[發明專利]基于經驗模態分解的高能電子通量小時預報模型建立方法

在審

• 申請號: 201810394617.4
• 申請日: 2018-04-27
• 公開（公告）號: CN108776719A
• 公開（公告）日: 2018-11-09
• 發明（設計）人: 張華;錢燁棟;楊建偉
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 葛瀟敏

本發明公開一種基于經驗模態分解的高能電子通量小時預報模型建立方法，包括如下步驟：步驟1，通過經驗正交函數對高能電子通量的時間系數進行簡化；步驟2，采用經驗正交函數的第一階基函數對高能電子通量時間系數的經驗正交函數重構展開；步驟3，利用已知的電子通量以及基函數得到電子通量的時間系數；步驟4，選擇輸入參數；步驟5，采用經驗模態分解EMD算法對時間系數進行分解；步驟6，對時間系數的各個分量進行擬合。此種方法克服了非平穩性給高能電子通量帶來的預報困難，其分解后的數據序列與時間系數的原始數據序列相比具有更強的規律性，可以顯著提高其預測的精度。

技術領域

本發明涉及一種空間高能電子通量的預報方法，特別涉及一種基于經驗模態分解的高能電子通量小時預報模型建立方法。

背景技術

在磁暴恢復相期間，導致衛星無法正常運行或完全損壞。地球同步軌道位于外輻射帶區域，該區域分布了大量高能帶電粒子(相對論電子)。同時，數百顆同步軌道衛星該區域內運行(參考文獻1)。當發生大的磁暴后，高能電子通量會在短時間下降，隨后會升高3-4個量級，這些高能粒子具有很高的能量，大量高能電子通量從磁層的外輻射帶滲透到地球同步軌道(GEO)，在這其中>2MeV的高能電子能夠穿透衛星表面并聚積在材料內部，引起材料的深層充放電，嚴重威脅衛星安全與穩定工作(參考文獻2)。根據統計,1992年3月到1994年4月,因高能帶電粒子的聚積引發的GEO衛星故障共有50多次(參考文獻3)。因此，對磁暴期間高能電子通量的預報,能夠提前對衛星采取必要措施降低高能電子對衛星的危害，具有重要的科學價值與應用價值。

目前，高能電子通量的預報主要采用統計的和人工智能的方法等。在統計模型當中，以線性模型與非線性模型為主。早期的研究當中，Paulikas等(參考文獻4)首先發現高能電子通量與太陽風速度有著良好的相關性。在此基礎上，Baker等通過統計的方法和線性預測濾波技術(簡稱PLF)發現太陽風速度與GEO的高能電子通量具有最直接的聯系(參考文獻5)。該方法以歷史探測到的太陽風速度作為輸入，預報后一天的高能電子通量，結果表明在太陽風速度達到最大值時，電子通量輸出的脈沖響應時間系數在1-2天左右達到最大值。美國NASA的空間天氣預報中心在此基礎上發展了相對論電子通量的預報模型(簡稱REFM)。REFM模式利用太陽風參數作為輸入，輸出基本預報值，然后對預報值進行修正，為預測-校正法，輸出后面1-3天的高能電子通量值，第一天的預報效率約為0.71，后面兩天預測值很差，原因是外輻射帶在磁擾動期處于快速變化過程中(參考文獻5)。由于磁層對太陽風的響應是非線性的，單用線性濾波技術預報有局限性(參考文獻6)。Rigler(參考文獻7)在2004年利用卡爾曼濾波改進線性濾波模型，使濾波系數可以動態地改變，結果表明，預報效率得到了較大的提高，該方法被運用到了許多模型[Sakguchi et al.2012；He tian,2013；](參考文獻8、9)。

除了線性濾波模型，非線性濾波模型也得到了廣泛發展。非線性濾波模型主要基于高能電子突然增加的加速機制出發。目前，高能電子的加速機制有兩種觀點：第一，徑向擴散機制；第二，波粒相互作用?；诮浵驍U散機制，Li(參考文獻10、11)[2001；2004]提出了徑向擴散模型(簡稱RDF模型)，該模型用太陽風參數和行星際磁場分量作為輸入，預報1-2天后GEO上>2Mev的高能電子通量。預報效率為0.64。對太陽活動高年的預報精度不理想。Turner在2008年發展了LOW-E模型，該模型以前一日與當日的低能量電子通量和相對論電子通量作為輸入，預報后一天的電子通量值，平均預報率在0.73(參考文獻12)。基于波粒相互作用機制，Alexander et.al.[2017]集合了徑向擴散機制與波粒相互作用機制(參考文獻13、14)，運用多元線性回歸的方法建立了同步軌道區>2MeV電子的日積分預報模式，輸入參數為太陽風速度、密度、動壓，ULF波強度(Pc4-5)，>600keV電子通量(種子電子)和行星際電場值，提前一天的預測標準差約為0.58，該模型的特點是電子通量極值預報值提前于測量值。