一种基于粒子群优化算法的电离层电子密度反演方法与流程

1.本发明属于信号与信息处理技术领域，具体是指一种基于粒子群优化算法的电离层电子密度反演方法。


背景技术：

2.太阳辐射、宇宙射线、中性风等各种物理过程的综合效应产生了电离层这种特殊介质，它随高度、纬度、太阳黑子数、一天中的时间和季节而变化，其物理特性极为复杂。目前，电离层电子密度模型大致可分为基于非均匀稀疏观测数据的经验模型和基于天基-地基大量观测数据统计特性的同化模型。
3.经验模型使用来自各种观测的气象学电离层数据，使用预定义的解析函数将电离层参数与给定的控制参数进行拟合，具有代表性的有国际参考电离层模型(international reference ionosphere，iri)和nequick模型。nequick是一个实时三维半经验的电离层延迟改正模型，并形成了nequick1、nequickg、nequick2模型。经验模型能给出电离层常规变化规律，但是在特定区域或特定时间，经验模型难以有效呈现电离层特性。
4.为了改善经验模型的不足，并增强预测时效性，人们以iri模型或nequick模型为背景，基于champ和cosmic等多源数据，以卡尔曼滤波算法、三维变分方法等同化方法建立了全球3d电子密度模型。与经验模型相比，同化电离层电子密度模型精度得到了较大提升。但是，无论是基于天基掩星观测数据还是地基探测数据的同化方法，都存在系统复杂度高，人力物力投入大等问题，效费比不高。


技术实现要素：

5.针对上述采用同化模型获取电离层电子密度存在的系统复杂度高、消耗资源大、效费比不高的问题，本发明提出了一种基于粒子群优化算法的电离层电子密度反演方法，基于短波信号到达仰角，利用粒子群优化算法对qps(准抛物段)电离层参数进行优化，反演电离层电子密度剖面。
6.本发明提供的基于粒子群优化算法的电离层电子密度反演方法，包括如下步骤：
7.步骤1、通过接收机采集短波信号到达仰角，记录采集时间和太阳10.7cm射电流量，计算发射位置到接收位置的路径中点处的经纬度；
8.步骤2、将步骤1得到的采集时间和太阳10.7cm射电流量、经纬度输入nequick2模型，获取准抛物段qps参数的初始值，包括电离层e层、f1层和f层的临界频率、峰值电子密度高度和半厚度的初始值；
9.步骤3、设置短波信号到达仰角遍历范围和步进；
10.步骤4、将短波信号到达仰角、工作频率和段qps参数输入qps电离层模型，遍历短波信号到达仰角遍历范围，获取短波信号以不同到达仰角从发射位置经qps电离层传播后返回地面的地面距离；
11.步骤5、在步骤4计算的地面距离中，找到与步骤1中发射位置到接收位置的地面距
离最接近的短波路径对应的到达仰角，记为理论仰角；
12.步骤6、将qps参数作为粒子，利用粒子群优化算法搜索最佳qps参数；
13.其中，粒子维度为9，包括电离层e层、f1层和f层的临界频率、峰值电子密度高度和半厚度；并预先设置各维度对应参数的搜索范围；
14.步骤7、将粒子群优化算法搜索的最佳qps参数带入qps电离层模型，对所述路径中点处的电离层电子密度反演。
15.本发明的优点与积极效果在于：本发明方法通过引入nequick2电离层模型求解短波发射和接收位置中点处的电离层qps初始参数，进一步利用解析射线追踪方法求出经qps电离层传播后的电波射线仰角，并结合实测仰角，构建适应度函数，采用粒子群优化算法搜索最佳qps电离层参数，实现了电离层电子密度反演。与qps初始参数相比，优化反演后的qps参数与实测值吻合更好。另外，本发明方法对现有短波监测数据进行了创新应用，例如，可将全球分布的短波广播信号、业余爱好者短波通联信号、短波信标信号等辐射源作为数据来源，而无需新建或使用已有专业电离层观测设施，效费比较高，实用性强。最后，本发明方法反演得到的电子密度剖面还可与传统经验电离层模型或当前研究较多的同化电离层模型进行数据融合，进一步提升电离层建模精度。
附图说明
16.图1是本发明的基于粒子群优化算法的电离层电子密度反演方法的流程示意图；
17.图2是采用本发明方法反演电离层电子密度的迭代收敛过程图。
具体实施方式
18.下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
19.如图1所示，本发明实现的基于粒子群优化算法的电离层电子密度反演方法，包括如下七个步骤。
20.步骤1、通过接收机采集短波信号到达仰角，记录采集时间(月日时)和太阳10.7cm射电流量，计算发射位置到接收位置的路径中点处的经纬度。
21.步骤2、将步骤1获取的月日时、太阳10.7cm射电流量、经纬度带入nequick2模型，获取对应的电离层e层、f1层和f层临界频率、峰值电子密度高度和半厚度，这些参数统称为qps初始参数。设获得电离层e层、f1层和f层的临界频率初始值分别为foe_neq、fof1_neq、fof2_neq，设电离层e层、f1层和f层的峰值电子密度高度的初始值分别为hme_neq、hmf1_neq、hmf2_neq，设电离层e层、f1层和f层的半厚度初始值分别为yme_neq、ymf1_neq、ymf2_neq。若nequick2模型无f1层数据，则查询位置和时间相近的垂测仪f1层数据带入。
22.步骤3、设置短波信号到达仰角遍历范围和步进。范围越大、步进越小，电离层电子密度反演算法的精度越高，作为示例，可将范围设置为3到87度，步进设置为0.1度。
23.步骤4、将步骤3中的短波信号到达仰角、工作频率、qps参数带入qps电离层模型，利用下式求出短波以不同仰角从发射位置经qps电离层传播后返回地面的地面距离d。
24.d＝2re[γ-θ+r
e cos(θ)*∑(i
u-i
l
)]
[0025]
其中，re为地球半径；θ为短波信号到达仰角，iu、i
l
和γ均为与电波传播相关的参量。
[0026]
步骤5、找出步骤4中的距离与步骤1中发射位置到接收位置之间距离最接近的短波路径对应的仰角，记为理论仰角。
[0027]
根据步骤3获得的短波信号到达仰角遍历范围和步进，在步骤4中以步进长度在到达仰角的遍历范围内遍历，短波信号以不同到达仰角从发射位置经qps电离层传播后返回地面的地面距离，然后从中寻找与步骤1中发射位置到接收位置之间的地面距离最接近的距离，将所找到的距离对应的短波到达仰角作为理论仰角。
[0028]
步骤6、粒子群优化算法建模。
[0029]
步骤6.1，通过下式构造适应度函数f。
[0030][0031]
式中，θi为步骤5中计算出的理论仰角，θ
ti
为接收机采集的短波信号到达仰角，n为短波信号数量。
[0032]
步骤6.2，通过以下方法设置粒子群的粒子数量和粒子维度，生成解搜索范围。
[0033]
由步骤2中qps参数，设置粒子群粒子数量为n，粒子的维度为9，即粒子pi＝(foe,fof1,fof2,hme,hmf1,hmf2,yme,ymf1,ymf2)。foe,fof1,fof2分别为电离层e层、f1层和f层的临界频率，hme,hmf1,hmf2分别为电离层e层、f1层和f层的峰值电子密度高度，yme,ymf1,ymf2分别为电离层e层、f1层和f层的半厚度。
[0034]
解搜索范围为：foe∈[foe_neq-a1,foe_neq+a1]，fof1∈[fof1_neq-a2,foe_neq+a2]，fof2∈[fof2_neq-a3,fof2_neq+a3]，hme∈[hme_neq-a4,hme_neq+a4]，hmf1∈[hmf1_neq-a5,hmf1_neq+a5]，hmf2∈[hmf2_neq-a6,hmf2_neq+a6]，yme∈[yme_neq-a7,yme_neq+a7]，ymf1∈[ymf1_neq-a8,ymf1_neq+a8]，ymf2∈[ymf2_neq-a9,ymf2_neq+a9]。数值a1～a9分别用于设置对应参数的搜索范围。
[0035]
步骤6.3，执行粒子群优化算法进行迭代计算，搜索最佳qps模型参数。
[0036]
步骤6.4，判断算法是否满足预先设置的迭代停止条件，若满足，则停止优化，输出最佳粒子结果，否则继续执行步骤6.3。
[0037]
步骤7、将粒子群优化结果带入qps电离层模型，替换初始参数，利用参数优化后的qps电离层模型完成路径中点处电离层电子密度的反演。
[0038]
本发明下面通过一个实验来证明本发明方法进行电离层电子密度的反演的效果。
[0039]
(1)实验参数如下：
[0040]
实验时间为2021年4月19日20时，通过位于乌鲁木齐的短波接收设备接收由北京广播台站发射的短波信号9.62mhz、11.8mhz和15.38mhz，接收仰角为26度、15度和11度。计算北京到乌鲁木齐的地理位置之间路径的中点位置为东经102.33度，北纬43.42度。
[0041]
通过nequick2模型计算路径中点处的以下参数值：foe_neq＝1.3mhz，fof1_neq＝0mhz，fof2_neq＝6.99mhz，hme_neq＝110km，hmf1_neq＝0km，hmf2_neq＝273.47km，yme_neq＝9km，ymf1_neq＝0km，ymf2_neq＝42.47km。由于f1层数据为0，不对f1层参数进行优化。参数范围中参数设置为：a1＝1mhz，a2＝2mhz，a3＝2mhz，a4＝8km，a5＝10km；a6＝25km；a7＝5km，a8＝10km，a9＝25km。粒子数量n为40。设置最大迭代次数为100次。
[0042]
(2)实验结果如下：
[0043]
本发明通过粒子群优化算法优化后的qps参数为：
[0044]
foe＝2.25mhz,fof2＝6.78mhz,hme＝105.52km,
[0045]
hmf2＝265.07km,yme＝13.39km,ymf2＝63.18km。
[0046]
中国科学院在全国建设了数个电离层垂测仪，其中，位于甘肃省张掖市的垂测仪距离上述路径中点位置最近，将初始qps参数与优化后的qps参数分别与张掖垂测仪测量结果进行作差对比，如表1所示，优化后的qps参数中，除hme外，其余五个参数误差均大幅小于初始qps参数误差，证明了本发明方法的有效性。
[0047]
表1优化反演前后qps参数与实测值误差对比
[0048][0049]
本发明方法采用粒子群优化算法求解电离层电子密度的迭代收敛曲线如图2所示，经过80次迭代后即收敛，收敛速度较快；适应度函数值从开始迭代时小于0.1逐渐增大到收敛时的0.97，说明采用本发明方法表现出了良好的优化能力。当实测短波接收仰角与仿真仰角完全一致时，适应度函数值达到最大值1。与初始qps模型相比，优化后的qps模型更能呈现真实电离层电子密度分布规律。
[0050]
除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。本发明省略了对公知组件和公知技术的描述，以避免赘述和不必要地限制本发明。上述实施例中所描述的实施方式也并不代表与本技术相一致的所有实施方式，在本发明技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于粒子群优化算法的电离层电子密度反演方法，其特征在于，包括：步骤1、通过接收机采集短波信号到达仰角，记录采集时间和太阳10.7cm射电流量，计算发射位置到接收位置的路径中点处的经纬度；步骤2、将步骤1得到的采集时间和太阳10.7cm射电流量、经纬度输入nequick2模型，获取准抛物段qps参数的初始值，包括电离层e层、f1层和f层的临界频率、峰值电子密度高度和半厚度的初始值；步骤3、设置短波信号到达仰角遍历范围和步进；步骤4、将短波信号到达仰角、工作频率和qps参数输入qps电离层模型，遍历短波信号到达仰角遍历范围，获取短波信号以不同到达仰角从发射位置经qps电离层传播后返回地面的地面距离；步骤5、在步骤4计算的地面距离中，找到与步骤1中发射位置到接收位置的地面距离最接近的短波路径对应的到达仰角，记为理论仰角；步骤6、将qps参数作为粒子，利用粒子群优化算法搜索最佳qps参数；其中，粒子维度为9，包括电离层e层、f1层和f层的临界频率、峰值电子密度高度和半厚度；并预先设置各维度对应参数的搜索范围；步骤7、将粒子群优化算法搜索的最佳qps参数带入qps电离层模型，对所述路径中点处的电离层电子密度反演。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤2中，若nequick2模型无f1层的参数数据，则查询位置和时间相近的垂测仪f1层的参数数据。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤6中，构造粒子群优化算法中的适应度函数f如下：其中，θ
i
为理论仰角，θ
ti
为接收机采集的短波信号到达仰角，n为短波信号数量。

技术总结
本发明提供了一种基于粒子群优化算法的电离层电子密度反演方法。本发明方法包括：接收机采集短波信号到达仰角，计算发射位置到接收位置的路径中点处的经纬度，引入NeQuick2模型求解短波发射和接收位置中点处的电离层QPS(准抛物段)参数的初始值；基于短波信号到达仰角，求出经QPS电离层传播后的电波射线仰角，并结合实测仰角，构建适应度函数，利用粒子群优化算法搜索最佳参数；利用优化的参数反演电离层电子密度剖面。采用本发明方法优化反演后的QPS参数与实测值吻合更好，本发明方法无需新建或使用已有专业电离层观测设施，效费比较高，实用性强，可与已获得的电离层模型进行数据融合，进一步提升电离层反演精度。进一步提升电离层反演精度。进一步提升电离层反演精度。


技术研发人员：李章义 贾智威 王本超 王晓明 李冰琪 石会鹏 唱亮 王志欣
受保护的技术使用者：北京东方波泰无线电频谱技术研究所有限公司
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/7/17