[发明专利]一种电离层TEC异常探测的方法

说明书

本发明公开了一种电离层TEC异常探测的方法，主要步骤包括组成电离层TEC时间序列，利用SSA进行分解重构计算背景值，将背景值和观测值之差的绝对值采用滑动四分位距法计算出探测当天各个时刻的限差值，进而计算出探测当天的上限值和下限值。采用奇异谱分析按天进行滑动计算其他各天的电离层TEC异常。本发明基于滑动奇异谱分析方法，对电离层TEC异常探测，既考虑了探测时刻电离层TEC的背景值，又将时间序列观测值和背景值之差的绝对值用传统滑动四分位距法计算当天每个时刻的上限值和下限值，利用滑动四分位距法所具有的稳健统计数学特征，电离层TEC异常探测结果的准确度与精确度大幅提高，具有普适特性。

技术领域

本发明涉及一种电离层TEC异常探测的方法，特别涉及一种运用滑动奇异谱分析方法进行电离层TEC异常探测的方法。

背景技术

电离层(Ionosphere)是地球大气的一个电离区域。由于受到地球以外射线尤其是太阳辐射对中性原子和空气分子的电离作用，距地表60km以上的地球大气层处于部分电离或完全电离的状态。部分电离的大气区域是电离层，完全电离的区域称为磁层。电离层中存在大量自由电子和离子，因此具有特殊的物理化学性质。自由电子的生成、移动和自由电子的中和导致电离层复杂的物理机制。电离层是在不断运动变化着，表征电离层变化的主要参数是电离层电子总含量(TEC)。

通常，电离层TEC具有固定周期变化规律，部分区域在受到外部因素影响的时候会产生异常变化。

电离层TEC异常是受多种因素影响的结果，例如太阳黑子、地磁变化、以及大地震或火山爆发之前的一些地球物理因素作用等。在许多灾害现象发生之前曾观测到过电离层异常，因此电离层TEC异常与很多地球物理现象有关，例如在1964年阿拉斯加大地震首次发现了地震—电磁效应。此后很多地震研究中都发现了此现象。实验也证实了火山爆发可以影响电磁场，St.Helens火山爆发分析结果显示火山爆发产生一个强烈振荡的磁场，在事件发生1-2小时后也能观察到一个大尺度磁场扰动。硫磺矿火山爆发后观测到明显的电离层异常。

由于一些大的地球物理活动之前，会出现电离层TEC异常，因此对电离层TEC异常探测具有十分重要的意义。近年来，卫星观测技术广泛应用于电离层TEC数据的获取，使得电离层TEC数据获取的时效性和获取精度获得了极大提高，为电离层TEC异常探测提供了数据基础。典型的异常探测方法有平均值法、中位数法、滑动均值法、滑动四分位法等。

其中，平均值法和中位数法属于静态探测方法，其对照及检测的资料在时间上已经覆盖了时间点之前和之后的效应，未能剔除样本数据中的异常数据，使得计算的背景值很不合理。而滑动均值法是在平均值法的基础上加以改进，它通过选取适当的滑动窗口，计算该窗口下的均值和标准差，以均值为背景值，k倍标准差作为检查依据，这样滑动探测的结果显得更为合理。滑动四分位法与滑动均值法类似，首先选取适当的滑动时间窗口，将该窗口下相同时刻的TEC值从小到大排列并分为四等分，其等分点依次表示为Q1、Q2、Q3，则四分位距值IQR＝Q3-Q1，Q2作为该窗口下的TEC背景值，取相应的k倍四分位距值作为异常检验边界，这样探测的结果具有很高的置信度。因此，这种方法也是目前应用最广泛的方法。

随着研究的深入，许多学者也在探讨更为合理的异常探测方法，例如时间序列法(ARIMA模型)、卡尔曼滤波等方法。

发明内容

本发明的目的是，提供一种操作简便，具有较高准确度与精确度的电离层TEC异常探测的普适性方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种电离层TEC异常探测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，以探测日当天为时间起点，沿历史日期方向确定时间终点的原则，以一个连续的P天时间段为一个探测周期，构造一个探测地点上空的电离层TEC时间序列{x_N}；

上述电离层TEC时间序列中的x表示不同N值下的电离层TEC值，N为正整数，表示小时数；