[发明专利]一种电离层TEC异常值提取方法及系统

说明书

本发明公开了一种电离层TEC异常值提取方法及系统，所述方法包括：从预先构建的数据集中，选取前27天中同一时刻的TEC值组成一组时间序列数据，构建时滞矩阵，利用主成分分析方法提取27天TEC值的变化趋势，然后利用四分位距法计算参考背景TEC下界值和参考背景TEC上界值；采集当前时间范围内的电离层TEC时间序列数据并进行均值化处理；将均值化处理后的时间序列中的每个TEC值，与计算出的参考背景TEC下界值和参考背景TEC上界值分别进行比较，如果小于参考背景TEC下界值，则该TEC值为负异常值；如果大于参考背景TEC上界值，则该TEC值为正异常值。本发明的方法相比于传统的四分位距法在提取异常方面精度更高，而且计算量小，易于实现。

技术领域

本发明涉及数据挖掘和地球物理领域，具体涉及一种电离层TEC异常值提取方法及系统。

背景技术

电离层对太阳活动和地磁活动有着强烈的响应，对电离层的研究是揭开日地空间耦合系统因果物理链的重要环节。电离层总是随纬度、经度呈现复杂的空间变化，并且具有昼夜、季节、年、太阳黑子周期等短期和长期变化。电离层不仅受到太阳活动、地磁活动等影响，还可能受到地震等因素扰动。目前，大多将震前电离层扰动作为短临地震预报的依据。在研究电离层与其他空间天气事件和地震事件的内在联系时，非常关键的是准确识别出电离层异常。

电离层电子浓度总含量(TEC)的时空分布，反映了电离层的主要特征。通常是通过研究TEC的异常扰动变化，来理解电离层异常变化。典型的提取TEC异常的方法是中位数法、平均值法和四分位距法。其中四分位距法采用滑动时窗对TEC时间序列做统计分析进行异常检测，作为一种稳健的异常分析方法，计算量小，从而被广泛采用。然而四分位距法也存在参考背景值精度较低的问题，无法识别电离层小扰动，在电离层异常识别精度方面还有待提升。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，在四分位距法的基础上引入主成分分析方法，提出一种精度更高的电离层TEC异常值提取方法，进一步识别出磁暴、地震前兆等信息，提升了电离层TEC异常识别精度。

为实现上述目的，本发明提出了一种电离层TEC异常值提取方法，所述方法包括：

从预先构建的数据集中，选取前27天中同一时刻的TEC值组成一组时间序列数据，构建时滞矩阵，利用主成分分析方法提取27天TEC值的变化趋势，然后利用四分位距法计算参考背景TEC下界值和参考背景TEC上界值；

采集当前时间范围内的电离层TEC时间序列数据并进行均值化处理；

将均值化处理后的时间序列中的每个TEC值，与计算出的参考背景TEC下界值和参考背景TEC上界值分别进行比较，如果小于参考背景TEC下界值，则该TEC值为负异常值；如果大于参考背景TEC上界值，则该TEC值为正异常值。

作为上述方法的一种改进，所述方法还包括：构建数据集的步骤，具体包括：

采集一定时间周期内的电离层TEC原始数据、太阳活动指数和地磁活动指数；

将电离层TEC原始数据从源文件ionex格式中解析成网格数据；

选定的网格点TEC值，使用线性插值法在时间维度上进行插值，将2014年10月18日以前的数据时间分辨率提升为1小时，并与2014年10月19日之后的数据时间分辨率统一；

结合太阳活动指数和地磁活动指数进行对比分析，判断当前时刻电离层TEC是否受到太阳和地磁活动事件的干扰，选取太阳活动指数F10.7，地磁活动指数Dst和Kp，并与从网格数据中抽取的TEC数据，按照每一行变量为时间、纬度、经度、TEC、Dst、Kp、F10.7的顺序重新排列，组成数据集。