基于S-G滤波和小波变换的电离层扰动特性分析方法与流程

本发明专利属于磁暴期间电离层扰动分析领域，具体涉及一种基于savitzky-golay滤波和小波变换的磁暴期间电离层扰动特性分析方法。

背景技术：

1、常见的磁暴期间电离层扰动探测分析方法是将磁暴期间的总电子含量序列与以地磁活动平静期的tec序列进行对比，只针对空间上的传播特征进行分析该方法有以下不足，如中国专利(cn112666575a)公开的一种基于北斗geo卫星的电离层异常扰动探测方法中所提出的扰动探测方法，该方法存在着以下缺点：

2、1、时域扰动特性分析不足：传统的分析方法对磁暴期间电离层扰动的分析大多停留在扰动值的大小以及正负相特征，以及在空间尺度下的传播特性分析，对磁暴期间电离层扰动的时域特性缺少足够的分析，未能体现出磁暴期间电离层扰动变化的频谱特征。

3、2、时间尺度单一：地磁活动剧烈时，电离层受地磁活动影响明显，其扰动变化特性应存在各种尺度，传统的分析方法不能反应出其在不同尺度下的变化特性。

4、3、需要数据支撑：目前对磁暴期间电离层扰动的探测与分析方法需要已知数据作为背景支撑，无法实现轻量化计算分析的效果。

5、为了解决上述问题，本文提出基于s-g滤波和小波变换的电离层扰动特性分析方法。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供的是一种基于savitzky-golay滤波(简称s-g滤波)和小波变换的磁暴期间电离层扰动特性分析方法，利用磁暴期间北斗系统的静止轨道卫星观测值估计得到的vtec值，基于s-g滤波方法获取背景值进而获得扰动序列，并利用小波变换法对扰动时域上的频谱特征进行分析。

2、为了达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现的：一种基于s-g滤波和小波变换的电离层扰动特性分析方法，具体包括以下步骤：

3、s1、根据非差非组合ppp法先获取电离层延迟量，其观测模型如下：

4、

5、其中，i1与i2为待估的电离层参数，式中，和则为对应路径下l1和l2频率下的伪距观测值，代表卫星和接收机间对应的距离，c代表光速，τi为对应卫星的钟差，τj则为对应接收机的钟差，ε1则为伪距观测值的观测噪声；和分别为l1和l2频率下的载波相位观测值，n1和n2分别为l1和l2频率下载波相位观测值的整周模糊度，ε2为和的观测噪声。其余各符号具体表达式如下：

6、

7、其中，f1和f2频率为对应的频率，bs和br分别为卫星和接收机不同频率下得差分码偏差。

8、再去除该结果中所包含的dcb信息，经过具体的参数解算，可以得到电离层延迟模型如下：

9、

10、式中，即为非差非组合ppp解算的电离层延迟至，i1为f1频率下的接收机到卫星视线的实际电离层延迟量；dcbr和则为北斗系统信号接收机的dcb以及卫星端的dcb；

11、得到电离层延迟量后，根据电离层延迟量与信号频率的关系获得stec序列，再根据单层投影函数模型获得vtec原始序列；

12、投影函数模型如下：

13、

14、其中，stec为斜路径总电子含量，vtec为垂直方向总电子含量。选取了最简单的单层模型如下：

15、

16、其中，cosz为测站的天顶距。

17、s2、对步骤1得到的vtec原始序列进行两次s-g滤波处理，两次滤波的窗口大小分别为t1和t2，t1、t2均为预设值；t1的值为12.5分钟，该时间是基于中尺度电离层行扰通常情况下的持续时间所得；t2的值为240分钟，该时间是基于大尺度电离层行扰通常情况下的持续时间小于4小时所得；其中，s-g滤波的函数模型如下：

18、

19、其中，表示滤波计算后所得的趋势项，在s-g滤波模型中，式中，ai为滤波系数，na、nb分别为当前历元前后的历元个数，即滑动窗口大小；

20、vtec扰动计算模型如下：

21、dvtecs-g＝vtect1-vtect2

22、其中，vtect1为第一次对vtec值根据第一次滤波窗口t1进行滤波计算所得到的序列，vtect2为vtect1根据第二次滤波窗口t2进行滤波计算所得到的序列，dvtecs-g为得到的对应的vtec扰动序列，其中下标s-g代表s-g滤波方法。

23、s3、对步骤2所得的vtec扰动序列采用小波变换的方法进行时频分析，选用了morse小波变换分析得到vtec扰动序列的频谱特征，通过得到的功率谱密度图，可以直接看出在对应天数内，发生的扰动的时间以及其周期、频率等大概范围。

24、本发明的有益效果是：

25、通过充分考虑电离层变化的复杂性，采取两次滤波的方法，考虑了中尺度电离层行扰和大尺度电离层行扰影响，得到的vtec扰动序列更具说服力；

26、本发明针对vtec扰动序列进行时频分析，提出了利用小波变换进行扰动特性分析的方法，与常见的傅里叶变换相比，小波变换具有变换的多样性和灵活的选择性等特点，是一种时间-频率分析方法，适合对包含多种频率成分且为非平稳的信号进行分析处理。它在时域和频域同时具有良好的局部化性质，可以直观体现出在某一时刻(时间段)的频率信息。因此，利用小波变换，能更直观地反映出磁暴期间电离层受地磁活动影响所产生的扰动情况；

27、本发明分析磁暴电离层异常扰动的时域特性，将电离层扰动的频谱特性与地磁活动紧密联系在一起，为磁暴期间的电离层异常研究提供了新思路与理论支撑。

技术特征：

1.一种基于s-g滤波和小波变换的电离层扰动特性分析方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于s-g滤波和小波变换的电离层扰动特性分析方法，其特征在于，所述的s1中根据非差非组合ppp法先获取电离层延迟量，其观测模型如下：

3.根据权利要求1所述的一种基于s-g滤波和小波变换的电离层扰动特性分析方法，其特征在于，所述的s1中投影函数模型如下：

4.根据权利要求1所述的一种基于s-g滤波和小波变换的电离层扰动特性分析方法，其特征在于，所述的s2中t1的值为12.5分钟，该时间是基于中尺度电离层行扰通常情况下的持续时间所得；t2的值为240分钟，该时间是基于大尺度电离层行扰通常情况下的持续时间小于4小时所得。其中，s-g滤波的函数模型如下：

5.根据权利要求1所述的一种基于s-g滤波和小波变换的电离层扰动特性分析方法，其特征在于，所述的s4中选用了morse小波变换分析得到vtec扰动序列的频谱特征，具体模型如下：

技术总结
本发明设计公开了基于S‑G滤波和小波变换的电离层扰动特性分析方法，利用磁暴期间北斗系统的静止轨道卫星观测值估计得到的VTEC值，基于S‑G滤波方法获取背景值进而获得扰动序列，并利用小波变换法对扰动时域上的频谱特征进行分析。相较于传统的磁暴期间电离层扰动探测方法，本发明减少了计算的复杂度，同时创新性地采用小波变换的方法对扰动的时频特征进行分析，为磁暴期间电离层异常和扰动的研究提供了新方法。

技术研发人员：王友昆,丁仁军,张君华,董国桥,魏保峰,寸寿才,赵文东,张宇琳,唐秀娟,胡伟清
受保护的技术使用者：昆明市测绘研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13