一种电离层vtec值异常检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种电离层VTEC值异常检测方法，包括以下步骤：确定观测序列，数量为n，选择观测序列中初始的VTEC观测值，表示为：VTECi，1≤i≤n，i表示观测序列中的第i个值；对VTEC观测值VTECi进行逐个递推，表示为：VTEC(i)，计算VTEC观测值和VTEC滤波值的差值序列及两者差值序列的均方差，构建VTEC异常检测统计量；利用VTEC异常探测统计量，依据VTEC上边界和下边界进行VTEC异常探测与统计分析。本发明方法计算简单，可以方便、快捷地通过编程实现VTEC值的异常检测，具有较高的科研和应用价值。
【专利说明】
一种电离层VTEC值异常检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电离层应用研究领域，是一种电离层VTEC值异常检测方法。
【背景技术】
[0002] 在地面上空60~2000km的大气层区域有大量的自由电子存在，这些自由电子形成 了地球的电离层。电离层是人类生存的近地空间环境的一部分，它能够保护地球上的生物 免受太阳紫外辐射和宇宙高能粒子的直接作用，对穿过其中的无线电波会产生反射、散射、 吸收和折射等效应，与人类活动息息相关。当电磁波入射进入电离层时，电磁波会受到反射 和折射的影响进而产生电离层延迟，对于现代无线电工程系统和人类的空间活动都有着重 要的影响。
[0003] 电离层VTEC异常作为一种地震、台风、暴雨等自然灾害的前兆信息研究倍受关注， 研究地震、台风、暴雨等自然灾害与电离层VTEC之间的耦合关系，需要选择VTEC异常探测方 法对电离层VTEC进行异常探测、分析。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对电离层VTEC值的异常检测，提出了一种电离层VTEC值异常检 测方法。
[0005] 本发明采用的技术方案为:一种电离层VTEC值异常检测方法，包括以下步骤：
[0006] (1)确定观测序列，数量为η，选择观测序列中初始的VTEC观测值，表示为:VTECi，1 表示观测序列中的第i个值；
[0007] (2)对VTEC观测值VTECi进行逐个递推，表示为:VTEC( i )，递推方法如下所示：
[0008] PE(i)=A(i-l) XP(i-l) XA(i-l)^0(1-1) (1)
[0009] 式（1)中，2<i，表示从第2个观测值开始递推;A表示状态转移矩阵，A的初始值设 为1，即A(1) = 1; Q表示系统噪声矩阵，Q的初始值设为1，即Q(1) = 1; PE表示预报误差矩阵， PE的初始值同样设为1，即PE(1) = 1 ;P表示递推的均方误差矩阵，P的初始值同样设为1，即P (1) = 1；
[0010] H(i)=PE(i) X0(1-1)7 X (C(i-1) XPE(i) XC(i-1 )7+R(i-1))_1 (2)
[0011] 式(2)中，H表示增益矩阵，H⑵=PE⑵XC(l)/X(C⑴XPE⑵XC⑴/+R(l))- l; C表示量测矩阵，C的初始值设为1，即C(1) = 1; R表示测量噪声矩阵，R的初始值设为1，即R (1) = 1〇
[0012] VTEC(i)=A(i) XVTEC(i-l)+H(i) X (VTECi-C(i)*A(i)*VTEC(i-l)) (3)
[0013 ] 式(3)中，VTEC (i)表示第i个递推的VTEC值，VTECi表示第i个实际的VTEC值。
[0014] I = eye(size(H(i)) (4)
[0015] 式(4)中，eye表示设定单一矩阵，size (H(i))表示求矩阵H(i)的维数。
[0016] P(i) = (I-H(i) XC(i)) XPE(i) (5)
[0017] (3)计算VTEC观测值和VTEC滤波值的差值序列及两者差值序列的均方差，构建 VTEC异常检测统计量，计算方法为：
[0018] Ai = VTEC(i)-VTECi (6)
[0019] 式(6)中，Δ i即为VTEC异常检测统计量，它表示VTEC预测值VTEC⑴和VTEC观测值 VTECi的差值;σ表示Δ的均方差。
[0021 ] 式(7)中，σ表示Δ的均方差，η表示VTEC观测序列的数据量。
[0022] 将△作为统计量，进行电离层VTEC异常统计。取△加上k倍的〇为异常探测范围的 上边界，Α减去k倍的 〇为下边界，其中k为探测系数。确定了VTEC异常探测上下边界就可以 最终确定VTEC异常值，其中，VTEC观测值大于上边界则称为上边界异常；同样，观测值小于 下边界则称为下边界异常，上下边界的计算如式(8)、（9)所示：
[0023] viec.. -A + k- σ (8)
[0024] vl(x\ = h-k'Cr (' 9 '>
[0025] 公式(8)、（9)中，vtecs表示VTEC上边界，vtecx表示VTEC下边界，k表示探测系数，A 表示对A取平均值。
[0026] (4)利用VTEC异常探测统计量，依据VTEC上边界和下边界进行VTEC异常探测与统 计分析。
[0027]有益效果:本发明方法计算简单，可以方便、快捷地通过编程实现VTEC值的异常检 测，具有较高的科研和应用价值。
【附图说明】
[0028]图1电离层VTEC值异常检测方法数据处理流程；
[0029]图2电离层VTEC值异常分布图；
[0030] 图3与四分位法电离层VTEC值异常数量比较图。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0032] 以UTC时间2015年2月13日20时06分，北炜22.642°、东经121.418°地方的电离层 VTEC异常扰动检测为例进行说明。图1为电离层VTEC值异常检测方法数据处理流程。
[0033] (1)选取2015年1月29日至2015年2月13日共计16天初始的VTEC观测值，表示为： VTECi，l彡i彡16;
[0034] (2)对VTEC观测值VTECi进行逐个递推，表示为:VTEC(i):
[0035] (3)计算VTEC观测值和VTEC滤波值的差值序列Δ i及两者差值序列的均方差〇,构 建VTEC异常探测统计量；
[0036] (4)根据VTEC异常探测统计量进行VTEC异常探测与统计分析；
[0037] (5)运用四分位法对VTEC数据进行处理，并和本发明一种电离层VTEC值异常检测 方法的检测结果进行比较分析，结果如图2、3所示。从图2、3中可以看出，本发明的电离层 VTEC值异常检测方法与四分位法检测结果一致。
[0038]应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下， 还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未 明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
【主权项】
1. 一种电离层VTEC值异常检测方法，其特征在于:包括w下步骤： (1) 确定观测序列，数量为η，选择观测序列中初始的VTEC观测值，表示为:VTECi，1《i《 η，i表示观测序列中的第i个值； (2) 对VTEC观测值VTECi进行逐个递推，表示为:VTEC(i)，递推方法如下所示： 阳(i)=A(i-l)XP(i-l)XA(i-l)'+Q(i-l) (1) 式（1)中，2《i，表示从第2个观测值开始递推;A表示状态转移矩阵，A的初始值设为1， 即A(1) = 1;Q表示系统噪声矩阵，Q的初始值设为1，即Q(1) = 1;PE表示预报误差矩阵，PE的 初始值同样设为1，即PE(1) = 1;P表示递推的均方误差矩阵，P的初始值同样设为1，即P(l) =1； H(i)=阳（i)XC(i-l)' X(C(i-l)X阳（i)XC(i-l)'+R(i-l)厂1 (2) 式(2)中，Η表示增益矩阵，H(2)=阳(2)XC(1)' X(C(1)X阳(2)XCα)'+Rα))-l;C表 示量测矩阵，C的初始值设为1，即C(1) = 1;R表示测量噪声矩阵，R的初始值设为1，即R(l) = 1; VTEC(i)=A(i)XVTEC(i-l)+H(i)X(VTEC 广 C(i)*A(i)*VTEC(i-l)) (3) 式(3)中，VTEC(i)表示第i个递推的VTEC值，VTEC康示第i个实际的VTEC值； I = eye(size(H(i)) (4) 式(4)中，eye表示设定单一矩阵，size化(i))表示求矩阵H(i)的维数； P(i) = (I-H(i)XC(i))XPE(i)巧） (3) 计算VTEC观测值和VTEC滤波值的差值序列及两者差值序列的均方差，构建VTEC异 常检测统计量，计算方法为： Ai = VTEC(i)-VTECi (6) 式(6)中，Δ i即为VTEC异常检测统计量，它表示VTEC预测值VTEC(i)和VTEC观测值VTECi 的差值;σ表示A的均方差；(7) 式(7)中，0表示Δ的均方差，η表示VTEC观测序列的数据量； 将A作为统计量，进行电离层VTEC异常统计。取Δ加上k倍的0为异常探测范围的上边 界，Δ减去k倍的σ为下边界，其中k为探测系数;确定了VTEC异常探测上下边界就可W最终 确定VTEC异常值，其中，VTEC观测值大于上边界则称为上边界异常；同样，观测值小于下边 界则称为下边界异常，上下边界的计算如式(8)、（9)所示：公式(8)、（9)中，vtecs表示VTEC上边界，vtecx表示VTEC下边界，k表示探测系数，这表示 对A取平均值； (4) 利用VTEC异常探测统计量，依据VTEC上边界和下边界进行VTEC异常探测与统计分 析。
【文档编号】G06F17/18GK106096311SQ201610478085
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】王新志, 柯福阳, 孙慧莉
【申请人】南京信息工程大学