[發(fā)明專利]基于改進粒子濾波的傾斜探測電離層MUF短期預報方法

有效

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• 申請日: 2021-01-04
• 公開（公告）號: CN112613222B
• 公開（公告）日: 2023-09-15
• 發(fā)明（設計）人: 鄭廣發(fā);李國軍;葉昌榮;羅一平;馬歡;李景慧
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: G06F30/25
• 分類號: G06F30/25;G06F17/15
• 代理公司: 重慶輝騰律師事務所 50215
• 代理人: 盧勝斌

本發(fā)明涉及短波通信技術領域，特別涉及一種基于改進粒子濾波的傾斜探測電離層MUF短期預報方法，包括對系統(tǒng)進行初始化；使用無跡卡爾曼濾波算法進行重要性采樣，抽取粒子，并進行權重更新；判斷是否重采樣，如果需要重采樣，則通過隨機擾動重采樣算法獲得重采樣后的粒子集和對應權值；根據(jù)獲取的權重和粒子群進行狀態(tài)更新；當估算值沒有超過閾值，循環(huán)次數(shù)加一，返回繼續(xù)使用無跡卡爾曼濾波算法進行重要性采樣，否則輸出當前粒子群作為預報結果；本發(fā)明克服了粒子算法的粒子退化和多樣性不足、計算量大的問題，能勝任非線性、非高斯的系統(tǒng)狀態(tài)模型，在實際站點進行短波通信測試時，頻率預報精度高，能達到87％以上的連通率。

技術領域

本發(fā)明涉及短波通信技術領域，特別涉及一種基于改進粒子濾波的傾斜探測電離層MUF短期預報方法。

背景技術

電離層是隨時間高度變化的復雜系統(tǒng)，它對短波天波的傳播、地空和星間信息鏈路以及空間平臺的運行有著至關重要的影響力，是鏈路的中間介質(zhì)，也受太陽輻射、大氣環(huán)流和地磁環(huán)境等多種因素的影響。準確得到實際通信過程中的最大可用頻率(MaximumUsable?Frequency，MUF)，在短波通信以及電離層探測中具有重要的意義。

電離層的頻率預測也主要是分為兩種，長期預報和短期預報，短期預報相比于長期預報，預測精度更好，適用性更強，它是根據(jù)電離層短期內(nèi)存在著相對穩(wěn)定的特性，結合實測數(shù)據(jù)，通過算法預報出短期電離層的變化情況。這也導致近幾十年來電離層預報的發(fā)展趨勢也是逐步從長期預報向短期預報發(fā)展。

現(xiàn)有技術中的短期預報均是運用于垂直探測電離層foE、foF2、M(3000)F2等特性參數(shù)的預測，并不是具體通信鏈路中實際最大通信頻率的預測。由于目前傾斜電離層脈沖探測技術的日益成熟，加之傾斜探測站點的建設速度快于垂直探測站，于是利用傾斜數(shù)據(jù)進行短波頻率預報也就成為了目前的研究趨勢。通過對目前出現(xiàn)的短波電離層頻率預報方法進行研究，當前存在的主要問題如下：

(1)粒子濾波算法的粒子退化和多樣性不足。是由于先驗分布產(chǎn)生的粒子不一定能反映真實分布以及重采樣中大量復制粒子會導致粒子多樣性下降。

(2)重采樣技術效率低。多項式重采樣、殘差重采樣分層重采樣和系統(tǒng)重采樣等重采樣技術，能夠解決粒子權重退化的問題，但粒子的多樣性依然缺失。

(3)只適用于線性系統(tǒng)。由于電離層復雜多變，頻率變化假設為線性，均是理想的情況，跟實際不符；傳統(tǒng)一些方法，如卡爾曼濾波短期預報方法就會失效。

(4)預報精度低和通信連通率差。大部分電離層短期預報方法依靠經(jīng)驗模型，把預報結果運用在實際短波通信鏈路中，連通率達不到一般使用標準。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決粒子退化嚴重、粒子多樣性不足、預報精度低、通信連通率差、只適用于非線性系統(tǒng)的改進粒子濾波短期預報電離層MUF，本發(fā)明提出一種基于改進粒子濾波的傾斜探測電離層MUF短期預報方法，具體包括以下步驟：

對系統(tǒng)進行初始化，令循環(huán)次數(shù)k＝1；

使用無跡卡爾曼濾波算法進行重要性采樣，獲得和P_k；

根據(jù)抽取粒子，并進行權重更新；

判斷是否重采樣，如果需要重采樣，則通隨機擾動重采樣算法獲得重采樣后的粒子集和對應權值；

根據(jù)獲取的權重和粒子集進行狀態(tài)更新；

當估算值沒有超過閾值時，循環(huán)次數(shù)加一，返回繼續(xù)使用無跡卡爾曼濾波算法進行重要性采樣，否則輸出當前粒子群作為預報結果；

其中，為k時刻狀態(tài)估計，P_k為k時刻狀態(tài)估計方差；為k時刻的狀態(tài)粒子集，且該時刻粒子集中各個粒子狀態(tài)服從于均值為方差為P_k的正態(tài)分布。

進一步的，對系統(tǒng)進行初始化包括：