一种掩星资料时空数据分析方法及系统与流程

1.本发明涉及地球大气探测技术及其气象气候应用领域，具体涉及一种掩星资料时空数据分析方法及系统。


背景技术：

2.全球气候变化监测和数值天气预报是世界各国共同面临的科技问题，掩星探测技术具有高垂直分辨率、自定标和长期稳定等优点，是气候变化监测和数值天气预报的主要大气探测资料之一。
3.全球导航卫星系统的完善和地球低轨卫星星座的发展为掩星探测提供了更丰富的信号资源，为满足全球气候监测和数值天气预报对掩星数量和时空分布的需求提供了有利条件。世界气象组织指出每天需要全球均匀分布的25000多个掩星事件才能满足全球数值天气预报的基本要求，且掩星数量增加会有效提高数值天气预报的精度。因此，掩星探测系统向多gnss系统兼容和低轨卫星星座发展，比如美国的商业航天公司spire global在实施“百星星座”gnss掩星探测任务。
4.多gnss系统兼容的低轨卫星星座掩星探测任务的规划，以及大型掩星探测任务效能的评估，要面向全球气候监测和数值天气预报的需求。然而，传统的用掩星事件全球分布散点图和沿经纬度掩星数量直方图相结合的统计方法，难以定量描述和分析海量掩星数据资料的全球分布情况和时效性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种掩星资料时空数据分析方法，还提出了一种掩星资料时空数据分析系统。
6.为了实现上述目的，本发明提出了一种掩星资料时空数据分析方法，所述方法包括：
7.步骤1)获取掩星资料的时空数据，所述时空数据包括：掩星事件发生的时间以及掩星切点的大地经度、纬度和高度；
8.步骤2)将地球表面在空间上划分成均匀网格；
9.步骤3)根据掩星事件的时空数据，将掩星事件按照其发生的先后时间顺序，依次投影累加到相应的网格中，得到按网格划分的掩星时空数据；
10.步骤4)根据按网格划分的掩星时空数据，计算掩星事件数量及其时空分布数据，所述时空分布数据包括：全球覆盖率和全球均匀覆盖指数；
11.步骤5)根据掩星数量及其时空分布数据，绘制掩星事件全球覆盖情况及其数量和覆盖率随时间变化趋势图，进行特定时段和特定区域的掩星事件覆盖率、均匀度和时效性分析。
12.作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：以经纬度(0
°
，0
°
)为参考原点，根据掩星大气探测水平分辨率、掩星星座规模以及探测需求将地球表面在空间上划分成尺
寸为l
×
l的均匀网格，l单位为km。
13.作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：
14.基于掩星事件发生的世界时t
ro
和统计时段的起始世界时t0，得到归一化时间t为：
15.t＝t
ro-t0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
16.基于掩星切点的大地经度λ
ro
和纬度将掩星事件投影到网格中，得到网格矩阵列号col和网格矩阵行号row：
[0017][0018]
其中，k为比例因子，e为地球参考椭球偏心率，a为地球参考椭球半长轴，为比例参考纬度；
[0019][0020][0021]
作为上述方法的一种改进，所述步骤4)具体包括：
[0022]
基于按网格划分的掩星时空数据，计算掩星事件访问过的网格面积s
occ
与所有网格面积之和s
tot
的比值，得到掩星事件全球覆盖率gcr为：
[0023]
gcr＝(s
occ
/s
tot
)
×
100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0024]
基于按网格划分的掩星时空数据，根据下式计算掩星事件全球均匀覆盖指数uci(n)为：
[0025]
uci(n)＝(n
≥n
/n
tot
)
×
100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0026]
其中，n取掩星事件数量相对于n
tot
的平均值，n
tot
表示网格总数，n
≥n
表示掩星事件访问次数大于等于n的网格数。
[0027]
作为上述方法的一种改进，所述步骤5)具体包括：
[0028]
根据掩星数量，并对公式(5)和(6)增加时间和空间约束条件，绘制掩星事件全球覆盖情况及其数量和覆盖率随时间变化趋势图，分析特定时段和特定区域的掩星事件全球覆盖率以及掩星事件全球均匀覆盖指数。
[0029]
一种掩星资料时空数据分析系统，所述系统包括：数据获取模块、地球表面划分模块、掩星事件投影模块、掩星事件覆盖率和均匀度计算模块以及数据分析模块；其中，
[0030]
所述数据获取模块，用于获取掩星资料的时空数据，所述时空数据包括：掩星事件发生的时间以及掩星切点的大地经度、纬度和高度；
[0031]
所述地球表面划分模块，用于将地球表面在空间上划分成均匀网格；
[0032]
所述掩星事件投影模块，用于根据掩星事件的时空数据，将掩星事件按照其发生的先后时间顺序，依次投影累加到相应的网格中，得到按网格划分的掩星时空数据；
[0033]
所述掩星事件覆盖率和均匀度计算模块，用于根据按网格划分的掩星时空数据，计算掩星事件数量及其时空分布数据，所述时空分布数据包括：全球覆盖率和全球均匀覆盖指数；
[0034]
所述数据分析模块，用于根据掩星数量及其时空分布数据，绘制掩星事件全球覆
盖情况及其数量和覆盖率随时间变化趋势图，进行特定时段和特定区域的掩星事件覆盖率、均匀度和时效性分析。
[0035]
作为上述系统的一种改进，所述地球表面划分模块的处理过程包括：以经纬度(0
°
，0
°
)为参考原点，根据掩星大气探测水平分辨率、掩星星座规模以及探测需求将地球表面在空间上划分成尺寸为l
×
l的均匀网格，l单位为km。
[0036]
作为上述系统的一种改进，所述掩星事件投影模块的处理过程包括：
[0037]
基于掩星事件发生的世界时t
ro
和统计时段的起始世界时t0，得到归一化时间t为：
[0038]
t＝t
ro-t0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0039]
基于掩星切点的大地经度λ
ro
和纬度将掩星事件投影到网格中，得到网格矩阵列号col和网格矩阵行号row：
[0040][0041]
其中，k为比例因子，e为地球参考椭球偏心率，a为地球参考椭球半长轴，为比例参考纬度；
[0042][0043][0044]
作为上述系统的一种改进，所述掩星事件覆盖率和均匀度计算模块的处理过程包括：
[0045]
基于按网格划分的掩星时空数据，计算掩星事件访问过的网格面积s
occ
与所有网格面积之和s
tot
的比值，得到掩星事件全球覆盖率gcr为：
[0046][0047]
基于按网格划分的掩星时空数据，根据下式计算掩星事件全球均匀覆盖指数uci(n)为：
[0048]
uci(n)＝(n
≥n
/n
tot
)
×
100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0049]
其中，n取掩星事件数量相对于n
tot
的平均值，n
tot
表示网格总数，n
≥n
表示掩星事件访问次数大于等于n的网格数。
[0050]
作为上述系统的一种改进，所述数据分析模块的处理过程包括：
[0051]
根据掩星数量，并对公式(5)和(6)增加时间和空间约束条件，绘制掩星事件全球覆盖情况及其数量和覆盖率随时间变化趋势图，分析特定时段和特定区域的掩星事件全球覆盖率以及掩星事件全球均匀覆盖指数。
[0052]
与现有技术相比，本发明的优势在于：
[0053]
1、本发明首次提出了掩星事件全球覆盖均匀度和全球均匀覆盖指数的概念；
[0054]
2、本发明的方法使用网格化地图统计掩星事件累积次数，计算存储掩星总数和各网格掩星事件累积数的时间序列，可实现掩星事件覆盖率、均匀度和时效性分析；
[0055]
3、本发明的方法和系统有利于实现海量掩星数据资料的时空分布统计分析及其
可视化。
附图说明
[0056]
图1是本发明实施例1的掩星资料时空数据分析方法流程图；
[0057]
图2是本发明实施例2的掩星资料时空数据分析系统组成框图；
[0058]
图3是采用本发明的方法绘制的掩星资料的掩星数量和覆盖率变化趋势；
[0059]
图4(a)是全球划分为400
×
400(km2)的网格，在多gnss系统兼容模式下，3颗、6颗、9颗和12颗leo卫星星座的全球覆盖率；
[0060]
图4(b)是全球划分为400
×
400(km2)的网格，在多gnss系统兼容模式下，3颗、6颗、9颗和12颗leo卫星星座的掩星事件数量随时间连续变化曲线。
具体实施方式
[0061]
本发明为大型掩星探测任务设计及其效能的评估，首次定义了掩星事件全球覆盖均匀度指标，提出了一种掩星资料时空数据分析方法及系统，实现掩星事件数量及其全球覆盖率、均匀度和时效性的定量分析。
[0062]
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
[0063]
实施例1
[0064]
如图1所示，本发明的实施例1提供了一种掩星资料时空数据分析方法。具体包括：
[0065]
获取掩星资料的时空数据，所述掩星时空数据包括：掩星事件发生的时间和掩星切点的大地经度、纬度和高度；
[0066]
将地球表面在空间上划分成均匀网格，由于掩星事件的位置用经度和纬度记录，其大气探测水平分辨率约为200km，全球可划分为l
×
l(km2)的网格，比如200
×
200(km2)的网格，或根据掩星星座的规格和探测需求，将全球划分为300
×
300(km2)、400
×
400(km2)、500
×
500(km2)的均匀网格；
[0067]
根据掩星事件的时间和位置数据，将掩星事件按照其发生的先后时间顺序，依次投影累加到相应的网格中，得到按网格划分的掩星时空数据；
[0068]
根据网格划分的掩星时空数据，计算掩星事件数量及其全球覆盖率和均匀度的时间序列；
[0069]
根据掩星数量及其时空分布数据，绘制掩星事件全球覆盖情况及其数量和覆盖率随时间变化趋势图，进行特定时段、特定区域的掩星事件覆盖率、均匀度和时效性分析。
[0070]
作为上述方法的一种改进，所述掩星时空数据包括：掩星事件发生的时间和掩星切点的大地经度、纬度和高度；
[0071]
作为上述方法的一种改进，将地球表面在空间上划分成均匀网格；具体包括，由于掩星事件的位置用经度和纬度记录，其大气探测水平分辨率约为200km，全球可划分为以经纬度(0
°
，0
°
)为参考原点的l
×
l(km2)的网格，比如200
×
200(km2)的网格，或根据掩星星座的规格和探测需求，将全球划分为300
×
300(km2)、400
×
400(km2)、500
×
500(km2)的均匀网格，或其它分辨率的网格；
[0072]
作为上述方法的一种改进，根据掩星事件的时间和位置数据，将掩星事件按照其发生的先后时间顺序，依次投影累加到相应的网格中，得到按网格划分的掩星时空数据；具
体包括，
[0073]
基于掩星事件发生的世界时t
ro
和统计时段的起始世界时t0，归一化时间t为：
[0074]
t＝t
ro-t0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0075]
基于掩星事件位置纬度和经度λ
ro
，将掩星事件投影到网格中：
[0076][0077]
其中，col为网格矩阵列号，k为比例因子，e为地球参考椭球偏心率，a为地球参考椭球半长轴，比例参考纬度；
[0078][0079]
其中，row为网格矩阵行号，
[0080][0081]
作为上述方法的一种改进，根据网格划分的掩星时空数据，计算掩星事件数量及其全球覆盖率和均匀度的时间序列；具体包括，
[0082]
基于上述掩星资料的网格划分结果，计算掩星事件访问过的网格面积与总面积的比值，作为掩星事件全球覆盖率；
[0083]
gcr＝(s
occ
/s
tot
)
×
100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0084]
其中，gcr为全球覆盖率，s
occ
为掩星事件访问过的网格面积之和，s
tot
为所有网格面积之和；
[0085]
基于上述掩星资料的网格划分结果，计算掩星事件均匀覆盖指数(uniformcoverage index，uci)；
[0086]
uci(n)＝(n
≥n
/n
tot
)
×
100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0087]
其中，n
≥n
表示掩星事件访问次数大于等于n的网格数，n
tot
表示网格总数，当n取掩星事件数量相对于n
tot
的平均值时，uci表示掩星事件的全球覆盖均匀度；对式(5)和(6)加时间和空间约束条件，可以分析特定的时段和区域的掩星事件覆盖率和均匀度。
[0088]
作为上述方法的一种改进，根据掩星数量及其时空分布数据，绘制掩星事件全球覆盖情况及其数量和覆盖率随时间变化趋势图，进行特定时段、特定区域的掩星事件覆盖率、均匀度和时效性分析，具体包括，
[0089]
基于上述掩星资料的网格划分和掩星事件累积数，将掩星事件统计情况在全球或区域地图上以大地经纬度坐标绘图显示；
[0090]
实施例2
[0091]
如图2所示，本发明的实施例2提供了一种掩星资料时空数据分析系统。基于实施例1的方法实现，该系统具体包括：数据获取模块、地球表面划分模块、掩星事件投影模块、掩星事件覆盖率和均匀度计算模块以及数据分析模块；其中，
[0092]
数据获取模块，用于获取掩星资料的时空数据，所述时空数据包括：掩星事件发生的时间以及掩星切点的大地经度、纬度和高度；
[0093]
地球表面划分模块，用于将地球表面在空间上划分成均匀网格；
[0094]
掩星事件投影模块，用于根据掩星事件的时空数据，将掩星事件按照其发生的先后时间顺序，依次投影累加到相应的网格中，得到按网格划分的掩星时空数据；
[0095]
掩星事件覆盖率和均匀度计算模块，用于根据按网格划分的掩星时空数据，计算掩星事件数量及其时空分布数据，所述时空分布数据包括：全球覆盖率和全球均匀覆盖指数；
[0096]
所述数据分析模块，用于根据掩星数量及其时空分布数据，绘制掩星事件全球覆盖情况及其数量和覆盖率随时间变化趋势图，进行特定时段和特定区域的掩星事件覆盖率、均匀度和时效性分析。
[0097]
仿真实例
[0098]
将全球划分为400
×
400(km2)的网格，仿真分析了多gnss系统兼容模式下，3颗、6颗、9颗和12颗leo卫星组成的掩星星座的掩星事件的全球覆盖率和时效性。图3的上、中、下分别给出了多gnss系统兼容模式下，12颗leo掩星星座的6小时、12小时、24小时掩星事件的全球覆盖情况，从图3可见，掩星事件全球覆盖率随时间积累逐步提高，6小时、12小时、24小时掩星事件的全球覆盖率分别为90％、99％、100％。
[0099]
基于上述掩星数量及其全球覆盖率的时间序列数据，绘制掩星资料的掩星数量和覆盖率变化趋势。如图4所示。
[0100]
图4给出了多gnss系统兼容模式下，3颗、6颗、9颗和12颗leo卫星星座的全球覆盖率和掩星事件数量随时间连续变化曲线。图4(a)是全球覆盖率；图4(b)是掩星事件数量随时间连续变化曲线。
[0101]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。