CN111505742A - 一种gnss电离层掩星数据气候研究的参数网格化方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电离层掩星数据气候研究的参数网格化方法及系统，所述方法包括：收集和汇总GNSS掩星netcdf科学数据集作为原始数据集；从原始数据集中获取典型电离层参数；依据电离层参数数据集的时间跨度和研究需求指定时间窗口；根据电离层参数数据集的样本量确定网格尺度，将空间区域划分为若干个网格，并将指定时间窗口的电离层参数数据集分配到不同的网格中；计算网格内所有电离层参数的中值，将其作为该网格的电离层参数；对每个网格中的电离层参数进行平滑处理。本发明的方法具有快速，易实现，灵活，兼容性高，鲁棒性强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电离层气候研究领域，具体是一种GNSS电离层掩星数据气候研究的参数网格化方法及系统。
背景技术
电离层气候研究涵盖了电离层在各个维度的变化，包括电离层随经纬度的变化(赤道异常、中纬槽、经度“四波结构”等)，随季节的变化(半年异常、年异常、冬季异常等)，随地方时的变化(日间消失、夜间增强等)，随太阳活动性的变化(非线性变化)。通过观测上述不同时间尺度的电离层周期变化或者非周期变化，有利于推动电离层气候变化中的驱动源、驱动过程等一系列电离层物理研究，从而为电离层气候学研究的应用重点，即电离层气候特征的预测与预报提供支撑，进一步为我国通信、导航、航天等高科技领域的空间天气预报提供观测和科学的基础。
GNSS掩星数据是十分重要的电离层气候观测资料，其具有全球覆盖，高精度，高垂直分辨率，长期稳定，无需定标，成本低廉等一系列优势，根据GNSS电离层掩星数据的长期稳定性和无需定标性，其尤其适用于电离层长期变化的气候研究。GNSS电离层掩星数据廓线分布的主要特点是全球随机分布，单颗低轨卫星(LEO)一天能够获取的电离层廓线大约有500个。多个LEO可以组成星座，从而获取更多随机分布的GNSS电离层掩星数据。若利用GNSS电离层掩星数据进行电离层气候研究，首先需要从全球随机离散分布的GNSS电离层掩星电子密度垂直廓线中提取出典型电离层参数，譬如F2层电子最大密度值(NmF2)、最大电子密度高度(hmF2)、标高(Hm)等电离层参数，然后需要将一定时间段的全球离散分布的电离层参数进行地理经纬度网格化从而形成全球网格数据，最后采用长期的电离层全球网格化参数开展电离层气候研究。而目前缺乏一套系统、可靠的相关技术手段，将全球离散随机分布的GNSS掩星观测数据转化为全球规则网格化数据，以便呈现有效的电离层气候学特征进行观测。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提供一种电离层掩星数据气候研究的参数网格化方法，其具备快速，易实现，灵活，兼容性高，鲁棒性强等优点，能够满足利用大量GNSS电离层掩星数据进行长期电离层气候学研究的需求；解决全球离散随机分布的GNSS掩星观测数据转化为全球规则网格化数据的问题。
为实现上述目的，本发明的实施例1提出了一种电离层掩星数据气候研究的参数网格化方法，所述方法包括：
收集和汇总GNSS掩星netcdf科学数据集作为原始数据集；
从原始数据集中获取典型电离层参数；
依据电离层参数数据集的时间跨度和研究需求指定时间窗口；
根据电离层参数数据集的样本量确定网格尺度，将空间区域划分为若干个网格，并将指定时间窗口的电离层参数数据集分配到不同的网格中；
计算网格内所有电离层参数的中值，将其作为该网格的电离层参数；
对每个网格中的电离层参数进行平滑处理。
作为上述方法的一种改进，所述从原始数据集中获取典型电离层参数；具体包括：
对原始数据集进行数据筛选和质量控制；
从处理后的原始数据集中提取所要研究的表征电离层气候学特征的参数，包括电离层F2层峰值电子密度NmF2以及峰值高度hmF2。
作为上述方法的一种改进，所述根据电离层参数数据集的样本量确定网格尺度，将空间区域划分为若干个网格；具体包括：
根据原始数据集的样本量确定纬度方向网格尺度和经度方向网格尺度；
将空间区域按照纬度方向网格尺度和经度方向网格尺度划分为若干个网格。
作为上述方法的一种改进，所述网格尺度的确定标准为：在将指定时间窗口的电离层参数数据集分配到不同的网格后，在地理纬度±60°范围中，至少60％的网格内有不低于4个电离层参数。
作为上述方法的一种改进，所述时间窗口为月时间窗口或季时间窗口。
作为上述方法的一种改进，所述计算网格内所有电离层参数的中值，将其作为该网格的电离层参数，具体包括：
设该网格中存在N个电离层参数，
当N为奇数时，则第(N+1)/2个电离层参数为N个电离层参数的中值；
当N为偶数时，则第N/2个电离层参数和下一个电离层参数的平均值为N个电离层参数的中值；
将N个电离层参数的中值作为该网格的电离层参数。
作为上述方法的一种改进，所述对每个网格中的电离层参数进行平滑处理，具体包括：
当网格不处于纬度边界时，将其与周围8个网格的电离层参数的算术平均值作为该网格的电离层参数；其中，空白网格不计入总频数；
当网格处于纬度边界时，将其与周围5个网格的电离层参数的算术平均值作为该网格的电离层参数；其中，空白网格不计入总频数。
本发明的实施例2提出了一种电离层掩星数据气候研究的参数网格化系统，所述系统包括：数据准备模块、电离层参数获取模块、时间窗口指定模块、网格划分模块、九宫平滑模块和电离层气候学特征输出模块；
所述数据准备模块，用于收集和汇总GNSS掩星netcdf科学数据集作为原始数据集；
所述电离层参数获取模块，用于从原始数据集中获取典型电离层参数；
所述时间窗口指定模块，用于依据电离层参数数据集的时间跨度和研究需求指定时间窗口；
所述网格划分模块，用于根据电离层参数数据集的样本量确定网格尺度，将空间区域划分为若干个网格，并将指定时间窗口的电离层参数数据集分配到不同的网格中；
所述网格参数中值化处理模块，用于计算网格内所有电离层参数的中值，将其作为该网格的电离层参数；
所述九宫平滑模块，用于对每个网格中的电离层参数进行平滑处理；
所述电离层气候学特征输出模块，用于输出和显示平滑后的网格化电离层参数。
本发明的优势在于：
1、本发明的方法具有快速，易实现，灵活，兼容性高，鲁棒性强等优点，其可根据不同数据集的样本量动态调整网格大小，从而保证了各数量级电离层参数在电离层气候学特征研究中的高可用性；
2、本发明的方法对电离层掩星数据采取了网格参数中值化处理和九宫平滑，既可有效去除单网格内单时间点电离层异常参数的影响，又能有效填补全球气候学特征呈现过程中的空白网格，具有抗干扰性高、鲁棒性强等特性，能够满足利用大量GNSS电离层掩星数据进行长期电离层气候学研究的需求；
3、利用本发明的方法呈现出的电离层气候学特征有效包含以季节变化为主的半年异常、分季异常、威德海异常、半球异常等气候学变化组分，对长时间尺度的电离层气候学研究大有裨益。目前该方法已应用到了我国FY3C-GNOS电离层掩星数据气候学研究中并取得了显著的效果。
附图说明
图1为本发明的GNSS电离层掩星数据气候研究的参数网格化方法流程图；
图2为2016.035-2016.125春分季白天期间(0800-1100LT)5°×10°网格中NmF2参数的个数。黑色网格表示NmF2参数个数低于4，白色网格表示NmF2参数个数不低于4；
图3为2016.035-2016.125春分季白天期间(0800-1100LT)5°×10°网格中NmF2参数中值化后的全球分布；
图4为2016.035-2016.125春分季白天期间(0800-1100LT)5°×10°网格九宫平滑后的NmF2中位数全球分布。
图5为本发明的GNSS电离层掩星数据气候研究的参数网格化方法对不同网格的九宫平滑方式；
图6为本发明的GNSS电离层掩星数据气候研究的参数网格化系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
如图1所示，本发明的实施例1提出了一种电离层掩星数据气候研究的参数网格化方法，主要包括以下6个步骤：
步骤1)数据准备，对GNSS掩星netcdf科学数据集进行收集和汇总以作为原始数据集。
步骤2)电离层参数获取，获取电离层F2层峰值电子密度NmF2和峰值高度hmF2等典型电离层参数；
电离层参数获取指从原始数据集中提取所要研究的表征电离层气候学特征的参数，如电离层F2层峰值电子密度NmF2以及峰值高度hmF2。在提取NmF2/hmF2参数之前，需要对原始数据集进行数据筛选和质量控制。
步骤3)时间窗口指定，用于确定电离层气候学研究的时间尺度；
时间窗口指定，主要指依据电离层参数数据集的时间跨度和研究需求指定时间窗口以便进行相应的电离层气候学研究，如月时间窗口，季时间窗口，并将电离层参数数据集按时间窗口进行分配。
步骤4)网格尺度指定(根据电离层参数数据集样本量确定网格大小)；
网格尺度指定是指确定网格点的地理范围的大小。将各个时间窗口的电离层参数数据集分配到不同纬度×经度，譬如1°×2°大小的网格中，以便进行电离层参数在全球尺度下的气候学特征的呈现。网格尺度指定后，必须保证在电离层参数分配完成时，地理纬度±60°范围中，至少60％的网格内有不低于4个电离层参数。
步骤5)网格参数中值化处理，即取网格内所有电离层参数的中值来代表该网格的电离层状态；
网格参数中值化处理即利用网格内所有电离层参数的中位数作为该网格当前的电离层参数水平。取每个网格内的电离层参数中位数代表该网格在当前时间尺度下的电离层状态可以有效降低某个时间点上电离层参数的异常值对网格的影响。
若网格中存在N个NmF2参数，则该网格的NmF2水平取值定义如下：
步骤6)九宫平滑：对网格内电离层参数进行整体平滑；
九宫平滑指将某个网格参数和与其相邻的网格参数进行算术平均以达到平滑的效果。在对电离层参数进行全球网格呈现后，为避免空白网格对总体电离层气候学特征的影响，将网格参数与周围网格点进行算术平均。当所平滑网格点不处于纬度边界时，其平滑后电离层参数值是其与周围8个网格点的算术平均，如图2(a)；当所平滑网格点处于纬度边界时，其平滑后电离层参数值是其与周围5个网格点的算术平均，如图2(b)；在算术平均过程中，空白网格不计入总频数。
上述过程可以实现空白网格的电离层参数填充。
步骤7)对上述步骤得到的所研究电离层参数在指定时间尺度内的电离层气候学特征进行输出和显示。
图3为2016.035-2016.125春分季白天期间(0800-1100LT)5°×10°网格中NmF2参数的个数。黑色网格表示NmF2参数个数低于4，白色网格表示NmF2参数个数不低于4；图4为2016.035-2016.125春分季白天期间(0800-1100LT)5°×10°网格中NmF2参数中值化后的全球分布；图5为2016.035-2016.125春分季白天期间(0800-1100LT)5°×10°网格九宫平滑后的NmF2中位数全球分布。
本发明提出了一种电离层掩星数据气候研究的参数网格化方法，其具有快速，易实现，灵活(一颗或多颗LEO卫星的掩星数据都可用该方法进行网格化)，兼容性高(可对NmF2、hmF2、标高等电离层参数进行网格化)，鲁棒性强(可降低网格点中异常电离层参数对整体气候学特征的干扰、可修复电离层参数全球分布中的空白网格)等特点。本发明的GNSS电离层掩星数据气候研究的参数网格化方法能够有效呈现出电离层半年异常、威德海异常、分季异常、半球异常等电离层气候学特征，对电离层气候学研究大有裨益，目前该方法已应用到了我国FY3C-GNOS电离层掩星数据气候学研究中并取得了显著的应用效果。
本发明系统性地提出了一种GNSS电离层掩星数据气候研究的参数网格化方法，为正确高效地利用全球随机离散分布的GNSS电离层掩星数据开展电离层气候研究提供了方法依据。
实施例2
如图6所示，本发明的实施例2提出了一种GNSS电离层掩星数据气候研究的参数网格化系统，包括：
数据准备模块，用于收集和汇总GNSS掩星netcdf科学数据集作为原始数据集；
电离层参数获取模块，用于从原始数据集中获取典型电离层参数；
时间窗口指定模块，用于依据电离层参数数据集的时间跨度和研究需求指定时间窗口；
网格划分模块，用于根据电离层参数数据集的样本量确定网格尺度，将空间区域划分为若干个网格，并将指定时间窗口的电离层参数数据集分配到不同的网格中；
网格参数中值化处理模块，用于计算网格内所有电离层参数的中值，将其作为该网格的电离层参数；
九宫平滑模块，用于对网格的电离层参数进行平滑处理并填补空白网格；和
电离层气候学特征输出模块，用于输出和显示平滑后的网格化电离层参数。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种电离层掩星数据气候研究的参数网格化方法，所述方法包括：
收集和汇总GNSS掩星netcdf科学数据集作为原始数据集；
从原始数据集中获取典型电离层参数；
依据电离层参数数据集的时间跨度和研究需求指定时间窗口；
根据电离层参数数据集的样本量确定网格尺度，将空间区域划分为若干个网格，并将指定时间窗口的电离层参数数据集分配到不同的网格中；
计算网格内所有电离层参数的中值，将其作为该网格的电离层参数；
对每个网格中的电离层参数进行平滑处理。
2.根据权利要求1所述的电离层掩星数据气候研究的参数网格化方法，其特征在于，所述从原始数据集中获取典型电离层参数；具体包括：
对原始数据集进行数据筛选和质量控制；
从处理后的原始数据集中提取所要研究的表征电离层气候学特征的参数，包括电离层F2层峰值电子密度NmF2以及峰值高度hmF2。
3.根据权利要求2所述的电离层掩星数据气候研究的参数网格化方法，其特征在于，所述根据电离层参数数据集的样本量确定网格尺度，将空间区域划分为若干个网格；具体包括：
根据原始数据集的样本量确定纬度方向网格尺度和经度方向网格尺度；
将空间区域按照纬度方向网格尺度和经度方向网格尺度划分为若干个网格。
4.根据权利要求3所述的电离层掩星数据气候研究的参数网格化方法，其特征在于，所述网格尺度的确定标准为：在将指定时间窗口的电离层参数数据集分配到不同的网格后，在地理纬度±60°范围中，至少60％的网格内有不低于4个电离层参数。
5.根据权利要求3所述的电离层掩星数据气候研究的参数网格化方法，其特征在于，所述时间窗口为月时间窗口或季时间窗口。
6.根据权利要求1所述的电离层掩星数据气候研究的参数网格化方法，其特征在于，所述计算网格内所有电离层参数的中值，将其作为该网格的电离层参数，具体包括：
设该网格中存在N个电离层参数，
当N为奇数时，则第(N+1)/2个电离层参数为N个电离层参数的中值；
当N为偶数时，则第N/2个电离层参数和下一个电离层参数的平均值为N个电离层参数的中值；
将N个电离层参数的中值作为该网格的电离层参数。
7.根据权利要求6所述的电离层掩星数据气候研究的参数网格化方法，其特征在于，所述对每个网格中的电离层参数进行平滑处理，具体包括：
当网格不处于纬度边界时，将其与周围8个网格的电离层参数的算术平均值作为该网格的电离层参数；其中，空白网格不计入总频数；
当网格处于纬度边界时，将其与周围5个网格的电离层参数的算术平均值作为该网格的电离层参数；其中，空白网格不计入总频数。
8.一种电离层掩星数据气候研究的参数网格化系统，其特征在于，所述系统包括：数据准备模块、电离层参数获取模块、时间窗口指定模块、网格划分模块、九宫平滑模块和电离层气候学特征输出模块；
所述数据准备模块，用于收集和汇总GNSS掩星netcdf科学数据集作为原始数据集；
所述电离层参数获取模块，用于从原始数据集中获取典型电离层参数；
所述时间窗口指定模块，用于依据电离层参数数据集的时间跨度和研究需求指定时间窗口；
所述网格划分模块，用于根据电离层参数数据集的样本量确定网格尺度，将空间区域划分为若干个网格，并将指定时间窗口的电离层参数数据集分配到不同的网格中；
所述网格参数中值化处理模块，用于计算网格内所有电离层参数的中值，将其作为该网格的电离层参数；
所述九宫平滑模块，用于对每个网格中的电离层参数进行平滑处理；
所述电离层气候学特征输出模块，用于输出和显示平滑后的网格化电离层参数。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200807 |
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