申请/专利权人：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)

申请日：2020-11-19

公开（公告）日：2023-01-24

公开（公告）号：CN112649899B

主分类号：G01W1/10

分类号：G01W1/10;G01S19/14;G01S19/37

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2023.01.24#授权;2021.04.30#实质审查的生效;2021.04.13#公开

摘要：本发明公开了一种全球电离层数据同化和预报方法，包括获取全球分布的地基GNSS接收机、LEO卫星掩星、垂测仪、卫星信标接收机和小型光度计探测数据等步骤。本发明基于数据最优化估计理论，提供了一种全球电离层数据同化和预报方法，该方法采用限带卡尔曼滤波（Band‑LimitedKalmanFilter）和高斯—马尔科夫过程（Gauss‑MarkovProcess），结合稀疏矩阵存储和快速处理算法，有效降低了全球电离层数据同化大规模矩阵运算对计算机内存的需求，同时大大减少数据同化过程所需的运行时间，可实现全球地基和天基多源探测数据的实时同化和短期预报。对于实现业务化的全球电离层环境参量现报和预报，提升无线电信息系统电离层环境信息保障能力具有重要意义。

主权项：1.一种全球电离层数据同化和预报方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，获取全球分布的地基GNSS接收机、LEO卫星掩星、垂测仪、卫星信标接收机和小型光度计探测数据，分别提取电离层总电子含量TEC和电子密度的观测数据，按照设定的时间窗口将数据存储在一个指定的文件内，该文件包括：数据类型编号、观测时刻、测站经纬高坐标、卫星测站经纬高坐标、TEC或电子密度测量值；步骤2，获取电离层数据同化和预报需要的日地空间环境参量数据，包括太阳辐射通量和地磁指数，将数据同化所对应的太阳辐射通量、地磁指数及模型运行所需要的配置参量，包括运行模式设定、输入的观测数据存储路径、输出数据的存储和网格分辨率设定，一并存储到指定的配置文件内；步骤3，构建电离层数据同化观测算子，将电离层TEC和电子密度数据按照“线”型和“点”型观测数据进行分类；对于“点”型电子密度观测数据，插值方法如下： 其中：Ne表示电子密度，K表示级数展开的级数，r表示地理位置，hkr为基函数，ak为插值系数，基函数计算方法如下： 对于“线”型TEC观测数据，根据接收机与卫星间的几何位置关系，TEC和同化估计的状态参量之间的关系为： 其中：STEC表示电离层总电子含量，Ne表示电离层电子密度值，积分上下限分别为卫星和接收机位置，因此几何转换矩阵计算方法如下： 其中ΔRin表示第i个TEC观测值在第n个网格内的射线截距，i为TEC观测值的序号，N为电子密度网格总数，K为展开的总级数；遍历同化窗口内所有电离层电子密度和TEC数据，根据式1和式3同化观测方程可构建为：y＝Hx4其中：y为电离层电子密度和TEC数据组成的矢量，矩阵H为观测数据与同化状态参量“电子密度”对应的几何转换矩阵，x为待估计的各网格点的电子密度；将矩阵H按照行优先稀疏矩阵CSR格式存储，即只存储H矩阵中非零元素所在的起始行的序号、非零元素所在的列编号及非零元素本身；步骤4，构建观测误差协方差矩阵，根据不同观测数据间观测误差的不同，计算数据同化的观测误差协方差矩阵R，将观测误差协方差矩阵R用对角矩阵表示： 其中i，j表示观测点i和观测点j，d为观测的TEC或电子密度值，Rij为观测点i与观测点j间的误差协方差值，α是比例系数；将矩阵R按照CSR格式存储，即只存储R矩阵中非零元素所在的起始行的序号、非零元素所在的列编号及非零元素本身；步骤5，构建背景场误差协方差矩阵，确定电离层相关距离；电离层垂直方向相关距离的计算方法如下： 分别表示i和j点在垂直方向的电离层相关长度，表示i和j点之间的垂直方向电离层相关距离；电离层水平相关距离计算方法如下： 其中，和Lλ分别表示纬向和经向的相关长度，θ表示两个网格点之间的方位角，表示i和j点之间的水平方向电离层相关距离；表示i点纬向的相关长度；表示j点纬向的相关长度；表示i点经向的相关长度；表示j点经向的相关长度； 其中，Lz表示垂直方向上的相关长度，表示磁纬度，z表示高度，γ是地方时LT的函数，表示为： 在存储数据同化背景场误差协方差矩阵P时，设定的限带方法是任意两点间的距离超过1200km，其背景协方差为零值，根据6和7式，数据同化背景场误差协方差矩阵P具体表示为： 其中：分别代表背景模型在i点和j点的背景值，e为自然指数，zij代表第i点和第j点在高度上的距离，rij代表第i点和第j点的直线距离，表示电离层在高度方向的相关距离，表示电离层在水平方向的相关距离，β表示模式误差与模式值之间的比例系数，gij代表第i点和第j点在水平方向上的大圆距离，计算方法如下： 式中，是第i点的纬度和经度，是第j点的纬度和经度；将矩阵P按照CSR格式存储，即只存储P矩阵中非零元素所在的起始行的序号、非零元素所在的列编号及非零元素本身；步骤6，读取步骤2设定的配置文件参量，读取太阳辐射通量和地磁指数，根据设定的数据同化网格分辨率，运行电离层背景模型，计算背景场电离层电子密度分布xb；步骤7，采用限带卡尔曼滤波算法进行地基和天基TEC或电子密度观测数据的同化，模型使用的卡尔曼滤波方程如下：xa＝xb+PHTR+HPHT-1y-Hxb14其中xa表示同化后电子密度分析场；对矩阵作以下变换：R+HPHT-1y-Hxb＝T15R+HPHTT＝y-Hxb16采用广义最小残差法求解方程，使用不完全下三角矩阵—上三角矩阵LU分解算法进行预处理，具体方法如下：C-1[R+HPHTT-y-Hxb]＝017其中：C是预条件矩阵，同化给出电离层TEC和电子密度现报结果后，将相关现报结果存储到指定的输出路径下；步骤8，利用高斯—马尔科夫预报方法对同化的电子密度进行预报，具体公式为： 其中，t表示预报时间，表示t+1时刻的电离层电子密度背景场，表示t时刻的电离层电子密度背景场，表示同化后t+1时刻的电子密度分析场，K为增益矩阵，L代表转换矩阵，其表现形式为对角矩阵，具体计算方法为： 其中：i，j表示网格点i和网格点j，ΔT为提前预报的时间间隔，τ表示电离层的时间相关尺度，取5h，磁暴期间取值缩短为2h，同化给出电离层TEC和电子密度预报结果后，将相关现报结果存储到指定的输出路径下。

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百度查询： 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) 一种全球电离层数据同化和预报方法

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