一种电离层TEC扰动判定方法及系统与流程

一种电离层tec扰动判定方法及系统
技术领域
1.本发明属于空间天气理论研究及预报应用领域，具体涉及一种电离层tec扰动判定方法及系统。


背景技术：

2.电离层通常理解为离地面50~1000km高度范围内的地球高层大气层。电离层中存在着大量的自由电子和离子，可以改变无线电波的传播速度，使其发生折射、反射和散射，产生极化面的旋转并受到不同程度的吸收。因此电离层对短波通讯系统、卫星遥感通信、卫星导航定位具有重要影响，特别是电离层剧烈变化的时候，影响更大，需要对相应设备做必要的修正、保护等措施。因此，判定电离层有无扰动、判定扰动时的扰动级别等信息，对现有的无线电系统正常使用具有十分重要的意义。
3.早期对于电离层扰动及等级的判定都依赖于地磁指数等非电离层参数，往往存在一定的偏差。现在人们开始基于电离层观测数据进行电离层扰动判定，如ai指数、w指数、干扰电离层指数以及标准化ai指数等。目前广泛使用的是电离层活动指数ai。这一指数会随地方时、季节以及地理位置变化，无法基于该指数给出统一的电离层扰动判定标准。
4.此外，基于电离层扰动指数给出的电离层扰动事件的判定和电离层扰动状态的判定也无统一的标准。对于电离层扰动状态的判定，需要确定电离层扰动状态的比例；对于电离层扰动事件的判定标准，需要确定电离层扰动状态的比例以及扰动的持续时间。对于电离层扰动比例的确定，目前还没有明确统一的标准，一般是将电离层观测数据与静日参考数据进行对比，当相对变化量超出某个特定值时就定义为电离层扰动。
5.总的来说，目前对于电离层扰动状态的判定尚无明确统一的标准。为了更好地研究电离层扰动的物理机制，特别是从应用的角度，为相关设备/用户提供必要的、准确的电离层状态信息，进行电离层扰动状态的判定是需要解决的首要问题。


技术实现要素：

6.针对现有电离层tec扰动判定时依赖的指数不统一、对于电离层tec扰动状态的比例判断只是依赖主观定义的问题，本发明提出一种电离层tec扰动判定方法及系统，通过修正电离层扰动指数，提出交叉验证法判定电离层扰动比例，实现电离层tec扰动判定。
7.为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：第一方面，本发明提供了一种电离层tec扰动判定方法，包括：计算出修正的电离层扰动指数；基于所述修正的电离层扰动指数，利用交叉验证法对电离层扰动比例进行处理，确定电离层扰动最佳比例及对应的电离层扰动指数临界值，进而完成电离层扰动状态的判定。
8.可选地，所述修正的电离层扰动指数的计算方法具体包括：计算电离层tec的相对变化值；
基于所述电离层tec的相对变化值，计算出修正的电离层扰动指数。
9.可选地，述电离层tec的相对变化值的计算公式为：其中，表示电离层tec的相对变化值，表示日期，表示时间，表示电离层tec观测值，表示电离层tec背景值，为前后天时刻的个电离层tec的中值。
10.可选地，所述修正的电离层扰动指数的计算公式为：其中，表示修正的电离层扰动指数，表示日期，表示时间，表示电离层tec的相对变化值，表示各季节的均值，表示在各季节的标准差。
11.可选地，所述电离层扰动最佳比例的确定方法包括：基于修正的电离层扰动指数，计算出第一概率密度函数；将修正的电离层扰动指数分为若干组数据，各组数据中均包括测试集和训练集；基于每组数据中的训练集，计算出第二概率密度函数；定义电离层扰动比例为，基于所述第一概率密度函数，将上下分位点对应的电离层扰动指数值作为电离层扰动状态或平静期判定的临界值；计算出不同电离层扰动比例下，第一概率密度函数和第二概率密度函数的误差平方和；将所述误差平方和带入基于交叉验证法构建的优化模型的目标函数，计算出电离层扰动最佳比例和对应的电离层扰动指数临界值。
12.可选地，所述测试集和训练集通过以下方法确定：将电离层tec数据按照年份分成份数据；从份数据中选择第1份为测试集，剩余的份作为训练集，测试集和训练集组成第1组数据；从份数据中选择第2份为测试集，剩余的份作为训练集，测试集和训练集组成第2组数据；依次类推，共形成组数据。
13.可选地，所述第一概率密度函数的计算公式为；
所述第二概率密度函数的计算公式为：其中，表示第一概率密度函数，表示第二概率密度函数，表示所有修正的电离层扰动指数数据样本的个数，表示各分组数据中训练集含有的数据样本的个数，表示可取任意值的自变量，为数据样本的电离层扰动指数值，为窗宽或光滑参数，，为数据样本总数，为核函数。
14.可选地，所述不同电离层扰动比例下，第一概率密度函数和第二概率密度函数的误差平方和的计算公式为：误差平方和的计算公式为：其中，，，，代表组数，代表第组扰动比例为时第一概率密度函数和第二概率密度函数的误差平方和，代表所有电离层tec数据的总个数，代表训练数据的总个数，为通过不同分位点值选取的修正的电离层扰动指数数据的总个数，对应的修正的电离层扰动指数值为。
15.可选地，所述基于交叉验证法构建的优化模型的目标函数的表达式为：可选地，所述基于交叉验证法构建的优化模型的目标函数的表达式为：可选地，所述基于交叉验证法构建的优化模型的目标函数的表达式为：其中，为交叉验证均方差。
16.第二方面，本发明提供了一种电离层tec扰动判定系统，包括：存储介质和处理器；所述存储介质用于存储指令；所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面中任一项所述的方法。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提出一种电离层tec扰动判定方法及系统，通过修正电离层扰动指数，提出交叉验证法判定电离层扰动比例，实现电离层tec扰动判定；其中，所述电离层扰动指数的
修正是通过确定相对准确的电离层背景值，计算电离层tec的相对变化量，进而获得修正电离层扰动指数；交叉验证法判定电离层扰动比例是基于交叉验证法，将电离层tec数据分组，计算各组数据下修正电离层扰动指数的概率分布，带入基于交叉验证法构建的优化模型的目标函数，获得统计最佳扰动比例及相应的临界值，临界值即为电离层扰动状态的判定标准。
附图说明
18.为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：图1为不同电离层背景值的差随地方时和季节的变化示意图；图2为修正的电离层扰动指数随地方时的变化示意图；图3为某观测站划分等级下同一时刻的等级划分图；图4为某观测站各组数据的概率密度函数；图5为某观测站交叉验证均方差随扰动比例的变化示意图之一；图6为某观测站交叉验证均方差随扰动比例的变化示意图之二；图7为本发明电离层tec扰动判定方法的流程示意图。
具体实施方式
19.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的保护范围。
20.下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
21.实施例1本发明实施例中提供了一种电离层tec扰动判定方法，如图7所示，包括以下步骤：步骤（1）计算出修正的电离层扰动指数；步骤（2）基于所述修正的电离层扰动指数，利用交叉验证法对电离层扰动比例进行处理，确定电离层扰动最佳比例及对应的电离层扰动指数临界值，进而完成电离层扰动状态的判定。
22.在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述修正的电离层扰动指数的计算方法具体包括：1）计算电离层tec的相对变化值，所述电离层tec的相对变化值的计算公式为：
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（1）其中，表示电离层tec的相对变化值，表示日期，表示时间，表示电离层tec观测值，表示电离层tec背景值，为前后天时刻的个电离层tec的中值，在具体实施过程中，所述可以设置为13。
23.现有技术中的电离层tec背景值为前27天时刻的电离层tec的中值。图1为不同电离层背景值的差随地方时和季节的变化示意图，图1中纵坐标是前27天电离层tec的中值（现有技术）减去同一时刻下前后13天电离层tec的中值（本发明）的差，横坐标为地方时lt(local time)。图1中共有4条曲线，分别对应春季、夏季、秋季和冬季。其中，春夏秋冬四季的划分是春分、夏至、秋分和冬至前后45天。由图1可见，按照现有技术中的方法计算出的电离层tec背景值与本发明实施例中的电离层tec背景值有明显差异，二者的差值随地方时和季节的变化明显。
24.2）基于所述电离层tec的相对变化值，计算出修正的电离层扰动指数，所述修正的电离层扰动指数的计算公式为：
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（2）其中，表示日期，表示时间，表示修正的电离层扰动指数，表示电离层tec的相对变化值，表示各季节的均值，表示在各季节的标准差。
25.图2为根据本发明实施例中的方法计算的修正的电离层扰动指数的示意图，可见，平静期的扰动比例不随地方时变化。图3为某观测站划分等级下同一时刻的等级划分图，从图3中可以看到基于本发明实施例中方法修正电离层扰动指数的有效性，即：修正前后两个指数判定电离层扰动情况差异明显（原电离层tec扰动指数记作n
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，即按照现有技术中方法获得的电离层tec背景值计算出的电离层tec扰动指数；修正后的电离层扰动指数记为）。图3中是以（修正前电离层扰动指数）为标准，先将电离层状态划分为强负扰动、中等负扰动、平静期、中等正扰动和强正扰动5个等级，如图3中的a
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e，各个等级的数据量分别是1103、47484、298897、49312和4915，在各个等级中，再以（修正后的电离层扰动指数）为电离层扰动指数，按照相同的电离层扰动等级划分原则，进行电离层状态判定，此时，强负扰动、中等负扰动、平静期、中等正扰动和强正扰动的线型分别为竖直线网格、横直线网格、斜线网格、十字线网格和散点网格，各网格柱状图上的数字是在为指数判定的某一电离层扰动等级的数据中，以为指数的扰动等级再判定时各数据量占原判定数据量的比例。由图3可见，当为强负扰动时，同时刻下的与之不同的等级有中等负扰动占13.87%，当为中等负扰动、平静期、中等正扰动和强正扰动时，同时刻下的与之不同的等级分别有强负扰动占2.72%与平静期占25.12%、中等负扰动占4.46%与中等正扰动占4.82%、平静期占31.44%与强正扰动占3.46%和平静期占2.1%与中等正扰动占38.51%。由图3可见，在强负扰动、中等负扰动、平静期、中等正扰动和强正扰动时，两者判定一致的比例分别是86.13%、72.15%、90.71%、65.1%和59.39%，两者差异明显。
26.在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述电离层扰动最佳比例的确定方法包括：1）将电离层tec数据按照年份分成份数据，各组数据中均包括测试集和训练集；所述测试集和训练集通过以下方法确定：将电离层tec数据按照年份分成份数据，从份数据中选择第1份为测试集，剩余的份作为训练集，测试集和训练集组成第1组数据；从份数据中选择第2份为测试集，剩余的份作为训练集，测试集和训练集组成第2组数据；依次类推，共形成n组数据（其中，测试集为1年的数据，训练集为年的数据）。
27.2）基于修正的电离层扰动指数，计算出第一概率密度函数；所述第一概率密度函数的计算公式为：其中，为第一概率密度函数，是所有数据样本的个数，表示可取任意值的自变量，为数据样本的电离层扰动指数值，为窗宽或光滑参数，，为数据样本总数， 为核函数，在本发明实施例中，所述核函数可以采用高斯核函数。
28.3）基于每组数据中的训练集，计算出第二概率密度函数；所述第二概率密度函数的计算公式为：其中， 表示第二概率密度函数，表示各分组数据中训练集含有的数据样本的个数，表示可取任意值的自变量，为数据样本的电离层扰动指数值，为窗宽或光滑参数，，为样本总数，为核函数，在本发明实施例中，所述核函数可以采用高斯核函数；4）定义电离层扰动比例为，基于所述第一概率密度函数，将上下分位点对应的电离层扰动指数值作为电离层扰动状态或平静期判定的临界值；5）计算出不同电离层扰动比例下，第一概率密度函数和第二概率密度函数的误差平方和；所述第一概率密度函数和第二概率密度函数的误差平方和的计算公式为：
其中，，，代表组数，代表第组扰动比例为时第一概率密度函数和第二概率密度函数的误差平方和，代表所有电离层tec数据的总个数，代表训练数据的总个数，为通过不同分位点值选取的扰动状态的修正的电离层扰动指数数据的总个数，对应的修正的电离层扰动指数值为。
29.6）将所述误差平方和带入基于交叉验证法构建的优化模型的目标函数，计算出电离层扰动最佳比例和对应的电离层扰动指数临界值；所述基于交叉验证法构建的优化模型的目标函数的表达式为：的目标函数的表达式为：的目标函数的表达式为：的目标函数的表达式为：其中，为交叉验证均方差。
30.图5和图6是某观测站随扰动比例的变化示意图。图中，横轴为电离层扰动比例，图5的纵轴为所有组的，图6的纵轴为去掉图4中第3组数据后的，之所以去掉第3组，是因为在图4中，第3组的明显远大于其他组的结果，为了增加结果的可信度，去掉了第3组。从图5和图6的统计结果中可以看到，不论是否去掉第三组数据，随的变化趋势基本一致：随着的增加，在逐渐增大，在25%左右取得最大值并基本稳定，不再显著变化。基于图5和图6可以看出，扰动比例设置为25%比较合适，此时电离层tec扰动的阈值为1.04和
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1。
31.实施例2基于与实施例1相同的发明构思，本发明提供了一种电离层tec扰动判定系统，包括：存储介质和处理器；所述存储介质用于存储指令；所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例1中任一项所述的方法。
32.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。