[发明专利]基于奇异谱分析的电离层异常探测方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于地球物理领域，具体涉及一种基于奇异谱分析的电离层异常探测方法及系统。

背景技术

太阳的极紫外辐射和X射线的电离作用以及太阳风和高能粒子射线的撞击作用，在地球高层大气中产生了大量的自由电子和离子，在60～2000km高度范围内形成了电离层。电离层异常是指电离层的电子密度、峰值高度等物理特征偏离其常规形态的特殊变化。地震、磁暴、海啸、火山喷发等因素都有可能导致电离层异常。确定电离层异常的出现时间，对于探索磁暴在空间天气变化中的传播过程、地震和海啸与电离层之间的相互作用的研究至关重要。由于电离层变化受太阳活动、地球自转和公转、地磁条件等多种因素的影响，因此电离层变化具有很强的周期性，在电离层异常探测时需要将电离层的正常周期变化排除。而目前国际上电离层异常探测的方法如时间序列法、四分位法以及二阶差分法等，都是基于短时间的电离层趋势变化，没有考虑电离层的常规周期变化，因此异常探测精度不够理想。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于奇异谱分析的电离层异常探测方法及系统，能够排除背景场时间段与异常探测时间段地球外界环境不同造成的干扰，有效探测电离层异常信息。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于奇异谱分析的电离层异常探测方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、获取电离层历史观测数据ION；

S2、利用奇异谱分析法得到电离层正常变化成分ION_main；

S3、基于电离层平静时期计算正常背景噪声ε；

S4、根据ION_main和ε，得到电离层观测数据ION的正常变化范围；

S5、当实际电离层观测数据超出电离层观测数据ION的正常变化范围时，视为电离层异常。

按上述方法，所述的S2具体为：

选取电离层历史观测数据，时间序列x＝[x₁,x₂,x₃,..x_N]，将其进行中心化处理后，按照相同的序列延迟排列得到

其中，N为时间序列长度，M为嵌入维数；

矩阵X的第i个状态向量为

(1)式的变量间协方差是原时间序列x不同滞后的自协方差，构造滞后自协方差阵T_x

T_x是Toeplitz矩阵，其主对角线元素是时间序列x的方差；C(j)为时间序列x迟后为j的自协方差，0≤j≤M-1，用Yule–Walke估计法得到

然后根据公式

T_xE^k＝λ_kE^k,k＝1,2,3…,M(5)，

求得T_x的特征值λ_k和特征向量E^k；

定义状态向量X_i在第K个特征向量上的投影为：

由其中一部分特征向量和时间系数来重建x的成分

将T_x的特征值λ_k从大到小排列，截取前p个较大的特征值，由其所对应的x^k之和重建出反映原时间序列的整体特征，即

提取ION中对应公式(8)的时间序列y作为电离层正常变化成分ION_main。

按上述方法，所述的S4中，取2倍ε作为上下限值，得到电离层观测数据ION的正常变化范围：

以up和low作为ION序列变化的上下界。

一种基于奇异谱分析的电离层异常探测系统，其特征在于：它包括：

数据获取模块，用于获取历史电离层观测数据ION；

数据滤波模块，用于利用奇异谱分析法得到电离层正常变化成分ION_main；

背景噪声计算模块，用于基于电离层平静时期计算正常背景噪声ε；

电离层观测数据正常变化范围确定模块，用于根据ION_main和ε，得到电离层观测数据ION的正常变化范围；

电离层异常判断模块，用于当实际电离层观测数据超出电离层观测数据ION的正常变化范围时，视为电离层异常。

按上述系统，所述的数据滤波模块具体为：