CN110909449A - 一种多源数据电离层区域现报方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多源数据电离层区域现报方法包括如下步骤:(1)电离层区域三维网格划分:(2)电离层垂测、斜测和返回散射探测电离图反演:(3)GNSS‑TEC数据选取;(4)电离层背景场构建;(5)误差协方差矩阵建立;(6)数据同化建模。本发明提供的基于多源数据的电离层区域现报方法,能够对电离层垂测、斜测、返回散射探测和GNSS观测等不同类型的电离层观测设备在不同观测位置得到的数据进行同化,使观测数据得到最佳拟合,参数间满足物理规律的制约,获得较高的电离层区域现报精度。
Description
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多源数据电离层区域现报方法。
背景技术
最近十年来,电离层观测日益增多,并且随着计算机互联网技术的快速发展,电离层探测数据的获取和共享变得异常便捷。这些数据包括电离层垂直探测、斜向探测、返回散射探测、GNSS观测等。这些观测有以下特点:探测仪器、观测参数的多样性;观测点分布的稀疏性和高度不均匀性;观测参数和理论模型要求的经常不匹配性。如何最大限度地综合利用这些来之不易的有限观测数据,进行有效的电离层探测和建模研究是急需解决的技术难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于多源数据的电离层区域现报方法。
本发明采用如下技术方案:
一种多源数据电离层区域现报方法,其改进之处在于,包括如下步骤:
(1)电离层区域三维网格划分:
对所选区域按照经度、纬度和高度进行三维网格划分,其中经度步进2°,纬度步进2°,高度步进20km;
(2)电离层垂测、斜测和返回散射探测电离图反演:
(21)利用基于移位切比雪夫多项式的垂测电离图反演算法对区域内电离层垂直探测电离图进行反演,获得垂测站上空一维电子浓度剖面,作为观测数据;
(22)利用基于Backus-Gilbert技术的斜测电离图反演算法对区域内电离层斜向探测电离图进行反演,获得斜测链路中点附近上空一维电子浓度剖面,作为观测数据;
(23)利用基于Tikhonov正则化方法的返回散射电离图反演算法对区域内电离层返回散射探测电离图进行反演,获得返回散射探测方位上二维电子浓度高度×距离剖面,作为观测数据;
(3)GNSS-TEC数据选取:
选择区域内GNSS接收机观测射线仰角大于等于5°对应的TEC数据作为观测数据,其中电离层薄层模型高度设为450km;
(4)电离层背景场构建:
(41)根据IRI模型,得到R12=0和R12=100,12个月一天24小时的foF2值模型图,其中IRI为国际参考电离层,R12是IRI模型的一个输入参数,表示太阳黑子数13个月滑动平均值,foF2为F2层临界频率;
(42)根据R12与foF2之间的线性关系,获得所重构区域任一点,例如月中值,与R12之间的关系;
(43)给定垂测站位置某一天某时刻的foF2,根据上面得到的该站R12与foF2之间的系数,获得等效太阳黑子数;
(44)判断各个垂测站得到的等效太阳黑子数是否相同;
(45)如相同则将等效太阳黑子数代入IRI模型计算区域重构结果;
(46)如不同则利用kriging技术获得区域内任一点的等效太阳黑子数,再利用foF2与R12的关系获得区域内任一点foF2值,完成重构;
(5)误差协方差矩阵建立:
(51)建立观测误差协方差矩阵R,其表达式如下:
其中,Rij为观测误差协方差矩阵元素,i和j表示观测点,yi和yj表示在第i点和第j点的观测值,ηo表示比例系数;
(52)建立背景场误差协方差矩阵P,假定背景场误差协方差在水平和垂直方向误差都是高斯分布且可以分离,其表达式如下:
其中,Pij为背景场误差协方差矩阵元素,i和j表示观测点,和表示在第i点和第j点的背景值,φij、λij和hij分别表示第i点和第j点在经度、纬度和高度上的距离,Lφ、Lλ和Lh分别是背景场在这三个方向的相关距离,ηb是背景场电子浓度误差与背景场电子浓度的平方的线性系数;
(6)数据同化建模
采用基于Kalman滤波的数据同化技术进行同化建模,获得分析场Xa,即最终的电离层现报结果,其计算公式如下:
Xa=Xb+K(Y-HXb)
K=PHT(HPHT+R)-1
其中,Xb表示背景场向量,使用步骤(4)建立的电离层背景场作为背景场向量;Y表示观测向量,使用步骤(2)至步骤(3)获得的观测数据作为观测向量;H表示观测算子,使得模式向量向观测向量转换,完成背景场向观测点的空间插值和物理量转化,对于步骤(2)中获得的电子浓度剖面数据而言,观测算子仅进行空间插值,对于步骤(3)获得的TEC数据而言,观测算子除了空间插值,还需要进行物理量转化,即观测算子等于GNSS射线穿过每个网格点的长度;P表示背景误差协方差矩阵,使用步骤(52)建立的背景误差协方差矩阵;R表示观测误差协方差矩阵,使用步骤(51)建立的观测误差协方差矩阵;矩阵K称作增益矩阵。
进一步的,在步骤(51)中,ηo=0.043;在步骤(52)中,水平方向即经度和纬度平面,在水平方向取经度10°、纬度5°,高度方向取60km,ηb=0.43。
本发明的有益效果是:
本发明提供了一种基于多源数据的电离层区域现报方法,能够对电离层垂测、斜测、返回散射探测和GNSS观测等不同类型的电离层观测设备在不同观测位置得到的数据进行同化,使观测数据得到最佳拟合,参数间满足物理规律的制约,获得较高的电离层区域现报精度。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开方法的流程示意图;
图2是本发明实施例1所公开方法中步骤(4)的流程示意图。
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多源数据电离层区域现报方法,包括如下步骤:
(1)电离层区域三维网格划分:
对所选区域按照经度、纬度和高度进行三维网格划分,其中经度步进2°,纬度步进2°,高度步进20km;
(2)电离层垂测、斜测和返回散射探测电离图反演:
(21)利用基于移位切比雪夫多项式的垂测电离图反演算法对区域内电离层垂直探测电离图进行反演,获得垂测站上空一维电子浓度剖面,作为观测数据;其中垂测电离图反演算法采用蔚娜等(2016)发展的方法(蔚娜,柳文,鲁转侠,冯静,等.2016.F1层未充分发展时的电离层剖面反演。地球物理学报,59(3):778-790,doi:10.6038/cjg20160302.)。
(22)利用基于Backus-Gilbert技术的斜测电离图反演算法对区域内电离层斜向探测电离图进行反演,获得斜测链路中点附近上空一维电子浓度剖面,作为观测数据;其中斜测电离图反演算法采用Chuang和Yeh(1977)发展的方法(S L Chuang,K C Yeh.1977.Amethod for inverting oblique sounding data in the ionosphere.Radio Science,12(1):135-140.)。
(23)利用基于Tikhonov正则化方法的返回散射电离图反演算法对区域内电离层返回散射探测电离图进行反演,获得返回散射探测方位上二维电子浓度高度×距离剖面,作为观测数据;其中返回散射电离图反演算法采用冯静等(2016)发展的方法(冯静,倪彬彬,赵正予,等.2016.利用高频天波返回散射反演电离层水平不均匀结构.地球物理学报,59(9):3135-3147,doi:10.6038/cjg20160901.)。
(3)GNSS-TEC数据选取:
选择区域内GNSS接收机观测射线仰角大于等于5°对应的TEC(Total ElectronContent,总电子含量)数据作为观测数据,其中电离层薄层模型高度设为450km;
(4)电离层背景场构建:
以国际参考电离层(IRI)模型为背景约束,以区域内垂测站电离图判读获得的F2层临界频率(foF2)为数据驱动,运用kriging插值方法建立区域电离层背景场。如图2所示,具体处理流程如下:
(41)根据IRI模型,得到R12=0和R12=100,12个月一天24小时的foF2值模型图,其中IRI为国际参考电离层,R12是IRI模型的一个输入参数,表示太阳黑子数13个月滑动平均值,foF2为F2层临界频率;
(42)根据R12与foF2之间的线性关系,获得所重构区域任一点,例如月中值,与R12之间的关系;
(43)给定垂测站位置某一天某时刻的foF2,根据上面得到的该站R12与foF2之间的系数,获得等效太阳黑子数;
(44)判断各个垂测站得到的等效太阳黑子数是否相同;
(45)如相同则将等效太阳黑子数代入IRI模型计算区域重构结果;
(46)如不同则利用kriging技术获得区域内任一点的等效太阳黑子数,再利用foF2与R12的关系获得区域内任一点foF2值,完成重构;
(5)误差协方差矩阵建立:
(51)建立观测误差协方差矩阵R,其表达式如下:
其中,Rij为观测误差协方差矩阵元素,i和j表示观测点,yi和yj表示在第i点和第j点的观测值,ηo表示比例系数;
(52)建立背景场误差协方差矩阵P,假定背景场误差协方差在水平和垂直方向误差都是高斯分布且可以分离,其表达式如下:
其中,Pij为背景场误差协方差矩阵元素,i和j表示观测点,和表示在第i点和第j点的背景值,φij、λij和hij分别表示第i点和第j点在经度、纬度和高度上的距离,Lφ、Lλ和Lh分别是背景场在这三个方向的相关距离,ηb是背景场电子浓度误差与背景场电子浓度的平方的线性系数;
(6)数据同化建模
采用基于Kalman滤波的数据同化技术进行同化建模,获得分析场Xa,即最终的电离层现报结果,其计算公式如下:
Xa=Xb+K(Y-HXb)
K=PHT(HPHT+R)-1
其中,Xb表示背景场向量,使用步骤(4)建立的电离层背景场作为背景场向量;Y表示观测向量,使用步骤(2)至步骤(3)获得的观测数据作为观测向量;H表示观测算子,使得模式向量向观测向量转换,完成背景场向观测点的空间插值和物理量转化,对于步骤(2)中获得的电子浓度剖面数据而言,观测算子仅进行空间插值,对于步骤(3)获得的TEC数据而言,观测算子除了空间插值,还需要进行物理量转化,即观测算子等于GNSS射线穿过每个网格点的长度;P表示背景误差协方差矩阵,使用步骤(52)建立的背景误差协方差矩阵;R表示观测误差协方差矩阵,使用步骤(51)建立的观测误差协方差矩阵;矩阵K称作增益矩阵。
在步骤(51)中,ηo=0.043;在步骤(52)中,水平方向即经度和纬度平面,在水平方向取经度10°、纬度5°,高度方向取60km,ηb=0.43。
Claims (2)
1.一种多源数据电离层区域现报方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)电离层区域三维网格划分:
对所选区域按照经度、纬度和高度进行三维网格划分,其中经度步进2°,纬度步进2°,高度步进20km;
(2)电离层垂测、斜测和返回散射探测电离图反演:
(21)利用基于移位切比雪夫多项式的垂测电离图反演算法对区域内电离层垂直探测电离图进行反演,获得垂测站上空一维电子浓度剖面,作为观测数据;
(22)利用基于Backus-Gilbert技术的斜测电离图反演算法对区域内电离层斜向探测电离图进行反演,获得斜测链路中点附近上空一维电子浓度剖面,作为观测数据;
(23)利用基于Tikhonov正则化方法的返回散射电离图反演算法对区域内电离层返回散射探测电离图进行反演,获得返回散射探测方位上二维电子浓度高度×距离剖面,作为观测数据;
(3)GNSS-TEC数据选取:
选择区域内GNSS接收机观测射线仰角大于等于5°对应的TEC数据作为观测数据,其中电离层薄层模型高度设为450km;
(4)电离层背景场构建:
(41)根据IRI模型,得到R12=0和R12=100,12个月一天24小时的foF2值模型图,其中IRI为国际参考电离层,R12是IRI模型的一个输入参数,表示太阳黑子数13个月滑动平均值,foF2为F2层临界频率;
(42)根据R12与foF2之间的线性关系,获得所重构区域任一点,例如月中值,与R12之间的关系;
(43)给定垂测站位置某一天某时刻的foF2,根据上面得到的该站R12与foF2之间的系数,获得等效太阳黑子数;
(44)判断各个垂测站得到的等效太阳黑子数是否相同;
(45)如相同则将等效太阳黑子数代入IRI模型计算区域重构结果;
(46)如不同则利用kriging技术获得区域内任一点的等效太阳黑子数,再利用foF2与R12的关系获得区域内任一点foF2值,完成重构;
(5)误差协方差矩阵建立:
(51)建立观测误差协方差矩阵R,其表达式如下:
其中,Rij为观测误差协方差矩阵元素,i和j表示观测点,yi和yj表示在第i点和第j点的观测值,ηo表示比例系数;
(52)建立背景场误差协方差矩阵P,假定背景场误差协方差在水平和垂直方向误差都是高斯分布且可以分离,其表达式如下:
其中,Pij为背景场误差协方差矩阵元素,i和j表示观测点,和表示在第i点和第j点的背景值,φij、λij和hij分别表示第i点和第j点在经度、纬度和高度上的距离,Lφ、Lλ和Lh分别是背景场在这三个方向的相关距离,ηb是背景场电子浓度误差与背景场电子浓度的平方的线性系数;
(6)数据同化建模
采用基于Kalman滤波的数据同化技术进行同化建模,获得分析场Xa,即最终的电离层现报结果,其计算公式如下:
Xa=Xb+K(Y-HXb)
K=PHT(HPHT+R)-1
其中,Xb表示背景场向量,使用步骤(4)建立的电离层背景场作为背景场向量;Y表示观测向量,使用步骤(2)至步骤(3)获得的观测数据作为观测向量;H表示观测算子,使得模式向量向观测向量转换,完成背景场向观测点的空间插值和物理量转化,对于步骤(2)中获得的电子浓度剖面数据而言,观测算子仅进行空间插值,对于步骤(3)获得的TEC数据而言,观测算子除了空间插值,还需要进行物理量转化,即观测算子等于GNSS射线穿过每个网格点的长度;P表示背景误差协方差矩阵,使用步骤(52)建立的背景误差协方差矩阵;R表示观测误差协方差矩阵,使用步骤(51)建立的观测误差协方差矩阵;矩阵K称作增益矩阵。
2.根据权利要求1所述的多源数据电离层区域现报方法,其特征在于:在步骤(51)中,ηo=0.043;在步骤(52)中,水平方向即经度和纬度平面,在水平方向取经度10°、纬度5°,高度方向取60km,ηb=0.43。
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