一種電離層vtec值異常檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電離層VTEC值異常檢測方法，包括以下步驟：確定觀測序列，數(shù)量為n，選擇觀測序列中初始的VTEC觀測值，表示為：VTECi，1≤i≤n，i表示觀測序列中的第i個值；對VTEC觀測值VTECi進行逐個遞推，表示為：VTEC(i)，計算VTEC觀測值和VTEC濾波值的差值序列及兩者差值序列的均方差，構建VTEC異常檢測統(tǒng)計量；利用VTEC異常探測統(tǒng)計量，依據(jù)VTEC上邊界和下邊界進行VTEC異常探測與統(tǒng)計分析。本發(fā)明方法計算簡單，可以方便、快捷地通過編程實現(xiàn)VTEC值的異常檢測，具有較高的科研和應用價值。
【專利說明】
一種電離層VTEC值異常檢測方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及電離層應用研究領域，是一種電離層VTEC值異常檢測方法。
【背景技術】
[0002] 在地面上空60~2000km的大氣層區(qū)域有大量的自由電子存在，這些自由電子形成 了地球的電離層。電離層是人類生存的近地空間環(huán)境的一部分，它能夠保護地球上的生物 免受太陽紫外輻射和宇宙高能粒子的直接作用，對穿過其中的無線電波會產(chǎn)生反射、散射、 吸收和折射等效應，與人類活動息息相關。當電磁波入射進入電離層時，電磁波會受到反射 和折射的影響進而產(chǎn)生電離層延遲，對于現(xiàn)代無線電工程系統(tǒng)和人類的空間活動都有著重 要的影響。
[0003] 電離層VTEC異常作為一種地震、臺風、暴雨等自然災害的前兆信息研究倍受關注， 研究地震、臺風、暴雨等自然災害與電離層VTEC之間的耦合關系，需要選擇VTEC異常探測方 法對電離層VTEC進行異常探測、分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對電離層VTEC值的異常檢測，提出了一種電離層VTEC值異常檢 測方法。
[0005] 本發(fā)明采用的技術方案為:一種電離層VTEC值異常檢測方法，包括以下步驟：
[0006] (1)確定觀測序列，數(shù)量為η，選擇觀測序列中初始的VTEC觀測值，表示為:VTECi，1 表示觀測序列中的第i個值；
[0007] (2)對VTEC觀測值VTECi進行逐個遞推，表示為:VTEC( i )，遞推方法如下所示：
[0008] PE(i)=A(i-l) XP(i-l) XA(i-l)^0(1-1) (1)
[0009] 式（1)中，2<i，表示從第2個觀測值開始遞推;A表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，A的初始值設 為1，即A(1) = 1; Q表示系統(tǒng)噪聲矩陣，Q的初始值設為1，即Q(1) = 1; PE表示預報誤差矩陣， PE的初始值同樣設為1，即PE(1) = 1 ;P表示遞推的均方誤差矩陣，P的初始值同樣設為1，即P (1) = 1；
[0010] H(i)=PE(i) X0(1-1)7 X (C(i-1) XPE(i) XC(i-1 )7+R(i-1))_1 (2)
[0011] 式(2)中，H表示增益矩陣，H⑵=PE⑵XC(l)/X(C⑴XPE⑵XC⑴/+R(l))- l; C表示量測矩陣，C的初始值設為1，即C(1) = 1; R表示測量噪聲矩陣，R的初始值設為1，即R (1) = 1〇
[0012] VTEC(i)=A(i) XVTEC(i-l)+H(i) X (VTECi-C(i)*A(i)*VTEC(i-l)) (3)
[0013 ] 式(3)中，VTEC (i)表示第i個遞推的VTEC值，VTECi表示第i個實際的VTEC值。
[0014] I = eye(size(H(i)) (4)
[0015] 式(4)中，eye表示設定單一矩陣，size (H(i))表示求矩陣H(i)的維數(shù)。
[0016] P(i) = (I-H(i) XC(i)) XPE(i) (5)
[0017] (3)計算VTEC觀測值和VTEC濾波值的差值序列及兩者差值序列的均方差，構建 VTEC異常檢測統(tǒng)計量，計算方法為：
[0018] Ai = VTEC(i)-VTECi (6)
[0019] 式(6)中，Δ i即為VTEC異常檢測統(tǒng)計量，它表示VTEC預測值VTEC⑴和VTEC觀測值 VTECi的差值;σ表示Δ的均方差。
[0021 ] 式(7)中，σ表示Δ的均方差，η表示VTEC觀測序列的數(shù)據(jù)量。
[0022] 將△作為統(tǒng)計量，進行電離層VTEC異常統(tǒng)計。取△加上k倍的〇為異常探測范圍的 上邊界，Α減去k倍的 〇為下邊界，其中k為探測系數(shù)。確定了VTEC異常探測上下邊界就可以 最終確定VTEC異常值，其中，VTEC觀測值大于上邊界則稱為上邊界異常；同樣，觀測值小于 下邊界則稱為下邊界異常，上下邊界的計算如式(8)、（9)所示：
[0023] viec.. -A + k- σ (8)
[0024] vl(x\ = h-k'Cr (' 9 '>
[0025] 公式(8)、（9)中，vtecs表示VTEC上邊界，vtecx表示VTEC下邊界，k表示探測系數(shù)，A 表示對A取平均值。
[0026] (4)利用VTEC異常探測統(tǒng)計量，依據(jù)VTEC上邊界和下邊界進行VTEC異常探測與統(tǒng) 計分析。
[0027]有益效果:本發(fā)明方法計算簡單，可以方便、快捷地通過編程實現(xiàn)VTEC值的異常檢 測，具有較高的科研和應用價值。
【附圖說明】
[0028]圖1電離層VTEC值異常檢測方法數(shù)據(jù)處理流程；
[0029]圖2電離層VTEC值異常分布圖；
[0030] 圖3與四分位法電離層VTEC值異常數(shù)量比較圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0032] 以UTC時間2015年2月13日20時06分，北煒22.642°、東經(jīng)121.418°地方的電離層 VTEC異常擾動檢測為例進行說明。圖1為電離層VTEC值異常檢測方法數(shù)據(jù)處理流程。
[0033] (1)選取2015年1月29日至2015年2月13日共計16天初始的VTEC觀測值，表示為： VTECi，l彡i彡16;
[0034] (2)對VTEC觀測值VTECi進行逐個遞推，表示為:VTEC(i):
[0035] (3)計算VTEC觀測值和VTEC濾波值的差值序列Δ i及兩者差值序列的均方差〇,構 建VTEC異常探測統(tǒng)計量；
[0036] (4)根據(jù)VTEC異常探測統(tǒng)計量進行VTEC異常探測與統(tǒng)計分析；
[0037] (5)運用四分位法對VTEC數(shù)據(jù)進行處理，并和本發(fā)明一種電離層VTEC值異常檢測 方法的檢測結果進行比較分析，結果如圖2、3所示。從圖2、3中可以看出，本發(fā)明的電離層 VTEC值異常檢測方法與四分位法檢測結果一致。
[0038]應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下， 還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。本實施例中未 明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術加以實現(xiàn)。
【主權項】
1. 一種電離層VTEC值異常檢測方法，其特征在于:包括w下步驟： (1) 確定觀測序列，數(shù)量為η，選擇觀測序列中初始的VTEC觀測值，表示為:VTECi，1《i《 η，i表示觀測序列中的第i個值； (2) 對VTEC觀測值VTECi進行逐個遞推，表示為:VTEC(i)，遞推方法如下所示： 陽(i)=A(i-l)XP(i-l)XA(i-l)'+Q(i-l) (1) 式（1)中，2《i，表示從第2個觀測值開始遞推;A表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，A的初始值設為1， 即A(1) = 1;Q表示系統(tǒng)噪聲矩陣，Q的初始值設為1，即Q(1) = 1;PE表示預報誤差矩陣，PE的 初始值同樣設為1，即PE(1) = 1;P表示遞推的均方誤差矩陣，P的初始值同樣設為1，即P(l) =1； H(i)=陽（i)XC(i-l)' X(C(i-l)X陽（i)XC(i-l)'+R(i-l)廠1 (2) 式(2)中，Η表示增益矩陣，H(2)=陽(2)XC(1)' X(C(1)X陽(2)XCα)'+Rα))-l;C表 示量測矩陣，C的初始值設為1，即C(1) = 1;R表示測量噪聲矩陣，R的初始值設為1，即R(l) = 1; VTEC(i)=A(i)XVTEC(i-l)+H(i)X(VTEC 廣 C(i)*A(i)*VTEC(i-l)) (3) 式(3)中，VTEC(i)表示第i個遞推的VTEC值，VTEC康示第i個實際的VTEC值； I = eye(size(H(i)) (4) 式(4)中，eye表示設定單一矩陣，size化(i))表示求矩陣H(i)的維數(shù)； P(i) = (I-H(i)XC(i))XPE(i)巧） (3) 計算VTEC觀測值和VTEC濾波值的差值序列及兩者差值序列的均方差，構建VTEC異 常檢測統(tǒng)計量，計算方法為： Ai = VTEC(i)-VTECi (6) 式(6)中，Δ i即為VTEC異常檢測統(tǒng)計量，它表示VTEC預測值VTEC(i)和VTEC觀測值VTECi 的差值;σ表示A的均方差；(7) 式(7)中，0表示Δ的均方差，η表示VTEC觀測序列的數(shù)據(jù)量； 將A作為統(tǒng)計量，進行電離層VTEC異常統(tǒng)計。取Δ加上k倍的0為異常探測范圍的上邊 界，Δ減去k倍的σ為下邊界，其中k為探測系數(shù);確定了VTEC異常探測上下邊界就可W最終 確定VTEC異常值，其中，VTEC觀測值大于上邊界則稱為上邊界異常；同樣，觀測值小于下邊 界則稱為下邊界異常，上下邊界的計算如式(8)、（9)所示：公式(8)、（9)中，vtecs表示VTEC上邊界，vtecx表示VTEC下邊界，k表示探測系數(shù)，這表示 對A取平均值； (4) 利用VTEC異常探測統(tǒng)計量，依據(jù)VTEC上邊界和下邊界進行VTEC異常探測與統(tǒng)計分 析。
【文檔編號】G06F17/18GK106096311SQ201610478085
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】王新志, 柯福陽, 孫慧莉
【申請人】南京信息工程大學