基于時間序列二維化的電離層垂直總電子含量預(yù)報方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電離層垂直總電子含量預(yù)報方法，特別是涉及基于時間序列二維化的 電離層垂直總電子含量預(yù)報方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 受太陽紫外線、射線輻射以及高能粒子的影響，在60_2000km大氣層區(qū)域，存在大 量的自由電子，形成地球電離層。電離層對衛(wèi)星定位、導(dǎo)航、授時以及遙感、遙測等的測量精 度有著重要影響，因此電離層參量的監(jiān)測、預(yù)報和現(xiàn)報系統(tǒng)受到國內(nèi)外學(xué)者普遍重視，也已 列入中國空間物理研宄戰(zhàn)略內(nèi)容之一。電離層研宄在保障無線電通信、廣播電視、超視距雷 達(dá)等系統(tǒng)的可靠運行，提高測速、定位、授時、導(dǎo)航等系統(tǒng)的精度，從一定程度上為保障航天 活動的安全、開發(fā)利用空間及維護(hù)人類的生存環(huán)境提供依據(jù)等方面有著重要的價值。
[0003] 電離層延遲對GPS定位、導(dǎo)航、授時、遙感等測量精度有著重要的影響。雖然雙頻 GPS用戶能直接計算出電離層延遲改正，但由于使用代價高，實際中有許多領(lǐng)域人們?nèi)詢A向 于選用單頻GPS接收機(jī)。而利用單頻GPS進(jìn)行長基線相對測量和高精度絕對測量，電離層 延遲的精確改正難以實現(xiàn)。高精度、長基線相對定位，以及靜態(tài)快速、實時及動態(tài)相對定位， 快速精確處理整周模糊度問題，電離層延遲改正是其中最主要和最棘手的問題，也是研宄 的集中點。由局部相關(guān)性較強(qiáng)的電離層延遲帶來的系統(tǒng)性誤差，可直接借助相對定位技術(shù) 給以抵消。但其效果只能在正常條件下的短基線計算中得到保證，而對長基線，差分電離層 延遲殘差一般很大。如果電離層預(yù)報問題得到較好解決，其他測量方式中的高精度改正電 離層延遲的要求也都將得到滿足。利用GPS的電離層延遲信息反演電離層結(jié)構(gòu)、分析其時 空變化特征，探測和預(yù)測電離層活動與變化規(guī)律，對電離層VTEC進(jìn)行精確地預(yù)報是必須繼 續(xù)進(jìn)行的研宄難題，也是極有意義的。
[0004] 電離層的預(yù)報經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭饕蠯lobuchar模型、Bent模型、IRI模型、ICED模型和 FAM模型等，其中最常用的是ARIMA模型和Klobuchar模型，但其預(yù)報精度并不高，對夜間 預(yù)報存在不合理性。電離層是隨時間、空間而變化的多變介質(zhì)，逐日變化差異很大，要想對 未來幾個小時、幾天的電離層做出精確的預(yù)報是較困難的。電離層受各種因素的影響，隨著 周曰、季節(jié)、周年以及太陽活動周期的變化而變化，是一種是具有明顯時間變化特性的觀測 量，因此利用時間序列對其進(jìn)行分析預(yù)報是當(dāng)前的一個研宄方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種預(yù)報效果好的基于時間序列二維化的電離層 垂直總電子含量預(yù)報方法。
[0006] 技術(shù)方案：為達(dá)到此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0007] 本發(fā)明所述的基于時間序列二維化的電離層垂直總電子含量預(yù)報方法，包括以下 的步驟：
[0008] S1 :通過已知的電離層垂直總電子含量數(shù)據(jù)分析電離層垂直總電子含量隨時間的 變化特性，包括電離層垂直總電子含量隨著日期的變化特性和電離層垂直總電子含量隨著 時刻的變化特性；
[0009] S2 :根據(jù)步驟S1中的已知的電離層垂直總電子含量數(shù)據(jù)，采用日期和時刻分別作 為x軸和y軸，構(gòu)建時間序列二維化平面，時間序列二維化平面中每一個坐標(biāo)點都對應(yīng)于一 個電離層垂直總電子含量數(shù)據(jù)；根據(jù)步驟S1中的電離層垂直總電子含量隨時間的變化特 性，確定待預(yù)測的電離層垂直總電子含量與已知的電離層垂直總電子含量之間的權(quán)值，并 根據(jù)權(quán)值對準(zhǔn)備作為輸入層的已知的電離層垂直總電子含量數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)處理；
[0010] S3 :采用經(jīng)過步驟S2加權(quán)處理的電離層垂直總電子含量數(shù)據(jù)作為輸入層，采用待 預(yù)測的電離層垂直總電子含量數(shù)據(jù)作為輸出層，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；
[0011] S4 :利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對電離層垂直總電子含量進(jìn)行預(yù)報。
[0012] 進(jìn)一步，所述步驟S2中的權(quán)值w,_ 為：
[0013]
[0014]
[0015] 所述步驟S2中的加權(quán)處理過程為：
[0016]
[0017] 其中，（m，n)為待預(yù)測的電離層垂直總電子含量數(shù)據(jù)在所述時間序列二維化平面 中的坐標(biāo)，（i，j)為所述準(zhǔn)備作為輸入層的已知的電離層垂直總電子含量數(shù)據(jù)在所述時間 序列二維化平面中的坐標(biāo)，di;j為所述二維化平面中坐標(biāo)為（m，n)的點與坐標(biāo)為（i，j)的點 之間的距離，Xu為所述準(zhǔn)備作為輸入層的已知的電離層垂直總電子含量數(shù)據(jù)，為所述 經(jīng)過加權(quán)處理的電離層垂直總電子含量數(shù)據(jù)。
[0018] 有益效果：本發(fā)明通過將電離層垂直總電子含量時間序列進(jìn)行二維化處理，對電 離層垂直總電子含量隨時間的變化特性進(jìn)行了充分的挖掘；本發(fā)明采用了不等權(quán)值設(shè)置， 即待預(yù)測的電離層VTEC數(shù)據(jù)距離準(zhǔn)備作為輸入層的已知的電離層VTEC數(shù)據(jù)越遠(yuǎn)，則權(quán)值 越小，這種權(quán)值的效果優(yōu)于相等權(quán)值；本發(fā)明對電離層垂直總電子含量的預(yù)報效果優(yōu)于現(xiàn) 有技術(shù)。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明【具體實施方式】的28天的電離層垂直總電子含量觀測數(shù)據(jù)；
[0020] 圖2為本發(fā)明【具體實施方式】的前7天的電離層垂直總電子含量隨時間的變化特 性；
[0021] 圖3為本發(fā)明【具體實施方式】的相同時刻電離層垂直總電子含量隨日期的變化特 性；
[0022] 圖4為本發(fā)明【具體實施方式】的時間序列二維化平面和對應(yīng)的電離層垂直總電子 含量數(shù)據(jù)共同構(gòu)成的三維圖形；
[0023] 圖5為本發(fā)明【具體實施方式】的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖；
[0024] 圖6為本發(fā)明方法的預(yù)報結(jié)果與實際觀測數(shù)據(jù)的對比。
【具體實施方式】
[0025] 下面結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的介紹。
[0026] 本發(fā)明的方法包括以下的步驟：
[0027] S1 :通過已知的電離層垂直總電子含量（簡稱VTEC)數(shù)據(jù)分析電離層VTEC隨時間 的變化特性，包括電離層VTEC隨著日期的變化特性和電離層VTEC隨著時刻的變化特性。
[0028] 為了研宄電離層不穩(wěn)定時期VTEC的預(yù)報效果，考慮到原始數(shù)據(jù)的權(quán)威性和精度， 本實施例中采用IGSSHAO站在電離層活動高峰年，即2011年的年積日第55-82天共28天 的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采用GAMIT軟件計算得到的測站天頂方向VTEC觀測數(shù)據(jù)時間序列，如圖 1所示，采樣間隔為1小時。此期間日本分別發(fā)生里氏7. 3級大地震（2011年3月9日）和 里氏9.0級特大地震（2011年3月11日），可看到震前電離層在白天和夜間均有異常變化， 電離層的擾動和不規(guī)則變化比較多。
[0029] 在分析電離層VTEC隨時間的變化特性時，選用了前7天的數(shù)據(jù)，如圖2所示，并計 算了每日VTEC數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)R(例如：第i天的R是指第i天的VTEC數(shù)據(jù)和第i-1 天的VTEC數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)）。從各個R的值（都非常接近于1)來看，電離層VTEC數(shù) 據(jù)隨日期的變化