CN114690275A - 一种电离层闪烁发生概率季节变化相位角翕动预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电离层闪烁发生概率季节变化相位角翕动预测方法，包括如下步骤：步骤1，用傅里叶函数表示电离层闪烁发生概率季节变化相位角随年积日的变化：步骤2，利用经验模式预测季节变化相位角的傅里叶函数角频率的翕动修正量：步骤3，利用修正后的傅里叶函数角频率计算修正后的电离层闪烁发生概率季节变化相位角。本发明所公开的电离层闪烁发生概率季节变化相位角翕动预测方法，能够给出中国低纬地区VHF/UHF/P频段电离层闪烁月发生概率峰值随太阳活动水平下降而向冬季月份推迟时间的预测信息，有助于提高VHF/UHF/P频段中国低纬地区电离层闪烁发生的预报准确度。

Description

一种电离层闪烁发生概率季节变化相位角翕动预测方法

技术领域

本发明属于卫星通信和雷达领域，特别涉及该领域中的一种电离层闪烁发生概率季节变化相位角翕动预测方法，服务于VHF频段数据交换系统、VHF/UHF频段卫星测控、UHF/P频段天基SAR/远程目标监视雷达/卫星通信等系统的中国低纬地区电离层闪烁影响预报。

背景技术

在电离层正常的电子密度背景上漂浮着密度不等、尺度不等的电离体，称为电离层不均匀体。当卫星信号在电离层不均匀体中传播时，会引起传播路径和传播时间的改变，使得信号的振幅、相位以及到达角发生快速起伏变化，导致信号衰落、频移等，被称为电离层闪烁。电离层闪烁效应会直接影响卫星通信/雷达/测控等电子信息系统的误码率、通信质量、定位精度、作用距离等性能指标，因此，通过监测、建模、告警与预报预警等空间天气保障工作，可减缓电离层闪烁对VHF频段数据交换系统、VHF/UHF频段卫星测控、UHF/P频段天基SAR/远程目标监视雷达/卫星通信等电子信息系统的不利影响，具有重要应用价值。

在现有技术中，尚未发现电离层闪烁发生概率季节变化相位角翕动预测相关的学术论文或者专利。1985年，Tsunoda在其学术论文中指出了电离层闪烁发生的季节变化与本地地磁子午面与本地日落线之间夹角φ_doy存在较好相关，同时指出两者存在一定差异，限于缺乏相关研究数据，文中并未给出电离层闪烁发生概率季节变化观测数据与φ_doy之间的差异相关结论或者成果，特别是随太阳活动水平下降而向冬季月份推迟现象。此外，张红波等在已经获得授权的发明专利《一种中国低纬地区电离层闪烁发生概率预报方法》(CN105116469B)中，仅采用本地地磁子午面与本地日落线之间夹角φ_doy来预测电离层闪烁发生概率的宏观季节变化特性，也未包含实际电离层闪烁发生概率随太阳活动水平下降而向冬季月份推迟的相关预测模型或预测方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种电离层闪烁发生概率季节变化相位角翕动预测方法，通过电离层闪烁发生概率季节变化相位角翕动预测来解决电离层闪烁发生概率随太阳活动水平下降而向冬季月份推迟的建模预测问题。

本发明采用如下技术方案：

一种电离层闪烁发生概率季节变化相位角翕动预测方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

步骤1，用傅里叶函数表示电离层闪烁发生概率季节变化相位角φ_doy随年积日的变化，其函数形式为：φ_doy＝a₀+a₁*cos(doy*w)+b₁*sin(doy*w)：

步骤1A，首先计算某一年全部的电离层闪烁发生概率季节变化相位角φ_doy，doy＝1,2,3,......,d_max，，d_max为一年总天数，闰年d_max＝366，平年d_max＝365；

步骤1B，构成两个向量：一是作为自变量的输入向量X_doy＝1,2,3,......,d_max，二是作为因变量的目标输出向量

步骤1C，采用非线性函数拟合工具对X_doy和Y_φ进行傅里叶函数拟合，傅里叶函数形式为：φ_doy＝a₀+a₁*cos(doy*w)+b₁*sin(doy*w)，获得傅里叶函数系数a₀,a₁,b₁和w，其同时满足向量函数关系式：Y_φ＝a₀+a₁*cos(X_doy*w)+b₁*sin(X_doy*w)；

步骤2，利用经验模式预测季节变化相位角φ_doy的傅里叶函数角频率的翕动修正量Δw：

步骤2A，预测翕动修正量Δw的经验模式是年平均太阳活动指数Rz的函数，并且年平均太阳活动指数Rz存在适用范围限制，Rz适用范围检查方法如下所示：

其中，R_in为限定值域后的年平均太阳活动指数；

步骤2B，依据限定值域后的年平均太阳活动指数R_in，利用经验模式预测翕动修正量Δw，其计算方法如下：

Δw＝-(a_Δ0+a_Δ1*cos(R_in*w_Δ)+b_Δ1*sin(R_in*w_Δ))，式中，a_Δ0＝0.008056，a_Δ1＝-0.005449，b_Δ1＝0.005821，w_Δ＝-0.01081；

步骤3，利用修正后的傅里叶函数角频率w+Δw计算修正后的电离层闪烁发生概率季节变化相位角

具体计算公式如下：

本发明的有益效果是：

本发明所公开的电离层闪烁发生概率季节变化相位角翕动预测方法，能够给出中国低纬地区VHF/UHF/P频段电离层闪烁月发生概率峰值随太阳活动水平下降而向冬季月份推迟时间的预测信息，有助于提高VHF/UHF/P频段中国低纬地区电离层闪烁发生的预报准确度，增强VHF频段数据交换系统、VHF/UHF频段卫星测控、UHF/P频段天基SAR/远程目标监视雷达/卫星通信等电子信息系统的电离层闪烁影响应对能力。

基于海口地区2004年至2020年多年数据，验证了本发明所给出的电离层闪烁发生概率季节变化相位角翕动值与电离层闪烁发生概率随太阳活动水平下降而向冬季月份推迟以及年平均太阳活动指数Rz的相关性，均存在较好的强相关。因此，本发明是解决电离层闪烁发生概率随太阳活动水平下降而向冬季月份推迟的建模预测的一种有效技术途径，具有非常好的应用价值。

附图说明

图1是本发明所公开电离层闪烁发生概率季节变化相位角翕动预测方法的流程示意图；

图2是海口地区2004年至2007年，2012年和2013年六年间的UHF频段电离层闪烁月发生概率归一化数据曲线图；

图3(a)是基于海口地区2004年至2020年的UHF频段电离层闪烁月发生概率归一化数据提取的Δw观测数据，以及年平均太阳活动指数Rz数据；

图3(b)是Δw观测数据与预测数据之间的对比分析结果图；

图4是海口地区2006年UHF频段电离层闪烁月发生概率归一化观测数据曲线图。

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电离层闪烁发生概率季节变化相位角翕动预测方法，包括如下步骤：

步骤1，用傅里叶函数表示电离层闪烁发生概率季节变化相位角φ_doy随年积日的变化，其函数形式为：φ_doy＝a₀+a₁*cos(doy*w)+b₁*sin(doy*w)：

步骤1A，假定当前年份为2006年，首先计算2006年全部的电离层闪烁发生概率季节变化相位角φ_doy，doy＝1,2,3,......,d_max，，其中φ_doy单位为度，d_max为一年总天数，2006年d_max＝365；

步骤1B，构成两个向量：一是作为自变量的输入向量X_doy＝1,2,3,......,d_max，二是作为因变量的目标输出向量

步骤1C，采用Matlab非线性函数拟合工具cftool对X_doy和Y_φ进行傅里叶函数拟合，傅里叶函数形式为：φ_doy＝a₀+a₁*cos(doy*w)+b₁*sin(doy*w)，获得傅里叶函数系数a₀＝0.08941，a₁＝-22.86，b₁＝5.522和w＝0.01684(单位为度/秒)，其同时满足向量函数关系式：Y_φ＝a₀+a₁*cos(X_doy*w)+b₁*sin(X_doy*w)；

步骤2，利用经验模式预测季节变化相位角φ_doy的傅里叶函数角频率的翕动修正量Δw：

步骤2A，预测翕动修正量Δw的经验模式是年平均太阳活动指数Rz(单位为无量纲)的函数，并且年平均太阳活动指数Rz存在适用范围限制，Rz适用范围检查方法如下所示：

其中，R_in为限定值域后的年平均太阳活动指数，2006年年平均太阳活动指数Rz＝16.05，则R_in＝16.05。

步骤2B，依据限定值域后的年平均太阳活动指数R_in(单位为无量纲)，利用经验模式预测翕动修正量Δw(单位为度/秒)，其计算方法如下：

Δw＝-(a_Δ0+a_Δ1*cos(R_in*w_Δ)+b_Δ1*sin(R_in*w_Δ))，式中，a_Δ0＝0.008056，a_Δ1＝-0.005449，b_Δ1＝0.005821，w_Δ＝-0.01081，可得2006年Δw修正量为-0.0017(度/秒)；

步骤3，利用修正后的傅里叶函数角频率w+Δw＝0.0151计算修正后的电离层闪烁发生概率季节变化相位角

修正后的

可应用于评估电离层闪烁月发生概率峰值随太阳活动水平下降而向冬季月份推迟现象，具体计算公式如下：

图2是海口地区2004年至2007年，2012年和2013年六年间的UHF频段电离层闪烁月发生概率归一化数据。

图3(a)是基于海口地区2004年至2020年的UHF频段电离层闪烁月发生概率归一化数据提取的Δw观测数据，以及年平均太阳活动指数Rz数据。图3(b)是Δw观测数据与预测数据之间的对比分析结果。

图4是海口地区2006年UHF频段电离层闪烁月发生概率归一化观测数据曲线图，基于常规φ_doy预测的电离层闪烁发生概率归一化数据和基于修正后

预测的电离层闪烁发生概率归一化数据，可以看出基于修正后

预测的电离层闪烁发生概率归一化数据更接近真实情况。

综上所述，本发明提供的电离层闪烁发生概率季节变化相位角翕动预测方法，可通过电离层闪烁发生概率季节变化相位角翕动预测来解决电离层闪烁发生概率随太阳活动水平下降而向冬季月份推迟的建模预测问题。基于海口地区2004年至2020年多年数据，验证了本发明所给出的电离层闪烁发生概率季节变化相位角翕动值与电离层闪烁发生概率随太阳活动水平下降而向冬季月份推迟以及年平均太阳活动指数Rz的相关性，均存在较好的强相关。因此，本发明是解决电离层闪烁发生概率随太阳活动水平下降而向冬季月份推迟的建模预测的一种有效技术途径，具有非常好的应用价值。

Claims (1)

1.一种电离层闪烁发生概率季节变化相位角翕动预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，用傅里叶函数表示电离层闪烁发生概率季节变化相位角φ_doy随年积日的变化，其函数形式为：φ_doy＝a₀+a₁*cos(doy*w)+b₁*sin(doy*w)：

步骤1A，首先计算某一年全部的电离层闪烁发生概率季节变化相位角φ_doy，doy＝1,2,3,......,d_max，，d_max为一年总天数，闰年d_max＝366，平年d_max＝365；

步骤1B，构成两个向量：一是作为自变量的输入向量X_doy＝1,2,3,......,d_max，二是作为因变量的目标输出向量

步骤1C，采用非线性函数拟合工具对X_doy和Y_φ进行傅里叶函数拟合，傅里叶函数形式为：φ_doy＝a₀+a₁*cos(doy*w)+b₁*sin(doy*w)，获得傅里叶函数系数a₀,a₁,b₁和w，其同时满足向量函数关系式：Y_φ＝a₀+a₁*cos(X_doy*w)+b₁*sin(X_doy*w)；

步骤2，利用经验模式预测季节变化相位角φ_doy的傅里叶函数角频率的翕动修正量Δw：

步骤2A，预测翕动修正量Δw的经验模式是年平均太阳活动指数Rz的函数，并且年平均太阳活动指数Rz存在适用范围限制，Rz适用范围检查方法如下所示：

其中，R_in为限定值域后的年平均太阳活动指数；

步骤2B，依据限定值域后的年平均太阳活动指数R_in，利用经验模式预测翕动修正量Δw，其计算方法如下：

Δw＝-(a_Δ0+a_Δ1*cos(R_in*w_Δ)+b_Δ1*sin(R_in*w_Δ))，式中，a_Δ0＝0.008056，a_Δ1＝-0.005449，b_Δ1＝0.005821，w_Δ＝-0.01081；

步骤3，利用修正后的傅里叶函数角频率w+Δw计算修正后的电离层闪烁发生概率季节变化相位角

具体计算公式如下：

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