一种基于卫星观测的L频段全球电离层闪烁指数建模方法与流程

本发明属于太空环境态势感知领域，特别涉及该领域中的一种基于卫星观测的l频段全球电离层闪烁指数建模方法。

背景技术：

1、电离层中的电子密度不均匀性可以引起介电常数和折射指数发生随机起伏，当电波在这样的随机介质中传播时，传播路径和传播时间会发生变化，使得信号相位在接收天线处发生干涉，造成接收信号出现振幅和相位快速起伏的现象，这种现象被称为电离层闪烁(ionospheric scintillation)。

2、针对卫星通信系统应用，电离层闪烁将导致信号幅度的衰落，使信道的信噪比下降，误码率上升，严重时使卫星通信链路中断。针对卫星导航系统应用，电离层闪烁从两个方面降低了卫星导航系统的精度：一是幅度闪烁引起卫星信号的载噪比变差。卫星导航系统的测距误差与信号的载噪比有关，载噪比下降，会增加卫星导航系统的伪距测量误差，降低卫星导航系统的定位精度。二是相位闪烁会引入随机的相位误差，从而使基于载波相位测量的定位精度下降，甚至出现信号中断。针对天基监视系统应用，电离层闪烁会引起sar空间目标回波幅度和相位的随机变化，严重恶化目标的图像质量，在距离向上引起目标图像的平移；在方位向上引起目标的主瓣展宽，旁瓣强度增加，对方位距离分辨率的影响严重。

3、目前，全球电离层可以获取到的观测数据正日益增多。但受太阳、地磁、中性气体成分和电离成分综合作用的影响，电离层闪烁发生的时间和空间变化规律非常复杂。如何找到控制电离层闪烁指数的关键控制参量，并以这些关键控制参量为输入，利用大规模的天基掩星观测资料，构建出最优化的数学模型，对电离层闪烁指数的时间和空间变化特征加以准确地描述，是电离层闪烁建模过程中面临的主要难题。目前电离层闪烁指数的建模主要基于地基gnss接收机获取的资料，由于观测资料分布不均匀，且缺乏对海洋上空的有效观测数据，难以准确表征全球电离层闪烁的变化。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于卫星观测的l频段全球电离层闪烁指数建模方法。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种基于卫星观测的l频段全球电离层闪烁指数建模方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

4、步骤1，太阳和地磁指数的获取：

5、步骤11，下载2007年至2019年的太阳f10.7a、地磁指数kp和地磁指数dst；

6、步骤12，把太阳f10.7a、地磁指数kp和地磁指数dst按照时间依次递增的顺序进行排列；

7、步骤13，将太阳f10.7a、地磁指数kp以及地磁指数dst的缺失值置为nan；

8、步骤14，利用三次样条插值方法，对缺失值nan进行插值补缺；

9、步骤15，计算太阳活动指数f10.7p：

10、f10.7p＝(f10.7+f10.7a)/2

11、上式中，f10.7表示10.7厘米射电辐射通量，f10.7a表示81天f10.7的滑动平均值；

12、步骤16，输出观测时刻、太阳活动指数f10.7p、地磁指数kp、地磁指数dst并存储到文本文件中；

13、步骤2，掩星闪烁观测资料的获取与预处理：

14、步骤21，下载2017年至2019年cosmic电离层闪烁指数scnlv1观测资料；

15、步骤22，从闪烁指数剖面中，提取观测时刻、切点纬度、经度、高度坐标和电离层闪烁指数s4最大值s4max；

16、步骤23，通过将三维地理分布掩星切点的s4max积分投影至二维地理分布，将cosmic卫星的s4max闪烁指数转化为地面闪烁，转化方式如下：

17、

18、上式中，s4，max，horizontal为cosmic射线路径上观测的电离层闪烁指数s4最大值，s4，vertical为投影后的电离层闪烁指数s4，假定p为gnss和掩星之间直线的切点位置，l3表示p与地球中心之间的距离，l2为层厚度，l1是通过p点半径为l3的层多占的切线长度；

19、步骤24，输出掩星参量存储到文本文件中，包括切点经度、纬度坐标、观测时刻和电离层s4，vertical；

20、步骤3，用随机森林算法(random forest，rf)构建全球电离层闪烁指数s4模型：

21、步骤31，将年积日doy、地方时lt、切点经度lon、纬度lat、高度alt、太阳活动指数f10.7p、地磁指数kp和地磁指数dst作为训练输入项；

22、步骤32：计算地方时lt的正、余弦分量，正弦分量lts和余弦分量ltc的计算公式分别为：

23、

24、

25、步骤33，计算年积日doy的正、余弦分量，正弦分量doys和余弦分量doyc的计算公式分别为：

26、

27、

28、步骤34，根据地理纬度，将从90°s至90°n的电离层闪烁指数s4数据，以空间间隔5°划分为71个纬度带，相邻纬度带之间重合2.5°，各纬度带的纬度上、下界分别为：

29、latmin＝-90+(i-1)×2.5

30、latmax＝-90+(i+1)×2.5

31、latmin表示第i个纬度带的下界，latmax表示第i个纬度带的上界；

32、步骤35，将每个纬度带的doys、doyc、lts、ltc、地理纬度lat、地理经度lon、地理高度alt，太阳活动指数f10.7p、地磁指数kp、地磁指数dst作为机器学习的训练输入层，cosmic卫星掩星实际观测的s4，vertical值为输出项；利用随机森林rf算法进行学习，使用五重交叉验证cv方法调整模型超参数；

33、步骤36，选择2014年和2019年的数据集作为测试集，其余年份的数据集作为训练集；

34、步骤37，存储训练好的随机森林网络模型，用于计算电离层闪烁指数s4。

35、进一步的，还包括步骤4，电离层闪烁指数s4计算模型的有效性评估：

36、计算电离层闪烁指数s4观测值与模型预测值之间的均方根误差rmse：

37、

38、上式中，obsi为掩星s4观测值，modi为模型s4预测值，为观测值的均值，n为样本数；

39、计算观测和模型预测的闪烁指数的相关系数r：

40、

41、输出模型有效性评估结果，设定rmse小于0.15，r大于0.8的模型有效。

42、进一步的，在步骤23中，层厚度l2取5km。

43、本发明的有益效果是：

44、本发明所公开的建模方法，以cosmic卫星近一个太阳活动周的数据作为基础，采用随机森林机器学习法对电离层闪烁随地方时、季节、经纬度及太阳地磁活动的变化进行建模，依据训练好的学习网络，建立基于卫星观测的全球l频段电离层闪烁指数经验模型，可为地-空无线电信息系统穿越电离层环境的链路设计提供模型支撑。

技术特征：

1.一种基于卫星观测的l频段全球电离层闪烁指数建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述基于卫星观测的l频段全球电离层闪烁指数建模方法，其特征在于，还包括步骤4，电离层闪烁指数s4计算模型的有效性评估：

3.根据权利要求1所述基于卫星观测的l频段全球电离层闪烁指数建模方法，其特征在于：在步骤23中，层厚度l2取5km。

技术总结
本发明公开了一种基于卫星观测的L频段全球电离层闪烁指数建模方法，包括如下步骤：步骤1，太阳和地磁指数的获取：步骤2，掩星闪烁观测资料的获取与预处理：步骤3，用随机森林算法构建全球电离层闪烁指数S4模型。本发明所公开的建模方法，以COSMIC卫星近一个太阳活动周的数据作为基础，采用随机森林机器学习法对电离层闪烁随地方时、季节、经纬度及太阳地磁活动的变化进行建模，依据训练好的学习网络，建立基于卫星观测的全球L频段电离层闪烁指数经验模型，可为地‑空无线电信息系统穿越电离层环境的链路设计提供模型支撑。

技术研发人员：欧明,陈龙江,王妍,吴家燕,陈亮,王志钢,陈丽,郭珊,刘钝,董翔,朱庆林,甄卫民
受保护的技术使用者：中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所）
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19