CN101726758A - 地磁场扰动实时分析预报系统 - Google Patents
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Abstract
一种地磁场扰动实时分析预报系统，包括历史与实时观测数据装置，所述历史与实时观测数据装置用于对地磁场的变化状况进行实时监测，还包括：当前地磁场扰动分析装置和地磁场扰动预报模块；所述当前地磁场扰动分析装置包括数据预处理与存储装置、多元回归分析模型装置、地磁背景场动态提取装置和实时地磁场扰动状况分析装置；所述地磁场扰动预报模块包括自然正交分解特征向量模型装置、特征向量集构建装置、权重一步预报装置、地磁场扰动预报分析存储装置和地磁场扰动预报输出装置。从而提供一种利用单个地磁台站观测资料并实时分析当前地磁场整体变化程度，由此对未来地磁场扰动程度进行预报的地磁场扰动实时分析预报系统。
Description
技术领域
本发明涉及广播通信领域，特别是一种对地磁场扰动实时分析和预报的系统。
背景技术
地球的磁场由主磁场、局部异常磁场和变化磁场三部分构成，前两种变化缓慢，合称为稳定磁场。变化磁场又称为扰动场，它起源于空间电流体系。它在复杂多变的行星际条件下，能发生激烈、快速的变化。它与人类的生活休戚相关。例如在强磁扰情况下，特别是地磁暴期间，其可能致使空间飞行器发生故障、通讯中断、电力系统摧毁，因而地磁场扰动直接影响着人类的生活和生产。地磁场的监测一直是地球物理学的一个重要的工作，其目的是为了通过分析地磁场对日地空间环境变化的响应过程和响应特征，确定当前地磁场的扰动程度，进而对地磁场未来可能产生的扰动状况做出准确的预报。
未来地磁场的扰动程度与当前地磁场的扰动状况密切相关。虽然全球有数百个地磁台站连续观测地磁场的变化，但汇总不同区域的观测资料，并实时归算出地磁场整体变化程度的统一指标目前却难于做到，特别是通讯链路中断的特定时期。另外，中长期地磁场扰动具有一定的规律，但其变化复杂、多样，在以往常规的预报中无法正确有效地加以利用。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种利用单个地磁台站观测资料并实时分析当前地磁场整体变化程度，由此对未来地磁场扰动程度进行预报的地磁场扰动实时分析预报系统。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种地磁场扰动实时分析预报系统，包括历史与实时观测数据装置，所述历史与实时观测数据装置用于对地磁场的变化状况进行实时监测，还包括：当前地磁场扰动分析装置和地磁场扰动预报模块；
所述当前地磁场扰动分析装置包括数据预处理与存储装置、多元回归分析模型装置、地磁背景场动态提取装置和实时地磁场扰动状况分析装置；
所述数据预处理与存储装置用于调用所述历史与实时观测数据装置监测的地磁场的变化状况，并对上述资料进行相应分析和存储；
所述多元回归分析模型装置用于将所述数据预处理与存储装置中的历史地磁场扰动状况记录进行建模；
所述地磁背景场动态提取装置用于动态的提取实时地磁场扰动场数据；
所述实时地磁场扰动状况分析装置用于结合所述多元回归分析模型装置中的建模数据和利用所述地磁场背景动态提取装置提取地磁场背景的技术，进行当前地磁场扰动状况分析，得到当前地磁场扰动状况结果；
所述地磁场扰动预报模块包括自然正交分解特征向量模型装置、特征向量集构建装置、权重一步预报装置、地磁场扰动预报分析存储装置和地磁场扰动预报输出装置；
所述自然正交分解特征向量模型装置用于将所述数据预处理与存储装置中的历史地磁场扰动状况记录和所述实时地磁场扰动状况分析装置中的得到的实时扰动状况进行自然正交分解，得到当前所获取的地磁相关数据时间序列的主分量，包括特征向量分解和振幅；
所述特征向量集构建装置提取所述自然正交分解特征向量模型装置分解的特征向量的各个分量，构建特征向量集；
所述权重一步预报装置利用时间序列的主分量，获得最近一天的地磁活动预报；
所述地磁场扰动预报分析存储装置用于将所述特征向量集构建装置构建的特征向量集，以及所述权重一步预报装置获得的最近一天的地磁活动预报结果，生成未来1-30天地磁场扰动预报结果，并将生成的数据结果和图像保存；
所述地磁场扰动预报输出装置将预报结果预报给外界。
本发明的地磁场扰动实时分析预报系统，其中所述历史与实时观测数据装置包括：磁暴初相和主相出现时间监测装置、地磁场1、3小时变化幅度监测装置、地磁场一天变化最大变幅监测装置和行星性磁情指数监测装置。
本发明的地磁场扰动实时分析预报系统，其中所述数据预处理与存储装置对地磁场的变化状况进行完整性分析，发现数据缺失，运用样条函数自动对数据进行数字插值，对明显超出历史变化范围的异常数据进行剔除、平滑处理，同时生成后缀为ycl的分析处理情况文件保存备案。
本发明的地磁场扰动实时分析预报系统，其中所述实时地磁场扰动状况分析装置通过量取各个小时的地磁总强度和各分量变化幅度，与历史变化幅度及国际对不同纬度台站地磁变化幅度的换算标准，得到当前以及过去24小时地磁场扰动状况。
本发明的地磁场扰动实时分析预报系统，其中所述自然正交分解特征向量模型装置将当前和历史地磁场扰动状况通过自然正交分量法将其分解为对应不同空间电流体系的特征向量和相应的变化幅度。
本发明的地磁场扰动实时分析预报系统，其中所述权重一步预报装置利用不同空间电流体系的特征向量和相应的变化幅度，采用时序外推方法获得最近一天的地磁活动预报。
本发明的地磁场扰动实时分析预报系统，其中所述地磁场扰动预报分析存储装置利用线性代数求解特征值的方法，获得预报时点以前一定时期的地磁场扰动场特征向量集，即地磁场扰动变化“振型”的基础上，通过对权重的一步预报装置得到的不同权重，采用可对非平稳序列进行平稳化处理的ARIMA模型，生成未来1-30天全球地磁场扰动指标结果，并将结果保存。
本发明的地磁场扰动实时分析预报系统，其中所述地磁场扰动状况包括数据结果和图像，所述数据结果包括当前地磁场扰动程度、对应的时段及计算的时间等，所述图像包括图像的颜色、格式及图像中的文本等。
本发明的地磁场扰动实时分析预报系统，其中在所述地磁场扰动实时分析预报系统中还可以设定定时器，所述定时器用于控制所述磁暴初相和主相出现时间监测装置、所述地磁场1、3小时变化幅度监测装置、所述地磁场一天变化最大变幅监测装置和所述行星性磁情指数监测装置定时进行监测数据，控制所述当前地磁场扰动分析装置定时对地磁场扰动状况进行分析，控制所述地磁场扰动预报模块定时对地磁场扰动状况预报。
本发明的地磁场扰动实时分析预报系统，解决了无法实时获得地磁扰动场整体变化程度指标的难题。它能够快速准确地对地磁场扰动状况做出判断，并能以此为基础，有效的将地磁场扰动中长期的变化规律应用到中长期预报中，这对于防止地磁场激烈扰动对人类生活、工农业生产造成影响，对于科学研究都具有重要的应用价值。
附图说明
图1是本发明地磁场扰动实时分析预报系统的系统框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明地磁场扰动实时分析预报系统的实施方式进行详细说明。
参见图1，由于地磁场扰动的分析预报基础是大量数据的分析处理，本发明的地磁场扰动实时分析预报系统是在一个服务器系统中设置当前地磁场扰动分析装置2和地磁场扰动预报模块3；且在一个地磁台站(或者多个地磁台站参与验证)中设置历史与实时观测数据装置1，历史与实时观测数据装置1包括：磁暴初相和主相出现时间监测装置101、地磁场1、3小时变化幅度监测装置102、地磁场一天变化最大变幅监测装置103和行星性磁情指数监测装置104；当前地磁场扰动分析装置2包括数据预处理与存储装置201、多元回归分析模型装置202、地磁背景场动态提取装置203和实时地磁场扰动状况分析装置204；地磁场扰动预报模块3包括：自然正交分解特征向量模型装置301、特征向量集构建装置302、权重一步预报装置303、地磁场扰动预报分析存储装置304、地磁场扰动预报输出装置305；
磁暴初相和主相出现时间监测装置101用于监测磁暴初相和主相出现时间；
地磁场1、3小时变化幅度监测装置102用于监测地磁场1小时和3小时变化幅度；
地磁场一天变化最大变幅监测装置103用于监测地磁场一天变化最大变幅；
行星性磁情指数监测装置104用于监测三小时和一天的地磁场扰动行星性磁情指数；
数据预处理与存储装置201用于调用磁暴初相和主相出现时间监测装置101监测到的磁暴初相和主相出现时间、地磁场1、3小时变化幅度监测装置102监测到的地磁场1小时和3小时变化幅度、地磁场一天变化最大变幅监测装置103监测到的地磁场一天变化最大变幅以及行星性磁情指数监测装置104监测到的三小时和一天的地磁场扰动行星性磁情指数；并对上述资料进行完整性分析，发现数据缺失，运用样条函数自动对数据进行数字插值，对明显超出历史变化范围的异常数据进行剔除、平滑处理，同时生成后缀为ycl的分析处理情况文件保存备案；
多元回归分析模型装置202用于将数据预处理与存储装置201中的历史地磁场扰动状况记录进行多元回归建模；
地磁背景场动态提取装置203用于动态的提取当前的地磁场扰动场数据；
实时地磁场扰动状况分析装置204用于结合多元回归分析模型装置202中的建模数据和利用地磁场背景动态提取装置203提取地磁场背景的技术，进行当前地磁场扰动状况分析，通过量取各个小时的地磁总强度和各分量变化幅度，与历史变化幅度及国际对不同纬度台站地磁变化幅度的换算标准，得到当前以及过去24小时地磁场扰动状况，其数据结果包括当前地磁场扰动程度、对应的时段及计算的时间等，图像包括图像的颜色、格式及图像中的文本等。
自然正交分解特征向量模型装置301为保证本系统预报准确率大大优化的关键，它用于将数据预处理与存储装置201中的历史地磁场扰动状况记录和实时地磁场扰动状况分析装置204中的得到的实时扰动状况进行自然正交分解，得到当前所获取的地磁相关数据时间序列的主分量，包括特征向量分解Ф和振幅A；
特征向量集构建装置302提取自然正交分解特征向量模型装置301分解的不同空间电流体系的特征向量Ф的各个分量，构建特征向量集；
权重一步预报装置303利用不同空间电流体系的特征向量Ф和相应的变化幅度A，采用时序外推方法获得最近一天的地磁活动预报；
地磁场扰动预报分析存储装置304用于将特征向量集构建装置302构建的特征向量集，以及权重一步预报装置303获得最近一天的地磁活动预报结果，利用线性代数求解特征值的方法，获得预报时点以前一定时期的地磁场扰动场特征向量集，即地磁场扰动变化“振型”的基础上，通过对不同振型贡献的大小(即权重)进一步预报，生成未来1-30天地磁场扰动预报结果，达到对地磁场扰动场中长期变化程度的多步预报，并将生成的数据结果和图像保存，数据结果包括未来地磁场扰动的级别，依据预报需求不同，可分别选择地磁场ap，Kp，Ap三种不同的地磁活动指数作为扰动程度指标，给出未来的不同时段这些指数的数值及计算的时间等，并可以图像表示，图像包括图像的颜色、格式及图像中的文本等。
地磁场扰动预报输出装置305将预报结果预报给外界。
本发明地磁场扰动实时分析预报系统的工作过程为：
一个地磁台站日常观测资料(或多个地磁台站)中的磁暴初相和主相出现时间监测装置101实时监测磁暴初相和主相出现时间、地磁场1、3小时变化幅度监测装置102实时监测地磁场1小时和3小时变化幅度、地磁场一天变化最大变幅监测装置103实时监测地磁场一天变化最大变幅以及行星性磁情指数监测装置104实时监测三小时和一天的地磁场扰动行星性磁情指数；且在进行上述地磁台站观测的数据调用后，数据预处理与存储装置201自动对数据的完整性进行分析，发现数据缺失，运用样条函数自动对数据进行数字插值，对明显超出历史变化范围的异常数据进行剔除、平滑处理，同时生成后缀为ycl的分析处理情况文件保存备案。
利用数据预处理与存储装置201获得的数据，与国际标准的地磁场扰动指数资料配合，通过多元回归分析模型装置202进行多元回归建模。以当前(包含过去24小时)地磁场实时观测资料为输入，例如：当前地磁台站的地磁总强度、水平分量、垂直分量，得到反映全球地磁场扰动场变化的三个指标：一小时的最大、最小变化幅度；三小时的最大、最小变化幅度；一天的最大、最小变化幅度。
系统中还设置有定时器，利用该定时器可以控制磁暴初相和主相出现时间监测装置101、地磁场1、3小时变化幅度监测装置102、地磁场一天变化最大变幅监测装置103和行星性磁情指数监测装置104定时进行监测数据，控制当前地磁场扰动分析装置2定时对地磁场扰动状况进行分析，控制地磁场扰动预报模块3定时进行地磁场扰动状况预报。
实时地磁场扰动状况分析装置204读入多元回归分析模型装置202得到的一小时的最大、最小变化幅度；三小时的最大、最小变化幅度；一天的最大、最小变化幅度，结合地磁场背景动态提取装置203从数据预处理与存储装置201中提取的当前的地磁场背景，通过量取各个小时的地磁总强度和各分量变化幅度，与历史变化幅度及国际对不同纬度台站地磁变化幅度的换算标准，生成反映24小时内全球地磁场的扰动指标结果，仍以预报需求的ap，Kp，Ap给出。
由于地磁场扰动场受环境的影响具有复杂的变化形态，因此利用自然正交分解特征向量模型装置301将数据预处理与存储装置201中存储的当前和历史地磁场扰动状况通过自然正交分量法(Natural Orthogonal Component)可将其分解为对应不同空间电流体系的特征向量Ф和相应的变化幅度A，前者反映了不同空间电流系对地磁场扰动的特征，后者则确定了各自特征向量对地磁场扰动贡献的大小，即权重。其特点在于分解的特征向量(基函数系列)不是事先给定，而是在对数据资料的计算分析中由数据本身自然生成。
特征向量集构建装置302提取自然正交分解特征向量模型装置301分解的不同空间电流体系的特征向量Ф的各个分量，构建特征向量集；
权重一步预报装置303利用不同空间电流体系的特征向量Ф和相应的变化幅度A，采用时序外推方法获得最近一天的地磁活动预报，包括ap、Kp、Ap。
地磁场扰动预报分析存储装置304结合特征向量集构建装置302获得的特征向量集，以及权重一步预报装置303获得最近一天的地磁活动预报，将权重一步预报装置303获得的地磁活动预报结果结合特征向量集构建装置302获得的特征向量集，利用线性代数求解特征值的方法，获得预报时点以前一定时期的地磁场扰动场特征向量集，即地磁场扰动变化“振型”的基础上，通过对不同振型贡献的大小(即权重)进一步预报，生成未来1-30天地磁场扰动预报结果，达到对地磁场扰动场中长期变化程度的多步预报。
通过对权重的一步预报装置303得到的不同权重，采用可对非平稳序列进行平稳化处理的ARIMA(Autoregressive Integrated Moving Average)模型，生成未来1-30天全球地磁场扰动指标结果，并将结果保存。
所有的输出结果按年/月/日命名，如20081231.ybo为2008年12月31日地磁场扰动程度的预报分析结果。
地磁场扰动预报输出装置303最后根据用户需求，将预报结果通过电子邮件、手机短信、面向公众及特定机构用户的网站、协同工作环境/平台和地球物理/空间科学网格分发。
本发明的地磁场扰动实时分析预报系统，解决了无法实时获得地磁扰动场整体变化程度指标的难题。它能够快速准确地对地磁场扰动状况做出判断，并能以此为基础，有效的将地磁场扰动中长期的变化规律应用到中长期预报中，这对于防止地磁场激烈扰动对人类生活、工农业生产造成影响，对于科学研究都具有重要的应用价值。
以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种地磁场扰动实时分析预报系统，包括历史与实时观测数据装置(1)，所述历史与实时观测数据装置(1)用于对地磁场的变化状况进行实时监测，其特征在于，还包括：当前地磁场扰动分析装置(2)和地磁场扰动预报模块(3)；
所述当前地磁场扰动分析装置(2)包括数据预处理与存储装置(201)、多元回归分析模型装置(202)、地磁背景场动态提取装置(203)和实时地磁场扰动状况分析装置(204)；
所述数据预处理与存储装置(201)用于调用所述历史与实时观测数据装置(1)监测的地磁场的变化状况，并对上述资料进行相应分析和存储；
所述多元回归分析模型装置(202)用于将所述数据预处理与存储装置(201)中的历史地磁场扰动状况记录进行建模；
所述地磁背景场动态提取装置(203)用于动态的提取实时地磁场扰动场数据；
所述实时地磁场扰动状况分析装置(204)用于结合所述多元回归分析模型装置(202)中的建模数据和利用所述地磁场背景动态提取装置(203)提取地磁场背景的技术，进行当前地磁场扰动状况分析，得到当前地磁场扰动状况结果；
所述地磁场扰动预报模块(3)包括自然正交分解特征向量模型装置(301)、特征向量集构建装置(302)、权重一步预报装置(303)、地磁场扰动预报分析存储装置(304)和地磁场扰动预报输出装置(305)；
所述自然正交分解特征向量模型装置(301)用于将所述数据预处理与存储装置(201)中的历史地磁场扰动状况记录和所述实时地磁场扰动状况分析装置(204)中的得到的实时扰动状况进行自然正交分解，得到当前所获取的地磁相关数据时间序列的主分量，包括特征向量分解和振幅；
所述特征向量集构建装置(302)提取所述自然正交分解特征向量模型装置(301)分解的特征向量的各个分量，构建特征向量集；
所述权重一步预报装置(303)利用时间序列的主分量，获得最近一天的地磁活动预报；
所述地磁场扰动预报分析存储装置(304)用于将所述特征向量集构建装置(302)构建的特征向量集，以及所述权重一步预报装置(303)获得的最近一天的地磁活动预报结果，生成未来1-30天地磁场扰动预报结果，并将生成的数据结果和图像保存；
所述地磁场扰动预报输出装置(305)将预报结果预报给外界。
2.根据权利要求1所述的地磁场扰动实时分析预报系统，其特征在于，所述历史与实时观测数据装置(1)包括：磁暴初相和主相出现时间监测装置(101)、地磁场1、3小时变化幅度监测装置(102)、地磁场一天变化最大变幅监测装置(103)和行星性磁情指数监测装置(104)。
3.根据权利要求2所述的地磁场扰动实时分析预报系统，其特征在于，所述数据预处理与存储装置(201)对地磁场的变化状况进行完整性分析，发现数据缺失，运用样条函数自动对数据进行数字插值，对明显超出历史变化范围的异常数据进行剔除、平滑处理，同时生成后缀为ycl的分析处理情况文件保存备案。
4.根据权利要求3所述的地磁场扰动实时分析预报系统，其特征在于，所述实时地磁场扰动状况分析装置(204)通过量取各个小时的地磁总强度和各分量变化幅度，与历史变化幅度及国际对不同纬度台站地磁变化幅度的换算标准，得到当前以及过去24小时地磁场扰动状况。
5.根据权利要求4所述的地磁场扰动实时分析预报系统，其特征在于，所述自然正交分解特征向量模型装置(301)将当前和历史地磁场扰动状况通过自然正交分量法将其分解为对应不同空间电流体系的特征向量和相应的变化幅度。
6.根据权利要求5所述的地磁场扰动实时分析预报系统，其特征在于，所述权重一步预报装置(303)利用不同空间电流体系的特征向量和相应的变化幅度，采用时序外推方法获得最近一天的地磁活动预报。
7.根据权利要求6所述的地磁场扰动实时分析预报系统，其特征在于，所述地磁场扰动预报分析存储装置(304)利用线性代数求解特征值的方法，获得预报时点以前一定时期的地磁场扰动场特征向量集，即地磁场扰动变化“振型”的基础上，通过对权重的一步预报装置(303)得到的不同权重，采用可对非平稳序列进行平稳化处理的ARIMA模型，生成未来1-30天全球地磁场扰动指标结果，并将结果保存。
8.根据权利要求7所述的地磁场扰动实时分析预报系统，其特征在于，所述地磁场扰动状况包括数据结果和图像，所述数据结果包括当前地磁场扰动程度、对应的时段及计算的时间等，所述图像包括图像的颜色、格式及图像中的文本等。
9.根据权利要求8所述的地磁场扰动实时分析预报系统，其特征在于，在所述地磁场扰动实时分析预报系统中还可以设定定时器，所述定时器用于控制所述磁暴初相和主相出现时间监测装置(101)、所述地磁场1、3小时变化幅度监测装置(102)、所述地磁场一天变化最大变幅监测装置(103)和所述行星性磁情指数监测装置(104)定时进行监测数据，控制所述当前地磁场扰动分析装置(2)定时对地磁场扰动状况进行分析，控制所述地磁场扰动预报模块(3)定时对地磁场扰动状况预报。
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