CN113852440A - 张衡一号卫星电磁场观测数据精密时间校准方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种张衡一号卫星电磁场观测数据精密时间校准方法及系统技术。该方法包括：对EFD波形数据进行滤波、插值与重采样的预处理；对SCM波形数据及预处理后的EFD数据，采用滑动窗口极值检测方法进行空间现象的自动检测及参数设置；以检测到的事件标记位置为中心，设置具有设定长度的窗口，利用JS散度进行SCM和EFD之间的匹配；选择相似度最高的窗口序号，并得到其最佳的匹配位置，将其作为时间校准值；根据时间校准值完成SCM数据与EFD数据之间的时间同步。本发明提供的张衡一号卫星电磁场观测数据精密时间校准方法及系统能够采用事件自动检测的方法进行匹配式的时间校准。

Description

张衡一号卫星电磁场观测数据精密时间校准方法及系统
技术领域
本发明涉及遥控遥测技术领域，特别是涉及一种张衡一号卫星电磁场观测数据精密时间校准方法及系统。
背景技术
张衡一号卫星于2018年2月发射入轨运行，为我国首颗电磁监测试验卫星，所携带的电场探测仪(EFD)和感应式磁力仪(SCM)，分别采用不同的时间采集器，经研究发现以上两个载荷的观测数据在时间标签上存在误差，且影响电磁场观测数据在诸如波矢量分析等空间物理方面的研究应用，关于电磁场观测数据精密时间校准方法在相关期刊上尚未见诸报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种张衡一号卫星电磁场观测数据精密时间校准方法及系统，能够采用事件自动检测的方法进行匹配式的时间校准。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种张衡一号卫星电磁场观测数据精密时间校准方法，所述方法包括：对EFD波形数据进行带通滤波、插值与重采样的预处理；对SCM波形数据及预处理后的EFD数据，采用滑动窗口极值检测方法进行空间现象的自动检测及参数设置；以检测到的事件标记位置为中心，设置具有设定长度的窗口，利用JS散度进行SCM和EFD之间的匹配；选择相似度最高的窗口序号，并得到其最佳的匹配位置，将其作为时间校准值；根据时间校准值完成SCM数据与EFD数据之间的时间同步。
在一些实施方式中，根据闪电哨声波、准周期辐射等空间现象的功率所集中频段范围，对EFD进行带通滤波；并通过如下两种插值方法，一个是三次样条插值与前一个观测时段数据之间的叠加方法，另一个是包络趋势变化以及前一个观测时段数据之间的叠加方法，分别对SCM数据进行插值并优选方法，利用优选的方法对EFD插值后的结果向SCM的采样率进行重采样。
在一些实施方式中，利用所设计的插值方法应用到SCM数据上，进行如信噪比等指标上的评价，从2种插值方法中优选1种插值方法。
在一些实施方式中，窗口的设定长度为1万到10万点；以检测到的事件标记位置为中心，设置具有设定长度的窗口，利用JS散度进行SCM和EFD之间的匹配，包括：以检测到的事件标记位置为中心，按照1万点为步长生成10个类型的窗口，利用JS散度进行SCM和EFD之间的匹配。
在一些实施方式中，以检测到的事件标记位置为中心，按照1万点为步长生成10个类型的窗口，利用JS散度进行SCM和EFD之间的匹配，包括：通过人工统计的闪电哨声波以及准周期辐射分量的持续时间，以事件标记位置为中心设定1万到10万点窗口长度，按照1万点为步长生成10个类型的窗口，利用JS散度进行SCM和EFD之间的匹配。
在一些实施方式中，根据时间校准值完成SCM数据与EFD数据之间的时间同步，包括：如果EFD的时间标签晚于SCM，将SCM的时间标签减去时间校准值的绝对值；或者如果EFD的时间标签早于SCM，将EFD的时间标签减去时间校准值的绝对值。
在一些实施方式中，还包括：在对SCM波形数据及预处理后的EFD数据，采用滑动窗口极值检测方法进行空间现象的自动检测及参数设置之前，对EFD波形数据进行预处理之后，对SCM波形数据及预处理后的EFD数据，分别进行归一化。
在一些实施方式中，还包括：在对SCM波形数据及预处理后的EFD数据，采用滑动窗口极值检测方法进行空间现象的自动检测及参数设置之前，对EFD波形数据进行预处理之后，针对SCM波形数据和预处理后的EFD数据，利用谱减法滤波去除背景噪声；谱减法采用每一个轨道其起始位置处特定长度波形数据的作为背景噪声。
在一些实施方式中，对SCM波形数据及预处理后的EFD数据，采用滑动窗口极值检测方法进行空间现象的自动检测及参数设置，包括：滑动窗口10万个点，步长1万个点，保留连续滑动10次且10个极值均为同一个位置的点，按照均值加减6倍标准差进行滤除，且保留极值之差小于1秒的点。
此外，本发明还提供了一种张衡一号卫星电磁场观测数据精密时间校准系统，所述系统包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据前文所述的张衡一号卫星电磁场观测数据精密时间校准方法。
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
通过分析大量的事件之间时间记录的差异，发现不同空间现象的时间差异存在不一致的情况，本发明采用事件自动检测的方法进行匹配式的时间校准，可为长期在轨观测大量的空间事件分析提供有效支撑，与人工对齐相比提高了分析处理的效率。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
电磁场观测数据的精密时间校准方法的关键点在于利用诸如闪电哨声波、准周期辐射等空间现象进行时间校正。EFD和SCM在VLF频段的观测采样率分别为50kHz和51.2kHz，高采样率的数据在开展电磁波传播特性分析上需要较高的时间对齐精度。为此，针对VLF电磁场的波形数据，利用滤波方法滤除趋势和背景噪声，设计了一套空间现象的滑动窗口极值自动检测方法，该方法是以事件持续时间和发生频度为间隔约束，实现了对两个轨道上观测的同一个事件的逐轨道自动检测，并通过JS散度匹配进行时间校准。
本发明采用滤波和匹配的方法，对VLF电磁场数据进行高精度的时间校准，实现了以单个事件为基准的时间同步。具体方案如下：
(1)选择EFD和SCM的VLF频段的二级科学数据，从中获取波形数据和时间数据。
(2)由于EFD数据采样中存在每隔40.96毫秒(2048个采样点)的间断，对EFD的波形数据进行(准周期辐射：5.5kHz到6kHz之间)带通滤波，以达到趋势去除的目的，且求解滤波之后的包络线，再按照两种插值模式，分别进行插值对比；第一个模式是，利用三次样条插值空缺位置的数据，将其与前一个40.96毫秒观测数据进行叠加求和，再将每一个插值后的时段求和结果约束到包络线以内；第二个模式是，计算前一个观测时段与待插值时段之间的上下包络线的差值，将其与前一个40.96毫秒观测数据按照沿着均值数据(滤波之后的均值为0)向上和向下波动分别进行叠加求和，再将每一个插值后的时段求和结果约束到包络线以内；将同样的模式应用到SCM预处理上，从插值信噪比等指标，以对比优选一种插值模式方法；最后利用优选插值的方法对带通滤波后的EFD数据进行缺数弥补，再对其向SCM的采样率进行重采样，使其采样率从50kHz变为51.2kHz。
(3)针对SCM波形数据和预处理后的EFD数据，利用谱减法滤波去除背景噪声，谱减法采用每一个轨道其起始位置处特定长度波形数据的作为背景噪声。
(4)对滤波之后的数据，先分别进行归一化，再采用滑动窗口极值检测的方法进行空间现象的自动检测，参数设置：滑动窗口10万个点，步长1万个点，保留连续滑动10次且10个极值均为同一个位置的点，按照均值加减6倍标准差进行滤除，且保留极值之差小于1秒的点，以上参数的设置是以空间现象的持续时间和发生频度为原则。将以上检测的结果作为事件的标记位置。
(5)通过人工统计的闪电哨声波以及准周期辐射分量的持续时间，以事件标记位置为中心设定1万到10万点窗口长度，按照1万点为步长生成10个类型的窗口，利用JS散度进行SCM和EFD之间的匹配。
(6)选择相似度最高的窗口序号，并得到其最佳的匹配位置，将其作为时间校准值。
(7)经统计得到EFD的时间标签晚于SCM，因此将SCM的时间标签减去时间校准值的绝对值，则完成时间的精密对齐,经过时间同步之后的误差在几毫秒到几十毫秒之间。
通过分析大量的事件之间时间记录的差异，发现不同空间现象的时间差异存在不一致的情况，本发明采用事件自动检测的方法进行匹配式的时间校准，可为长期在轨观测大量的空间事件分析提供有效支撑，与人工对齐相比提高了分析处理的效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种张衡一号卫星电磁场观测数据精密时间校准方法，其特征在于，包括：
对EFD波形数据进行带通滤波、插值(缺数弥补)和重采样的预处理；
对SCM波形数据及预处理后的EFD数据，采用滑动窗口极值检测方法进行空间现象的自动检测及参数设置；
以检测到的事件标记位置为中心，设置具有设定长度的窗口，利用JS散度进行SCM和EFD之间的匹配；
选择相似度最高的窗口序号，并得到其最佳的匹配位置，将其作为时间校准值；
根据时间校准值完成SCM数据与EFD数据之间的时间同步。
2.根据权利要求1所述的张衡一号卫星电磁场观测数据精密时间校准方法，其特征在于，根据闪电哨声波、准周期辐射等空间现象的功率所集中频段范围，对EFD进行带通滤波；并通过如下两种插值方法，一个是三次样条插值与前一个观测时段数据之间的叠加方法，另一个是包络趋势变化以及前一个观测时段数据之间的叠加方法，分别对SCM数据进行插值并优选方法，利用优选的方法对EFD插值后的结果向SCM的采样率进行重采样。
3.根据权利要求1所述的张衡一号卫星电磁场观测数据精密时间校准方法，其特征在于，利用所设计的插值方法应用到SCM数据上，进行如信噪比等指标上的评价，从2种插值方法中优选1种插值方法。
4.根据权利要求1所述的张衡一号卫星电磁场观测数据精密时间校准方法，其特征在于，窗口的设定长度为1万到10万点；
以检测到的事件标记位置为中心，设置具有设定长度的窗口，利用JS散度进行SCM和EFD之间的匹配，包括：
以检测到的事件标记位置为中心，按照1万点为步长生成10个类型的窗口，利用JS散度进行SCM和EFD之间的匹配。
5.根据权利要求1所述的张衡一号卫星电磁场观测数据精密时间校准方法，其特征在于，以检测到的事件标记位置为中心，按照1万点为步长生成10个类型的窗口，利用JS散度进行SCM和EFD之间的匹配，包括：
通过人工统计的闪电哨声波以及准周期辐射分量的持续时间，以事件标记位置为中心设定1万到10万点窗口长度，按照1万点为步长生成10个类型的窗口，利用JS散度进行SCM和EFD之间的匹配。
6.根据权利要求1所述的张衡一号卫星电磁场观测数据精密时间校准方法，其特征在于，根据时间校准值完成SCM数据与EFD数据之间的时间同步，包括：
如果EFD的时间标签晚于SCM，将SCM的时间标签减去时间校准值的绝对值；或者
如果EFD的时间标签早于SCM，将EFD的时间标签减去时间校准值的绝对值。
7.根据权利要求1所述的张衡一号卫星电磁场观测数据精密时间校准方法，其特征在于，还包括：
在对SCM波形数据及预处理后的EFD数据，采用滑动窗口极值检测方法进行空间现象的自动检测及参数设置之前，对EFD波形数据进行预处理之后，对SCM波形数据及预处理后的EFD数据，分别进行归一化。
8.根据权利要求1所述的张衡一号卫星电磁场观测数据精密时间校准方法，其特征在于，还包括：
在对SCM波形数据及预处理后的EFD数据，采用滑动窗口极值检测方法进行空间现象的自动检测及参数设置之前，对EFD波形数据进行预处理之后，针对SCM波形数据和预处理后的EFD数据，利用谱减法滤波去除背景噪声；
谱减法采用每一个轨道其起始位置处特定长度波形数据的作为背景噪声。
9.根据权利要求1所述的张衡一号卫星电磁场观测数据精密时间校准方法，其特征在于，对SCM波形数据及预处理后的EFD数据，采用滑动窗口极值检测方法进行空间现象的自动检测及参数设置，包括：
滑动窗口10万个点，步长1万个点，保留连续滑动10次且10个极值均为同一个位置的点，按照均值加减6倍标准差进行滤除，且保留极值之差小于1秒的点。
10.一种张衡一号卫星电磁场观测数据精密时间校准系统，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据权利要求1至9任意一项所述的张衡一号卫星电磁场观测数据精密时间校准方法。
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