专利名称：：一种检测电离层tec异常的方法
技术领域：
：本发明涉及对空间环境的监测
技术领域：
，更具体涉及一种检测电离层TEC异常的方法，它是一种适合复杂多变的空间电离层TEC的监测方法。
背景技术：
：作为地球空间环境的重要组成部分，电离层的活动与人类的生产和生活息息相关，电离层对现代无线电工程系统和人类的空间活动有着重要的影响；太阳活动、地球运动和地磁场变化左右了电离层的存在和时空变化。太阳耀斑的爆发能使电离层出现异常，影响无线电通信、导航以及与电磁有关的业务活动；太阳的局部扰动还会引起电离层的正常结构引发电离层暴，从而使得短波通信信号大幅度衰减；另外，地震活动也会在电离层中诱发声重波的产生和传播。因此，对空间电离层TEC异常活动的检测研究成为当前空间环境监测研究的焦点之一。地球周围的空间环境与我们的许多活动密切相关，因此，在电离层TEC如此多变的今天，迫切需要寻找一种能有效准确地监测空间环境变化特别是识别电离层TEC是否出现异常变化的新的途径和方法。
发明内容本发明的目的是针对目前地球周围的电离层TEC复杂多变，从而间接影响到人类的生产和生活问题，提出了一种检测电离层TEC异常的方法，该方法简单，利于编程，选取平滑后的TEC残差时间序列作为研究对象，极大地提高了检测结果的准确度，具有显著的科研和使用价值。为了达到上述目的，本发明采用如下技术措施本发明包括对电子总含量(TEC，TotalElectronicContents)数据的平滑滤波、对平滑值和观测值做差、选用滑动视窗法对残差数据进行处理三个部分实现。一种检测电离层TEC异常的方法，它包括如下四个步骤(1)采用滑动平均法(《天文测量数据的处理方法》)对电离层TEC格网点的时间序列进行平滑滤波；(2)将TEC的观测值和平滑值做差，得到平滑后的TEC残差的时间序列；(3)选取滑动视窗的处理分析方法(该处理分析方法本领域人员很清楚)既选取的滑动视窗弧段为10天，计算该10天内TEC均值和标准差；(4)利用滑动视窗的方法对平滑后的残差时间序列进行异常检测选取2倍的标准差作为依据，取均值加减2倍的标准差作为上限值和下限值；则超出上限值和下限值的部分即视为异常。本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果第一，本方法基于对电离层TEC时空特性的掌握基础上提出的，利用平滑后的TEC残差资料，从源头上滤去了其本身所具有的时间周期性，提高了检测结果的可靠性。3第二，扣除TEC的长周期性项后，采用滑动视窗的提取方法，使得选取的背景值更加稳健，从而进一步确保了电离层TEC检测结果的可靠性。第三，本方法原理简单，编写程序简单，可操作性强，便于实际操作。本发明为电离层TEC提供一种新的监测方法，本发明方法简单，效果明显，创新性地基于平滑后的残差数据进行电离层TEC的异常检测，扣除了TEC的长周期趋势，大幅提高了检测结果的可靠性。该方法创新性地基于平滑后的残差数据进行异常活动的探测，滤去了电离层TEC本身的周期特性，减少了误差源对检测结果的干扰，大幅度提高了检测结果的可靠性。利用该方法检测得到的电离层TEC异常活动准确可靠，能够满足对空间环境进行持续检测等要求。图1为一种检测电离层TEC异常的方法流程图；图2为一种检测到的电离层TEC异常分布图。具体实施例方式实施例1以下借助实例描述本发明的实施方式，具体工作流程如图1所示，阐述如下。一种检测电离层TEC异常的方法，它包括如下步骤第一步、对电离层TEC时间序列进行平滑滤波1；由于电离层TEC分布的时空特征，我们选取任一点TEC的时间序列X(Tj)(j=1η)，采用滑动平均的方法对电离层TEC时间序列进行平滑滤波，得到平滑后的TEC时间序列X'(Tj)χ\τ)=ΣX(T)(j=1,2,3........)]2n+lk=\J第二步、计算TEC平滑值与观测值的差值2，得到平滑后残差的时间序列AXi；ΔXi=X(Tj)-X‘(Tj)(j=1,2,3......)第三步、确定滑动视窗的弧长，计算均值和标准差，取均值加、减2倍标准差做上、下限值，对残差的时间序列进行异常检测3(采用滑动视窗的方法对残差序列AXi进行处理)；具体实施方法如下a、假如选取30天的观测弧段，确定视窗长度为10天。b、计算第1天至第10天的10天弧段内TEC残差数据AXi的均值和标准差；Χ=(=1,2，3……10)σ=/-^―^(ΔΖ,-X)2(i=1，2，3......10)V-A^—1其中X为均值，N为10，AXi为第i天TEC的残差值，σ为标准偏差。C、确定异常的上限值(Upper_b0nd)和下限值(L0Wer_b0nd)取平均值加减2倍的标准差作为异常检测时的上限值和下限值Upperbond=X+2σ\~—Lowerbond=X—2σ4将第11天的资料与上限值和下限值做比较，超出上限值的称为电离层TEC正异常扰动，若低于下限值则称为电离层TEC负异常扰动，在上限值和下限值之间为正常；d、计算第2天至第11天的均值和标准差，则均值加减2倍标准差作为检测第12天电离层TEC是否出现异常扰动的标准，仿照步骤3对第12天的电离层TEC进行异常检测。e、余类推，便可以检测到第11天至第30天内的TEC是否出现了异常扰动；第四步、保存检测结果4，检测结果请见图2。按照图1处理分析方法，申请人对2009年4月23至5月23—个月的TEC进行检测，结果显示4月29号，5月的6号，7号，9号以及21号电离层TEC出现了明显的异常扰动，如图2所示，横轴代表时间，纵轴为超出上下限值的部分，单位为TECu,其中4月29号，5月6，7号为TEC负异常，5月9号和21号为正异常扰动。权利要求一种检测电离层TEC异常的方法，其步骤是A、对电离层TEC时间序列进行平滑滤波(1)；考虑到电离层TEC分布的时空特征，选取任一点TEC的时间序列X(Tj)，采用滑动平均的方法对电离层TEC时间序列进行平滑滤波，得到平滑后的TEC时间序列X′(Tj)<mrow><msup><mi>X</mi><mo>&prime;</mo></msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>T</mi><mi>j</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><munderover><mi>&Sigma;</mi><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mi>X</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>T</mi><mi>j</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mrow>B、、计算TEC平滑值与观测值的差值(2)，得到平滑后残差的时间序列ΔXi；ΔXi＝X(Tj)X′(Tj)C、确定滑动视窗的弧长，计算均值和标准差，取均值加、减2倍标准差做上、下限值，对残差的时间序列进行异常检测(3)，步骤如下a、选取30天的观测弧段，确定视窗长度为10天；b、计算第1天至第10天的10天弧段内TEC残差数据ΔXi的均值和标准差；<mrow><mover><mi>X</mi><mo>&OverBar;</mo></mover><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>N</mi></mfrac><mi>&Sigma;&Delta;</mi><msub><mi>X</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mrow><mi>&sigma;</mi><mo>=</mo><msqrt><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>N</mi><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mi>&Sigma;</mi><msup><mrow><mo>(</mo><mi>&Delta;</mi><msub><mi>X</mi><mi>i</mi></msub><mo>-</mo><mover><mi>X</mi><mo>&OverBar;</mo></mover><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></msqrt></mrow>其中为均值，N为10，ΔXi为第i天TEC的残差值，σ为标准偏差；c、确定异常的上限值和下限值取平均值加减2倍的标准差作为异常检测时的上限值和下限值<mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mi>Upper</mi><mo>_</mo><mi>bond</mi><mo>=</mo><mover><mi>X</mi><mo>&OverBar;</mo></mover><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>&sigma;</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Lower</mi><mo>_</mo><mi>bond</mi><mo>=</mo><mover><mi>X</mi><mo>&OverBar;</mo></mover><mo>-</mo><mn>2</mn><mi>&sigma;</mi></mtd></mtr></mtable></mfenced>将第11天的资料与上限值和下限值做比较，超出上限值的称为电离层TEC正异常扰动，低于下限便则称为电离层TEC负异常扰动，在上限值和下限值之间的视为正常；d、计算第2天至第11天的均值和标准差，均值加减2倍标准差作为检测第12天电离层TEC是否出现异常扰动的标准，仿照步骤(c)对第12天的电离层TEC进行异常检测；e、余类推，便检测到第11天至第30天内的TEC是否出现了异常扰动；D、保存检测结果(4)。FSA00000063475700014.tif全文摘要本发明公开了一种检测电离层TEC异常的方法，其步骤是A、对电离层TEC时间序列进行平滑滤波；考虑到电离层TEC分布的时空特征，选取任一点TEC的时间序列，采用滑动平均的方法对电离层TEC时间序列进行平滑滤波，得到平滑后的TEC时间序列B、计算TEC平滑值与观测值的差值，得到平滑后残差的时间序列；C、确定滑动视窗的弧长，计算均值和标准差，取均值加、减2倍标准差做上、下限值，对残差的时间序列进行异常检测，将资料与上限值和下限值做比较，在上限值和下限值之间的视为正常；D、保存检测结果。本发明方法简单，效果明显，创新性地基于平滑后的残差数据进行电离层TEC的异常检测，扣除了TEC的长周期趋势，大幅提高了检测结果的可靠性。文档编号G01V3/00GK101900834SQ20101013267公开日2010年12月1日申请日期2010年3月23日优先权日2010年3月23日发明者乔学军,吴云,周义炎,林剑,祝芙英申请人:中国地震局地震研究所