CN109614585B - 一种新的电离层区域重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新的电离层区域重构方法，包括如下步骤：（1）获取各垂测站实测

层临频以及地理位置：（2）反演基准站电离层剖面：（3）根据各探测站获取的临频，重构局部区域

层临频：（4）根据各垂测站的电离层剖面以及重构的临频，重构局部区域的电子浓度。本发明所公开新的电离层区域重构方法，可以在不依赖电离层参考模型的情况下，获取电离层电子浓度分布，方法简单有效。

Description

一种新的电离层区域重构方法

技术领域

本发明属于电离层研究及应用领域，特别涉及该领域中的一种新的电离层区域重构方法。

背景技术

目前主要有两类方法来实现实时重构电离层，一类是利用参考电离层模型作为背景电离层，另一类是不利用参考电离层模型作为背景电离层。其中参考电离层模型本身包含了电离层电子浓度分布的物理信息。

对于不利用参考电离层模型作为背景电离层的方法有，Stanislawska将地理统计学的Kriging方法应用于电离层的实时重构中，直接利用临界频率进行重构；Samardjiev利用距离倒数幂的方法对电离层重构进行了研究等等。

对于利用参考电离层模型作为背景电离层的方法有，Stanislawska的Kriging方法仅利用实测的临界频率foF2对临界频率foF2的重构，王世凯则根据太阳黑子数和临界频率foF2之间具有的线性关系，选取国际参考电离层模型IRI作为背景电离层，利用Kriging方法进行重构；根据准抛物模型，对垂测电离图进行反演，根据获取的多个站的准抛物模型的参数进行插值，获取任意点的准抛物模型参数，进而对电离层进行实时重构。

以电离层参考模型为参考的电离层重构方法可以获得整个区域的电离层电子浓度分布，但是对模型依赖性强，计算复杂；不以电离层参考模型为参考的电离层重构方法只能重构出临界频率foF2，不能获取电离层电子浓度分布。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种不依赖于电离层参考模型并能同时获取电离层电子浓度分布的电离层区域重构方法。

本发明采用如下技术方案：

一种新的电离层区域重构方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

(1)获取各垂测站实测F₂层临频以及地理位置：

根据需要重构的区域选取参与计算的垂测站，并根据各垂测站的垂测电离图获取探测站的实测F₂层临频f_c2,i和F₁层临频f_c1,i，同时获取参与计算的垂测站的地理位置

θ_i，其中

为经度，θ_i为纬度，i＝1,2,…,n，n≥4，n表示垂测站的个数；

(2)反演基准站电离层剖面：

使用基于模式法、移位切比雪夫多项式模型的约束优化F₁层参数、F₂层参数的垂测电离图反演方法，即得到谷参数后，选取层较高区域回波描迹数据，在保证剖面连续光滑的约束条件下，计算F₁层剖面多项式系数，同样，在保证剖面连续光滑的约束条件下，选取F₂层回波描迹数据，计算F₂层剖面多项式系数，最后，基于所有数据点计算虚高和实测虚高误差和最小准则，选取对应初始设置下得到的剖面参数最终确定电离层剖面；

(3)根据各探测站获取的临频，重构局部区域F₂层临频：

利用n个垂测站的实测F₂层临频，重构局部区域F₂层临频，具体计算步骤为：

(31)选择n个垂测站位置的平均位置作为基准点，即基准点处的经纬度

θ₀，

为经度，θ₀为纬度，分别为n个垂测站经纬度的均值；

(32)将n个垂测站所在的区域任意点

θ_i的F₂层临频f_c2,i建模为该点与基准点的经度差对应距离的一次和该点与基准点纬度差对应距离的二次多项式，如式(1)所示：

其中，r₀为地球半径，a₁～a₄为待求系数；

(33)将四个垂测站的F₂层临频和经纬度信息代入式(1)，建立四个方程的方程组，求解出系数a₁～a₄；

(34)利用求解的系数a₁～a₄和式(1)，重构出n个垂测站所在区域任意点的F₂层临频；

(4)根据各垂测站的电离层剖面以及重构的临频，重构局部区域的电子浓度：

F₂层电子浓度重构方法包括以下步骤：

(41)获取任意点B的F₂层临频f_c2,B后，根据式(2)计算B点上的扩展因子Δ_n：

式中，f_c1,0代表基准站处F₁层临频；f_c2,0等于基准站处F₂层临频；

(42)根据式(3)计算B点上F₂层第m个高度网格点上的等离子体频率f_N(B,m)：

f_N(B,m)＝(f_N(0,m)-f_c1,0)Δn+f_c1,0 (3)

式中：f_N(0,m)代表基准站处F₂层第m个高度网格点上的等离子体频率。

本发明的有益效果是：

本发明所公开新的电离层区域重构方法，可以在不依赖电离层参考模型的情况下，获取电离层电子浓度分布，方法简单有效。

附图说明

图1是本发明实施例1所公开电离层区域重构方法的流程框图；

图2是重构区域中一条路径上的斜测重构实例；

图3是重构实例中各站的分布示意图。

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，以下结合附图和实施例，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新的电离层区域重构方法，包括以下步骤：

(1)获取各垂测站实测F₂层临频以及地理位置

根据需要重构的区域选取参与计算的垂测站，并根据各垂测站的垂测电离图获取探测站的实测F₂层临频f_c2,i和F₁层临频f_c1,i，同时获取参与计算的垂测站的地理位置

其中

为经度，θ_i为纬度，i＝1,2,…,n(n≥4)，n表示垂测站的个数；

(2)反演基准站电离层剖面

根据垂测电离图反演电离层剖面的方法有很多种，可以归纳为以下三种：①直接计算法；②分片法；③模式法。

模式法对于电离图质量要求不那么苛刻，并且可以得到较好的反演结果，应用较为普遍。基于模式法，本实施例提出了基于移位切比雪夫多项式模型的约束优化F₁层参数、F₂层参数的垂测电离图反演方法，即得到谷参数后，选取层较高区域回波描迹数据，在保证剖面连续光滑的约束条件下，计算F₁层剖面多项式系数，同样，在保证剖面连续光滑的约束条件下，选取F₂层回波描迹数据，计算F₂层剖面多项式系数，最后，基于所有数据点计算虚高和实测虚高误差和最小准则，选取对应初始设置下得到的剖面参数最终确定电离层剖面，该方法可以有效提高反演精度和稳定性，选取参与重构的站中的某一站为基准站，进行反演获取电离层剖面。

(3)重构局部区域F₂层临频

利用n个垂测站的实测F₂层临频，重构局部区域F₂层临频，具体计算步骤为：

步骤a，选择n个垂测站位置的平均位置作为基准点，即基准点处的经纬度

(

为经度，θ₀为纬度)分别为n个垂测站经纬度的均值；

步骤b，将n个垂测站所在的区域任意点

(

为经度，θ_i为纬度)的F₂层临频f_c2,i建模为该点与基准点的经度差对应距离的一次和该点与基准点纬度差对应距离的二次多项式，如式(1)所示：

其中，r₀为地球半径，a₁～a₄为待求系数；

步骤c，将四个垂测站的F₂层临频和经纬度信息代入式(1)，建立四个方程的方程组，求解出系数a₁～a₄；

步骤d，利用求解的系数a₁～a₄和式(1)，重构出n个垂测站所在区域任意点的F₂层临频

(4)重构局部区域的电子浓度

F₂层电子浓度重构方法主要步骤是：

步骤a，获取任意点B的F₂层临频f_c2,B后，根据式(2)计算B点上的扩展因子Δ_n：

式中，f_c1,0代表基准站处F₁层临频；f_c2,0等于基准站处F₂层临频；

步骤b，根据式(3)计算B点上F₂层第m个高度网格点上的等离子体频率f_N(B,m)：

f_N(B,m)＝(f_N(0,m)-f_c1,0)Δn+f_c1,0 (3)

式中：f_N(0,m)——基准站处F₂层第m个高度网格点上的等离子体频率。

图2给出了采用本实施例的一个重构实例，以重构区域一处斜测数据为依据对提出的重构方法进行验证。重构实例中各站的分布如图3所示，V1、V2、V3和V4为重构区域的四个垂测站，obs1为重构区域的一个斜测站接收V4垂测站信号，V4与另外三个垂测站的地面距离在1000km左右，方位间隔约20°的地理位置处。根据本实施例提出的F₂层重构方法，选取V4站为基准站对垂测站区域的电离层进行重构，假设E层电子浓度剖面都与基准站处一样，为了验证方法的有效性，重构垂测站V4到斜测站obs1之间路径上的电子浓度，根据射线追踪合成两站之间的斜测图描迹，与实测图描迹进行比较，结果如图2所示，由图中可见，基于本实施例合成的斜测图描迹与实测结果吻合得非常好，可见本实施例提出的方法是有效的。

Claims (1)

1.一种新的电离层区域重构方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)获取各垂测站实测F₂层临频以及地理位置：

根据需要重构的区域选取参与计算的垂测站，并根据各垂测站的垂测电离图获取探测站的实测F₂层临频f_c2,i和F₁层临频f_c1,i，同时获取参与计算的垂测站的地理位置

θ_i，其中

为经度，θ_i为纬度，i＝1,2,…,n，n≥4，n表示垂测站的个数；

(2)反演基准站电离层剖面：

使用基于模式法、移位切比雪夫多项式模型的约束优化F₁层参数、F₂层参数的垂测电离图反演方法，即得到谷参数后，选取层较高区域回波描迹数据，在保证剖面连续光滑的约束条件下，计算F₁层剖面多项式系数，同样，在保证剖面连续光滑的约束条件下，选取F₂层回波描迹数据，计算F₂层剖面多项式系数，最后，基于所有数据点计算虚高和实测虚高误差和最小准则，选取对应初始设置下得到的剖面参数最终确定电离层剖面；

(3)根据各探测站获取的临频，重构局部区域F₂层临频：

利用n个垂测站的实测F₂层临频，重构局部区域F₂层临频，具体计算步骤为：

(31)选择n个垂测站位置的平均位置作为基准点，即基准点处的经纬度

θ₀，

为经度，θ₀为纬度，分别为n个垂测站经纬度的均值；

(32)将n个垂测站所在的区域任意点

θ_i的F₂层临频f_c2,i建模为该点与基准点的经度差对应距离的一次和该点与基准点纬度差对应距离的二次多项式，如式(1)所示：

其中，r₀为地球半径，a₁～a₄为待求系数；

(33)将四个垂测站的F₂层临频和经纬度信息代入式(1)，建立四个方程的方程组，求解出系数a₁～a₄；

(34)利用求解的系数a₁～a₄和式(1)，重构出n个垂测站所在区域任意点的F₂层临频；

(4)根据各垂测站的电离层剖面以及重构的临频，重构局部区域的电子浓度：

F₂层电子浓度重构方法包括以下步骤：

(41)获取任意点B的F₂层临频f_c2,B后，根据式(2)计算B点上的扩展因子Δ_n：

式中，f_c1,0代表基准站处F₁层临频；f_c2,0等于基准站处F₂层临频；

(42)根据式(3)计算B点上F₂层第m个高度网格点上的等离子体频率f_N(B,m)：

f_N(B,m)＝(f_N(0,m)-f_c1,0)Δn+f_c1,0 (3)

式中：f_N(0,m)代表基准站处F₂层第m个高度网格点上的等离子体频率。

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