電子總含量(TEC，TotalElectronicContents)數(shù)據(jù)的平滑濾波、對(duì)平滑值和觀測(cè)值做差、選用滑動(dòng)視窗法對(duì)殘差數(shù)據(jù)進(jìn)行處理三個(gè)部分實(shí)現(xiàn)。一種檢測(cè)電離層TEC異常的方法，它包括如下四個(gè)步驟(1)采用滑動(dòng)平均法(《天文測(cè)量數(shù)據(jù)的處理方法》)對(duì)電離層TEC格網(wǎng)點(diǎn)的時(shí)間序列進(jìn)行平滑濾波；(2)將TEC的觀測(cè)值和平滑值做差，得到平滑后的TEC殘差的時(shí)間序列；(3)選取滑動(dòng)視窗的處理分析方法(該處理分析方法本領(lǐng)域人員很清楚)既選取的滑動(dòng)視窗弧段為10天，計(jì)算該10天內(nèi)TEC均值和標(biāo)準(zhǔn)差；(4)利用滑動(dòng)視窗的方法對(duì)平滑后的殘差時(shí)間序列進(jìn)行異常檢測(cè)選取2倍的標(biāo)準(zhǔn)差作為依據(jù)，取均值加減2倍的標(biāo)準(zhǔn)差作為上限值和下限值；則超出上限值和下限值的部分即視為異常。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果第一，本方法基于對(duì)電離層TEC時(shí)空特性的掌握基礎(chǔ)上提出的，利用平滑后的TEC殘差資料，從源頭上濾去了其本身所具有的時(shí)間周期性，提高了檢測(cè)結(jié)果的可靠性。3第二，扣除TEC的長周期性項(xiàng)后，采用滑動(dòng)視窗的提取方法，使得選取的背景值更加穩(wěn)健，從而進(jìn)一步確保了電離層TEC檢測(cè)結(jié)果的可靠性。第三，本方法原理簡單，編寫程序簡單，可操作性強(qiáng)，便于實(shí)際操作。本發(fā)明為電離層TEC提供一種新的監(jiān)測(cè)方法，本發(fā)明方法簡單，效果明顯，創(chuàng)新性地基于平滑后的殘差數(shù)據(jù)進(jìn)行電離層TEC的異常檢測(cè)，扣除了TEC的長周期趨勢(shì)，大幅提高了檢測(cè)結(jié)果的可靠性。該方法創(chuàng)新性地基于平滑后的殘差數(shù)據(jù)進(jìn)行異?；顒?dòng)的探測(cè)，濾去了電離層TEC本身的周期特性，減少了誤差源對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾，大幅度提高了檢測(cè)結(jié)果的可靠性。利用該方法檢測(cè)得到的電離層TEC異?；顒?dòng)準(zhǔn)確可靠，能夠滿足對(duì)空間環(huán)境進(jìn)行持續(xù)檢測(cè)等要求。圖1為一種檢測(cè)電離層TEC異常的方法流程圖；圖2為一種檢測(cè)到的電離層TEC異常分布圖。具體實(shí)施例方式實(shí)施例1以下借助實(shí)例描述本發(fā)明的實(shí)施方式，具體工作流程如圖1所示，闡述如下。一種檢測(cè)電離層TEC異常的方法，它包括如下步驟第一步、對(duì)電離層TEC時(shí)間序列進(jìn)行平滑濾波1；由于電離層TEC分布的時(shí)空特征，我們選取任一點(diǎn)TEC的時(shí)間序列X(Tj)(j=1η)，采用滑動(dòng)平均的方法對(duì)電離層TEC時(shí)間序列進(jìn)行平滑濾波，得到平滑后的TEC時(shí)間序列X'(Tj)χ\τ)=ΣX(T)(j=1,2,3........)]2n+lk=\J第二步、計(jì)算TEC平滑值與觀測(cè)值的差值2，得到平滑后殘差的時(shí)間序列AXi；ΔXi=X(Tj)-X‘(Tj)(j=1,2,3......)第三步、確定滑動(dòng)視窗的弧長，計(jì)算均值和標(biāo)準(zhǔn)差，取均值加、減2倍標(biāo)準(zhǔn)差做上、下限值，對(duì)殘差的時(shí)間序列進(jìn)行異常檢測(cè)3(采用滑動(dòng)視窗的方法對(duì)殘差序列AXi進(jìn)行處理)；具體實(shí)施方法如下a、假如選取30天的觀測(cè)弧段，確定視窗長度為10天。b、計(jì)算第1天至第10天的10天弧段內(nèi)TEC殘差數(shù)據(jù)AXi的均值和標(biāo)準(zhǔn)差；Χ=(=1,2，3……10)σ=/-^―^(ΔΖ,-X)2(i=1，2，3......10)V-A^—1其中X為均值，N為10，AXi為第i天TEC的殘差值，σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差。C、確定異常的上限值(Upper_b0nd)和下限值(L0Wer_b0nd)取平均值加減2倍的標(biāo)準(zhǔn)差作為異常檢測(cè)時(shí)的上限值和下限值Upperbond=X+2σ\~—Lowerbond=X—2σ4將第11天的資料與上限值和下限值做比較，超出上限值的稱為電離層TEC正異常擾動(dòng)，若低于下限值則稱為電離層TEC負(fù)異常擾動(dòng)，在上限值和下限值之間為正常；d、計(jì)算第2天至第11天的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，則均值加減2倍標(biāo)準(zhǔn)差作為檢測(cè)第12天電離層TEC是否出現(xiàn)異常擾動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)，仿照步驟3對(duì)第12天的電離層TEC進(jìn)行異常檢測(cè)。e、余類推，便可以檢測(cè)到第11天至第30天內(nèi)的TEC是否出現(xiàn)了異常擾動(dòng)；第四步、保存檢測(cè)結(jié)果4，檢測(cè)結(jié)果請(qǐng)見圖2。按照?qǐng)D1處理分析方法，申請(qǐng)人對(duì)2009年4月23至5月23—個(gè)月的TEC進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示4月29號(hào)，5月的6號(hào)，7號(hào)，9號(hào)以及21號(hào)電離層TEC出現(xiàn)了明顯的異常擾動(dòng)，如圖2所示，橫軸代表時(shí)間，縱軸為超出上下限值的部分，單位為TECu,其中4月29號(hào)，5月6，7號(hào)為TEC負(fù)異常，5月9號(hào)和21號(hào)為正異常擾動(dòng)。權(quán)利要求一種檢測(cè)電離層TEC異常的方法，其步驟是A、對(duì)電離層TEC時(shí)間序列進(jìn)行平滑濾波(1)；考慮到電離層TEC分布的時(shí)空特征，選取任一點(diǎn)TEC的時(shí)間序列X(Tj)，采用滑動(dòng)平均的方法對(duì)電離層TEC時(shí)間序列進(jìn)行平滑濾波，得到平滑后的TEC時(shí)間序列X′(Tj)<mrow><msup><mi>X</mi><mo>&prime;</mo></msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>T</mi><mi>j</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><munderover><mi>&Sigma;</mi><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mi>X</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>T</mi><mi>j</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mrow>B、、計(jì)算TEC平滑值與觀測(cè)值的差值(2)，得到平滑后殘差的時(shí)間序列ΔXi；ΔXi＝X(Tj)X′(Tj)C、確定滑動(dòng)視窗的弧長，計(jì)算均值和標(biāo)準(zhǔn)差，取均值加、減2倍標(biāo)準(zhǔn)差做上、下限值，對(duì)殘差的時(shí)間序列進(jìn)行異常檢測(cè)(3)，步驟如下a、選取30天的觀測(cè)弧段，確定視窗長度為10天；b、計(jì)算第1天至第10天的10天弧段內(nèi)TEC殘差數(shù)據(jù)ΔXi的均值和標(biāo)準(zhǔn)差；<mrow><mover><mi>X</mi><mo>&OverBar;</mo></mover><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>N</mi></mfrac><mi>&Sigma;&Delta;</mi><msub><mi>X</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mrow><mi>&sigma;</mi><mo>=</mo><msqrt><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>N</mi><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mi>&Sigma;</mi><msup><mrow><mo>(</mo><mi>&Delta;</mi><msub><mi>X</mi><mi>i</mi></msub><mo>-</mo><mover><mi>X</mi><mo>&OverBar;</mo></mover><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></msqrt></mrow>其中為均值，N為10，ΔXi為第i天TEC的殘差值，σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差；c、確定異常的上限值和下限值取平均值加減2倍的標(biāo)準(zhǔn)差作為異常檢測(cè)時(shí)的上限值和下限值<mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mi>Upper</mi><mo>_</mo><mi>bond</mi><mo>=</mo><mover><mi>X</mi><mo>&OverBar;</mo></mover><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>&sigma;</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Lower</mi><mo>_</mo><mi>bond</mi><mo>=</mo><mover><mi>X</mi><mo>&OverBar;</mo></mover><mo>-</mo><mn>2</mn><mi>&sigma;</mi></mtd></mtr></mtable></mfenced>將第11天的資料與上限值和下限值做比較，超出上限值的稱為電離層TEC正異常擾動(dòng)，低于下限便則稱為電離層TEC負(fù)異常擾動(dòng)，在上限值和下限值之間的視為正常；d、計(jì)算第2天至第11天的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，均值加減2倍標(biāo)準(zhǔn)差作為檢測(cè)第12天電離層TEC是否出現(xiàn)異常擾動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)，仿照步驟(c)對(duì)第12天的電離層TEC進(jìn)行異常檢測(cè)；e、余類推，便檢測(cè)到第11天至第30天內(nèi)的TEC是否出現(xiàn)了異常擾動(dòng)；D、保存檢測(cè)結(jié)果(4)。FSA00000063475700014.tif全文摘要本發(fā)明公開了一種檢測(cè)電離層TEC異常的方法，其步驟是A、對(duì)電離層TEC時(shí)間序列進(jìn)行平滑濾波；考慮到電離層TEC分布的時(shí)空特征，選取任一點(diǎn)TEC的時(shí)間序列，采用滑動(dòng)平均的方法對(duì)電離層TEC時(shí)間序列進(jìn)行平滑濾波，得到平滑后的TEC時(shí)間序列B、計(jì)算TEC平滑值與觀測(cè)值的差值，得到平滑后殘差的時(shí)間序列；C、確定滑動(dòng)視窗的弧長，計(jì)算均值和標(biāo)準(zhǔn)差，取均值加、減2倍標(biāo)準(zhǔn)差做上、下限值，對(duì)殘差的時(shí)間序列進(jìn)行異常檢測(cè)，將資料與上限值和下限值做比較，在上限值和下限值之間的視為正常；D、保存檢測(cè)結(jié)果。本發(fā)明方法簡單，效果明顯，創(chuàng)新性地基于平滑后的殘差數(shù)據(jù)進(jìn)行電離層TEC的異常檢測(cè)，扣除了TEC的長周期趨勢(shì)，大幅提高了檢測(cè)結(jié)果的可靠性。文檔編號(hào)G01V3/00GK101900834SQ20101013267公開日2010年12月1日申請(qǐng)日期2010年3月23日優(yōu)先權(quán)日2010年3月23日發(fā)明者喬學(xué)軍,吳云,周義炎,林劍,祝芙英申請(qǐng)人:中國地震局地震研究所