CN113359164B - 一种低频率gnss电离层闪烁因子的有效性验证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种验证低频率GNSS电离层闪烁因子有效性的方法，适用于监测电离层闪烁天文灾害。首先对天文数据和地磁活动数据预处理，然后统计低采样频率GNSS电离层闪烁因子的闪烁探测发生率与ISMR电离层闪烁因子探测的电离层闪烁发生率的统计比较分析，若电离层闪烁发生率相关性高则认为待验证闪烁因子有效性高；再通过太阳辐射和地磁活动指数与待验证闪烁因子和ISMR电离层闪烁因子给出的日、时电离层闪烁发生率的相关性，判断二者相关性，从而再次验证电离层闪烁因子有效性高。其步骤简单，能够有效筛选出较优的闪烁因子，助力其推广应用，进而大幅度降低电离层不规则体监测的成本，有利于对全球电离层闪烁形成完备监测，具有广泛的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种验证低频率GNSS电离层闪烁因子有效性的方法，尤其适用于监测电离层闪烁天文灾害的一种低频率GNSS电离层闪烁因子的有效性验证方法。
技术背景
电离层闪烁是赤道和极区频发的一种天文灾害，是近年来空间科学面临的一大难题，对人类社会可持续发展构成了重大威胁。准确监测电离层闪烁，对于掌握其变化规律，预防电离层闪烁天文灾害的不利影响具有重大现实意义。当前，电离层闪烁监测研究的主流设备通常采用电离层闪烁监测接收机，简称ISMR。ISMR可给出高精度的电离层闪烁因子，它是对电离层闪烁强弱的定量表征。但ISMR价格较贵，且采样频率多设在50Hz，需要较大的存储空间，进而限制了布站数量，尚无法利用ISMR进行全球电离层闪烁研究。
相比ISMR，测地型接收机价格更为低廉，采样频率低，分布更为广泛，全球布站多达数万个。提取基于测地型接收机的电离层闪烁因子，更有助于对全球电离层闪烁开展完备监测。近来年，研究人员提出了众多的基于低采样频率的GNSS电离层闪烁因子。Pi等利用历元间差分载波相位无几何关系组合估算斜路径总电子含量的方法，消除了低频率误差对提取电离层闪烁信号的影响，构建了ROTI因子。Juan等对无几何关系组合做历元内全部可视卫星加权平均，并引入周跳探测与修复方法，提取了可反映电离层活动强度时空变化信息的AATR因子。Nguyen等采用0.1Hz截止频率的巴特沃斯滤波技术，分离了多路径效应对电离层闪烁因子的不利影响。Ahmed等研究了从高纬度区域垂直总电子含量数据中提取电离层闪烁信号的小波变换方法。赵东升等也基于小波变换方法，构建了适用于北极区域的电离层相位闪烁因子，该因子可以给出每个频率上的相位闪烁幅值。
以上基于低采样频率电离层闪烁因子的提出丰富了电离层闪烁监测研究的手段，但尚未得到较大规模的应用，其主要原因是这些闪烁因子有效性缺乏长时间的数据验证。尽管研究人员在提出闪烁因子时也进行了一定的有效性验证，但多关注于该方法在几天甚至几个卫星观测弧段对电离层闪烁监测的准确性。这种准确性多将ISMR输出的闪烁因子作为参考值，按弧段将所估计的电离层闪烁因子与参考值进行比较。基于观测时间较短的数据进行的验证结果可能存在特例偏差，难以说明闪烁因子的有效性。目前，尚未见适用于长时间观测数据验证低频率GNSS电离层闪烁因子有效性的统计分析方法。
发明内容
针对现有技术的不足之处，提供一种基于统计规律验证低采样频率GNSS电离层闪烁因子有效性的方法，利用低采样频率GNSS电离层闪烁因子在多种条件下与参考值的规律统计分析，解决了难以对电离层相位闪烁因子进行长时间验证的技术难题。
为实现上述技术目的，本发明的一种低采样频率GNSS电离层闪烁因子的有效性验证方法：
S1、获取电离层闪烁监测接收机ISMR的电离层闪烁因子数据、日出日落时间数据以及表征太阳和地磁活动物理参数，然后对以上数据及参数进行预处理，剔除多路径效应，以及f10.7指数和Ap指数数据中存在断点的不利影响；
S2、选择具有电离层闪烁监测接收机的观测站获取的1Hz采样频率数据，通过文献获取待验证的低采样频率电离层闪烁因子，利用相关性分析方法，统计待验证的低采样频率电离层闪烁因子的闪烁探测发生率，与通过ISMR电离层闪烁因子探测的电离层闪烁发生率，之后将闪烁探测发生率与电离层闪烁发生率进行比较分析，若待验证闪烁因子探测出的电离层闪烁发生率与ISMR给出的电离层闪烁发生率相关性高且差值不大于0.5％，则认为待验证的低采样频率电离层闪烁因子有效性高；
S3、最后对太阳辐射和地磁活动相关性统计分析，通过分别研究太阳辐射和地磁活动指数与日、时电离层闪烁发生率的相关性，若活动指数与日、时电离层闪烁发生率的相关性较高，太阳辐射与日、时电离层闪烁发生率的相关性较高，说明由待验证闪烁因子探测出的电离层闪烁因子的发生的驱动因素与ISMR电离层闪烁因子给出的驱动因素相同，由此可以判断待验证的低采样频率电离层闪烁因子有效性高，反之则判断待验证的低采样频率电离层闪烁因子有效性低。
进一步，ISMR电离层闪烁因子数据、日出日落时间数据以及表征太阳和地磁活动物理参数的预处理，包括如下三步：
首先剔除多路径效应对ISMR电离层闪烁因子的影响：即利用IGS提供的精密星历文件和测站的坐标计算选择出的具有电离层闪烁监测接收机的观测站上空每个卫星的高度角，删除高度角小于30°的ISMR电离层闪烁因子，从而提取出受多路径影响较小的ISMR电离层闪烁因子，并将ISMR电离层闪烁因子作为评估低采样频率GNSS电离层闪烁因子有效性的参考值；
然后利用Jean Meeus所提出的天文算法计算用来验证低采样频率GNSS电离层闪烁因子的测站太阳时角，并根据选择的一处配备有ISMR接收机的GNSS测站位置所处时区，计算太阳日出和日落的地方时；
最后用加拿大自然资源局提供的f10.7指数表征太阳活动强弱，用德国地学中心提供的Ap指数和并址磁测站提供的当地地磁数据表征全球和当地的地磁活动强弱，由于f10.7和Ap指数数据中存在断点问题，因此找出断点所在，并将缺失的数据赋值为空，从而避免其不良影响。
进一步，待验证的低采样频率GNSS电离层闪烁因子和ISMR的闪烁发生率为：
以天为单位获取待验证闪烁因子的日电离层闪烁发生率P，发生率的计算方法如下，
其中，P表示闪烁发生率，发生闪烁的历元即该历元的待验证闪烁因子幅值大于ISMR电离层闪烁因子的阈值0.2rad，待验证的低采样频率GNSS电离层闪烁因子的阈值通过现有文献获取，该阈值用以判定某一观测历元是否有闪烁发生。
进一步，通过计算待验证低采样频率GNSS电离层闪烁因子给出的日电离层闪烁发生率P与ISMR给出的日电离层闪烁发生率的差值及相关性：认为90％差值的分布在±0.5％以内，且相关性在0.9以上则为该待验证低采样频率GNSS电离层闪烁因子的探测每日的电离层闪烁；
进一步，利用选择出具有电离层闪烁监测接收机的观测站的日出和日落时间为基准，统计待验证闪烁因子和ISMR电离层闪烁因子在1年时间内在日落后和日出后的每小时电离层闪烁发生率，由于电离层闪烁在日出和日落后的发生具有一定的规律性，即峰值发生的时间固定；若测站位于北纬66°34’以北和南纬66°34’以南的测站，在进行该项验证时需要考虑到极昼和极夜现象，此时可以仅以当地时为基准，比较峰值的发生时刻；当待验证闪烁因子探测出的发生峰值时刻与ISMR电离层闪烁因子给出的峰值时刻差值在半小时内时，可认为待验证闪烁因子能探测到电离层闪烁日变化规律。
进一步，太阳辐射和地磁活动相关性统计分析，具体包括以下三步：
首先由于该项统计分析主要基于相关性分析，而所选用的表征太阳辐射强弱的参数f10.7指数通常的变化范围较大，影响了相关性分析的准确性，因此需要对其进行归一化处理，归一化处理时间长度选择年为单位长度；此外所选择具有电离层闪烁监测接收机的观测站的并址地磁指数时间分辨率为1分钟，且给出的是地磁在东西、南北和垂直三个方向上的分量数列，数值较大，需要将每一分量分别减去其日平均值后，求取各分量数列每分钟内的平方和的开方值，作为当地地磁指数的变化量；
然后分别计算归一化后的f10.7指数、Ap指数日平均值与由待验证闪烁因子和ISMR电离层闪烁因子给出的日电离层闪烁发生率的相关性；计算所选择具有电离层闪烁监测接收机的观测站的地磁指数的变化量与由待验证闪烁因子和ISMR电离层闪烁因子给出的每小时电离层闪烁发生率的相关性；若由待验证闪烁因子和ISMR电离层闪烁因子给出的相关性差值在0.05以内，说明待验证闪烁因子所提取出的电离层闪烁的驱动因素与ISMR电离层闪烁因子的驱动因素相关；
若上述当地地磁指数的变化量与由待验证闪烁因子和ISMR电离层闪烁因子给出的每小时电离层闪烁发生率的相关性大于0.8，则进一步统计不同大小的地磁变化量条件下，高中低强度的闪烁因子在每一条件下的分布比例，衡量待验证闪烁因子和ISMR电离层闪烁因子每种比例的不同及对应高中低强度的闪烁因子区间大小，若分布比例相当，且待验证闪烁因子和ISMR电离层闪烁因子的高中低闪烁因子分布区间相当，认为该待验证闪烁因子能够较为准确的提取电离层闪烁。
有益效果：
相比于现有利用若干天或若干弧段的观测数据来验证电离层闪烁因子有效性的研究，本方法可以利用长时间观测数据对低采样频率电离层闪烁有效性进行统计分析，进而更为可靠的验证其检测电离层闪烁的有效性，有利于促进现有低频率闪烁因子的大规模应用，提高全球电离层闪烁监测的完备性，具有广泛的实用性。
附图说明
图1为本发明一种基于验证低采样频率GNSS电离层闪烁因子有效性的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的实施例做进一步说明：
如图1所示，本发明的低采样频率GNSS电离层闪烁因子的有效性验证方法，步骤包括：
S1、获取电离层闪烁监测接收机ISMR的电离层闪烁因子数据、日出日落时间数据以及表征太阳和地磁活动物理参数，然后对以上数据及参数进行预处理，剔除多路径效应，以及f10.7指数和Ap指数数据中存在断点的不利影响；
3.ISMR电离层闪烁因子数据、日出日落时间数据以及表征太阳和地磁活动物理参数的预处理，包括如下三步：
首先剔除多路径效应对ISMR电离层闪烁因子的影响：即利用IGS提供的精密星历文件和测站的坐标计算选择出的具有电离层闪烁监测接收机的观测站上空每个卫星的高度角，删除高度角小于30°的ISMR电离层闪烁因子，从而提取出受多路径影响较小的ISMR电离层闪烁因子，并将ISMR电离层闪烁因子作为评估低采样频率GNSS电离层闪烁因子有效性的参考值；
然后利用Jean Meeus所提出的天文算法计算用来验证低采样频率GNSS电离层闪烁因子的测站太阳时角，并根据选择的一处配备有ISMR接收机的GNSS测站位置所处时区，计算太阳日出和日落的地方时；
最后用加拿大自然资源局提供的f10.7指数表征太阳活动强弱，用德国地学中心提供的Ap指数和并址磁测站提供的当地地磁数据表征全球和当地的地磁活动强弱，由于f10.7和Ap指数数据中存在断点问题，因此找出断点所在，并将缺失的数据赋值为空，从而避免其不良影响。
S2、选择具有电离层闪烁监测接收机的观测站获取的1Hz采样频率数据，通过文献获取待验证的低采样频率电离层闪烁因子，利用相关性分析方法，统计待验证的低采样频率电离层闪烁因子的闪烁探测发生率，与通过ISMR电离层闪烁因子探测的电离层闪烁发生率，之后将闪烁探测发生率与电离层闪烁发生率进行比较分析，若待验证闪烁因子探测出的电离层闪烁发生率与ISMR给出的电离层闪烁发生率相关性高且差值不大于0.5％，则认为待验证的低采样频率电离层闪烁因子有效性高；
待验证的低采样频率GNSS电离层闪烁因子和ISMR的闪烁发生率为：
以天为单位获取待验证闪烁因子的日电离层闪烁发生率P，发生率的计算方法如下，
其中，P表示闪烁发生率，发生闪烁的历元即该历元的待验证闪烁因子幅值大于ISMR电离层闪烁因子的阈值0.2rad，待验证的低采样频率GNSS电离层闪烁因子的阈值通过现有文献获取，该阈值用以判定某一观测历元是否有闪烁发生；
通过计算待验证低采样频率GNSS电离层闪烁因子给出的日电离层闪烁发生率P与ISMR给出的日电离层闪烁发生率的差值及相关性：认为90％差值的分布在±0.5％以内，且相关性在0.9以上则为该待验证低采样频率GNSS电离层闪烁因子的探测每日的电离层闪烁；
S3、通过研究太阳辐射和地磁活动指数与待验证的低采样频率GNSS电离层闪烁因子和ISMR电离层闪烁因子给出的日、时电离层闪烁发生率的相关性，若活动指数、闪烁因子与日、时电离层闪烁发生率的相关性较高，说明由待验证闪烁因子探测出的电离层闪烁因子的发生的驱动因素与ISMR电离层闪烁因子给出的驱动因素相同，由此可以判断待验证的低采样频率电离层闪烁因子有效性高，反之则判断待验证的低采样频率电离层闪烁因子有效性低；
利用选择出具有电离层闪烁监测接收机的观测站的日出和日落时间为基准，统计待验证闪烁因子和ISMR电离层闪烁因子在1年时间内在日落后和日出后的每小时电离层闪烁发生率，由于电离层闪烁在日出和日落后的发生具有一定的规律性，即峰值发生的时间固定；若测站位于北纬66°34’以北和南纬66°34’以南的测站，在进行该项验证时需要考虑到极昼和极夜现象，此时可以仅以当地时为基准，比较峰值的发生时刻；当待验证闪烁因子探测出的发生峰值时刻与ISMR电离层闪烁因子给出的峰值时刻差值在半小时内时，可认为待验证闪烁因子能探测到电离层闪烁日变化规律；
其中太阳辐射和地磁活动相关性统计分析，具体包括以下三步：
首先由于该项统计分析主要基于相关性分析，而所选用的表征太阳辐射强弱的参数f10.7指数通常的变化范围较大，影响了相关性分析的准确性，因此需要对其进行归一化处理，归一化处理时间长度选择年为单位长度；此外所选择具有电离层闪烁监测接收机的观测站的并址地磁指数时间分辨率为1分钟，且给出的是地磁在东西、南北和垂直三个方向上的分量数列，数值较大，需要将每一分量分别减去其日平均值后，求取各分量数列每分钟内的平方和的开方值，作为当地地磁指数的变化量；
然后分别计算归一化后的f10.7指数、Ap指数日平均值与由待验证闪烁因子和ISMR电离层闪烁因子给出的日电离层闪烁发生率的相关性；计算所选择具有电离层闪烁监测接收机的观测站的地磁指数的变化量与由待验证闪烁因子和ISMR电离层闪烁因子给出的每小时电离层闪烁发生率的相关性；若由待验证闪烁因子和ISMR电离层闪烁因子给出的相关性差值在0.05以内，说明待验证闪烁因子所提取出的电离层闪烁的驱动因素与ISMR电离层闪烁因子的驱动因素相关；
若上述当地地磁指数的变化量与由待验证闪烁因子和ISMR电离层闪烁因子给出的每小时电离层闪烁发生率的相关性大于0.8，则进一步统计不同大小的地磁变化量条件下，高中低强度的闪烁因子在每一条件下的分布比例，衡量待验证闪烁因子和ISMR电离层闪烁因子每种比例的不同及对应高中低强度的闪烁因子区间大小，若分布比例相当，且待验证闪烁因子和ISMR电离层闪烁因子的高中低闪烁因子分布区间相当，认为该待验证闪烁因子能够较为准确的提取电离层闪烁。
Claims (6)
1.一种低采样频率GNSS电离层闪烁因子的有效性验证方法，其特征在于：
S1、获取电离层闪烁监测接收机ISMR的电离层闪烁因子数据、日出日落时间数据以及表征太阳和地磁活动物理参数，然后对以上数据及参数进行预处理，剔除多路径效应，以及f10.7指数和Ap指数数据中存在断点的不利影响；
S2、选择具有电离层闪烁监测接收机的观测站获取的1Hz采样频率数据，获取待验证的低采样频率电离层闪烁因子，利用相关性分析方法，统计待验证的低采样频率电离层闪烁因子的闪烁探测发生率，与通过ISMR电离层闪烁因子探测的电离层闪烁发生率，之后将闪烁探测发生率与电离层闪烁发生率进行比较分析，若待验证闪烁因子探测出的电离层闪烁发生率与ISMR给出的电离层闪烁发生率相关性高且差值不大于0.5％，则认为待验证的低采样频率电离层闪烁因子有效性高；
S3、最后对太阳辐射和地磁活动相关性统计分析，通过分别研究太阳辐射和地磁活动指数与日、时电离层闪烁发生率的相关性，若活动指数与日、时电离层闪烁发生率的相关性较高，太阳辐射与日、时电离层闪烁发生率的相关性较高，说明由待验证闪烁因子探测出的电离层闪烁因子的发生的驱动因素与ISMR电离层闪烁因子给出的驱动因素相同，由此可以判断待验证的低采样频率电离层闪烁因子有效性高，反之则判断待验证的低采样频率电离层闪烁因子有效性低。
2.根据权利要求1所述的一种低采样频率GNSS电离层闪烁因子的有效性验证方法，其特征在于ISMR电离层闪烁因子数据、日出日落时间数据以及表征太阳和地磁活动物理参数的预处理，包括如下三步：
首先剔除多路径效应对ISMR电离层闪烁因子的影响：即利用IGS提供的精密星历文件和测站的坐标计算选择出的具有电离层闪烁监测接收机的观测站上空每个卫星的高度角，删除高度角小于30°的ISMR电离层闪烁因子，从而提取出受多路径影响较小的ISMR电离层闪烁因子，并将ISMR电离层闪烁因子作为评估低采样频率GNSS电离层闪烁因子有效性的参考值；
然后利用Jean Meeus所提出的天文算法计算用来验证低采样频率GNSS电离层闪烁因子的测站太阳时角，并根据选择的一处配备有ISMR接收机的GNSS测站位置所处时区，计算太阳日出和日落的地方时；
最后用加拿大自然资源局提供的f10.7指数表征太阳活动强弱，用德国地学中心提供的Ap指数和并址磁测站提供的当地地磁数据表征全球和当地的地磁活动强弱，由于f10.7和Ap指数数据中存在断点问题，因此找出断点所在，并将缺失的数据赋值为空，从而避免其不良影响。
3.根据权利要求1所述的一种低采样频率GNSS电离层闪烁因子的有效性验证方法，其特征在于待验证的低采样频率GNSS电离层闪烁因子和ISMR的闪烁发生率为：
以天为单位获取待验证闪烁因子的日电离层闪烁发生率P，发生率的计算方法如下，
其中，P表示闪烁发生率，发生闪烁的历元即该历元的待验证闪烁因子幅值大于ISMR电离层闪烁因子的阈值0.2rad，待验证的低采样频率GNSS电离层闪烁因子的阈值用以判定某一观测历元是否有闪烁发生。
4.根据权利要求3所述的一种低采样频率GNSS电离层闪烁因子的有效性验证方法，其特征在于：通过计算待验证低采样频率GNSS电离层闪烁因子给出的日电离层闪烁发生率P与ISMR给出的日电离层闪烁发生率的差值及相关性：认为90％差值的分布在±0.5％以内，且相关性在0.9以上则为该待验证低采样频率GNSS电离层闪烁因子的探测每日的电离层闪烁；
5.根据权利要求4所述的一种低采样频率GNSS电离层闪烁因子的有效性验证方法，其特征在于：利用选择出具有电离层闪烁监测接收机的观测站的日出和日落时间为基准，统计待验证闪烁因子和ISMR电离层闪烁因子在1年时间内在日落后和日出后的每小时电离层闪烁发生率，由于电离层闪烁在日出和日落后的发生具有一定的规律性，即峰值发生的时间固定；若测站位于北纬66°34’以北和南纬66°34’以南的测站，在进行该项验证时需要考虑到极昼和极夜现象，此时可以仅以当地时为基准，比较峰值的发生时刻；当待验证闪烁因子探测出的发生峰值时刻与ISMR电离层闪烁因子给出的峰值时刻差值在半小时内时，可认为待验证闪烁因子能探测到电离层闪烁日变化规律。
6.根据权利要求1所述的一种低采样频率GNSS电离层闪烁因子的有效性验证方法，其特征在于太阳辐射和地磁活动相关性统计分析，具体包括以下三步：
首先由于该项统计分析主要基于相关性分析，而所选用的表征太阳辐射强弱的参数f10.7指数通常的变化范围较大，影响了相关性分析的准确性，因此需要对其进行归一化处理，归一化处理时间长度选择年为单位长度；此外所选择具有电离层闪烁监测接收机的观测站的并址地磁指数时间分辨率为1分钟，且给出的是地磁在东西、南北和垂直三个方向上的分量数列，数值较大，需要将每一分量分别减去其日平均值后，求取各分量数列每分钟内的平方和的开方值，作为当地地磁指数的变化量；
然后分别计算归一化后的f10.7指数、Ap指数日平均值与由待验证闪烁因子和ISMR电离层闪烁因子给出的日电离层闪烁发生率的相关性；计算所选择具有电离层闪烁监测接收机的观测站的地磁指数的变化量与由待验证闪烁因子和ISMR电离层闪烁因子给出的每小时电离层闪烁发生率的相关性；若由待验证闪烁因子和ISMR电离层闪烁因子给出的相关性差值在0.05以内，说明待验证闪烁因子所提取出的电离层闪烁的驱动因素与ISMR电离层闪烁因子的驱动因素相关；
若上述当地地磁指数的变化量与由待验证闪烁因子和ISMR电离层闪烁因子给出的每小时电离层闪烁发生率的相关性大于0.8，则进一步统计不同大小的地磁变化量条件下，高中低强度的闪烁因子在每一条件下的分布比例，衡量待验证闪烁因子和ISMR电离层闪烁因子每种比例的不同及对应高中低强度的闪烁因子区间大小，若分布比例相当，且待验证闪烁因子和ISMR电离层闪烁因子的高中低闪烁因子分布区间相当，认为该待验证闪烁因子能够较为准确的提取电离层闪烁。
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