基于双系数及双序列的电离层扰动探测方法、装置及介质

1.本发明属于扰动探测技术领域，更具体地，涉及一种基于双系数及双序列的电离层扰动探测方法、装置及介质。


背景技术：

2.目前最为常用的是desantis开发的基于样条分析的磁群异常检测算法、电子密度对数算法以及单轨电子密度异常探测算法用于处理磁场和等离子体数据。这三种算法都需要先对数据进行轨道划分，然后使用多项式拟合以去除长趋势，最后使用滑动窗口按一定阈值进行提取，具体流程见图1。这类方法主要通过各类拟合函数去除长趋势的影响，并选用滑动窗口最终判断是否为异常。
3.这三种方法中，电子密度对数算法(nelog)和单轨电子密度异常探测算法(nestad)是当前在电离层探测研究中应用较多的基于原位观测数据的探测方法，下面简述两种方法的实现过程。
4.电子密度对数算法的输入数据为2hz的swarm电子密度数据，以地震前后各一个月作为探测时间范围，对由地震孕震阶段和余震期进行探测。其探测范围为dobrovolsky区域附近
±5°
，并且探测的轨道的地方时应为夜晚10时至早晨6时，以避免赤道电离层异常等电离层活动的干扰。在选定待测轨道以后，对待测轨道的电子密度取以10为底的对数；取对数后的纬向剖面曲线做十次多项式拟合，以拟合后的曲线作为探测用背景场。计算残差的整体均方根误差(rms)，并以中误差的k倍作为阈值，检查残差中数值大于阈值的位置作为异常。为了避免零星的误差及拟合边缘误差，只有超过连续10个异常点数的样本会被记录，且不采信边缘纬度5
°
范围内的异常结果。
5.单轨电子密度异常探测算法使用swarm朗缪尔原位电子密度观测，等离子体泡数据以及磁暴环电流指数(dst)来进行电离层扰动探测。该方法主要通过计算二次差值来作为异常判断的依据：
[0006][0007]
遍历轨道后可以计算得二次差值序列。对二次差值序列使用以四分位数为基础的阈值进行检查，二次差值大于上界(k
up
)或小于下界(k
down
)的位置，标记为电离层扰动。上下界的定义如所示，其中q1和q3分别为第一四分位数和第三四分位数，iqr为四分位距，k取1.5或3。对标记的异常位置，需要使用swarm等离子体泡数据进行进一步的筛选，以排除电离层自身的干扰。
[0008]kup
＝q3+k
·
iqr；k
down
＝q1-k
·
iqr
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0009]
从图2中可知nelog对于夜间电子密度异常的探测能力是比较高的。无论是位于高磁纬度还是低磁纬度的异常，都具有相当强的探测能力；并且对正负异常都具备一定的辨识能力。但该方法仅能在夜间使用，极大限制了其适用范围。
[0010]
nestad在swarm以外的电磁卫星使用时。无法使用swarm离子体泡数据产品，因此该方法无法在张衡一号等其它卫星的数据产品中完整应用。从图3中可知nestad具有一定
的探测能力，可以识别出模拟的电子密度异常。但其缺陷也较为明显，那就是划定的异常范围过大(待测轨道有21％的数据被认为是异常)，这说明该方法存在大量的异常误识别，不能满足精确提取的要求。


技术实现要素：

[0011]
提供了本发明以解决现有技术中存在的上述问题。因此，需要一种基于双系数及双序列的电离层扰动探测方法、装置及介质，针对当前常用的电磁卫星原位数据电离层扰动探测方法大多是基于swarm星座的数据产品开发的，该星座为近极地轨道。对于张衡一号等处于太阳同步轨道电磁卫星的数据产品并不适用，尤其没有利用太阳同步轨道固定，且经过同一地点当地时保持基本稳定的特点的问题，本发明利用这一特点可以使历史数据更多的参与电离层扰动探测，从而排除一些会经常性出现在探测地点的电离层异常，使探测结果更加精确。
[0012]
根据本发明的第一方案，提供了一种基于双系数及双序列的电离层扰动探测方法，所述方法包括：
[0013]
构建背景场，所述背景场与待测轨道相似；
[0014]
根据待测轨道与背景场的差值对电离层扰动进行提取。
[0015]
进一步地，所述构建背景场，具体包括：
[0016]
获取输入数据，所述输入数据包括张衡一号朗缪尔探针二级电子密度数据、事件的时空信息、探测的空间覆盖与时间窗口；
[0017]
基于所述输入数据，确定待测轨道；
[0018]
根据所述待测轨道确定相邻轨道集合，所述相连轨道集合包括待测轨道及其向西、向东各两条轨道；
[0019]
基于所述相邻轨道集合进行背景场的构建。
[0020]
进一步地，所述基于所述输入数据，确定待测轨道，具体包括：
[0021]
将所述张衡一号朗缪尔探针二级电子密度数据进行轨道分隔，每个轨道包含从磁纬度60
°
n(s)到60
°
s(n)的所有数据，并根据事件的时空信息、探测的空间覆盖与时间窗口确定待测轨道。
[0022]
进一步地，所述基于所述相邻轨道集合进行背景场的构建，具体包括：
[0023]
对每条待测轨道的相邻轨道集合，计算集合内所有轨道的两两对应的弗雷歇系数和皮尔逊相关系数，并分别组成弗雷歇系数矩阵和相关系数矩阵；所述弗雷歇系数矩阵或所述相关系数矩阵为主对角线为1的对称矩阵，每一行/列所对应的数值即为集合内某一条轨道对应的与其他所有轨道的弗雷歇系数或相关系数的值；
[0024]
基于所述弗雷歇系数矩阵和相关系数矩阵，通过如下公式(3)-(6)获取g1～g4序列：
[0025]
g1＝sum(nfi,1)/n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0026]
g2＝nfi(l,:)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0027]
g3＝sum(cof,1)/n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0028]
g4＝cof(l,:)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0029]
其中，n为相邻轨道集合内的轨道数，l为待测轨道对应的编号，sum为累加求和，
nfi为归一化弗雷歇系数，cof为皮尔逊相关系数，g1和g3序列表示各条轨道所对应的电子密度纬向剖面曲线与集合内其它轨道的相似程度，在g1或g3序列中，数值较大的轨道与集合内其它所有轨道更为相似，g2和g4表示待测轨道与集合内其它轨道的相似程度，数值越高的轨道与待测轨道更为相似；
[0030]
通过g1～g4序列相加得到权序列g；取其中除待测轨道本身以外，数值最高的序号得到与待测轨道相似的背景场。
[0031]
进一步地，在计算集合内所有轨道的两两对应的弗雷歇系数和皮尔逊相关系数，所述方法还包括：
[0032]
对两条轨道的电子密度值进行标准化重采样，使两条轨道的数据长度相同且对应；
[0033]
所述标准化重采样包括将轨道所在的磁纬度划分为若干固定的格网，使用格网中心的磁纬度作为格网的磁纬度，将格网内的电子密度值取均值，作为格网的电子密度值。
[0034]
进一步地，所述根据待测轨道与背景场的差值对电离层扰动进行提取，具体包括：
[0035]
将待测轨道与背景场相减得到残差序列；
[0036]
基于滑动窗口检测所述残差序列，确定电离层异常。
[0037]
进一步地，在将待测轨道与背景场相减得到残差序列之前，所述方法还包括：
[0038]
在所述背景场未与待测轨道处于同一年份或待测轨道为夜侧的情况下，对背景场进行整体的平移，使背景场的中值与待测轨道中值相等。
[0039]
进一步地，所述基于滑动窗口检测所述残差序列，确定电离层异常，具体包括：
[0040]
利用滑动窗口遍历所述残差序列，计算每个窗口内残差的电子密度均值与待测轨道的电子密度均值之比，得到比值序列p；
[0041]
利用滑动窗口计算待测轨道与背景场的相关系数，得到相关系数序列c，
[0042]
将所述比值序列p和所述相关系数序列c相减得到判断序列a；
[0043]
对所述比值序列p、所述相关系数序列c、以及所述判断序列a分别设置阈值，将各序列中小于阈值的位置进行记录，并在残差序列中将对应位置的残差置零，得到电离层异常。
[0044]
根据本发明的第二技术方案，提供一种基于双系数及双序列的电离层扰动探测方法装置，所述装置包括：
[0045]
构建模块，被配置为构建背景场，所述背景场与待测轨道相似；
[0046]
提取模块，被配置为根据待测轨道与背景场的差值对电离层扰动进行提取。
[0047]
根据本发明的第三方面，提供一种可读存储介质，所述可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上所述的方法。
[0048]
本发明至少具有以下有益效果：
[0049]
本发明通过电磁卫星原位观测数据对电离层受自身以外事件引起的突发扰动进行探测并提取扰动的位置与大小。通过提取的扰动量可以进一步研究地表发生的地震、火山、海啸、台风，爆炸等事件与电离层的耦合机制。
[0050]
本发明利用太阳同步轨道固定，且经过同一地点当地时保持基本稳定的特点，可以使历史数据更多的参与电离层扰动探测，从而排除一些会经常性出现在探测地点的电离
层异常，使探测结果更加精确。
附图说明
[0051]
图1为现有技术中的逐轨道分析异常提取方法流程图；
[0052]
图2为nelog对2021年3月7日模拟待测轨道的探测结果示意图；
[0053]
图3为nestad2019年4月15日白天模拟待测轨道的结果示意图；
[0054]
图4为本发明实施例的ncb背景场构建流程图；
[0055]
图5为本发明实施例的ncb扰动提取方法流程图；
[0056]
图6为本发明实施例的ncb方法2021年3月5日白天探测结果示意图；
[0057]
图7为本发明实施例的ncb方法2020年1月18日白天探测结果示意图；
[0058]
图8为本发明实施例的一种基于双系数及双序列的电离层扰动探测装置的结构图。
具体实施方式
[0059]
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。下面结合附图和具体实施例对本发明的实施例作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。本文中所描述的各个步骤，如果彼此之间没有前后关系的必要性，则本文中作为示例对其进行描述的次序不应视为限制，本领域技术人员应知道可以对其进行顺序调整，只要不破坏其彼此之间的逻辑性导致整个流程无法实现即可。
[0060]
为了更好地应用太阳同步轨道卫星的原位数据进行电离层扰动探测，本发明实施例提出了一种新的异常提取方法，具体是一种基于双系数及双序列的电离层扰动探测方法。以下简称ncb方法。
[0061]
ncb方法是基于弗雷歇系数与相关系数构建最优待测背景场并计算双序列进行电离层扰动提取的方法。ncb方法可以分为两个步骤，第一步为ncb背景场构建：寻找既与待测轨道相似，又在指定时空范围内具有代表性的背景场；第二步为ncb扰动提取方法：根据待测轨道与背景场的差值对电离层扰动进行提取。
[0062]
本方法可以完整地使用，也可以根据需要进行单独应用。研究人员可以根据具体的应用案例，选择使用ncb背景场构建方法获得背景场后使用人工识别电离层异常；或对指定的电子密度剖面曲线使用ncb扰动提取方法捕获电离层扰动。ncb方法主要适用于对地震、火山等持续时间较短的事件引起的电离层扰动的探测。本方法是基于张衡一号朗缪尔二级电子密度产品开发的异常提取方法，也可以适用于其它太阳同步轨道电磁卫星的原位观测数据。
[0063]
具体来说，本方法包括如下描述的步骤1和步骤2。
[0064]
步骤1.ncb背景场构建方法
[0065]
ncb方法构建背景场的输入数据为：张衡一号朗缪尔探针二级电子密度数据、地震等事件的时空信息，探测的空间覆盖与时间窗口。为了减弱后续处理的复杂程度，应先将输入的张衡一号数据进行轨道分割，每个轨道包含从磁纬度60
°
n(s)到60
°
s(n)的所有数据。再需要根据输入的事件信息和探测范围确定待测轨道。在确定了所有待测轨道以后，需针对每一条待测轨道计算一个相邻轨道集合。
[0066]
所谓“相邻轨道”意为待测轨道及其向西，向东各两条轨道，共5条轨道，这样可以保证相邻轨道集合内的轨道与待测轨道空间上尽量接近，且每天都有张衡一号数据。张衡一号的轨道在地表上的投影是固定的，即在其它年份的相同年积日，仍然可以搜索到相应的相邻轨道。一般选择探测年份与其前后两年在相同时间的相邻轨道，共同组成相邻轨道集合。在每条待测轨道都搜索完对应的相邻轨道集合后，开始逐轨进行背景场构建，整体流程如图4所示。
[0067]
对每条待测轨道的相邻轨道集合，计算集合内所有轨道(包含待测轨道自身)的两两对应的弗雷歇系数和皮尔逊相关系数，并分别组成弗雷歇系数矩阵和相关系数(cof)矩阵。在计算相关系数前，由于每条轨道内包含的电子密度数量通常不同，需要对两条轨道的电子密度值进行标准化重采样，使其两者的数据长度相同且对应。标准化重采样是指将轨道所在的磁纬度划分为若干固定的格网。使用格网中心的磁纬度作为格网的磁纬度，将格网内的电子密度值取均值，作为格网的电子密度值。根据张衡卫星的特点，本研究选取的格网宽度为磁纬度0.2
°
。
[0068]
计算得到的弗雷歇系数或相关系数矩阵为主对角线为1的对称矩阵，每一行/列所对应的数值即为集合内某一条轨道对应的与其他所有轨道的弗雷歇系数/或相关系数的值；例如弗雷歇系数(2,4)即为相邻轨道集合内第二条轨道与第四条轨道的弗雷歇系数值。从上述两个矩阵中，可以如公式获取g1～g4序列。其中，n为相邻轨道集合内的轨道数，l为待测轨道对应的编号。
[0069]
g1＝sum(nfi,1)/n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0070]
g2＝nfi(l,:)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0071]
g3＝sum(cof,1)/n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0072]
g4＝cof(l,:)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0073]
g1和g3序列表示各条轨道所对应的电子密度纬向剖面曲线与集合内其它轨道的相似程度，即在g1或g3序列中，数值较大的轨道与集合内其它所有轨道更为相似。g2和g4表示待测轨道与集合内其它轨道的相似程度，数值越高的轨道与待测轨道更为相似。通过g1～g4相加即可得到最终的权序列g；取其中除待测轨道本身以外，数值最高的序号即可得到既与所有集合内轨道较为相似，又与待测轨道较为相似的背景场。
[0074]
步骤2.ncb扰动提取方法
[0075]
在对待测轨道完成背景场构建以后，即可通过待测轨道与背景场进行异常提取。如果选择的背景场处于其它年份，或待测轨道为夜侧，则需要对背景场进行一个整体的平移，使背景场的中值与待测轨道中值相等。这个步骤可以避免待测轨道与背景场整体差值过大，影响后续的异常辨识。
[0076]
将待测轨道与背景场相减可以获得残差，并通过滑动窗口检验残差是否为电离层异常，本研究使用的滑动窗口宽度为10个数据点。使用滑动窗口遍历残差序列，计算每个窗口内残差的电子密度均值与待测轨道的电子密度均值之比，得到比值序列p。同时使用滑动窗口计算待测轨道与背景场的相关系数，得到相关系数序列c，将以上两个序列相减得到最终的判断序列a。
[0077]
通过对序列p、c、a设置阈值，将各序列中小于阈值的位置进行记录，并在残差序列中将对应位置的残差置零，最终得到ncb扰动提取方法捕获到的电离层异常。各序列的阈值
会根据待测位置所处的磁纬度，以及待测轨道的日夜侧灵活变化。具体流程和阈值设置见图5。
[0078]
示例性的，各序列的阈值分别表示为k(p)、k(c)、k(a)，其具体设置方式如下：
[0079]
在轨道处于日侧时：
[0080]
若磁纬度小于20
°
，则k(p)＝0.1，k(c)＝0.1，k(a)＝0.2；
[0081]
若磁纬度大于20
°
，则k(p)＝0.8，k(c)＝0.6，k(a)＝1.4；
[0082]
若磁纬度大于20
°
且小于40
°
，则k(p)＝0.3，k(c)＝0.2，k(a)＝0.6。
[0083]
在轨道处于夜侧时，k(p)＝0.6，k(c)＝0.2，k(a)＝1.4。
[0084]
为了更好地展示ncb方法的技术效果，设计了一个探测模拟异常的仿真实验。使用ncb方法，电子密度对数算法(nelog)和单轨电子密度异常探测算法(nestad)一起对人工模拟的电离层异常进行仿真探测实验。
[0085]
模拟实验在2019至2021的张衡一号原位电子密度二级产品中选择一定数量的平静期轨道。使用纬向剖面曲线搭配不同的模拟电离层异常构成模拟待测事件。模拟实验将从三年的研究范围中，每年抽取16条，共48条纬向剖面。其中每季抽取4条，日侧与夜侧各2条。纬向剖面的选择需要进行人工干预，挑选太阳与地磁相对平静的，形态较为稳定电子密度剖面；轨道所处时间的kp指数小于等于3，f10.7通量小于等于100。模拟异常分为正异常与负异常两类，异常的覆盖范围约为磁纬度3
°
，对应张衡一号二级电子密度产品约20个数据点。根据模拟异常的峰/谷值与未添加异常时电子密度值的相对差值划分异常幅度，划分为低幅度异常、中幅度异常和高幅度异常三类。根据所处的磁纬度以及当地时的不同，添加的异常幅度也会有所变化。
[0086]
本实验根据磁纬度
±
20
°
为界限，将异常的添加位置划分为低磁纬异常和高磁纬异常。每一条平静纬向剖面将与6种不同的模拟异常在2种纬度范围内进行搭配，共产生576个异常轨道加上原有的48条平静轨道，共624条待测轨道。
[0087]
实验将通过三个指标对三种方法的表现进行评价：
[0088]
1.正确率，即正确检索出异常轨道中模拟异常的位置的轨道数占待测轨道总数的百分比，用来表征方法的提取能力。探测出的异常区域与模拟异常的位置小于磁纬度0.5
°
即被认为是正确提取。
[0089]
2.检出率，即检索出的异常覆盖长度占整个轨道长度的百分比，用来表征方法提取的异常范围。如果检出率太大，则证明该方法提取的异常范围过大，方法的精确度较低。
[0090]
3.误报率，即对平静轨道探测出异常的轨道长度占全部平静轨道的百分比。对平静轨道探测出过高的电离层扰动，说明该方法提取的异常精度较低。
[0091]
从图6展示的ncb日侧探测结果中可以看出，即使模拟异常位于磁纬度10
°
以内的磁赤道附近，ncb方法都可以进行比较有效的提取，并控制检出率。从图7可以看出，即使模拟异常将待测轨道的基本形态由单峰变为双峰，ncb背景场构建方法依然可以避免模拟异常的影响，构建出了一个单峰的背景场。从数值上看，构建出的背景场也与待测轨道非常接近。总之，精确的背景场构建使ncb扰动提取方法可以精确识别出模拟异常的位置，并有效控制提取扰动时的检出率。
[0092]
图6中展示了即使在磁赤道较为活跃，且有一定赤道电离层异常干扰的不利条件下，ncb方法依然保持了相当强的异常辨识能力。在图7待测轨道磁纬度0
°
左右的电子密度
尖峰很容易被辨识为电子密度异常；但是在背景场中也出现了非常接近的尖峰。这说明在待测轨道的临近轨道集合中，存在相当数量的轨道都出现过类似的情况；因此该位置不能认为是一个突发事件引起的电离层扰动，而应该是电离层受地磁或太阳等长期因素引起的电离层异常。对日侧磁赤道区域的探测一直是电离层扰动探测的难点，从以上两个案例可以看出ncb方法在该位置具有相当强的扰动辨识能力。
[0093]
从基于张衡一号数据的仿真实验整体结果(表1)中可以看出，ncb方法的探测能力明显优于nestad，与nelog相当；但电子密度对数算法仅能在夜间使用。以上的实验结果说明，基于swarm数据开发的扰动探测方法对于张衡一号数据来说适用性相对较低。ncb方法无论是整体效果还是具体案例都展现出了更高的提取精度以及抗干扰能力，是一种适用于太阳同步轨道原位观测的优秀的电离层异常探测方法。
[0094]
表1仿真实验中各方法探测结果
[0095][0096][0097]
本发明实施例还提供一种基于双系数及双序列的电离层扰动探测方法装置，如图8所示，所述装置800包括：
[0098]
构建模块801，被配置为构建背景场，所述背景场与待测轨道相似；
[0099]
提取模块802，被配置为根据待测轨道与背景场的差值对电离层扰动进行提取。
[0100]
在一些实施例中，所述构建模块被进一步配置为获取输入数据，所述输入数据包括张衡一号朗缪尔探针二级电子密度数据、事件的时空信息、探测的空间覆盖与时间窗口；
[0101]
基于所述输入数据，确定待测轨道；
[0102]
根据所述待测轨道确定相邻轨道集合，所述相连轨道集合包括待测轨道及其向西、向东各两条轨道；
[0103]
基于所述相邻轨道集合进行背景场的构建。
[0104]
在一些实施例中，所述构建模块被进一步配置为：
[0105]
将所述张衡一号朗缪尔探针二级电子密度数据进行轨道分隔，每个轨道包含从磁纬度60
°
n(s)到60
°
s(n)的所有数据，并根据事件的时空信息、探测的空间覆盖与时间窗口确定待测轨道。
[0106]
在一些实施例中，所述构建模块被进一步配置为：
[0107]
对每条待测轨道的相邻轨道集合，计算集合内所有轨道的两两对应的弗雷歇系数和皮尔逊相关系数，并分别组成弗雷歇系数矩阵和相关系数矩阵；所述弗雷歇系数矩阵或所述相关系数矩阵为主对角线为1的对称矩阵，每一行/列所对应的数值即为集合内某一条轨道对应的与其他所有轨道的弗雷歇系数或相关系数的值；
[0108]
基于所述弗雷歇系数矩阵和相关系数矩阵，通过如下公式(3)-(6)获取g1～g4序
列：
[0109]
g1＝sum(nfi,1)/n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0110]
g2＝nfi(l,:)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0111]
g3＝sum(cof,1)/n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0112]
g4＝cof(l,:)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0113]
其中，n为相邻轨道集合内的轨道数，l为待测轨道对应的编号，sum为累加求和，nfi为归一化弗雷歇系数，cof为皮尔逊相关系数，g1和g3序列表示各条轨道所对应的电子密度纬向剖面曲线与集合内其它轨道的相似程度，在g1或g3序列中，数值较大的轨道与集合内其它所有轨道更为相似，g2和g4表示待测轨道与集合内其它轨道的相似程度，数值越高的轨道与待测轨道更为相似；
[0114]
通过g1～g4序列相加得到权序列g；取其中除待测轨道本身以外，数值最高的序号得到与待测轨道相似的背景场。
[0115]
在一些实施例中，所述构建模块被进一步配置为：
[0116]
对两条轨道的电子密度值进行标准化重采样，使两条轨道的数据长度相同且对应；
[0117]
所述标准化重采样包括将轨道所在的磁纬度划分为若干固定的格网，使用格网中心的磁纬度作为格网的磁纬度，将格网内的电子密度值取均值，作为格网的电子密度值。
[0118]
在一些实施例中，所述提取模块被进一步配置为：
[0119]
将待测轨道与背景场相减得到残差序列；
[0120]
基于滑动窗口检测所述残差序列，确定电离层异常。
[0121]
在一些实施例中，所述提取模块被进一步配置为：
[0122]
在所述背景场未与待测轨道处于同一年份或待测轨道为夜侧的情况下，对背景场进行整体的平移，使背景场的中值与待测轨道中值相等。
[0123]
在一些实施例中，所述提取模块被进一步配置为：
[0124]
利用滑动窗口遍历所述残差序列，计算每个窗口内残差的电子密度均值与待测轨道的电子密度均值之比，得到比值序列p；
[0125]
利用滑动窗口计算待测轨道与背景场的相关系数，得到相关系数序列c，
[0126]
将所述比值序列p和所述相关系数序列c相减得到判断序列a；
[0127]
对所述比值序列p、所述相关系数序列c、以及所述判断序列a分别设置阈值，将各序列中小于阈值的位置进行记录，并在残差序列中将对应位置的残差置零，得到电离层异常。
[0128]
需要说明的是，本实施例所提出的装置与在先阐述的方法属于同一技术思路，其局有限相同的工作原理，并能起到同样的有益效果，此处不赘述。
[0129]
本发明实施例提供一种可读存储介质，所述可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上任一实施例所述的基于双系数及双序列的电离层扰动探测方法。
[0130]
此外，尽管已经在本文中描述了示例性实施例，其范围包括任何和所有基于本发明的具有等同元件、修改、省略、组合(例如，各种实施例交叉的方案)、改编或改变的实施例。权利要求书中的元件将被基于权利要求中采用的语言宽泛地解释，并不限于在本说明
书中或本技术的实施期间所描述的示例，其示例将被解释为非排他性的。因此，本说明书和示例旨在仅被认为是示例，真正的范围和精神由以下权利要求以及其等同物的全部范围所指示。
[0131]
以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如，上述示例(或其一个或更多方案)可以彼此组合使用。例如本领域普通技术人员在阅读上述描述时可以使用其它实施例。另外，在上述具体实施方式中，各种特征可以被分组在一起以简单化本发明。这不应解释为一种不要求保护的发明的特征对于任一权利要求是必要的意图。相反，本发明的主题可以少于特定的发明的实施例的全部特征。从而，以下权利要求书作为示例或实施例在此并入具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本发明的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求赋权的等同形式的全部范围来确定。

技术特征：
1.一种基于双系数及双序列的电离层扰动探测方法，其特征在于，所述方法包括：构建背景场，所述背景场与待测轨道相似；根据待测轨道与背景场的差值对电离层扰动进行提取。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建背景场，具体包括：获取输入数据，所述输入数据包括张衡一号朗缪尔探针二级电子密度数据、事件的时空信息、探测的空间覆盖与时间窗口；基于所述输入数据，确定待测轨道；根据所述待测轨道确定相邻轨道集合，所述相连轨道集合包括待测轨道及其向西、向东各两条轨道；基于所述相邻轨道集合进行背景场的构建。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述输入数据，确定待测轨道，具体包括：将所述张衡一号朗缪尔探针二级电子密度数据进行轨道分隔，每个轨道包含从磁纬度60
°
n(s)到60
°
s(n)的所有数据，并根据事件的时空信息、探测的空间覆盖与时间窗口确定待测轨道。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述相邻轨道集合进行背景场的构建，具体包括：对每条待测轨道的相邻轨道集合，计算集合内所有轨道的两两对应的弗雷歇系数和皮尔逊相关系数，并分别组成弗雷歇系数矩阵和相关系数矩阵；所述弗雷歇系数矩阵或所述相关系数矩阵为主对角线为1的对称矩阵，每一行/列所对应的数值即为集合内某一条轨道对应的与其他所有轨道的弗雷歇系数或相关系数的值；基于所述弗雷歇系数矩阵和相关系数矩阵，通过如下公式(3)-(6)获取g1～g4序列：g1＝sum(nfi，1)/n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)g2＝nfi(l，：)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)g3＝sum(cof，1)/n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)g4＝cof(l，：)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)其中，n为相邻轨道集合内的轨道数，l为待测轨道对应的编号，sum为累加求和，nfi为归一化弗雷歇系数，cof为皮尔逊相关系数，g1和g3序列表示各条轨道所对应的电子密度纬向剖面曲线与集合内其它轨道的相似程度，在g1或g3序列中，数值较大的轨道与集合内其它所有轨道更为相似，g2和g4表示待测轨道与集合内其它轨道的相似程度，数值越高的轨道与待测轨道更为相似；通过g1～g4序列相加得到权序列g；取其中除待测轨道本身以外，数值最高的序号得到与待测轨道相似的背景场。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在计算集合内所有轨道的两两对应的弗雷歇系数和皮尔逊相关系数，所述方法还包括：对两条轨道的电子密度值进行标准化重采样，使两条轨道的数据长度相同且对应；所述标准化重采样包括将轨道所在的磁纬度划分为若干固定的格网，使用格网中心的磁纬度作为格网的磁纬度，将格网内的电子密度值取均值，作为格网的电子密度值。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据待测轨道与背景场
的差值对电离层扰动进行提取，具体包括：将待测轨道与背景场相减得到残差序列；基于滑动窗口检测所述残差序列，确定电离层异常。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在将待测轨道与背景场相减得到残差序列之前，所述方法还包括：在所述背景场未与待测轨道处于同一年份或待测轨道为夜侧的情况下，对背景场进行整体的平移，使背景场的中值与待测轨道中值相等。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于滑动窗口检测所述残差序列，确定电离层异常，具体包括：利用滑动窗口遍历所述残差序列，计算每个窗口内残差的电子密度均值与待测轨道的电子密度均值之比，得到比值序列p；利用滑动窗口计算待测轨道与背景场的相关系数，得到相关系数序列c，将所述比值序列p和所述相关系数序列c相减得到判断序列a；对所述比值序列p、所述相关系数序列c、以及所述判断序列a分别设置阈值，将各序列中小于阈值的位置进行记录，并在残差序列中将对应位置的残差置零，得到电离层异常。9.一种基于双系数及双序列的电离层扰动探测方法装置，其特征在于，所述装置包括：构建模块，被配置为构建背景场，所述背景场与待测轨道相似；提取模块，被配置为根据待测轨道与背景场的差值对电离层扰动进行提取。10.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如权利要求1至7中任一项所述的方法。

技术总结
本发明属于扰动探测技术领域，具体公开了一种基于双系数及双序列的电离层扰动探测方法、装置及介质。其中方法包括构建背景场，所述背景场与待测轨道相似；根据待测轨道与背景场的差值对电离层扰动进行提取。本发明利用太阳同步轨道固定，且经过同一地点当地时保持基本稳定的特点，可以使历史数据更多的参与电离层扰动探测，从而排除一些会经常性出现在探测地点的电离层异常，使探测结果更加精确。使探测结果更加精确。使探测结果更加精确。


技术研发人员：陈必焰 曹恒瑞 王金勇
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/8/28