[发明专利]一种电离层TEC异常探测的方法

摘要

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。

主权项

1.一种电离层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{xN}；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；第二步，采用奇异谱分析方法，对所构造的电离层TEC时间序列，按以下步骤进行分析，以计算出电离层TEC时间序列背景值：(1)、嵌入步骤，具体方法为，将所构造的电离层TEC时间序列{xN}转化成轨迹矩阵X；即，将这一包含有P天，计24P小时数的一维电离层TEC时间序列{xN}映射成嵌入维数为L的多维的轨迹矩阵X中，得到下式(1)：上式(1)中：X表示轨迹矩阵；N＝24P；L为轨迹矩阵的嵌入维数，选择Q天，即小时数为24Q；(2)、经验正交函数分解步骤，具体方法为，先通过上述的轨迹矩阵X计算协方差函数矩阵C，得到如下式(2)所表示的C中元素：上式(2)中：cij为轨迹矩阵X的协方差函数矩阵C里面的元素；i，j均分别小于或者等于L的正整数；即，均为小于或者等于24Q的正整数；上述k＝|i‑j|；然后，分别计算出协方差函数矩阵C的特征值λ和与λ对应的特征向量v；并将计算出的λ值按从大到小的顺序，各特征向量v与各自对应的λ一一对应的原则，进行排列；即：λ1≥λ2≥…≥λL和此顺序下对应的特征向量v1，v2，…，vL；最后，计算上述矩阵X的正交函数分解，得到下式(3)：上式(3)中：i＝1，2，…N‑L+1；j＝1，2，…L；v(d，j)是为C的特征向量的集合，即时间经验正交函数；y(i，d)是为与C的特征向量的集合对应的时间主成分集合；(3)、重建电离层TEC时间序列，以得到所探测的电离层TEC背景值；具体方法如下：首先，使用上述的时间主成分集合和时间经验正交函数，按下式(4)重建电离层TEC时间序列的原序列及其部分原序列：上式(4)中：d表示重建的电离层TEC时间序列的第d个重建成分；i为小于等于24P的正整数；然后，以重构向量特征值贡献率达到98％以上为标准，确定重构阶次R；并利用重建成分的前R项进行重构，最初的时间序列{x_N}，通过进行重建，此时L＝R重建得到探测的电离层TEC背景值{T_N}；第三步，采用滑动四分位距法，按以下步骤计算当天的限差值：①.将探测得到的TEC背景值{TN}与实测值{xN}做差，得到残差{ΔN}并统计残差绝对值{|ΔN|}；上述N为小于等于24P的正整数；②.将残差绝对值按滑动四分位距法探测当天每个时刻的限差值，即滑动四分位距法的滑动窗口选择为24探测每个时刻的限差，将残差绝对值新的序列按从小到大排列，得到新序列{Δ’i}；上述序列{Δ’i}中，i为小于或者等于P的正整数；然后，将序列{Δ’i}分成四等分，各等分点依次表示为Q1、Q2和Q3，用[]表示整数部分，得到下式(5)如下IQR＝Q3‑Q1  (6)；上式(6)中：IQR为中位数；③.按下式(7)计算出当天单个时刻的限差值εε＝Q2+3*IQR  (7)；采用滑动四分位距法，依次计算当天24小时每个时刻的限差值，得到当天每个时刻的限差值序列{εj}；上述限差值序列{εj}中，j表示当天的时刻，即小于或者等于24的正整数；第四步，按下式(8)计算出当天电离层TEC异常的上限值与下限值：上式(8)中：l1j和l2j分别表示当天24小时电离层TEC异常的上限值与下限值；j表示当天的时刻，即小于或者等于24的正整数；第五步，按天滑动，依次按上述第一步至第四步计算出探测地点的前一天及之前的电离层TEC异常的上限值与下限值，判断电离层TEC异常值。