朗缪尔探针数据处理方法及系统与流程

1.本发明涉及卫星遥感技术领域，特别是涉及一种朗缪尔探针数据处理方法及系统。


背景技术：

[0002]“张衡一号”卫星是中国第一颗自主研制的地球物理场卫星，朗缪尔探针是卫星上搭载的八种载荷之一，主要用于电离层原位电子密度和电子温度测量。朗缪尔探针主要用于探测电离层原位电子密度和电子温度。


技术实现要素：

[0003]
本发明要解决的技术问题是提供一种朗缪尔探针数据处理方法及系统，能够将星上朗缪尔探针的原始探测数据进行处理，生成实际可用的物理量数据产品。
[0004]
为解决上述技术问题，本发明提供了一种朗缪尔探针数据处理方法，所述方法包括：朗缪尔探针0级数据首先进行十进制转换，生成扫描电压和输出电流，进行定标后生成标准的伏安特性曲线，经过伏安特性曲线反演，得到中间结果和最终的物理量，从而生成1级数据产品；从星务数据包中获取星下点位置等信息，获取地震记录、空间天气指数的辅助信息，对应叠加至1级数据产品，生成2级数据产品；利用获取的每条当前轨道以及若干个重访周期的轨道数据，生成时序分析产品作为3级数据产品；利用全球以及中国区域的当前轨道以及若干个重访周期的轨道数据，生成空间产品数据，为4级数据产品；其中，1级数据产品是对0级数据进行格式转换、标定拟合后得到的按时间排列的电流、电压、电子密度、电子温度、悬浮电位、等离子体电位；2级数据产品是对1级数据产品进行坐标换算，生成带有时间和地理、地磁坐标等信息的电子密度、电子温度；3级数据产品是在2级数据产品的基础上，对电子密度、电子温度进行重采样生成重访轨道观测数据的时间序列产品，并标注地震目录、磁情指数、f107的信息；4级数据产品是在2级数据产品基础上，生成全球范围及中国区域上空电子密度、电子温度的动态变化及其相对于背景场的变化幅度。
[0005]
1级数据产品包括：科学数据、图像产品和数据处理报告；2级数据产品包括：科学数据、图像产品和数据处理报告；3级数据产品包括：科学数据、图像产品、数据处理报告；4级数据产品包括：科学数据、图像产品和数据处理报告。
[0006]
在一些实施方式中，langmuir探针0级数据首先进行十进制转换，转换后进行定标参数修正，定标后的扫描电压和输出电流，可以生成标准的伏安特性曲线，经过伏安特性曲线反演，得到中间结果和最终的物理量，从而生成1级数据产品，包括：朗缪尔探针的悬浮电位点u
f
计算；确定离子饱和区，拟合离子电流i
i
；获取电子电流i
e
；找出空间等离子体电位点u
p
并确定电子阻滞区和电子饱和区；找到u
p
点对应的电子电流i
e0
和离子电流i
i0
；求出电子温度；求出电子密度；根据科学数据中的温度信息以及反演的u
f
、u
p
，估算数据质量，标注在数据中；生成1级产品。
[0007]
在一些实施方式中，根据科学数据中的温度信息以及反演的u
f
、u
p
，估算数据质量，
标注在数据中，包括：温度正常、up
‑
uf在2u以内，数据质量好，标识为2；温度正常、up
‑
uf超出2u，数据质量一般，标识为1；温度不正常，数据不可用，标识为0。
[0008]
在一些实施方式中，从星务数据包中获取星下点位置等信息，获取地震记录、空间天气指数的辅助信息，对应叠加至1级数据产品，生成2级数据产品，包括：执行经纬度及高度的解算；执行坐标标注及科学数据时空匹配。
[0009]
在一些实施方式中，利用获取的每条当前轨道以及若干个重访周期的轨道数据，生成时序分析产品作为3级数据产品，包括：获取本轨道对应的前若干个重访周期的轨道数据电子密度、电子温度，按纬度间隔0.15
°
和0.3
°
进行间隔划分，然后计算每0.15
°
/0.3
°
间隔内的统计量；对当前观测的单轨数据，同样按以上间隔进行划分，并计算中值ba；利用前若干个重访周期轨道数据的中值、上下四分位点及其四分位内差，计算上下界限；计算每个0.15
°
/0.3
°
区域内，当前观测值与其前若干个重访周期轨道上下界限的差值，根据当前观测数据是否超过上下界限，对每个0.15
°
/0.3区域点进行标记，正常为0，超出边界则标注出当前观测值与上下边界的差值d；对当前观测轨道数据以及前若干个重访周期轨道数据，采用滑动的方式，对每条轨道的以上步骤进行计算；标注地震记录、空间天气等信息生成3级数据，并完成数据处理报告。
[0010]
在一些实施方式中，利用全球以及中国区域的当前轨道以及若干个重访周期的轨道数据，生成空间产品数据，为4级数据产品，包括：按照前若干个重访周期时间间隔及5
°
(经度)
×
2.5
°
(纬度)空间间隔，滑动选取全球和中国区域上空的电子密度、电子温度等2级数据，计算每个空间间隔内所有轨道的统计量；以当前5天时间间隔及5
°
(经度)
×
2.5
°
(纬度)空间间隔，计算观测得到电子密度、电子温度在每个空间间隔内所有轨道的中值；并利用各间隔内中值进行插值，得到全球及全国的空间分布图，滑动更新每天的全球及全国范围空间分布图；根据得到的背景场以及当前5天结果，计算物理量的动态变化幅度；计算每天每个间隔内电子密度、电子温度的中值ba，与前若干个重访周期轨道上下界限d的差值d；根据当前观测数据是否超过上下界限，对每个间隔进行标记，正常为0，超出边界则标注出当前观测值与上下边界的差值d；标注地震记录、空间天气等信息生成4级数据，并完成数据处理报告。
[0011]
此外，本发明还提供了一种朗缪尔探针数据处理系统，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朗缪尔探针数据处理方法。
[0012]
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
[0013]
本发明提供的朗缪尔探针数据处理方法及系统，通过对朗缪尔探针0级数据进行进制转换、解算、拟合等一系列操作，可生产针对张衡系列卫星的朗缪尔探针物理量产品数据，生成数据精度及格式均优于设计要求。
附图说明
[0014]
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。
[0015]
图1是朗缪尔探针组成示意图；
[0016]
图2是朗缪尔探针安装状态示意图；
[0017]
图3是朗缪尔探针详查模式电压扫描周期示意图；
[0018]
图4是电离层等离子体朗缪尔探针理想伏安特性曲线；
[0019]
图5是设备坐标系示意图；
[0020]
图6是0级数据命名规则的示意图；
[0021]
图7是1～4级数据命名规则的示意图；
[0022]
图8是科学数据处理报告命名的示意图；
[0023]
图9是科学数据产品图像命名的示意图；
[0024]
图10是朗缪尔探针1级图像产品示意图；
[0025]
图11是朗缪尔探针2级图像产品示意图；
[0026]
图12是朗缪尔探针3级图像产品示意图；
[0027]
图13是朗缪尔探针4级图像产品示意图；
[0028]
图14是langmuir探针数据处理流程图；
[0029]
图15是1级数据处理流程的示意图；
[0030]
图16是2级数据处理流程；
[0031]
图17是3级数据处理流程；
[0032]
图18是4级数据处理流程。
具体实施方式
[0033]
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。
[0034]
首先介绍本技术下文中需要使用的缩略语。下文中使用的缩略语如表1所示。
[0035]
表1缩略语
[0036][0037]
1朗缪尔探针简介
[0038]
1.1系统组成与框图
[0039]
电磁试验卫星朗缪尔探针由两个传感器、伸杆和电子学箱三部分组成。仪器构型进行了一体化设计，传感器伸杆固定在电子学箱上面，其结构示意图如图1。
[0040]
卫星与等离子体相互作用，会在其周围形成鞘层，卫星在等离子体中高速运动会
在其尾部形成羽流。为避免朗缪尔探针测量结果受到卫星电位、鞘层及其羽流的影响，朗缪尔探针的传感器安装在卫星的侧翼，并且通过伸杆远离卫星本体，伸杆的长度设计为50cm。
[0041]
探针lp1电压扫描幅值
‑
3～ 3v，探针lp2电压扫描幅值为
‑
6～ 6v，详查模式周期为1.5s，其中下降段0.5s，上升段0.5s，保持0.5s，如图3。巡查模式周期为3s，其中下降段1s，上升段1s，保持1s。
[0042]
另外，考虑到卫星结构地相对于空间等离子体的电位，需要为探针扫描电压加一适当偏置电压ub，以补偿卫星地电位。探针的实际加载在传感器上的电压为u＝us ub(us为阶梯电压，即最初的设置的偏压)。ub的实际选择值，将根据卫星在轨电位测试数据确定。
[0043]
表2探针扫描电压主要工作模式
[0044][0045]
一般情况下建议选用lp1，若卫星电位变化大，则建议用lp2小球。
[0046]
目前定标测试结果，两个球差别大于10％。主要原因是测试时两个球位置不同，大球吸引的粒子更快更多；所以粒子分布不均匀。在测量过程中上升下降有差别，上升接近真实值，下降段有污染情况，所以选择上升段进行数据处理。
[0047]
1.2工作原理
[0048]
朗缪尔探针的基本工作原理是：将探针(传感器)伸入到等离子体中之后，探针就会收集等离子体中的电子和离子，形成从等离子体到探针的电流，该电流包含了电子密度、温度等特性参数的信息。如果给探针施加一个扫描电压，探针收集的等离子体电流(i)就会随着给探针施加的偏压(u)的变化而变化，得到探针和等离子体相互作用的伏安特性曲线。通过分析该特性曲线，就可得到等离子体密度、温度、悬浮电位和等离子体电位等多个参数。
[0049]
图4的伏安特性曲线描述了理想情况下电离层等离子体测量朗缪尔探针电流随偏压的变化关系(假设等离子体空间电位up为0v)。在探针偏压从足够负逐渐变化到足够正的过程中(正负电位是相对等离子体空间电位up)，探针传感器对周围等离子体(电子、离子)的收集会先后经历三个不同的工作区域：离子饱和区、电子阻滞区和电子饱和区。其中，i、ie、ii分别为传感器收集的总电流、电子电流和离子电流，ni、ne分别为离子密度和电子密
度，usp为航天器壳体导电结构相对等离子体空间电势的电位，ub为传感器电位(相对于相对等离子体空间电势)。
[0050]
由于等离子体状态本身的复杂性，对于朗缪尔探针的理论表达十分复杂，需要由ulasov方程和poisson方程共同描述探针与等离子体的相互作用过程。而这两个方程都是高度非线性的，并且具有复杂的边界条件，难以获得精确的解析解和数值解。所以，在合理假设条件下(如粒子分布服从麦克斯韦分布、粒子间无相互作用、无强磁场干扰、无二次电子产生等)，可以得到朗缪尔探针收集电流i与探针电压u、等离子体参数(如电子温度te、电子密度ne、离子温度ti、离子密度ni等)间的函数关系，即探针的电流收集公式：
[0051]
i＝f(u,te,ti,ne,ni...)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0052]
在地球电离层中，朗缪尔探针收集的电流主要由三部分组成：电子电流ie、离子电流ii和光电子电流iph，即i＝ie ii iph。在通常等离子体条件下，光电子电流可以略不计，即i＝ie ii。只有当等离子体密度比较低的时候则必须考虑光电子电流的作用。
[0053]
地球电离层等离子体中，电子温度和离子温度典型值约2000k～4000k左右，则：
[0054]
离子热速度(氧离子)：
[0055][0056]
电子热速度：
[0057][0058]
航天器在近地轨道以约的速度在电离层运动，即安装在航天器上的朗缪尔探针相对于空间等离子体以约7.6km/s的速度运动。由于电子热速度远大于航天器的速度而离子热速度远小于航天器的速度，即相对于电子的热运动速度，航天器的速度可以忽略不计；而相对于航天器的飞行速度，离子的热运动速度可以忽略不计。
[0059]
假设空间等离子体中只有一种单一电荷的负离子，则安装在航天器上的朗缪尔探针收集电流公式(球形探针)可以表示为：i＝i
e
i
i
，其中：
[0060][0061][0062][0063]
将以上函数关系画在直角坐标系下便可得到伏安特性曲线。从伏安特性曲线可以看出，朗缪尔探针的伏安特性曲线三个区域分别对应为：离子饱和区，当探针相对于空间等离子体处于较大负电位时，离子电流起主导作用；电子阻滞区，电子阻滞电流起主要作用的
区域；电子饱和区，当探针相对与空间等离子体处于正电位时，电子电流起主要作用的区域。
[0064]
表3列出了通过伏案特性曲线曲线分析得到等离子体主要参数的方法。
[0065]
表3等离子体参数导出方法
[0066]
导出参数名称导出方法备注悬浮电位uf电流平衡点 等离子体空间电位up图形方法(求拐点位置)可导出表面电位电子温度te图形方法(求斜率) 电子密度ne图形方法 计算公式需要up、te参数
[0067]
1.3主要技术指标
[0068]
朗缪尔探针观测的物理量和主要技术指标见表4。
[0069]
表4朗缪尔探针观测物理量和主要技术指标一览表
[0070][0071]
备注：表4所列的测量精度指标均为通常等离子体条件下的指标数值。
[0072]
1.4载荷在星上的位置
[0073]
朗缪尔探针安装在卫星载荷舱顶板 x侧，通过其底座直接安装坐在载荷舱顶板位于
‑
y测，其传感器及伸杆通过结构板开孔伸到星体外。
[0074]
卫星的飞行姿态为三轴稳定，为对地定向。
[0075]
表5星体坐标系
[0076]
坐标系方向坐标系定义备注x方向卫星迎风面方向， x方向为飞行方向 y方向y方向为垂直飞行方向的水平方向 z方向 z方向为卫星对地方向 [0077]
朗缪尔探针的设备坐标系定以为伸杆的轴向方向为x方向，设备坐标系如图5所示。
[0078]
1.5数据产出
[0079]
朗缪尔探针数据产出状态如表6所示。
[0080]
表6朗缪尔探针数据产出状态一览表
[0081]
工作模式数据产出率包长度观测范围详查模式1个科学数据包/0.5秒5267字节中国区域及全球重点地震带观测区域巡查模式1个科学数据包/秒10264字节全球南北纬65度之间的其它区域
[0082]
2标准数据产品
[0083]
2.1分级定义
[0084]
按照《卫星对地观测数据产品分类分级规则》(gb/t 32453
‑
2015)，以及《电磁监测卫星数据产品分级及定义》，朗缪尔探针观测数据包括了0级，1级、2级，3级和4级数据产品，
详见表7。
[0085]
表7 lap数据产品分级定义及数据产品一览表
[0086]
[0087]
[0088][0089]
2.2命名规则
[0090]
为了使数据产品检索查询方便，各级数据产品的命名包含卫星信息、载荷信息、数据分级信息、轨道信息以及其它必要的标识。朗缪尔探针0～4级数据产品、图像和处理报告的命名规则示例如图6及图7所示。
[0091]
0级数据命名规则如图6所示。
[0092]
1～4级数据命名规则如图7所示。
[0093]
其中：
[0094]
(1)卫星名称(4位字符)：用cses表示；
[0095]
(2)卫星编号(1位数字)：从1开始，依次递增；
[0096]
(3)载荷编码(3个字符)：朗缪尔探针的载荷编码为lap；
[0097]
(4)载荷序号(1位数字)：用于区分一个载荷装载多个同类测项探头的情况，从1开始，依次递增，1代表编号为“1”的探头，2代表编号为“2”的探头。
[0098]
(5)数据分级编码(1位符号2位数字)：从左到右，第一位是“l”，右边两位表示数据级别，分别用00、01、02/2a、03和04表示0
‑
4级；
[0099]
(6)观测对象编码(2位数字)：依据《地震电磁卫星测项分类与代码》(送审稿)，设置观测对象编码。对0级数据，观测对象编码为00；
[0100]
(7)轨道号(5位数字)：从星上时间为准，00001开始，用于按轨道组织数据文件，无法标注轨道号的数据产品以“00000”表示；
[0101]
(8)升降轨标志(1位数字)：升轨为1，降轨为0；
[0102]
(9)数据起始时间，采用14位数字表示，其中年(4位)、月(2位)、日(2位)、时(2位)、分(2位)、秒(2位)；
[0103]
(10)数据结束时间，格式同(9)；
[0104]
(11)接收站编码(3位数字)：此项专门为三频信标接收机预留，对于朗缪尔探针不涉及地面接收站信息，因此标记为000；
[0105]
(12)文件扩展名：当文件扩展名为dat时，表示文件为二进制格式存储的数据文件；当文件扩展名为h5时，表示文件为hdf格式存储的数据文件。
[0106]
科学数据处理报告命名，处理报告以txt为文件后缀，以ascii码格式存储，其命名是在科学数据命名的基础上，通过修改部分字段并添加相应的“_rp”后缀组成，示例如图8所示。
[0107]
科学数据产品图像命名与处理报告文件命名类似，它是在科学数据命名的基础上，通过修改部分字段并添加相应的“_xx.png”后缀组成，示例如图9所示。
[0108]
(13)表示观测对象拓展代码，由两位字符组成，第一位用于区分不同区域：1表示中国地区，2表示全球，0表示不区分区域；第二位用于区分同一载荷的多张图像，从1开始依次递增。
[0109]
2.3各级数据产品介绍
[0110]
2.3.11级产品
[0111]
1级数据是对0级数据进行格式转换、标定拟合后得到的按时间排列的电流、电压、电子密度、电子温度、悬浮电位、等离子体电位。处理过程中所需辅助数据为标定数据包。1级产品包括：科学数据、图像产品和数据处理报告。
[0112]
(1)1级科学数据
[0113]
朗缪尔探针1级科学数据文件包括：
[0114]
◆
经过格式转换以及标定后的扫描电压、电流；
[0115]
◆
对电压电流经过拟合得到的电子密度、电子温度、悬浮电位、等离子体电位。
[0116]
朗缪尔探针1级数据格式详见表8、表9。
[0117]
表8 langmuir探针1级文件属性说明表
[0118]
序号属性名称属性内容备注1softversion程序版本号 2payloadid仪器代码146f0105h3orbitnum轨道号 4orbittype轨道类别升轨、降轨
[0119]
表9 langmuir探针1级数据表说明表
[0120][0121][0122]
(2)1级图像产品
[0123]
朗缪尔探针1级图像产品，包括每条轨道的电子密度、电子温度随时间的变化趋势，如图10所示。
[0124]
(3)1级数据处理报告
[0125]
1级数据处理报告文件类型为txt文件，组成要素包括：
[0126]
①
处理软件版本号：v0.1
[0127]
②
起始时间：yyyymmdd hh:mm:ss.zzz
[0128]
③
输入数据：0级数据文件名
[0129]
④
辅助数据
[0130]
(a)定标数据：传输函数
[0131]
⑤
处理过程
[0132]
(a)正常
[0133]
(b)缺数：数据包号
‑
出错项目；
[0134]
(c)数据文件损坏：包序号
‑
时间。
[0135]
⑥
结束时间：yyyymmdd hh:mm:ss.zzz
[0136]
⑦
输出数据：1级数据文件名
[0137]
2.3.22级产品
[0138]
2级数据是对1级数据进行坐标换算，生成带有时间和地理、地磁坐标等信息的电子密度、电子温度。2级产品包括：科学数据、图像产品和数据处理报告。
[0139]
(1)2级科学数据
[0140]
朗缪尔探针2级科学数据包含以下内容：
[0141]
◆
标注了坐标和时间等信息的电子密度、电子温度、悬浮电位、等离子体电位数据。
[0142]
2级数据产品格式详见表10、表11。
[0143]
表10 langmuir探针2级数据文件属性说明
[0144]
序号属性名称属性内容备注1softversion程序版本号 2payloadid仪器代码146f0105h3orbitnum轨道号 4orbittype轨道类别升轨、降轨
[0145]
表11 langmuir探针2级数据表格式说明
[0146][0147]
(2)2级图像产品
[0148]
朗缪尔探针2级图像产品，包括每条轨道记录的悬浮电位、等离子体电位、电子密度、电子温度随时间和空间的变化趋势，如图11所示。
[0149]
(3)2级数据处理报告
[0150]
2级数据处理报告文件类型为txt文件，组成要素：
[0151]
①
处理软件版本号：v0.1
[0152]
②
起始时间：yyyymmdd hh:mm:ss.zzz
[0153]
③
输入数据：1级数据文件名
[0154]
⑤
处理过程：
[0155]
(a)处理过程正常；
[0156]
(b)异常现象及可能的原因。
[0157]
⑥
结束时间：yyyymmdd hh:mm:ss.zzz
[0158]
⑦
输出数据：2级数据文件名
[0159]
2.3.33级产品
[0160]
3级数据是在2级数据的基础上，对电子密度、电子温度进行重采样生成全球范围及中国区域重访轨道观测数据的时间序列产品，并标注地震目录、磁情指数、f107等信息。3级数据产品包括：科学数据、图像产品、数据处理报告。
[0161]
(1)3级科学数据
[0162]
3级科学数据文件包含以下内容：
[0163]
◆
ne(m
‑
3)/te(k)的中值(当前轨道)；
[0164]
◆
ne/te的中值(若干个重访周期数据)；
[0165]
◆
ne/te的上四分位值(若干个重访周期数据)；
[0166]
◆
ne/te的下四分位值(若干个重访周期数据)；
[0167]
◆
ne/te超出上下界限的标识(0为正常；超出边界则标注出当前观测值与上下边界的差值)。
[0168]
3级数据产品格式详见表12、表13。
[0169]
表12 langmuir探针3级数据文件属性说明
[0170]
序号属性名称属性内容备注1payloadid仪器代码 2orbitnum轨道号 3orbittype轨道类别升轨、降轨4softuersion程序版本号 [0171]
表13 langmuir探针3级数据表格式说明
[0172]
[0173][0174]
(2)3级图像产品
[0175]
朗缪尔探针3级图像产品，包括每条轨道记录的电子密度、电子温度与其若干个重访周期数据的中值、上下四分位值以及与变化差值，随时间和空间的变化趋势，如图12所示。
[0176]
(3)3级数据处理报告
[0177]
3级数据处理报告文件类型为txt文件，组成要素：
[0178]
①
处理软件版本号：v0.1
[0179]
②
起始时间：yyyymmdd hh:mm:ss.zzz
[0180]
③
输入数据：
[0181]
(a)当前轨道数据，列出其文件名；
[0182]
(b)前5条重访轨道的3级数据(以卫星30天探测时间跨度为例)，列出其文件名；
[0183]
(c)缺失数据情况。
[0184]
④
辅助数据：
[0185]
(a)地震目录：yyyymmdd.earthquakes.txt；
[0186]
(b)空间天气指数：当前5天的kp(3小时)、dst(1小时)、f107(1天)、ae(1分钟)。
[0187]
⑤
处理方法：沿纬度按照0.15
°
间隔采样，进而采样逐日滑动的四分位差方法；
[0188]
⑥
结束时间：yyyymmdd hh:mm:ss.zzz
[0189]
⑦
输出产品：3级数据产品文件名
[0190]
⑧
处理结果：
[0191]
(a)处理过程正常；
[0192]
(b)反演中存在问题；
[0193]
⑨
异常情况说明：
[0194]
(a)连续3个点，在2020年3月23日01时34分至2020年3月23日01时36分，星下点经纬度范围为(23
°‑
33
°
n，110
°‑
112
°
e)出现超界现象。建议进一步分析。
[0195]
(b)无异常现象。
[0196]
2.3.44级产品
[0197]
4级数据是在2级数据基础上，生成全球范围及中国区域上空电子密度、电子温度的动态变化及其相对于背景场的变化幅度。4级产品包括：科学数据、图像产品和数据处理报告。
[0198]
(1)4级科学数据
[0199]
4级科学数据文件内容包括：
[0200]
◆
当前5天全球/中国的ne/te中值；
[0201]
◆
若干重访周期全球/中国的ne/te中值；
[0202]
◆
若干重访周期全球/中国的ne/te上四分位；
[0203]
◆
若干重访周期全球/中国的ne/te下四分位；
[0204]
◆
当前5天全球/中国的ne/te中值与若干重访周期中值的差值；
[0205]
◆
当前5天全球/中国的ne/te中值与若干重访周期中值的差值除以若干重访周期中值；
[0206]
◆
超出界限的标注(上下界标识：0为正常；超出边界则标注出前观测值与上下边界的差值)。连续3个相邻格子，此判定方案后续可调。
[0207]
4级数据产品格式详见表14、表15。
[0208]
表14 langmuir探针4级数据文件属性说明
[0209]
序号属性名称属性内容备注1payloadid仪器代码 2softuersion程序版本号 3orbittype轨道类别 [0210]
表15 langmuir探针4级数据表格式说明
[0211]
[0212][0213]
(2)4级图像产品
[0214]
朗缪尔探针4级图像产品包括：
[0215]
◆
当前5天ne/te中值全球/中国分布图；
[0216]
◆
若干重访周期ne/te中值全球/中国分布图；
[0217]
◆
当前5天ne/te中值与若干重访周期中值的差值除以若干重访周期的全球/中国分布图。
[0218]
朗缪尔探针4级数据图像产品示例如图13所示。
[0219]
(3)数据处理报告
[0220]
4级数据处理报告文件类型为txt文件，组成要素：
[0221]
①
处理软件版本号：v0.1
[0222]
②
起始时间：yyyymmdd hh:mm:ss.zzz
[0223]
③
输入数据：
[0224]
(a)当前若干重访周期所有2级数据文名；
[0225]
(b)缺失数据情况：缺失2020年12月01日32312_1等共1个文件。
[0226]
④
辅助数据
[0227]
(a)地震目录
[0228]
(b)磁情指数：当前5天的kp(3小时)、dst(1小时)、ae(1分钟)、f107
[0229]
⑤
处理方法：全球网格处理，计算每个网格内数据中值相对背景值的变化，归一化提取异常；
[0230]
⑥
处理结果：
[0231]
(a)处理过程正常
[0232]
(b)处理过程发生数据冗余溢出，程序终止因发生冗余错误导致程序中断，未生成相关图片和分析结果
[0233]
⑦
结束时间：yyyymmdd hh:mm:ss.zzz
[0234]
⑧
输出数据：4级数据产品名称
[0235]
⑨
异常情况说明：
[0236]
(a)在2020年3月23日01时34分至2020年3月23日01时36分，星下点经纬度范围为(23
°‑
33
°
n，110
°‑
112
°
e)出现超界现象。
[0237]
(b)建议进一步分析。
[0238]
3数据处理流程
[0239]
图14为langmuir探针总体的数据处理流程。具体为：langmuir探针0级数据首先进行十进制转换，转换后进行定标参数修正，生成扫描电压和输出电流；定标后的扫描电压和输出电流，生成标准的伏安特性曲线，经过伏安特性曲线反演，得到中间结果和最终的物理量，从而生成1级产品。从星务数据包中获取星下点位置等信息，获取地震记录、空间天气指数等辅助信息，对应叠加至1级数据，生成2级产品。利用获取的每条当前轨道以及若干个重访周期的轨道数据，生成时序分析产品作为3级产品；利用全球以及中国区域的当前轨道以及若干个重访周期的轨道数据，生成空间产品数据，为4级产品。
[0240]
4数据处理方法
[0241]
4.10级数据生成1级数据
[0242]
图15为langmuir探针从0级到1级数据的处理流程。具体为：langmuir探针0级数据首先进行十进制转换，转换后进行定标参数修正，生成扫描电压和输出电流；定标后的扫描电压和输出电流，可以生成标准的伏安特性曲线，经过伏安特性曲线反演得到中间结果，和最终的物理量电子密度和电子温度；生成1级标准数据。具体各处理步骤见下面章节。
[0243]
巡查模式：探针每1秒记录1000组数据，把lp1扫描电压每一组4个点取平均，形成250个lp1扫描电压us；把lp1输出电压每一组4个点取平均，形成250个lp1输出电压uout。
[0244]
详查模式：探针每0.5秒记录500组数据，把lp1扫描电压每一组2个点取平均，形成250个lp1扫描电压us；把lp1输出电压每一组2个点取平均，形成250个lp1输出电压uout。
[0245]
求平均时判断量程是否有问题，若四个量程不一致，则要去掉本组数据。
[0246]
4.1.1数据标定
[0247]
对0级数据经过温度和量程标定参数标定后，生成电流及电压值等产品。
[0248]
朗缪尔探针电子学的输入为传感器的收集电流i，输出为电压值uout；输入输出满足线性关系i＝a*uout b，其中a为增益系数，b为零点漂移。
[0249]
定标系数(a，b)是根据科学数据中的量程成信息(a1、a0)，选择对应的定标系数包，如表16所示，即可得到合适的a、b值，根据i＝a*uout b可得到正确的电流值i。由于为反向输出，所以计算的i值均需要乘以
‑
1，以变换为正值。
[0250]
表16朗缪尔探针量程信息表
[0251][0252]
4.1.2伏安特性曲线物理量反演
[0253]
获取校正后的一组us和i(250个数)，生成一个伏安特性特征曲线。每种物理量具体计算过程如下：
[0254]
(1)朗缪尔探针的悬浮电位点uf计算
[0255]
悬浮电位点是朗缪尔探针伏安特性曲线中电流为0的点，当探针收集的电子电流ie和离子电流ii异号相等，探针收集的总电流i为0，此时扫描电压us即为uf。
[0256]
(2)确定离子饱和区，拟合离子电流ii
[0257]
①
确定离子饱和区
[0258]
计算出uf后，理论上区域，朗缪尔探针收集的电流仅由离子电流贡献(电子电流的贡献小于1％)，即为离子饱和区。在确定离子饱和区时，以远离区域、且保证区域内的点数可满足线性拟合要求(n>20)最为合适。
[0259]
此处确定离子饱和区范围为kb为玻尔兹曼常数1.38*10
‑
23
，在标定罐内设电子温度初始值tec为1100k；一般等离子体环境设置为3000k，若最后计算出的te
‑
tec>2000k，则tec应设为该计算值。tec初始值设为可调。
[0260]
②
拟合离子饱和区离子电流
[0261]
对离子饱和区所有点(假设为n个)，选择最小二乘法进行线性拟合，拟合出该区域离子电流ii与扫描电压us的关系。
[0262]
设离子饱和区扫描电压为x＝[x1,x2
…
..xn]，离子电流为y＝[y1,y2
…
..yn]，离子饱和区所有点数为n，则线性方程y＝k*x c中：
[0263][0264][0265]
③
拟合电子阻滞区和电子饱和区的离子电流
[0266]
利用离子饱和区内扫描电压和电流的关系，推导计算出电子阻滞区和电子饱和区的离子电流。设电子阻滞区和电子饱和区扫描电压为x＝[x
n 1
,x
n 2
,
…
.x
250
]，则电子阻滞区和电子饱和区对应的离子电流为：
[0267]
y
i
＝k*x
i
c其中下标i＝n 1,n 2
…
.250
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0268]
(3)获取电子电流ie
[0269]
将朗缪尔探针的总电流i减去离子电流ii，即可获得探针收集的电子电流ie，即：
[0270]
ie＝i
‑
ii
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0271]
(4)找出空间等离子体电位点up并确定电子阻滞区和电子饱和区
[0272]
①
计算upc点
[0273]
等离子体电位up点是朗缪尔探针电位(us)和空间等离子体电位(up)相等的点，是伏安特性曲线中电子阻滞区和电子饱和区的转折点。找到ie开始偏离指数增长的点，也就是ie(u)二阶导数最大的点，即为up的初值点upc。
[0274]
同样假设n为离子饱和区个数，对电子阻滞区和电子饱和区的电子电流[ie
n 1
，ie
n 2
…
.ie
250
]和对应的扫描电压二次求导，即：
[0275][0276]
当t为该曲线最大时，第n m个点所对应的usn m点为upc。
[0277]
②
根据upc确认电子阻滞区和电子饱和区
[0278]
电子电流以等离子体电位初值点upc为分界点，分为电子阻滞电流和电子饱和电流(加速电流)两个部分；三个区域所对应的点分别为：离子饱和区0～n；电子阻滞区n～n m；离子饱和区n m～250。
[0279]
③
根据拟合结果迭代计算并确认等离子体up点
[0280]
由于各种干扰因素的影响，电子阻滞区和电子饱和区的转折点并不明显，求取的空间等离子离子体电位up会有所偏差，需要对电子阻滞电流和电子饱和电流多次拟合迭代，修正空间等离子体电位，具体迭代过程如下：
[0281]
a)根据upc确定的i
‑
u曲线中电子阻滞区n～n m和电子饱和区n m～250范围。
[0282]
b)拟合出电子阻滞区电子电流曲线，电子阻滞区拟合系数公式同公式1
‑
5和公式1
‑
6，选取用于拟合的us和ie，当前选取范围为uf
‑
0.2～upc
‑
0.1，此范围根据实际数据情况会有所调整，计算出电子阻滞区的k1、c1，得到阻滞区的拟合曲线：y＝k1*x c1。
[0283]
c)拟合电子饱和区电子电流曲线：利用多项式的最小二乘拟合法拟合出电子饱和区电子电流曲线，选择用来拟合的是从upc开始到全部的电子饱和区，即n m～250。
[0284]
设拟合多项式为：
[0285]
y＝a0 a1x
…
a
k
x
k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0286]
其中，x扫描电压[x
n m
,
…
.,x
250
]，y为输出电流[y
n m
,
…
.,y
250
]；k设置为可选，根据实际曲线形态，可设为3，5，7，9等，此处设为5。
[0287]
以上多组公式可以转换为如下矩阵计算：
[0288][0289]
简写为：xa＝y，利用公式1
‑
11计算系数a，得到电子饱和区的拟合曲线：
[0290]
a＝(x
t
x)
‑1x
t
y
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0291]
d)找到电子阻滞区y＝k1*x c1和电子饱和区拟合曲线的焦点o，则uso作为up1。
[0292]
e)计算up1
‑
upc，如果|up1
‑
upc|>0.01v，则以up1为界划分新的电子阻滞区n～o和电子饱和区o～250范围；重复以上b)
‑
e)步骤。
[0293]
f)直到|upi 1
‑
upi|<0.01v，则upi 1为最终确认的等离子体电位up。一般迭代过程设置最多6次，若6次仍找不到|upi 1
‑
upi|<0.01v的值，则跳出循环，选择|upi 1
‑
upi|最小的结果中upi 1点作为up。软件中迭代次数设为可调。
[0294]
④
确定电子饱和区和电子阻滞区范围
[0295]
根据最终的up所对应的点r作为电子阻滞区和电子饱和区范围的分界点。
[0296]
(5)找到up点对应的电子电流ie0和离子电流ii0
[0297]
当扫描电压等于等离子体电压时，探针收集的电子电流为电子热随机电流ie0，探针收集的离子电流为离子漂移电流ii0，即满足公式(15)、(16)：
[0298][0299][0300]
式中，a和as分别为朗缪尔探针传感器的表面积和横截面积；ne和ni为等离子体的电子密度和离子密度；k
b
为波尔兹曼常量；e为基本电荷常量；m
e
为电子的质量；为航天器的飞行速度。
[0301]
因此up点所对应的电子电流ie和离子电流ii即为公式中的15、16中的ie0和ii0。
[0302]
(6)求出电子温度
[0303]
①
计算电子阻滞区斜率
[0304]
在电子阻滞区，电子电流随朗缪尔探针的电压呈指数变化，即
[0305][0306]
两边求对数可得，
[0307][0308]
式中，usp为朗缪尔探针相对于空间等离子体的电位；us和usc分别是朗缪尔探针的扫描电压和航天器的电位；c为一常数。
[0309]
公式(18)可以看出：阻滞区的正比于1/te，只要电子是麦克斯韦分布并且被探针排斥，就可以获取电子温度。半对数曲线的斜率是不依赖于探针的面积、形状以及碰撞等因素的，因此即可得到公式(19)。
[0310]
②
计算电子温度te
[0311]
将带入公式19即可得到等离子体的电子温度：
[0312][0313]
式中，kb为波尔兹曼常量1.38*10
‑
23。
[0314]
在半对数坐标下，求取电子阻滞电流的斜率即可计算出te。为公式(7)求得的k，此处x为阻滞区扫描电压，范围选择uf
‑
0.2～up
‑
0.1；y为阻滞区选取的扫描电压所对应的电子电流。
[0315]
(7)求出电子密度
[0316]
在朗缪尔探针伏安特性曲线中找出等离子体电位up所对应的电子电流，即是电子热随机电流ie0。通过公式(20)即可求得等离子体的电子密度。
[0317][0318]
式中，a为朗缪尔探针传感器的表面积2
×
pi
×
(0.0252)m2；k
b
为波尔兹曼常量1.38
×
10
‑
23
；e为基本电荷常量1.6
×
10
‑
19
c；m
e
为电子的质量9.1
×
10
‑
31
kg。
[0319]
(8)数据质量标注
[0320]
根据科学数据中的温度信息以及反演的uf、up等，估算数据质量，标注在数据中。
[0321]
◆①
温度正常、
②
up
‑
uf在2u以内：数据质量好，标识为2；
[0322]
◆①
温度正常、
②
up
‑
uf超出2u：数据质量一般，标识为1；
[0323]
◆①
温度不正常：数据不可用，标识为0。
[0324]
(9)产品及快视图生成
[0325]
在以上处理完成后，生成1级产品，包括1级数据产品、图像产品以及数据处理报告。
[0326]
4.21级数据生成2级数据
[0327]
解算星务数据包；将高度、地理地磁经纬度与每轨数据进行时空匹配；对1级数据加入地理和地磁坐标、高度信息。
[0328]
4.32级数据生成3级数据
[0329]
图17为langmuir探针从2级到3级数据的处理流程。3级数据产品处理过程，主要是围绕某个参量的时间序列进行统计学处理(为方便描述，以四份位方法为例)获取其时间序列上的异常变化特征。
[0330]
(1)获取本轨道对应的前若干个重访周期的轨道数据电子密度、电子温度，按纬度间隔0.15
°
(中国区域，纬度[0
°
，55
°
]，经度[70
°
，140
°
])和0.3
°
(其它区域)进行间隔划分，然后计算每0.15
°
/0.3
°
间隔内的统计量，比如中值、上下四分位点和四分位差等。以下内容均以中值、上下四分位点和四分位差的统计量为例进行步骤说明。
[0331]
对当前轨道，求落在每个网格点内的中值；对当前轨道以及若干重访周期的所有轨道，求落在每个网格点内的中值及上、下四分位值。
[0332]
(2)对当前观测的单轨数据，同样按以上间隔进行划分，并计算中值ba。
[0333]
(3)利用前若干个重访周期轨道数据的中值、上下四分位点及其四分位内差，计算上下界限。上下界限的计算方法为：
[0334]
d＝a
30
(中值)
±
iqr
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0335]
(4)计算每个0.15
°
/0.3
°
区域内，当前观测值与其前若干个重访周期轨道上下界限的差值，如公式(22)；根据当前观测数据是否超过上下界限，对每个0.15
°
/0.3区域点进行标记，正常为0，超出边界则标注出当前观测值与上下边界的差值d。
[0336]
d＝ba
‑
d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)
[0337]
(5)对当前观测轨道数据以及前若干个重访周期轨道数据，采用滑动的方式，对每条轨道的以上步骤进行计算，并能将前若干个重访周期数据展示在同一图上。
[0338]
(6)标注地震记录、空间天气等信息生成3级数据，并完成数据处理报告。3级数据产品包括：科学数据及其图像和数据处理报告。
[0339]
4.42级数据生成4级数据
[0340]
图18为langmuir探针从2级到4级数据的处理流程。4级数据产品处理过程主要为围绕某个参量进行空间上的统计变化特征(为方便描述，以四份位方法为例)处理获取其空间上的异常变化。
[0341]
(1)按照前若干个重访周期时间间隔及5
°
(经度)
×
2.5
°
(纬度)空间间隔，滑动选取全球和中国区域(纬度[0
°
，55
°
]，经度[70
°
，140
°
])上空的电子密度、电子温度等2级数据，计算每个空间间隔内所有轨道的统计量(以下也均以中值、四分位为例进行说明)，比如中值bab、四分位点及分位差，以及上下界限d；并通过对各个间隔内中值bab进行插值，得到全球及全国范围空间分布背景场。
[0342]
(2)以当前5天时间间隔及5
°
(经度)
×
2.5
°
(纬度)空间间隔，计算观测得到电子密度、电子温度在每个空间间隔内所有轨道的中值b
a
；并通过对各个间隔内中值b
a i进行插值，得到全球及全国的空间分布图；滑动更新每天的全球及全国范围空间分布图。
[0343]
(3)根据得到的背景场以及当前5天结果，计算物理量的动态变化幅度。计算公式为：
[0344][0345]
其中b
a
，b
ab
分别为当前5天及前若干重放周期的参量的统计量。
[0346]
(4)计算每天每个间隔内电子密度、电子温度的中值ba，与前若干个重访周期轨道上下界限d的差值d；根据当前观测数据是否超过上下界限，对每个间隔进行标记，正常为0，超出边界则标注出当前观测值与上下边界的差值d。
[0347]
(5)并完成数据处理报告。4级数据产品包括：科学数据及其图像和数据处理报告。
[0348]
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。