[發(fā)明專利]一種基于斜返電離圖和層析成像的聯(lián)合反演方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610053967.5
• 申請(qǐng)日: 2016-01-27
• 公開（公告）號(hào): CN105631889A
• 公開（公告）日: 2016-06-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙晶晶;周晨
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湖北大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T7/00
• 分類號(hào): G06T7/00;G06T5/00;G01N23/04
• 代理公司: 武漢帥丞知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 42220
• 代理人: 朱必武

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于斜返電離圖和層析成像的聯(lián)合反演方法，屬于智能控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)

電離層是電波傳播的介質(zhì)，電離層探測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)電離層是無線電信號(hào)的傳輸媒質(zhì)，電離層中電子濃度的分布狀態(tài)和起伏變化會(huì)會(huì)造成電離層折射指數(shù)的改變，從而對(duì)回波信號(hào)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致回波信號(hào)相位擾動(dòng)，回波信號(hào)多普勒譜展寬，信噪比降低。因此從廣義上講，掌握電離層電子濃度的分布狀態(tài)與變化規(guī)律，有利于提高無線電通信、授時(shí)、定位、導(dǎo)航、遙測(cè)和預(yù)警等系統(tǒng)的精度。

在實(shí)際電離層層析問題中，由于地面GPS接收機(jī)布站不均且數(shù)量有限、電子密度重建所需的數(shù)據(jù)缺失比較嚴(yán)重、以及觀測(cè)仰角有限等問題，從而導(dǎo)致基于GPS數(shù)據(jù)的電離層層析反演通常是一個(gè)秩虧的問題，也就是在電離層層析過程中有一些格網(wǎng)點(diǎn)沒有任何GPS射線穿過，得不到任何觀測(cè)信息來對(duì)初始值進(jìn)行修正。因此能夠?qū)⒉煌綔y(cè)手段獲得的電離層數(shù)據(jù)資料都利用起來進(jìn)行聯(lián)合反演和優(yōu)化反演，對(duì)于電離層結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)和提前預(yù)測(cè)具備極強(qiáng)的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

在傳統(tǒng)的基于GPS數(shù)據(jù)的電離層層析成像實(shí)驗(yàn)中，由于待重建區(qū)域中的地面接收機(jī)數(shù)量比較少并且通常分布不均勻，再加上GPS射線高度角的有限性使得垂直射線和接近垂直的射線占絕大多數(shù)，只有與待反演區(qū)域上下邊界都落在區(qū)域內(nèi)的射線才能用來層析反演，因此很難獲得待反演區(qū)域電離層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的全面信息，所以將待反演電離層空間進(jìn)行離散化之后，有些像素并沒有GPS射線通過，即沒有觀測(cè)信息進(jìn)行修正，那么該像素的電子密度值與初始值保持一致，沒有任何改進(jìn)，這就意味著單純基于GPS數(shù)據(jù)的電離層層析成像的電子密度反演結(jié)果與電離層電子密度的真實(shí)分布狀態(tài)普遍存在一定的誤差。

另一方面，在電離層層析成像中迭代初始值很多情況下是由國(guó)際參考電離層模型給出的，但是因?yàn)镮RI模型是一種統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停荒芊从吵銎届o電離層狀況下的平均狀態(tài)，特別是當(dāng)空間天氣異?；虼嬖跀_動(dòng)時(shí)，IRI模型提供的電子密度值與電離層真實(shí)值存在著比較大的差異。正因?yàn)檫@些問題的存在，重建得到的電離層電子密度分布圖一般會(huì)有一定程度的失真現(xiàn)象，圖像上直觀的表現(xiàn)為相鄰像素點(diǎn)間的電子密度值不連續(xù)，往往存在一些突變。

有鑒于此，有必要提供一種基于斜返電離圖和層析成像的聯(lián)合反演方法，以克服上述問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是：為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種基于斜返電離圖和層析成像的聯(lián)合反演方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于斜返電離圖和層析成像的聯(lián)合反演方法，其特征在于，對(duì)層析模型各個(gè)像素點(diǎn)電子密度初始值，先利用斜返反演進(jìn)行修正，增加先驗(yàn)信息，然后再進(jìn)行層析反演，層析反演基于像素基模型，利用GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)求解各條射線的電離層TEC值；然后根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)射線求出系數(shù)矩陣；最后反求電子密度。

如上所述的基于斜返電離圖和層析成像的聯(lián)合反演方法，其特征在于，所述聯(lián)合反演方法的具體步驟如下：

（1）確定電離層反演區(qū)域，并根據(jù)電子密度分布規(guī)律對(duì)待反演區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)格劃分；

（2）利用IRI2012模型獲得各格網(wǎng)點(diǎn)的電子密度初始值，并把初始值代入第一步建立的像素基電離層模型中；

（3）對(duì)斜返電離圖進(jìn)行反演以獲得電離層電子密度的實(shí)時(shí)分布，把所得的反演結(jié)果代入電離層模型從而對(duì)各格網(wǎng)點(diǎn)的電子密度初始值進(jìn)行初步修正；

（4）利用GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)求出在基于像素指標(biāo)函數(shù)的電離層層析反演中待反演區(qū)域范圍內(nèi)每條GPS射線對(duì)應(yīng)的絕對(duì)TEC值；

（5）根據(jù)WGS-84大地坐標(biāo)系計(jì)算出GPS衛(wèi)星的瞬時(shí)位置，然后根據(jù)已知的地面站坐標(biāo)求解出每條GPS射線在每個(gè)格網(wǎng)內(nèi)截距的長(zhǎng)度，從而得出系數(shù)矩陣；

（6）利用MART算法進(jìn)行迭代求解，重建反演區(qū)域內(nèi)的電子密度分布。

如上所述的基于斜返電離圖和層析成像的聯(lián)合反演方法，其特征在于，步驟（1）中，劃分的格網(wǎng)間隔在經(jīng)度和緯度方向上都取為１°，根據(jù)電離層電子密度的分布特性，高度方向上的間隔在500km以下取為10km，500～1000km取為50km，1000km以上取為200km，因此，待反演區(qū)域被劃分成共12826個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。