CN109283400B - 一种电离层vtec扰动与雷电相关性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种电离层VTEC扰动与雷电相关性分析方法，包括以下步骤：S1、电离层VTEC反演计算；S2、分析测站各卫星不同时刻的轨迹路线；S3、分析各卫星轨迹内的雷电数据，选取目标卫星；S4、提取目标卫星的电离层VTEC值；S5、计算目标卫星的电离层VTEC值的三次差值；S6、根据误差理论计算目标卫星电离层VTEC三次差值序列的上下限；S7、分时段统计目标卫星轨迹内的雷电相关参数；S8、分析太阳和地磁活动对电离层的影响；S9、分时段计算电离层VTEC序列与雷电参数序列的相关系数；S10，分析电离层VTEC扰动与雷电的相关性。本发明方法简单、计算量小，能够方便、快捷地的实现电离层VTEC扰动与雷电相关性相关性的分析，具有较高的科研和应用价值。

Description

一种电离层VTEC扰动与雷电相关性分析方法

技术领域

本发明属于电离层异常分析技术领域，主要涉及一种电离层VTEC扰动与雷电相关性分析方法。

背景技术

电离层受多种因素的影响，除了太阳和地磁的影响外，对流层中的雷电等强对流天气现象以及与雷电相关的sprites、elves等大气光学现象也会对其产生影响，诱发电离层扰动。电离层扰动会对穿梭其中的卫星通信、卫星导航和目标监视雷达系统等的信号造成不利影响，引起导航卫星信号幅度和相位快速衰落，影响导航和定位的精度，甚至导致卫星导航接收机失锁，无法定位。

雷电是地球底层大气中超长距离的强放电过程，其在千分之几到十分之几秒的放电过程中产生的能量可达到数十亿到上千亿瓦特，温度为1万～2万摄氏度。雷电产生的大峰值电流、强电磁辐射和冲击波等物理效应会对电离层的形态产生重要影响，引发电离层剧烈扰动。早在1925年，Wilson等就提出了雷电和电离层关联性的假设。其后，国内外众多学者通过VLF、HAIL及数值模式等多种技术手段对雷电与电离层的关系进行了深入研究，证实雷电能够对电离层D层、E层和F层产生重要影响，引起电子密度、廓线等参量剧烈变化的电离层扰动。

电离层垂直总电子含量(Vertical Total Electric Content，VTEC)是表征电离层的一个重要参量，其具体含义为：底面单位面积对应的整个GPS信号传播路径的柱体中所包含的总电子数，单位是TECU，即1016个电子/m2。GNSS具备无源探测、全球覆盖、成本低、数据量大、在时空上具有很好的连续性等优势，是建立电离层模型的重要基础。利用GNSS观测的双频观测数据，可以方便的求解电离层VTEC值。

发明内容

本发明公开了一种电离层VTEC扰动与雷电相关性分析方法，基于GNSS双频观测数据反演的电离层VTEC数据分析电离层VTEC扰动与雷电相关性的方法，本发明方法计算简单，能够快速对电离层VTEC数据进行降噪，方便、快捷的实现电离层VTEC扰动检测和分析。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：

一种电离层VTEC扰动与雷电相关性分析方法，包括以下步骤：

S1、收集GNSS测站双频观测数据，进行电离层VTEC反演计算；

S2、根据各卫星穿刺点经纬度及相应的时间，画图分析测站各卫星不同时刻的轨迹路线；

S3、分析各卫星轨迹路线区域内的雷电数据，选择轨迹内雷电次数多的卫星作为目标卫星，选择雷电与目标卫星轨迹、时间重合的区域作为目标区域；

S4、根据目标卫星的编号提取该卫星的电离层VTEC值；

S5、依次对目标卫星的电离层VTEC值进行求差计算，得到电离层VTEC三次差值；

S6、计算目标卫星电离层VTEC三次差值序列的均方差，根据误差理论计算目标卫星电离层VTEC三次差值序列的上下限；

S7、分时段统计目标卫星轨迹内的雷电相关参数；

S8、获取东京地磁台站发布的磁情指数Dst和地磁活动指数Kp，分析太阳和地磁活动对电离层的影响，当-80<Dst、Kp<5时，均表示地磁较为平静，对电离层影响可以忽略不计；

S9、分时段计算目标卫星电离层VTEC序列与雷电参数序列的相关系数；

S10、根据GNSS测站目标卫星轨迹的穿刺点位置、区域雷电的分布状况、电离层VTEC与雷电参数的相关系数，分析电离层VTEC扰动与雷电的相关性。

进一步的，步骤S1采用相位平滑伪距方法或者精密单点定位方法，解算测站各卫星电离层VTEC值和各卫星的穿刺点经纬度。

进一步的，步骤S5具体包括：

S51、对目标卫星的电离层VTEC进行一次求差计算，公式为：

Δvtec_i＝vtec_i-(vtec_i-1+vtec_i+1)/2 (1)

其中，i表示历元数，i＝1,2…n-1，n表示目标卫星电离层VTEC的历元总数，Δvtec_i表示历元数i时刻的电离层VTEC一次差值，vtec_i表示历元数i时刻的电离层VTEC值，vtec_i-1表示历元数i-1时刻的电离层VTEC值，vtec_i+1表示历元数i+1时刻的电离层VTEC值。

S52、对目标卫星的电离层VTEC进行二次求差计算，公式为：

ΔΔvtec_i＝Δvtec_i-(Δvtec_i-1+Δvtec_i+1)/2 (2)

其中，ΔΔvtec_i表示历元数i时刻的电离层VTEC二次差值，Δvtec_i-1是历元数i-1时刻的电离层VTEC一次差值，Δvtec_i+1是历元数i+1时刻的电离层VTEC一次差值。

S53、对目标卫星的电离层VTEC进行三次求差计算，公式为：

ΔΔΔvtec_i＝ΔΔvtec_i-(ΔΔvtec_i-1+ΔΔvtec_i+1)/2 (3)

其中，ΔΔΔvtec_i表示历元数i时刻的电离层VTEC三次差值，ΔΔvtec_i-1是历元数i-1时刻的电离层VTEC二次差值，ΔΔvtec_i+1是历元数i+1时刻的电离层VTEC二次差值。

进一步的，步骤S6中目标卫星电离层VTEC三次差值序列的均方差为std(ΔΔΔ)，计算公式为：

其中，μ是电离层VTEC三次差值的平均值，

设定2std(ΔΔΔ)为目标卫星电离层VTEC三次差值序列的上限，设定-2std(ΔΔΔ)为目标卫星电离层VTEC三次差值序列的下限。

进一步的，步骤S7中的雷电相关参数包括雷电的发生次数、雷电最大强度和雷电平均强度。由于雷电发生的时间和位置具有随机性，将雷电参数统计的时段设定为30分钟。

进一步的，步骤S9目标卫星电离层VTEC序列与雷电参数序列的相关系数满足公式：

其中，corr(x,y)表示序列x、y的相关系数，σ_x表示序列x的方差，σ_y表示序列y的方差，cov(x,y)表示序列x、y的协方差，x是目标卫星电离层VTEC序列，y是雷电参数序列。根据公式(5)分别计算某一时段内雷电发生次数、雷电最大强度、雷电平均强度和目标卫星电离层VTEC的相关系数。

采用以上技术手段后可以获得以下优势：

本发明公开了一种电离层VTEC扰动与雷电相关性分析方法，本方法收集GNSS测站双频观测数据，利用三次求差对电离层VTEC值降噪，通过相关系数方程分析电离层VTEC扰动与雷电相关性，方法简单、计算量小，能够方便、快捷地的实现电离层VTEC扰动与雷电相关性的分析，具有较高的科研和应用价值。

附图说明

图1是本发明电离层VTEC扰动与雷电相关性分析方法的流程图。

图2是本发明选取的GNSS观测站GDHP、GDLM和GDHD地理位置分布图。

图3是GNSS观测站GDHP、GDLM和GDHD观测到的PRN19卫星穿刺点分布图。

图4是UTC 6:00-9:00测站GDHD观测到的PRN19卫星电离层VTEC差值统计折线图；其中，(a)是电离层VTEC一次差值统计折线图，(b)是电离层VTEC二次差值统计折线图，(c)是电离层VTEC三次差值统计折线图。

图5是UTC 6:00-900测站GDHP、GDHD、GDLM观测到的PRN19卫星VTEC三次差值上下限分布示意图；其中，(a)是测站GDHP观测到的PRN19卫星VTEC三次差值上下限分布示意图，(b)是测站GDHD观测到的PRN19卫星VTEC三次差值上下限分布示意图，(c)是测站GDLM观测到的PRN19卫星VTEC三次差值上下限分布示意图。

图6是UTC 6:00-9:00PRN19卫星穿刺点经过区域的雷电参数统计图；其中，(a)是UTC 6:00-9:00PRN19卫星穿刺点经过区域的雷电次数统计图，(b)是UTC 6:00-9:00PRN19卫星穿刺点经过区域的雷电最大强度统计图，(c)是UTC 6:00-9:00PRN19卫星穿刺点经过区域的雷电平均强度统计图。

图7是2015年5月Dst指数示意图。

图8是2015年5月Kp指数示意图。

图9是UTC 6:00-6:30测站GDHP、GDLM、GDHP观测到的PRN19卫星穿刺点和穿刺点经过区域的雷电分布示意图。

具体实施方式

本具体实施例通过分析北京时间2015年5月27日广东省范围内的电离层VTEC扰动与雷电相关性来说明本发明技术方案，下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：

一种电离层VTEC扰动与雷电相关性分析方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、收集GNSS测站双频观测数据，进行电离层VTEC反演计算。

本实施例选取了广东省内的三个GNSS观测站：GDHP、GDLM和GDHD，这三个测站的地理位置分布如图2所示。从图2中可以看出，测站GDHD位于三者中的最北部，测站GDHD位于三者中的最南部，测站GDLM位于中间位置，这三个测站都安装有trimble R8GNSS双频接收机，采样间隔1分钟，利用PPP方法，计算2015年5月27日各卫星电离层VTEC值及穿刺点经纬度。

S2、根据各卫星穿刺点经纬度及相应的时间，画图分析测站各卫星不同时刻的轨迹路线。

测站GDHP、GDLM、GDHD观测到的PRN19卫星穿刺点分布如图3所示，PRN19卫星由南向北运动，测站GDHD观测到PRN19卫星依次穿过我国南海、广东省珠海市、中山市、广州市、清远市、韶关市、江西省赣州地区、吉安地区、抚州地区、上饶地区、福建省南平市、浙江省衢州市、杭州市。测站GDHP和测站GDLM观测到PRN19卫星依次穿过我国南海、广东省珠海市、中山市广州市、清远市、韶关市、江西省赣州地区、吉安地区、抚州地区、上饶地区、浙江省衢州市、杭州市。

S3、分析各卫星轨迹路线区域内的雷电数据，选择轨迹内雷电次数多的卫星作为目标卫星，选择雷电与目标卫星轨迹、时间重合的区域作为目标区域。

选取PRN19卫星作为目标卫星，根据测站GDHP、GDLM、GDHD观测到的卫星穿刺点经过的地理位置，分别统计穿刺点所经过区域内的雷电次数、最大强度、平均强度等信息。

S4、根据目标卫星的编号提取该卫星的电离层VTEC值。

分别提取测站GDHP、GDLM、GDHD观测到的PRN19卫星各历元时刻的电离层VTEC值。

S5、依次对目标卫星的电离层VTEC值进行求差计算，得到电离层VTEC三次差值。

利用求差公式依次对步骤S4中提取的卫星各历元时刻的电离层VTEC值求差，获得各历元时刻电离层VTEC的三次差值。在本实施例仅展示UTC 6:00-9:00测站GDHD观测到的PRN19卫星电离层VTEC差值统计图，图4中的(a)是UTC 6:00-9:00测站GDHD观测到的PRN19卫星电离层VTEC一次差值统计折线图，图4中的(b)是UTC 6:00-9:00测站GDHD观测到的PRN19卫星电离层VTEC二次差值统计折线图，图4中的(c)是UTC 6:00-9:00测站GDHD观测到的PRN19卫星电离层VTEC三次差值统计折线图。

S6、计算目标卫星电离层VTEC三次差值序列的均方差std(ΔΔΔ)，根据误差理论计算目标卫星电离层VTEC三次差值序列的上下限，2std(ΔΔΔ)设定为ΔΔΔvtec序列的上限，-2std(ΔΔΔ)设定为ΔΔΔvtec序列的下限。

测站GDHP对应的电离层VTEC三次差值序列的均方差为0.0531TECU\min³。从图5中的(a)可以看出，电离层VTEC在UTC 6:02-6:03、UTC 6:29、UTC 6:50、UTC 7:18、UTC 7:54超出限制，电离层VTEC出现异常。

测站GDHD对应的电离层VTEC三次差值序列的均方差为0.0562TECU\min³。从图5中的(b)可以看出，电离层VTEC在UTC 6:52、UTC 7:04-7:05、UTC 7:34-7:36、UTC 7:44、UTC7:58-7:59超出限制，电离层VTEC出现异常。

测站GDLM对应的电离层VTEC三次差值序列的均方差为0.0576TECU\min³。从图5中的(c)可以看出，电离层VTEC在UTC 6:08-6:09、UTC 6:48、UTC 6:58、UTC 7:05、UTC 7:17、UTC 7:40超出限制，电离层VTEC出现异常。

S7、分时段统计目标卫星轨迹内的雷电相关参数.

由于雷电发生的时间和位置具有随机性，本实施例以30分钟为一个时段，统计UTC6:00-9:00测站GDHP、GDLM、GDHD观测到的PRN19卫星穿刺点经过区域的雷电参数，如图6所示，图6中的(a)是UTC 6:00-9:00PRN19卫星穿刺点经过区域的雷电次数统计图，图6中的(b)是UTC 6:00-9:00PRN19卫星穿刺点经过区域的雷电最大强度统计图，图6中的(c)是UTC6:00-9:00PRN19卫星穿刺点经过区域的雷电平均强度统计图。

S8、获取东京地磁台站发布的磁情指数Dst和地磁活动指数Kp，分析太阳和地磁活动对电离层的影响，当-80<Dst、Kp<5时，均表示地磁较为平静，对电离层影响可以忽略不计。图7是2015年5月Dst指数示意图，图8是2015年5月Kp指数示意图，根据图7和图8可以看出2015年5月份地磁较为平静，没有出现较大的异常。

S9、分时段计算目标卫星电离层VTEC序列与雷电参数序列的相关系数；计算公式为：

其中，corr(x,y)表示序列x、y的相关系数，σ_x表示序列x的方差，σ_y表示序列y的方差，cov(x,y)表示序列x、y的协方差，x是目标卫星电离层VTEC序列，y是雷电参数序列。

以30分钟为一个时段，分别计算各测站观测到的卫星电离层VTEC与其轨迹区域内的雷电发生次数、雷电最大强度、雷电平均强度的相关系数，测站GDHP观测到PRN19卫星电离层VTEC序列与雷电参数的相关系数如表1所示，测站GDLM观测到PRN19卫星电离层VTEC序列与雷电参数的相关系数如表2所示，测站GDHD观测到PRN19卫星电离层VTEC序列与雷电参数的相关系数如表3所示。

表1

表2

表3

S10、根据GNSS测站目标卫星轨迹的穿刺点位置、区域雷电的分布状况、电离层VTEC与雷电参数的相关系数，分析电离层VTEC扰动与雷电的相关性。

如图9所示，在UTC 6:00-6:30时段内，测站GDLM和GDHP观测到的PRN19卫星穿刺点都经过了雷电发生的区域，其中，测站GDLM观测到的PRN19卫星穿刺点经过的范围更大，测站GDHP观测到的PRN19卫星穿刺点经过的区域雷电次数相对较多，而测站GDHD观测到的PRN19卫星经过区域内没有雷电发生。结合图5可知，在该时段内，测站GDHP和GDLM观测到的卫星电离层VTEC出现扰动，测站GDHD观测到的电离层VTEC正常。

通过表1、2、3的数据可以看出，在UTC 6:00-6:30时段内，测站GDHD和GDHP观测到的电离层VTEC与雷电次数的相关系数为负值，表明两者是负相关；测站GDLM观测到的电离层VTEC与雷电次数的相关系数为正值，表明两者是正相关。测站GDHD、GDHP和GDLM观测到的电离层VTEC与雷电最大强度、雷电平均强度均为正值，表明两者是正相关。

由于雷电发生的时间和位置具有很强的随机性，测站卫星的电离层穿刺点位置相对较为固定，所以同一时刻雷电与测站观测到的电离层穿刺点距离的大小和雷电强度也具有很强的随机性。本发明计算的相关系数的大小并不能真正反映出参数间真实的相关程度，但通过其正负值可以反映参数间的相关关系。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细地说明，但是本发明并不局限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种电离层VTEC扰动与雷电相关性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、收集GNSS测站双频观测数据，进行电离层VTEC反演计算；

S2、根据各卫星穿刺点经纬度及相应的时间，画图分析测站各卫星不同时刻的轨迹路线；

S3、分析各卫星轨迹路线区域内的雷电数据，选择轨迹内雷电次数多的卫星作为目标卫星，选择雷电与目标卫星轨迹、时间重合的区域作为目标区域；

S4、根据目标卫星的编号提取该卫星的电离层VTEC值；

S5、依次对目标卫星的电离层VTEC值进行求差计算，得到电离层VTEC三次差值；计算电离层VTEC三次差值的公式为：

ΔΔΔvtec_i＝ΔΔvtec_i-(ΔΔvtec_i-1+ΔΔvtec_i+1)/2

其中，i表示历元数，i＝1,2…n-1，n表示目标卫星电离层VTEC的历元总数，ΔΔΔvtec_i表示历元数i时刻的电离层VTEC三次差值，ΔΔvtec_i历元数i时刻的电离层VTEC二次差值，ΔΔvtec_i-1是历元数i-1时刻的电离层VTEC二次差值，ΔΔvtec_i+1是历元数i+1时刻的电离层VTEC二次差值；

S6、计算目标卫星电离层VTEC三次差值序列的均方差，根据误差理论计算目标卫星电离层VTEC三次差值序列的上下限；

S7、分时段统计目标卫星轨迹内的雷电相关参数；

S8、获取东京地磁台站发布的磁情指数Dst和地磁活动指数Kp，分析太阳和地磁活动对电离层的影响；

S9、分时段计算目标卫星电离层VTEC序列与雷电参数序列的相关系数；

S10、根据GNSS测站目标卫星轨迹的穿刺点位置、区域雷电的分布状况、电离层VTEC与雷电参数的相关系数，分析电离层VTEC扰动与雷电的相关性。

2.根据权利要求1所述的一种电离层VTEC扰动与雷电相关性分析方法，其特征在于，步骤S1采用相位平滑伪距方法或者精密单点定位方法，解算测站各卫星电离层VTEC值和各卫星的穿刺点经纬度。

3.根据权利要求1所述的一种电离层VTEC扰动与雷电相关性分析方法，其特征在于，步骤S6中目标卫星电离层VTEC三次差值序列的均方差为std(ΔΔΔ)，设定2std(ΔΔΔ)为目标卫星电离层VTEC三次差值序列的上限，设定-2std(ΔΔΔ)为目标卫星电离层VTEC三次差值序列的下限。

4.根据权利要求1所述的一种电离层VTEC扰动与雷电相关性分析方法，其特征在于，步骤S7中的雷电相关参数包括雷电的发生次数、雷电最大强度和雷电平均强度。

5.根据权利要求1所述的一种电离层VTEC扰动与雷电相关性分析方法，其特征在于，步骤S9目标卫星电离层VTEC序列与雷电参数序列的相关系数满足公式：

其中，corr(x,y)表示序列x、y的相关系数，σ_x表示序列x的方差，σ_y表示序列y的方差，cov(x,y)表示序列x、y的协方差，x是目标卫星电离层VTEC序列，y是雷电参数序列。

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