[發明專利]一種基于卡爾曼濾波臺風過程電離層異常探測方法

有效

• 申請號: 201711392515.0
• 申請日: 2017-12-21
• 公開（公告）號: CN108133287B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 柯福陽;李跟旺
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06Q50/26;G01V9/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 徐激波

本發明公開了一種基于卡爾曼濾波臺風過程電離層異常探測方法，在臺風期間電離層TEC呈現顯著異常，通過卡爾曼濾波這一特殊方法可以有效的來探測臺風期間電離層的異常情況；所述卡爾曼濾波是用狀態空間法來描述系統狀態，用前一個狀態的估計值和最近的一個觀測數據來估計狀態變量的當前值，并以狀態變量的估計值的形式給出；然后進行卡爾曼濾波逐步遞推，通過遞推值和觀測值可利用預報殘差統計量法和電離層擾動指數法對k時刻的電離層TEC觀測值進行異常判別。通過研究發現，卡爾曼濾波法探測精度較高且基本不受電離層背景值時間窗口長度的影響。

技術領域

本發明涉及一種電離層異常探測方法，特別是涉及一種基于卡爾曼濾波臺風過程電離層異常探測方法。

背景技術

臺風是全球發生頻率高、影響嚴重的一種自然災害，是當今全球人類面臨的重大自然災害。臺風(泛指熱帶氣旋,包括熱帶低壓、熱帶風暴、強熱帶風暴、臺風、強臺風和超強臺風，下同)因其災害的嚴重性,而倍受人們的關注。全球每年約發生80次破壞力極強的臺風，每年造成約1.5-2萬人死亡，60-70億美元經濟損失。顯然,臺風來臨的預估，對于提高防臺減災策略的針對性和效率具有重要意義。臺風領域的科學家大都采用GM(1，1)和IRI電離層模型法來檢驗電離層TEC情況對臺風的情況進行預報，以減輕臺風的發生帶來的損失。但是從目前的研究成果過來看，對于臺風發生及其過程的研究并不能很好的預測臺風路徑及其過程。

通過研究發現，臺風過程會引起大氣中電離層TEC的異常，而電離層的異常具有復雜性和不確定性，選擇何種方法成為準確描述臺風過程的關鍵。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有技術的不足，提供一種基于卡爾曼濾波臺風過程電離層異常探測方法，采用卡爾曼濾波技術對臺風過程電離層的異常進行探測，經過實驗研究，試驗結果達到預期效果，為研究臺風預報提供一種新的計算方法。

本發明采用的技術方案是：一種基于卡爾曼濾波臺風過程電離層異常探測方法，所述臺風過程電離層異常運用卡爾曼濾波法通過預報殘差統計量法和電離層擾動指數法對電離層的異常進行探測；

所述通過預報殘差統計量法判斷電離層異常的方法為：

式中，c為單位正態隨機量的分位數，根據顯著性水平α來確定，實際應用中取3或4；H_k為k時刻觀測矩陣；P_k/k-1為狀態協方差陣預報值；為k時刻觀測噪聲第i個分量的方差；如果式(1)成立，則判斷L_k(i)是正常的，否則為異常，其異常值為ε_k；

所述電離層擾動指數法的計算方法包括：

式中，L_k為K時刻的測量值；為狀態預報值；若DI_l＜DI_k＜DI_u，則表明電離層未發生擾動，否則相反，其中DI_l、DI_u將由歷史數據采用數理統計方法確定其經驗值。

作為優選，所述卡爾曼濾波由狀態方程和觀測方程組成，其離散形式分別為：

X_k＝AX_k-1+BU_k-1+W_k-1 (3)

L_k-1＝H_k-1X_k-1+V_k-1 (4)