CN105701276A - 一种改进的电离层垂直剖面建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的电离层垂直剖面建模方法，所述方法包括以下步骤：步骤A：获取12个自由参数的初始值；步骤B：确定12个自由参数的搜索范围；步骤C：根据实测电离图数据，选取三个频率点；步骤D：将电离层建模为包含E层、谷层、连接层1、 层、连接层2、层的模型，步骤E：获取根据步骤C中选取的三个频点计算得到的虚高与实测虚高差最小的1000组参数；步骤F：在获取的1000组参数中，根据实测数据的所有频点的虚高与模型计算的虚高相关系数最大的一组参数作为剖面反演参数。本发明所公开的改进的电离层垂直剖面建模方法，克服了以前模型中F1层电子浓度与实测值有偏差的不足之处，提高了模型的精度。

Description

一种改进的电离层垂直剖面建模方法

技术领域

本发明涉及电离层研究及应用领域，尤其涉及一种改进的电离层垂直剖面建模方法。

背景技术

电离层垂直探测反演是根据探测的垂测电离图获取电磁波真实反射高度与等离子体频率或电子浓度的对应关系。电离层垂直探测是用电离层测高仪(垂测仪)垂直向上发射频率随时间变化的无线电脉冲，在同一地点接收这些脉冲的电离层反射信号，从而获得反射高度与频率关系的反射曲线，称为垂测电离图。垂测电离图的反演对研究电离层结构和电离层波传播问题具有重要意义，一直以来受到十分广泛的重视。

垂测电离图反演方法总体上分为直接计算法、分片法和模式法三种。目前，应用较为普遍的垂测电离图反演方法是基于模式法思想发展的电离层参数反演方法，其中，黄雪钦等公开了一种基于IRI模型改进的电离层垂直剖面建模方法，CarloScotto基于黄雪钦改进后的电离层垂直剖面建模模型，提出了一种反演电离层剖面的方法。该方法中，对于含有E层、F₁层和F₂层三层的电离层，首先在实测电离图上选取三个探测频点，在F₂层最大电子浓度(N_mF₂)、F₂层最大电子浓度处的高度(h_mF₂)、F₁层最大电子浓度(N_mF₁)、F₂层的厚度参数(B₀)、F₂层的形状参数(B₁)、F₁层的形状参数(D₁)、E层最大电子浓度(N_mE)、E层最大电子浓度处的高度(h_mE)、谷层最深处的高度(h_vE)、谷的宽度(δh_vE)、谷的深度(δN_vE)、E的半厚(y_mE)12个自由参数寻优中找出与这三点实测虚高误差最小的1000组参数，再在实测的所有频点上根据这1000组数据求取模型的虚高与实测数据虚高的相关系数，把相关系数最高的一组参数作为剖面模型的参数。由于该模型中，在F1层最大虚高处电子浓度不等于根据实测临频得到的最大电子浓度，所以在根据反演剖面得到的描迹中，反演描迹的F1层临频与实测临频有偏差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种可有效提高模型精度的改进的电离层垂直剖面建模方法。

本发明采用如下技术方案：

一种改进的电离层垂直剖面建模方法，其改进之处在于，所述方法包括以下步骤：

步骤A：获取N_mF₂、h_mF₂、N_mF₁、B₀、B₁、D₁、N_mE、h_mE、h_vE、δh_vE、δN_vE、y_mE12个自由参数的初始值；

步骤B：确定12个自由参数的搜索范围；

步骤C：根据实测电离图数据，选取三个频率点；

步骤D：将电离层建模为包含E层、谷层、连接层1、F₁层、连接层2、F₂层的模型，其中，E层剖面用抛物模型表示，谷层剖面分为两部分，与E层连接的部分用三次多项式模型表示，与F₁层连接的部分用反抛物模型表示，F₁层基于高斯模型表示，连接层2基于反高斯模型表示，F₂层剖面用IRI中的模型，连接层1应用的模型如式(1)所示；

其中，

$N_{F2}\left(h\right)=N_m{F}_2\·\frac{e^{-x^{B_1}}}{\cosh x},x=\frac{h_m{F}_2-h}{B_0},h_2\≤h\≤h_m{F}_2$

$\mathrm{\&mu;}=\left\{\begin{array}{cc}h& H_{st}=h_{m}E+{\mathrm{\&delta;h}}_{v}E\\ H_z+T/2-{\{T\&CenterDot;(T/4+H_z-h)\}}^{0.5}& H_{st}>h_{m}E+{\mathrm{\&delta;h}}_{v}E\\ H_z+T/2+{\{T\&CenterDot;(T/4+H_z-h)\}}^{0.5}& H_{st}<h_{m}E+{\mathrm{\&delta;h}}_{v}E\end{array}\right.$

$T=\frac{{(H_z-H_{st})}^2}{H_{st}-(h_{m}E+{\mathrm{\&delta;h}}_{v}E)},H_{St}\&NotEqual;h_{m}E+{\mathrm{\&delta;h}}_{v}E$

N_mE表示E层的最大电子浓度；h_mF₁表示F₁层峰高；h_mF₂表示F₂层的峰高；N_mF₂表示F₂层峰高处的电子浓度；h₂表示F₂层与连接层2的交点处高度；h_mF₂表示F₂层的峰高；h_mE表示E层峰高；δh_vE表示谷宽；h₁表示连接层1与F₁层连接

H_st是式(2)的根

$N_{m}E=N_{F2}\left(h^{**}\right),h^{**}=N_m{F}_1\&CenterDot;\&lsqb;1-{\left(\frac{h_m{F}_1-h}{h_m{F}_1}\right)}^{1+D_1}\&rsqb;---\left(2\right)$

$H_z=\frac{(H_{st}+h_m{F}_2)}{2}---\left(3\right)$

B₁的值根据经验设为3，D₁的值根据经验设为1.75,B₀的值如式(7)所示：

para_A＝(N_mF₁‐N_mE)/(h_mF₂‐h_mE‐δh_vE)

(4)

para_B＝N_mE‐para_A·h_mE(5)

h_mF₁_approx＝(N_mF₁‐para_B)/para_A+25·10³(6)

$B_0\_base=(h_m{F}_2\_base-h_m{F}_1\_approx)\&CenterDot;\sqrt{\frac{N_m{F}_2\_base}{h_m{F}_2\_base-h_m{F}_1\_base}}---\left(7\right)$

步骤E：获取根据步骤C中选取的三个频点计算得到的虚高与实测虚高差最小的1000组参数；

步骤F：在获取的1000组参数中，根据实测数据的所有频点的虚高与模型计算的虚高相关系数最大的一组参数作为剖面反演参数。

进一步的，所述步骤A具体包括：

步骤A1：N_mF₂的初值如式(8)所示：

其中f₀F_2[auto]表示F₂层的实测临频值；

步骤A2：N_mE的初值如式(9)所示：

其中f₀E_[auto]表示E层的实测临频值；

步骤A3：h_mF₂的初值如式(10)所示：

$h_m{F}_2\_base=(\frac{1490}{M\left(3000\right)+\frac{0.18}{f_0{F}_{2\&lsqb;auto\&rsqb;}/f_{0}E\&lsqb;auto\&rsqb;}-1.4}-176)\&CenterDot;{10}^3---\left(10\right)$

M(3000)可根据实测数据获取，f₀E_[auto]表示E层的实测临频值；

步骤A4：N_mF1的初值如式(11)所示：

其中f₀F_1[auto]表示F₁层的实测临频值；

步骤A5：δh_vE的初值如式(13)、(14)所示，天顶角γ计算公式如式(12))所示：

cosγ＝sinX_n·sinS_x+cosX_n·cosS_x·cos(S_y-Y_n)(12)

其中，X_n为考察点的地理纬度，Y_n为考察点的地理经度，S_x为太阳视赤纬月中值，S_y为太阳直射点的经度，S_y＝15·t_y-180,t_y为世界时UT，当γ∈[0，85]时，

δh_vE＝7.12-0.031·γ+0.0023·γ²(13)

当γ∈[85，180]时，

δh_vE＝-329.4+6.04926·θ-0.025269·θ²+0.00003005·θ³(14)

其中，本地时间0～12时：θ＝360-γ；本地时间12～24时：θ＝γ；

步骤A6：h_mE的初值如式(15)所示：

h_mE_base＝110·10³(15)

步骤A7：y_mE的初值如式(16)所示：

y_mE_base＝15·10³(16)

步骤A8：B₀的初值如式(20)所示：

$para\_A=(N_m{F}_1\_base-N_{m}E\_base)/(h_m{F}_{2base}-h_{m}E\_base-{\mathrm{\&delta;h}}_{v}E\_base)---\left(17\right)$

para_B＝N_mE_base-para_A·h_mE_base(18)

h_mF₁_approx＝(N_mF₁_base-para_B)/para_A+25·10³(19)

$B_0\_base=(h_m{F}_2\_base-h_m{F}_1\_approx)\&CenterDot;\sqrt{\frac{N_m{F}_2\_base}{h_m{F}_2\_base-h_m{F}_1\_base}}---\left(20\right)$

步骤A9：B₁的初值如式(21)所示：

B₁_base＝3(21)

步骤A10：D₁的初值如式(22)所示：

D₁_base＝1.75(22)

步骤A11：h_vE的初值如式(23)、(24)所示：

当γ∈[0，85]时，

h_vE_base＝115.8-0.02·γ+0.00078·γ²(23)

当γ∈[85，180]时，

h_vE_base＝130.73-0.069172·θ+0.1429·10^-3·θ²(24)

其中，本地时间0～12时：θ＝360-γ；本地时间12～24时：θ＝γ；

步骤A12：δN_vE的初值如式(27)所示：

当γ∈[0，85]时

DEvally＝0.96-0.00069·γ+0.000034·γ²-0.0000006·γ³(25)

当γ∈[85，180]时

DEvally＝8.9814-0.198225·θ+0.001597·θ²-0.00000552·θ³+0.69537·10^-8·θ⁴(26)

其中，本地时间0～12时：θ＝360-γ；本地时间12～24时：θ＝γ；

δh_vE_base＝DEvally·N_mE_base(27)

进一步的，所述步骤B具体包括：对12个自由参数设定搜索范围，对于根据实测值获取的N_mF₂、N_mF₁、N_mE参数可以不进行搜索。

进一步的，所述步骤C具体包括：实测数据中F2层虚高的最小值处的探测频率为

步骤C1：第一个频点f_|Y1|如式(28)所示

f_|Y1|＝f₀F_2[auto]-0.5MHz(28)

步骤C2：第二个频点f_|Y2|如式(29)所示

$f_{\left|Y2\right|}=f_{\left|h^{\&prime;}{F}_2\right|}---\left(29\right)$

步骤C3：第一个频点f_|Y3|如式(30)所示

$f_{\left|Y3\right|}=f_{\left|h^{\&prime;}{F}_2\right|}-0.3MHz---\left(30\right)$

进一步的，所述步骤D具体包括：

步骤D1：电离层电子浓度剖面具体形式如式(31)所示：

E层和谷层的连接点位于E层峰高h_mE，谷层包括两个部分：与E层连接部分(N_谷E)和与连接层1的连接部分(N_谷F1)并且在高度h_mE+δh_vE处的浓度等于E层峰高处浓度N_mE，这两部分的连接点位于高度h_vE处，F₁层和谷层连接层的连接点位于高度h₁处，F₁层和F₁层与F₂层连接层的连接点位于F₁层峰高h_mF₁处，F₁层与F₂层连接层和F₂层的连接点位于高度h₂处，式(31)中各符号的具体含义如下：

E层：N_E表示E层的电子浓度；N_mE表示E层的最大电子浓度；h_mE表示E层峰高；y_mE表示E层半厚；h_bE＝h_mE-y_mE表示E层底高；

谷层：与E层的连接部分(N_谷E)的三次多项式模型的各个参数的值是根据电子浓度剖面在高度h_mE+δh_vE处连续性、在高度h_mE处与高度h_vE处的光滑性和连续性计算得出，其中δh_vE表示谷宽；

F₂层：h_mF₂表示F₂层的峰高；N_mF₂表示F₂层峰高处的电子浓度；h₂表示F₂层与连接层2的交点处高度；

连接层2：h_mF₁表示F₁层峰高；N_mF₁表示F₁层峰高处的电子浓度；

F₁层：h₁表示连接层1与F₁层连接处的高度；

连接层1：H_st是式(32)的根

$N_{m}E=N_{F2}\left(h^{**}\right),h^{**}=N_m{F}_1\&CenterDot;\&lsqb;1-{\left(\frac{h_m{F}_1-h}{h_m{F}_1}\right)}^{1+D_1}\&rsqb;---\left(32\right)$

$H_z=\frac{(H_{st}+h_m{F}_2)}{2}---\left(33\right)$

步骤D2：计算等离子体频率；

步骤D3：计算回波虚高。

本发明的有益效果在于：

本发明所公开的改进的电离层垂直剖面建模方法，提出了F1层新的模型—高斯模型，使在F1层峰高处电子浓度为F1层实测浓度值，克服了以前模型中F1层电子浓度与实测值有偏差的不足之处，同时F1层模型的反模型—反高斯模型作为保证F1与F2剖面连续的连接层，提高了模型的精度。

附图说明

图1为本发明所公开的电离层垂直剖面建模方法的流程图；

图2为使用本发明所公开的方法对一个三层电离层进行反演的实例。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种改进的电离层垂直剖面建模方法，包括以下步骤：

(1)获取N_mF₂、h_mF₂、N_mF₁、B₀、B₁、D₁、N_mE、h_mE、h_vE、δh_vE、δN_vE、y_mE12个自由参数的初始值：

1)N_mF₂的初值如式(34)所示：

其中f₀F_2[auto]表示F₂层的实测临频值；

2)N_mE的初值如式(35)所示：

其中f₀E_[auto]表示E层的实测临频值；

3)h_mF₂的初值如式(36)所示：

$h_m{F}_2\_base=(\frac{1490}{M\left(3000\right)+\frac{0.18}{f_0{F}_{2\&lsqb;auto\&rsqb;}/f_{0}E\&lsqb;auto\&rsqb;}-1.4}-176)\&CenterDot;{10}^3---\left(36\right)$

M(3000)可根据实测数据获取，f₀E_[auto]表示E层的实测临频值；

4)N_mF1的初值如式(37)所示：

其中f₀F_1[auto]表示F₁层的实测临频值；

5)δh_vE的初值如式(39)、(40)所示：

天顶角γ计算公式如式(38)所示：

cosγ＝sinX_n·sinS_x+cosX_n·cosS_x·cos(S_y‐Y_n)(38)

其中，X_n为考察点的地理纬度，Y_n为考察点的地理经度，S_x为太阳视赤纬月中值，S_y为太阳直射点的经度，S_y＝15·t_y-180,t_y为世界时UT。

当γ∈[0，85]时

δh_vE＝7.12‐0.031·γ+0.0023·γ²(39)

当γ∈[85，180]时

δh_vE＝‐329.4+6.04926·θ‐0.025269·θ²+0.00003005·θ³(40)

其中，本地时间0～12时：θ＝360-γ；本地时间12～24时：θ＝γ；

6)h_mE的初值如式(41)所示：根据大量实验数据的验证

h_mE_base＝110·10³(41)

7)y_mE的初值如式(42)所示：根据大量实验数据的验证

y_mE_base＝15·10³(42)

8)B₀的初值如式(46)所示：

$para\_A=(N_m{F}_1\_base-N_{m}E\_base)/(h_m{F}_{2base}-h_{m}E\_base-{\mathrm{\&delta;h}}_{v}E\_base)---\left(43\right)$

para_B＝N_mE_base‐para_A·h_mE_base(44)

h_mF₁_approx＝(N_mF₁_base‐para_B)/para_A+25·10³(45)

$B_0\_base=(h_m{F}_2\_base-h_m{F}_1\_approx)\&CenterDot;\sqrt{\frac{N_m{F}_2\_base}{h_m{F}_2\_base-h_m{F}_1\_base}}---\left(46\right)$

9)B₁的初值如式(47)所示：根据大量实验数据的验证

B₁_base＝3(47)

10)D₁的初值如式(48)所示：根据大量实验数据的验证

D₁_base＝1.75(48)

11)h_vE的初值如式(49)、(50)所示：

当γ∈[0，85]时

h_vE_base＝115.8‐0.02·γ+0.00078·γ²(49)

当γ∈[85，180]时

h_vE_base＝130.73‐0.069172·θ+0.1429·10^‐3·θ²(50)

其中，本地时间0～12时：θ＝360-γ；本地时间12～24时：θ＝γ；

12)δN_vE的初值如式(53)所示：

当γ∈[0，85]时

DEvally＝0.96‐0.00069·γ+0.000034·γ²‐0.0000006·γ³(51)

当γ∈[85，180]时

DEvally＝8.9814‐0.198225·θ+0.001597·θ²‐0.00000552·θ³+0.69537·10^‐8·θ⁴

(52)

其中，本地时间0～12时：θ＝360-γ；本地时间12～24时：θ＝γ；

δh_vE_base＝DEvally·N_mE_base(53)

(2)确定12个自由参数的搜索范围：

对12个自由参数设定搜索范围，对于根据实测值获取的N_mF₂、N_mF₁、N_mE参数可以不进行搜索。

(3)利用实测电离图数据，选取三个频率点：

实测数据中F2层虚高的最小值处的探测频率为

1)第一个频点f_|Y1|如式(54)所示

f_|Y1|＝f₀F_2[auto]‐0.5MHz(54)

2)第二个频点f_|Y2|如式(55)所示

$f_{\left|Y2\right|}=f_{\left|h^{\&prime;}{F}_2\right|}---\left(55\right)$

3)第一个频点f_|Y3|如式(56)所示

$f_{\left|Y3\right|}=f_{\left|h^{\&prime;}{F}_2\right|}-0.3MHz---\left(56\right)$

(4)建立电离层剖面数学模型：

电离层电子浓度剖面具体形式如式(57)所示：

E层和谷层的连接点位于E层峰高h_mE，谷层包括两个部分：与E层的连接部分(N_谷E)和与F₁层和谷层连接层的连接部分(N_谷F1)并且在高度h_mE+δh_vE处的浓度等于E层峰高处浓度N_mE，这两部分的连接点位于高度h_vE处，F₁层和谷层连接层的连接点位于高度h₁处，F₁层和F₁层与F₂层连接层的连接点位于F₁层峰高h_mF₁处，F₁层与F₂层连接层和F₂层的连接点位于高度h₂处，式(57)中各符号的具体含义如下：

1)E层：

N_E表示E层的电子浓度；N_mE表示E层的最大电子浓度；h_mE表示E层峰高；y_mE表示E层半厚；h_bE＝h_mE-y_mE表示E层底高；

2)谷层：

与E层的连接部分(N_谷E)的三次多项式模型的各个参数的值是根据电子浓度剖面在高度h_mE+δh_vE处连续性、在高度h_mE处与高度h_vE处的光滑性和连续性计算得出,其中δh_vE表示谷宽，三次多项式系数为：

$a_0=\frac{-2\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;N}}_{v}E}{{(h_{m}E-h_{v}E)}^3}---\left(58\right)$

$b_0=\frac{3\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;N}}_{v}E\&CenterDot;(h_{m}E+h_{v}E)}{{(h_{m}E-h_{v}E)}^3}---\left(59\right)$

$c_0=\frac{-6\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;N}}_{v}E\&CenterDot;h_{m}E\&CenterDot;h_{v}E}{{(h_{m}E-h_{v}E)}^3}---\left(60\right)$

$d_0=-\frac{{\mathrm{\&delta;N}}_{v}E\&CenterDot;h_m{E}^3-3\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;N}}_{v}E\&CenterDot;h_m{E}^3\&CenterDot;h_{v}E}{{(h_{m}E-h_{v}E)}^3}+N_{m}E---\left(61\right)$

与谷和F₁层连接的连接层部分，δN_vE表示谷深；其中

y_mV²＝(h_mE+δh_vE‐h_vE)²·(N_mE‐δN_vE)/δN_vE(62)

3)F₂层：

h_mF₂表示F₂层的峰高；N_mF₂表示F₂层峰高处的电子浓度；h₂表示F₂层与连接层2的交点高度。

4)连接层2：

h_mF₁表示F₁层峰高；N_mF₁表示F₁层峰高处的电子浓度；

5)F₁层：

h₁表示连接层1与F₁层连接处的高度；

6)连接层1：

H_st是式(63)的根

$N_{m}E=N_{F2}\left(h^{**}\right),h^{**}=N_m{F}_1\&CenterDot;\&lsqb;1-{\left(\frac{h_m{F}_1-h}{h_m{F}_1}\right)}^{1+D_1}\&rsqb;---\left(63\right)$

$H_z=\frac{(H_{st}+h_m{F}_2)}{2}---\left(64\right)$

7)等离子体频率的计算

$f_N=\sqrt{80.6\&CenterDot;N_e}---\left(65\right)$

其中，N_e表示电子浓度；

8)回波虚高计算公式为：

$h^{\&prime;}\left(f\right)=h_{b}E+{\&Integral;}_{h_{b}E}^{h_r}{\mathrm{\&mu;}}^{\&prime;}dh---\left(66\right)$

其中，l为电波频率，h_r为电波反射点处高度，μ'为群折射指数，不考虑地磁场时，h_bE＝h_mE-y_mE表示E层底高；具有如下形式：

${\mathrm{\&mu;}}^{\&prime;}={(1-f_N^2/f^2)}^{-1/2}---\left(67\right)$

式中f_N表示对应位置处等离子体频率。

(5)获取根据前面选取的三个频点计算得到的虚高与实测虚高差最小的1000组参数；

(6)在获取的1000组参数中，根据实测数据的所有频点的虚高与模型计算的虚高相关系数最大的一组参数作为剖面反演参数。

设两个向量X、Y长度都为n，表示两个向量的均值，向量相关系数计算公式如下：

$r=\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^n(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})\&CenterDot;(Y_i-\stackrel{\&OverBar;}{Y})}{\sqrt{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^n{(X_i-\stackrel{\&OverBar;}{X})}^2}\&CenterDot;\sqrt{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^n{(Y_i-\stackrel{\&OverBar;}{Y})}^2}}---\left(68\right)$

图2为使用本发明所公开的方法对一个三层电离层进行反演的实例。

Claims (5)

1.一种改进的电离层垂直剖面建模方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤A：获取N_mF₂、h_mF₂、N_mF₁、B₀、B₁、D₁、N_mE、h_mE、h_vE、δh_vE、δN_vE、y_mE12个自由参数的初始值；

步骤B：确定12个自由参数的搜索范围；

步骤C：根据实测电离图数据，选取三个频率点；

步骤D：将电离层建模为包含E层、谷层、连接层1、F₁层、连接层2、F₂层的模型，其中，E层剖面用抛物模型表示，谷层剖面分为两部分，与E层连接的部分用三次多项式模型表示，与F₁层连接的部分用反抛物模型表示，F₁层基于高斯模型表示，连接层2基于反高斯模型表示，F₂层剖面用IRI中的模型，连接层1应用的模型如式(1)所示；

其中，

$N_{F2}\left(h\right)=N_m{F}_2\&CenterDot;\frac{e^{-x^{B_1}}}{\cosh x},x=\frac{h_m{F}_2-h}{B_0},h_2\&le;h\&le;h_m{F}_2$

$\mathrm{\&mu;}=\left\{\begin{array}{cc}h& H_{st}=h_{m}E+{\mathrm{\&delta;h}}_{v}E\\ H_z+T/2-{\{T\&CenterDot;(T/4+H_z-h)\}}^{0.5}& H_{st}>h_{m}E+{\mathrm{\&delta;h}}_{v}E\\ H_z+T/2+{\{T\&CenterDot;(T/4+H_z-h)\}}^{0.5}& H_{st}<h_{m}E+{\mathrm{\&delta;h}}_{v}E\end{array}\right.$

$T=\frac{{(H_z-H_{st})}^2}{H_{st}-(h_{m}E+{\mathrm{\&delta;h}}_{v}E)},H_{st}\&NotEqual;h_{m}E+{\mathrm{\&delta;h}}_{v}E$

N_mE表示E层的最大电子浓度；h_mF₁表示F₁层峰高；h_mF₂表示F₂层的峰高；N_mF₂表示F₂层峰高处的电子浓度；h₂表示F₂层与连接层2的交点处高度；h_mF₂表示F₂层的峰高；h_mE表示E层峰高；δh_vE表示谷宽；h₁表示连接层1与F₁层连接处的高度；

H_st是式(2)的根

$N_{m}E=N_{F2}\left(h^{**}\right),h^{**}=N_m{F}_1\&CenterDot;\&lsqb;1-{\left(\frac{h_m{F}_1-h}{h_m{F}_1}\right)}^{1+D_1}\&rsqb;---\left(2\right)$

$H_z=\frac{(H_{st}+h_m{F}_2)}{2}---\left(3\right)$

B₁的值根据经验设为3，D₁的值根据经验设为1.75,B₀的值如式(7)所示：

para_A＝(N_mF₁‐N_mE)/(h_mF₂‐h_mE‐δh_vE)(4)

para_B＝N_mE‐para_A·h_mE(5)

h_mF₁_approx＝(N_mF₁‐para_B)/para_A+25·10³(6)

$B_0\_base=(h_m{F}_2\_base-h_m{F}_1\_approx)\&CenterDot;\sqrt{\frac{N_m{F}_2\_base}{h_m{F}_2\_base-h_m{F}_1\_base}}---\left(7\right)$

步骤E：获取根据步骤C中选取的三个频点计算得到的虚高与实测虚高差最小的1000组参数；

步骤F：在获取的1000组参数中，根据实测数据的所有频点的虚高与模型计算的虚高相关系数最大的一组参数作为剖面反演参数。

2.根据权利要求1所述的改进的电离层垂直剖面建模方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：

步骤A1：N_mF₂的初值如式(8)所示：

其中f₀F_2[auto]表示F₂层的实测临频值；

步骤A2：N_mE的初值如式(9)所示：

其中f₀E_[auto]表示E层的实测临频值；

步骤A3：h_mF₂的初值如式(10)所示：

$h_m{F}_2\_base=(\frac{1490}{M\left(3000\right)+\frac{0.18}{f_0{F}_{2\&lsqb;auto\&rsqb;}/f_0{E}_{\&lsqb;auto\&rsqb;}}-1.4}-176)\&CenterDot;{10}^3---\left(10\right)$

M(3000)可根据实测数据获取，f₀E_[auto]表示E层的实测临频值；

步骤A4：N_mF1的初值如式(11)所示：

其中f₀F_1[auto]表示F₁层的实测临频值；

步骤A5：δh_vE的初值如式(13)、(14)所示，天顶角γ计算公式如式(12)所示：

cosγ＝sinX_n·sinS_x+cosX_n·cosS_x·cos(S_y-Y_n)(12)

其中，X_n为考察点的地理纬度，Y_n为考察点的地理经度，S_x为太阳视赤纬月中值，S_y为太阳直射点的经度，S_y＝15·t_y-180,t_y为世界时UT，当γ∈[0，85]时，

δh_vE＝7.12-0.031·γ+0.0023·γ²(13)

当γ∈[85，180]时，

δh_vE＝-329.4+6.04926·θ-0.025269·θ²+0.00003005·θ³(14)

其中，本地时间0～12时：θ＝360-γ；本地时间12～24时：θ＝γ；

步骤A6：h_mE的初值如式(15)所示：

h_mE_base＝110·10³(15)

步骤A7：y_mE的初值如式(16)所示：

y_mE_base＝15·10³(16)

步骤A8：B₀的初值如式(20)所示：

$para\_A=(N_m{F}_1\_base-N_{m}E\_base)/(h_m{F}_{2_{base}}-h_{m}E\_base-{\mathrm{\&delta;h}}_{v}E\_base)---\left(17\right)$

para_B＝N_mE_base-para_A·h_mE_base(18)

h_mF₁_approx＝(N_mF₁_base-para_B)/para_A+25·10³(19)

$B_0\_base=(h_m{F}_2\_base-h_m{F}_1\_approx)\&CenterDot;\sqrt{\frac{N_m{F}_2\_base}{h_m{F}_2\_base-h_m{F}_1\_base}}---\left(20\right)$

步骤A9：B₁的初值如式(21)所示：

B₁_base＝3(21)

步骤A10：D₁的初值如式(22)所示：

D₁_base＝1.75(22)

步骤A11：h_vE的初值如式(23)、(24)所示：

当γ∈[0，85]时，

h_vE_base＝115.8-0.02·γ+0.00078·γ²(23)

当γ∈[85，180]时，

h_vE_base＝130.73-0.069172·θ+0.1429·10^-3·θ²(24)

其中，本地时间0～12时：θ＝360-γ；本地时间12～24时：θ＝γ；

步骤A12：δN_vE的初值如式(27)所示：

当γ∈[0，85]时

DEvally＝0.96-0.00069·γ+0.000034·γ²-0.0000006·γ³(25)

当γ∈[85，180]时

DEvally＝8.9814-0.198225·θ+0.001597·θ²-0.00000552·θ³+0.69537·10^-8·θ⁴(26)其中，本地时间0～12时：θ＝360-γ；本地时间12～24时：θ＝γ；

δh_vE_base＝DEvally·N_mE_base(27)

3.根据权利要求1所述的改进的电离层垂直剖面建模方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：对12个自由参数设定搜索范围，对于根据实测值获取的N_mF₂、N_mF₁、N_mE参数可以不进行搜索。

4.根据权利要求1所述的改进的电离层垂直剖面建模方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：实测数据中F2层虚高的最小值处的探测频率为

步骤C1：第一个频点f_|Y1|如式(28)所示

f_|Y1|＝f₀F_2[auto]-0.5MHz(28)

步骤C2：第二个频点f_|Y2|如式(29)所示

$f_{\left|Y2\right|}=f_{\left|h^{\&prime;}{F}_2\right|}---\left(29\right)$

步骤C3：第一个频点f_|Y3|如式(30)所示

$f_{\left|Y3\right|}=f_{\left|h^{\&prime;}{F}_2\right|}-0.3MHz---\left(30\right)$

5.根据权利要求1所述的改进的电离层垂直剖面建模方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：

步骤D1：电离层电子浓度剖面具体形式如式(31)所示：

E层和谷层的连接点位于E层峰高h_mE，谷层包括两个部分：与E层连接部分(N_谷E)和与连接层1的连接部分(N_谷F1)并且在高度h_mE+δh_vE处的浓度等于E层峰高处浓度N_mE，这两部分的连接点位于高度h_vE处，F₁层和谷层连接层的连接点位于高度h₁处，F₁层和F₁层与F₂层连接层的连接点位于F₁层峰高h_mF₁处，F₁层与F₂层连接层和F₂层的连接点位于高度h₂处，式(31)中各符号的具体含义如下：

E层：N_E表示E层的电子浓度；N_mE表示E层的最大电子浓度；h_mE表示E层峰高；y_mE表示E层半厚；h_bE＝h_mE-y_mE表示E层底高；

谷层：与E层的连接部分(N_谷E)的三次多项式模型的各个参数的值是根据电子浓度剖面在高度h_mE+δh_vE处连续性、在高度h_mE处与高度h_vE处的光滑性和连续性计算得出，其中δh_vE表示谷宽；

F₂层：h_mF₂表示F₂层的峰高；N_mF₂表示F₂层峰高处的电子浓度；h₂表示F₂层与连接层2的交点处高度；

连接层2：h_mF₁表示F₁层峰高；N_mF₁表示F₁层峰高处的电子浓度；

F₁层：h₁表示连接层1与F₁层连接处的高度；

连接层1：H_st是式(2)的根；

步骤D2：计算等离子体频率；

步骤D3：计算回波虚高。