一种基于经验正交函数的实时电离层TEC建模方法技术

本发明专利技术公开了空间技术领域的一种基于经验正交函数的实时电离层TEC建模方法。其技术方案是，基于历史TEC数据，将其按年积日、世界时、经度和纬度划分为四维，按年积日取平均值，并对历史TEC数据进行距平化；对距平化后的历史TEC数据进行经验正交分解，分解成反映年积日变化系数部分和反映世界时、经度与纬度的基函数部分；利用实时观测的TEC数据，通过基函数插值获取实时观测数据对应的基函数，并与实时TEC数据拟合获得实时的系数；最后，通过获取的实时系数与历史的基函数构建实时的电离层TEC模型。本发明专利技术的有益效果是，通过对历史TEC数据的统计分析，利用实时TEC数据驱动，构建的电离层TEC模型具有收敛速度快，实时性好和准确度高的特点，为空间天气事件的监测提供重要的技术支撑，同时在电离层理论研究与卫星导航定位修正应用研究方面都具有重要的价值。修正应用研究方面都具有重要的价值。修正应用研究方面都具有重要的价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于经验正交函数的实时电离层TEC建模方法


[0001]本专利技术提出了一种基于经验正交函数的实时电离层TEC建模方法，其适用于电离层TEC建模设计领域。

技术介绍

[0002]电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)作为描述电离层变化、状态和结构的重要参量之一，在电离层物理基础研究与卫星导航定位应用研究领域中均受到了广泛的关注。研究电离层TEC的时空变化规律，建立高精度的电离层TEC模型在科学研究与工程应用方面均具有重要的价值。
[0003]电离层TEC模型根据预报方法建立的基础可以分为理论模型与经验模型。经验模型主要包括Klobuchar模型、NeQuick模型、国际参考电离层(International Reference Ionosphere,IRI)模型等。Klobuchar模式是全球定位系统(Global Positioning System,GPS)单频接收机用户广泛使用的电离层延迟修正模式，NeQuick模型是Galileo系统广播星历采用的电离层改正模型，两种模型的修正精度在50～70％左右。IRI模型是国际无线电科学联合会利用大量的地面相关观测资料，并结合长期累积的电离层研究成果建立的电离层经验模式，是应用最广的电离层模拟方法之一。由于IRI是一种统计预报模式，主要反映电离层的平均状态，在实际预报中难以反映电离层的瞬时变化，利用IRI模型计算的电离层TEC依然存在一定的误差。为了提高电离层TEC经验模型的实时性和准确性，我们提出了一种基于经验正交函数的实时电离层TEC建模方法，该方法通过对历史TEC数据的统计分析，利用实时TEC数据驱动，具有收敛速度快，实时性好和准确度高的特点，为空间天气事件的监测提供重要的技术支撑，同时为后续电离层科学研究与卫星导航定位修正提供可靠的数据保障。

技术实现思路

[0004]针对上述已有电离层TEC经验模型中存在的不足，本专利技术提出了一种基于经验正交函数的实时电离层TEC建模方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
[0005]步骤1：基于历史TEC数据，将其按年积日、世界时、经度和纬度划分为四维，按年积日取平均值，并对历史TEC数据进行距平化；
[0006]步骤2：对距平化后的历史TEC数据进行经验正交分解，分解成反映年积日变化系数部分和反映世界时、经度与纬度的基函数部分；
[0007]步骤3：利用实时观测的TEC数据，通过基函数插值获取实时观测数据对应的基函数，并与实时TEC数据拟合获得实时的系数；
[0008]步骤4：通过步骤3获取的实时系数结合历史的基函数构建实时的电离层TEC模型。
[0009]步骤1中，按年积日取平均值的公式是：
[0010][0011]其中，为第i个时刻、第j个地理经度和第k个地理纬度所有年积日垂直TEC的平均值，t表示年积日，N表示年积日的最大数，表示第t个年积日、第i个时刻、第j个地理经度和第k个地理纬度时的垂直TEC值。
[0012]距平化的计算公式：
[0013][0014]表示第t个年积日、第i个时刻、第j个地理经度和第k个地理纬度时的距平化后的垂直TEC值。
[0015]步骤2中，历史距平化后的TEC数据经验正交分解的公式：
[0016][0017]其中，为距平化后的垂直TEC，t，i，j和k分别表示第t个年积日、第i个时刻、第j个地理经度和第k个地理纬度，l表示拟合的阶数，M表示总的阶数，表示经验正交分解后的第l阶系数，表示经验正交分解后的第l阶基函数。
[0018]步骤3：通过实时数据拟合系数的计算公式为：
[0019][0020]为第p个年积日、第i个时刻、第j个地理经度和第k个地理纬度上实时观测的垂直TEC，为第i个时刻、第j个地理经度和第k个地理纬度所有年积日垂直TEC的平均值，为第i个时刻、第j个地理经度和第k个地理纬度上插值后的第l阶基函数，为第p个年积日实时拟合获得第l阶系数。
[0021]步骤4：构建实时电离层TEC模型的计算公式为：
[0022][0023]为通过实时数据构建获得的第p个年积日、第i时刻、第j个地理经度和第k个地理纬度上的垂直TEC，为第i时刻、第j个地理经度和第k个地理纬度所有年积日垂直TEC的平均值，为第p个年积日实时拟合的第l阶系数，表示经验正交分解后的第l阶基函数。
[0024]本专利技术的有益效果是，基于经验正交函数的实时电离层TEC建模方法可以利用实时TEC数据驱动，具有快速地、准确地构建区域电离层TEC模型的特点，在空间天气事件的监测、电离层科学研究和卫星导航定位修正等方面有重要的应用价值。
附图说明
[0025]图1是本专利技术提供的方法计算的历史TEC数据在世界时00:00、06:00和12:00时的平均值分布。
[0026]图2是本专利技术提供的方法计算的历史TEC数据1～4阶基函数在世界时00:00时的分布。
[0027]图3是本专利技术提供的方法计算的历史TEC数据1～4阶系数和太阳活动F10.7指数在1998～2010年期间的分布。
[0028]图4是本专利技术提供的方法利用实时数据构建的电离层TEC模型在世界时02:00时的分布。
具体实施方式
[0029]下面结合附图，对优选的实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本专利技术的范围及其应用。
[0030]以某机构1998～2010年某区域电离层TEC数据为历史TEC数据，以某观测网2014年9月28日观测的GNSS
‑
TEC作为实时观测数据，执行以下步骤：
[0031]步骤1：以第1个时刻、第1个经度和第1个纬度的所有年积日的垂直TEC计算平均值为例，
[0032][0033][0034]其中N＝4596，计算得到的为8.13。
[0035]以第1个时刻、第1个经度和第1个纬度前5个年积日的垂直TEC为例，距平化的结果如下：
[0036][0037][0038][0039][0040][0041][0042]图1显示本专利技术提供的方法计算的历史TEC数据在世界时00:00、06:00和12:00时的平均值分布。
[0043]步骤2：以第1个时刻、第1个经度、第1个纬度、第2个年积日的垂直TEC为例，距平化后的TEC数据进行经验正交分解：
[0044][0045][0046][0047][0048]其中，M为经验正交分解的总阶数，其值为4596，现取M＝5为例，
[0049]图2显示本专利技术提供的方法计算的历史TEC数据1～4阶基函数在世界时00：00时的分布。
[0050]图3显示本专利技术提供的方法计算的历史TEC数据1～4阶系数和太阳活动F10.7指数在1998～2010年期间的分布。
[0051]步骤3：以某观测网2014年9月28日(年积日为271)第1个世界时、第12个地理经度和第18个地理纬度上实时观测数据为例，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于经验正交函数的实时电离层TEC建模方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1：基于历史TEC数据，将其按年积日、世界时、经度和纬度划分为四维，按年积日取平均值，并对历史TEC数据进行距平化；步骤2：对距平化后的历史TEC数据进行经验正交分解，分解成反映年积日变化系数部分和反映世界时、经度与纬度的基函数部分；步骤3：利用实时观测的TEC数据，通过基函数插值获取实时观测数据对应的基函数，并与实时TEC数据拟合获得实时的系数；步骤4：通过步骤3获取的实时系数结合历史的基函数构建实时的电离层TEC模型。2.根据权利要求1所述的一种基于经验正交函数的实时电离层TEC建模方法，其特征在于，所述步骤1中，按年积日取平均值的公式是：其中，为第i个时刻、第j个地理经度和第k个地理纬度所有年积日垂直TEC的平均值，t表示年积日，N表示年积日的最大数，表示第t个年积日、第i个时刻、第j个地理经度和第k个地理纬度时的垂直TEC值。距平化的计算公式：距平化的计算公式：表示第t个年积日、第i个时刻、第j个地理经度和第k个地理纬度时的距平化后的垂直TEC值。3.根据权利要求1所述的一种基于经验正交函数的实时电离层TEC建模方法，其特征在于，步骤2中，历史距平化后的TEC数据经验正交分解的公式：其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊波，李雨逍，王雨晴，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：