一种低电离层电子密度自底向上反演方法与流程

本发明涉及电离层探测与空间天气监测，尤其涉及一种基于全球导航卫星系统（gnss）无线电掩星（radio occultation, ro）观测数据的低电离层电子密度自底向上反演方法。

背景技术：

1、低电离层（约60-130km，包括d区（60–90km）和e区（90–130km））是控制高频通信可用性、卫星导航（gnss）电离层延迟和相位稳定性以及空间天气监测时效性的关键区域。该层的结构变化往往导致链路中断、定位偏差和扰动时段伪影。由于地面系统缺乏全球覆盖，且经典反演方法在低高度处因上层影响而变得不稳定，可靠的低高度电子密度剖面仍然具有重要价值。

2、现有的电离层电子密度反演技术主要采用经典的abel反演方法。该方法将切点高度信息映射到径向剖面，但在60-130km范围内，几何加权展宽并与f区（高电离层，150km以上）耦合，导致分辨率降低并在低高度处放大误差。具体存在以下问题：

3、（1）经典abel反演对f区电离层及其变异性高度敏感。由于abel函数在f区具有长尾效应，e区反演必须处理显著的f区权重函数尾部，使得e区电子密度反演对f区残余和变异性非常敏感。

4、（2）现有技术通常依赖于辅助数据或先验模型来推断e区电子密度。电离层不均匀性和辅助数据可能导致e区电子密度反演出现显著偏置，具体取决于所使用的先验信息及其构建方式。

5、（3）传统方法需要同时使用l1和l2双频数据，而l2数据噪声较大，限制了可用剖面数量。此外，现有技术难以检测e区中的小尺度电子密度波动（如e区突变），因为这些结构幅度较小，对测量精度要求更高，而l2数据的噪声水平限制了此类精细结构的识别能力。

6、（4）现有质量控制方法对强局部信噪比（snr）变异性和90km以上异常行为的处理能力不足，导致不可靠的剖面进入反演流程，影响最终结果的准确性。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的上述问题中的至少一部分问题，本发明提供了一种低电离层电子密度自底向上反演方法，包括：

2、在第一高度范围内，对超相位进行加权线性拟合，得到背景相位，并将拟合所得背景相位外推至更高高度；

3、根据背景相位和超相位计算剩余相位，根据剩余相位计算高程总电子含量；

4、将多个高程总电子含量按切点高度排列形成高程总电子含量矩阵，得到高程总电子含量剖面；

5、构建abel加权前向模型；

6、基于高程总电子含量剖面执行最优估计反演，得到反演电子密度；以及

7、对反演电子密度进行背景与层状增强分离。

8、进一步地，在构建abel加权前向模型之前还包括：对高程总电子含量剖面进行质量控制，去除不合格的高程总电子含量剖面。

9、进一步地，所述第一高度范围为50-80km；

10、背景相位的拟合函数；

11、以切点高度为自变量对超相位进行加权线性拟合，得到不同切点高度对应的背景相位：

12、，

13、w表示权重函数，权重随高度递增。

14、进一步地，根据背景相位和超相位计算剩余相位，根据剩余相位计算高程总电子含量，包括：

15、剩余相位定义为：，

16、表示背景相位，表示超相位；

17、剩余相位和高程总电子含量之间的关系：

18、，

19、表示高程总电子含量，表示剩余相位，为gps l1频率，1575.42mhz。

20、进一步地，构建abel加权前向模型包括：

21、在切点高度近似时，高程总电子含量剖面与目标剖面的关系遵循离散abel型积分；

22、在统一高度网格上构建离散abel型积分前向模型：在步长为的均匀高度网格上，令和，其中表示当前位置到地心的距离，表示时间t=i时的位置距地心的距离，re表示地球半径；

23、将离散abel型积分前向模型的每列乘以，得到abel加权前向模型：

24、，表示权重函数，表示；

25、，

26、其中为firi-2018经验模型提供的场景匹配背景；

27、abel加权前向模型的向量形式为：，

28、其中，ε表示测量噪声。

29、进一步地，基于高程总电子含量剖面执行最优估计反演，得到反演电子密度，包括：

30、构建观测协方差矩阵：

31、，其中，表示信噪比下限，snr表示信噪比；

32、采用短相关指数核作为先验协方差：；

33、零先验均值下，电子密度的最优估计解的计算公式为：

34、，

35、表示电子密度，表示htec，、、表示协方差矩阵；

36、计算时将上式写作：

37、。

38、进一步地，对反演电子密度进行背景与层状增强分离，包括：

39、反演电子密度沿高度网格进行滑动平均，获得初始长波背景ne(0)；

40、对初始长波背景进行迭代退火，得到长波背景场；

41、对应的层状增强分量为，为反演电子密度。

42、进一步地，还包括：构建全球背景场，包括：

43、在每个通过质量控制的高程总电子含量剖面中采样100km处的背景值，使用自然邻域插值结合轻度高斯平滑，映射到0.5°×0.5°的全球网格上，生成低电离层全球背景电子密度分布图。

44、进一步地，还包括：对掩星观测数据进行预处理，计算切点位置和切点高度，将切点坐标从地心惯性坐标系转换到wgs-84大地坐标系，计算太阳天顶角；

45、掩星观测数据包括超相位、信噪比snr、切点高度、gnss星历、leo星历、utc时间信息。

46、本发明至少具有下列有益效果：

47、本发明采用自底向上背景估计与去除，在测量层面去除f区背景，e区电子密度反演的几何核在切点高度以上急剧锐化，避免了传统abel反演中f区长尾导致的分辨率降低和误差放大问题，显著提高反演精度。与iri模型对比，100km处背景电子密度的量级（1-8×10¹0 e·m⁻³）与气候学预期一致。

48、本发明仅依赖单频（l1）50hz超相位数据，无需辅助f区模型或先验剖面，实现了完全自洽的e区电子密度反演，避免了传统方法因先验选择不当而引入的偏置，提高了方法的普适性和可移植性。

49、创新性地将firi-2018经验模型的背景电子密度作为物理引导嵌入abel前向矩阵的列加权，而非作为先验均值强加于解；firi加权显著收紧了的谱分布，降低了条件数，使得较弱的正则化即可满足稳定求解需求，自适应对角加载机制在条件恶化时自动介入，保证了在各种电离层条件下的数值稳定性。

50、本发明基于snr的局部变异性检测和90km以上负残差比例筛选，有效剔除了受多径干扰、强梯度或薄层影响的不可靠剖面，避免不可靠剖面容易污染反演结果；在932个测试剖面中，该方法以40%的通过率获得了无背景拟合失败、无100km缺失的稳定结果。

51、本发明采用迭代退火方法自适应地识别并分离2-10km尺度的层状增强（如偶发e层）与长波背景，无需预设固定模板，在不同局部条件下均能保留尖锐层并稳定背景，实现了背景与层状结构有效分离。

52、本发明通过标准化的批处理流程、明确的参数和单位定义、以及完整的日志记录，实现了从原始数据到全球背景图的可重复生产；0.5°网格的全球图支持季节和地方时变化的系统分析。

53、本发明的整个方法流程可以通过纯软件实现，可在通用计算平台上部署，矢量化内核和条件检查避免了病态案例的过度计算，适合批处理和准业务化运行，具备良好的实用性。