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地球的磁場由主磁場、局部異常磁場和變化磁場三部分構(gòu)成，前兩種變化緩慢，合稱為穩(wěn)定磁場。變化磁場又稱為擾動場，它起源于空間電流體系。它在復雜多變的行星際條件下，能發(fā)生激烈、快速的變化。它與人類的生活休戚相關(guān)。例如在強磁擾情況下，特別是地磁暴期間，其可能致使空間飛行器發(fā)生故障、通訊中斷、電力系統(tǒng)摧毀，因而地磁場擾動直接影響著人類的生活和生產(chǎn)。地磁場的監(jiān)測一直是地球物理學的一個重要的工作，其目的是為了通過分析地磁場對日地空間環(huán)境變化的響應過程和響應特征，確定當前地磁場的擾動程度，進而對地磁場未來可能產(chǎn)生的擾動狀況做出準確的預報。
未來地磁場的擾動程度與當前地磁場的擾動狀況密切相關(guān)。雖然全球有數(shù)百個地磁臺站連續(xù)觀測地磁場的變化，但匯總不同區(qū)域的觀測資料，并實時歸算出地磁場整體變化程度的統(tǒng)一指標目前卻難于做到，特別是通訊鏈路中斷的特定時期。另外，中長期地磁場擾動具有一定的規(guī)律，但其變化復雜、多樣，在以往常規(guī)的預報中無法正確有效地加以利用。

針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種利用單個地磁臺站觀測資料并實時分析當前地磁場整體變化程度，由此對未來地磁場擾動程度進行預報的地磁場擾動實時分析預報系統(tǒng)。
為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
一種地磁場擾動實時分析預報系統(tǒng)，包括歷史與實時觀測數(shù)據(jù)裝置，所述歷史與實時觀測數(shù)據(jù)裝置用于對地磁場的變化狀況進行實時監(jiān)測，還包括：當前地磁場擾動分析裝置和地磁場擾動預報模塊；
所述當前地磁場擾動分析裝置包括數(shù)據(jù)預處理與存儲裝置、多元回歸分析模型裝置、地磁背景場動態(tài)提取裝置和實時地磁場擾動狀況分析裝置；
所述數(shù)據(jù)預處理與存儲裝置用于調(diào)用所述歷史與實時觀測數(shù)據(jù)裝置監(jiān)測的地磁場的變化狀況，并對上述資料進行相應分析和存儲；
所述多元回歸分析模型裝置用于將所述數(shù)據(jù)預處理與存儲裝置中的歷史地磁場擾動狀況記錄進行建模；
所述地磁背景場動態(tài)提取裝置用于動態(tài)的提取實時地磁場擾動場數(shù)據(jù)；
所述實時地磁場擾動狀況分析裝置用于結(jié)合所述多元回歸分析模型裝置中的建模數(shù)據(jù)和利用所述地磁場背景動態(tài)提取裝置提取地磁場背景的技術(shù)，進行當前地磁場擾動狀況分析，得到當前地磁場擾動狀況結(jié)果；
所述地磁場擾動預報模塊包括自然正交分解特征向量模型裝置、特征向量集構(gòu)建裝置、權(quán)重一步預報裝置、地磁場擾動預報分析存儲裝置和地磁場擾動預報輸出裝置；
所述自然正交分解特征向量模型裝置用于將所述數(shù)據(jù)預處理與存儲裝置中的歷史地磁場擾動狀況記錄和所述實時地磁場擾動狀況分析裝置中的得到的實時擾動狀況進行自然正交分解，得到當前所獲取的地磁相關(guān)數(shù)據(jù)時間序列的主分量，包括特征向量分解和振幅；
所述特征向量集構(gòu)建裝置提取所述自然正交分解特征向量模型裝置分解的特征向量的各個分量，構(gòu)建特征向量集；
所述權(quán)重一步預報裝置利用時間序列的主分量，獲得最近一天的地磁活動預報；
所述地磁場擾動預報分析存儲裝置用于將所述特征向量集構(gòu)建裝置構(gòu)建的特征向量集，以及所述權(quán)重一步預報裝置獲得的最近一天的地磁活動預報結(jié)果，生成未來1-30天地磁場擾動預報結(jié)果，并將生成的數(shù)據(jù)結(jié)果和圖像保存；
所述地磁場擾動預報輸出裝置將預報結(jié)果預報給外界。
本發(fā)明的地磁場擾動實時分析預報系統(tǒng)，其中所述歷史與實時觀測數(shù)據(jù)裝置包括：磁暴初相和主相出現(xiàn)時間監(jiān)測裝置、地磁場1、3小時變化幅度監(jiān)測裝置、地磁場一天變化最大變幅監(jiān)測裝置和行星性磁情指數(shù)監(jiān)測裝置。
本發(fā)明的地磁場擾動實時分析預報系統(tǒng)，其中所述數(shù)據(jù)預處理與存儲裝置對地磁場的變化狀況進行完整性分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，運用樣條函數(shù)自動對數(shù)據(jù)進行數(shù)字插值，對明顯超出歷史變化范圍的異常數(shù)據(jù)進行剔除、平滑處理，同時生成后綴為ycl的分析處理情況文件保存?zhèn)浒浮?br>本發(fā)明的地磁場擾動實時分析預報系統(tǒng)，其中所述實時地磁場擾動狀況分析裝置通過量取各個小時的地磁總強度和各分量變化幅度，與歷史變化幅度及國際對不同緯度臺站地磁變化幅度的換算標準，得到當前以及過去24小時地磁場擾動狀況。
本發(fā)明的地磁場擾動實時分析預報系統(tǒng)，其中所述自然正交分解特征向量模型裝置將當前和歷史地磁場擾動狀況通過自然正交分量法將其分解為對應不同空間電流體系的特征向量和相應的變化幅度。
本發(fā)明的地磁場擾動實時分析預報系統(tǒng)，其中所述權(quán)重一步預報裝置利用不同空間電流體系的特征向量和相應的變化幅度，采用時序外推方法獲得最近一天的地磁活動預報。
本發(fā)明的地磁場擾動實時分析預報系統(tǒng)，其中所述地磁場擾動預報分析存儲裝置利用線性代數(shù)求解特征值的方法，獲得預報時點以前一定時期的地磁場擾動場特征向量集，即地磁場擾動變化“振型”的基礎(chǔ)上，通過對權(quán)重的一步預報裝置得到的不同權(quán)重，采用可對非平穩(wěn)序列進行平穩(wěn)化處理的ARIMA模型，生成未來1-30天全球地磁場擾動指標結(jié)果，并將結(jié)果保存。
本發(fā)明的地磁場擾動實時分析預報系統(tǒng)，其中所述地磁場擾動狀況包括數(shù)據(jù)結(jié)果和圖像，所述數(shù)據(jù)結(jié)果包括當前地磁場擾動程度、對應的時段及計算的時間等，所述圖像包括圖像的顏色、格式及圖像中的文本等。
本發(fā)明的地磁場擾動實時分析預報系統(tǒng)，其中在所述地磁場擾動實時分析預報系統(tǒng)中還可以設(shè)定定時器，所述定時器用于控制所述磁暴初相和主相出現(xiàn)時間監(jiān)測裝置、所述地磁場1、3小時變化幅度監(jiān)測裝置、所述地磁場一天變化最大變幅監(jiān)測裝置和所述行星性磁情指數(shù)監(jiān)測裝置定時進行監(jiān)測數(shù)據(jù)，控制所述當前地磁場擾動分析裝置定時對地磁場擾動狀況進行分析，控制所述地磁場擾動預報模塊定時對地磁場擾動狀況預報。
本發(fā)明的地磁場擾動實時分析預報系統(tǒng)，解決了無法實時獲得地磁擾動場整體變化程度指標的難題。它能夠快速準確地對地磁場擾動狀況做出判斷，并能以此為基礎(chǔ)，有效的將地磁場擾動中長期的變化規(guī)律應用到中長期預報中，這對于防止地磁場激烈擾動對人類生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成影響，對于科學研究都具有重要的應用價值。
附圖說明
圖1是本發(fā)明地磁場擾動實時分析預報系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明地磁場擾動實時分析預報系統(tǒng)的實施方式進行詳細說明。
參見圖1，由于地磁場擾動的分析預報基礎(chǔ)是大量數(shù)據(jù)的分析處理，本發(fā)明的地磁場擾動實時分析預報系統(tǒng)是在一個服務器系統(tǒng)中設(shè)置當前地磁場擾動分析裝置2和地磁場擾動預報模塊3；且在一個地磁臺站(或者多個地磁臺站參與驗證)中設(shè)置歷史與實時觀測數(shù)據(jù)裝置1，歷史與實時觀測數(shù)據(jù)裝置1包括：磁暴初相和主相出現(xiàn)時間監(jiān)測裝置101、地磁場1、3小時變化幅度監(jiān)測裝置102、地磁場一天變化最大變幅監(jiān)測裝置103和行星性磁情指數(shù)監(jiān)測裝置104；當前地磁場擾動分析裝置2包括數(shù)據(jù)預處理與存儲裝置201、多元回歸分析模型裝置202、地磁背景場動態(tài)提取裝置203和實時地磁場擾動狀況分析裝置204；地磁場擾動預報模塊3包括：自然正交分解特征向量模型裝置301、特征向量集構(gòu)建裝置302、權(quán)重一步預報裝置303、地磁場擾動預報分析存儲裝置304、地磁場擾動預報輸出裝置305；
磁暴初相和主相出現(xiàn)時間監(jiān)測裝置101用于監(jiān)測磁暴初相和主相出現(xiàn)時間；
地磁場1、3小時變化幅度監(jiān)測裝置102用于監(jiān)測地磁場1小時和3小時變化幅度；
地磁場一天變化最大變幅監(jiān)測裝置103用于監(jiān)測地磁場一天變化最大變幅；
行星性磁情指數(shù)監(jiān)測裝置104用于監(jiān)測三小時和一天的地磁場擾動行星性磁情指數(shù)；
數(shù)據(jù)預處理與存儲裝置201用于調(diào)用磁暴初相和主相出現(xiàn)時間監(jiān)測裝置101監(jiān)測到的磁暴初相和主相出現(xiàn)時間、地磁場1、3小時變化幅度監(jiān)測裝置102監(jiān)測到的地磁場1小時和3小時變化幅度、地磁場一天變化最大變幅監(jiān)測裝置103監(jiān)測到的地磁場一天變化最大變幅以及行星性磁情指數(shù)監(jiān)測裝置104監(jiān)測到的三小時和一天的地磁場擾動行星性磁情指數(shù)；并對上述資料進行完整性分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，運用樣條函數(shù)自動對數(shù)據(jù)進行數(shù)字插值，對明顯超出歷史變化范圍的異常數(shù)據(jù)進行剔除、平滑處理，同時生成后綴為ycl的分析處理情況文件保存?zhèn)浒福?br>多元回歸分析模型裝置202用于將數(shù)據(jù)預處理與存儲裝置201中的歷史地磁場擾動狀況記錄進行多元回歸建模；
地磁背景場動態(tài)提取裝置203用于動態(tài)的提取當前的地磁場擾動場數(shù)據(jù)；
實時地磁場擾動狀況分析裝置204用于結(jié)合多元回歸分析模型裝置202中的建模數(shù)據(jù)和利用地磁場背景動態(tài)提取裝置203提取地磁場背景的技術(shù)，進行當前地磁場擾動狀況分析，通過量取各個小時的地磁總強度和各分量變化幅度，與歷史變化幅度及國際對不同緯度臺站地磁變化幅度的換算標準，得到當前以及過去24小時地磁場擾動狀況，其數(shù)據(jù)結(jié)果包括當前地磁場擾動程度、對應的時段及計算的時間等，圖像包括圖像的顏色、格式及圖像中的文本等。
自然正交分解特征向量模型裝置301為保證本系統(tǒng)預報準確率大大優(yōu)化的關(guān)鍵，它用于將數(shù)據(jù)預處理與存儲裝置201中的歷史地磁場擾動狀況記錄和實時地磁場擾動狀況分析裝置204中的得到的實時擾動狀況進行自然正交分解，得到當前所獲取的地磁相關(guān)數(shù)據(jù)時間序列的主分量，包括特征向量分解Ф和振幅A；
特征向量集構(gòu)建裝置302提取自然正交分解特征向量模型裝置301分解的不同空間電流體系的特征向量Ф的各個分量，構(gòu)建特征向量集；
權(quán)重一步預報裝置303利用不同空間電流體系的特征向量Ф和相應的變化幅度A，采用時序外推方法獲得最近一天的地磁活動預報；
地磁場擾動預報分析存儲裝置304用于將特征向量集構(gòu)建裝置302構(gòu)建的特征向量集，以及權(quán)重一步預報裝置303獲得最近一天的地磁活動預報結(jié)果，利用線性代數(shù)求解特征值的方法，獲得預報時點以前一定時期的地磁場擾動場特征向量集，即地磁場擾動變化“振型”的基礎(chǔ)上，通過對不同振型貢獻的大小(即權(quán)重)進一步預報，生成未來1-30天地磁場擾動預報結(jié)果，達到對地磁場擾動場中長期變化程度的多步預報，并將生成的數(shù)據(jù)結(jié)果和圖像保存，數(shù)據(jù)結(jié)果包括未來地磁場擾動的級別，依據(jù)預報需求不同，可分別選擇地磁場ap，Kp，Ap三種不同的地磁活動指數(shù)作為擾動程度指標，給出未來的不同時段這些指數(shù)的數(shù)值及計算的時間等，并可以圖像表示，圖像包括圖像的顏色、格式及圖像中的文本等。
地磁場擾動預報輸出裝置305將預報結(jié)果預報給外界。
本發(fā)明地磁場擾動實時分析預報系統(tǒng)的工作過程為：
一個地磁臺站日常觀測資料(或多個地磁臺站)中的磁暴初相和主相出現(xiàn)時間監(jiān)測裝置101實時監(jiān)測磁暴初相和主相出現(xiàn)時間、地磁場1、3小時變化幅度監(jiān)測裝置102實時監(jiān)測地磁場1小時和3小時變化幅度、地磁場一天變化最大變幅監(jiān)測裝置103實時監(jiān)測地磁場一天變化最大變幅以及行星性磁情指數(shù)監(jiān)測裝置104實時監(jiān)測三小時和一天的地磁場擾動行星性磁情指數(shù)；且在進行上述地磁臺站觀測的數(shù)據(jù)調(diào)用后，數(shù)據(jù)預處理與存儲裝置201自動對數(shù)據(jù)的完整性進行分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，運用樣條函數(shù)自動對數(shù)據(jù)進行數(shù)字插值，對明顯超出歷史變化范圍的異常數(shù)據(jù)進行剔除、平滑處理，同時生成后綴為ycl的分析處理情況文件保存?zhèn)浒浮?br>利用數(shù)據(jù)預處理與存儲裝置201獲得的數(shù)據(jù)，與國際標準的地磁場擾動指數(shù)資料配合，通過多元回歸分析模型裝置202進行多元回歸建模。以當前(包含過去24小時)地磁場實時觀測資料為輸入，例如：當前地磁臺站的地磁總強度、水平分量、垂直分量，得到反映全球地磁場擾動場變化的三個指標：一小時的最大、最小變化幅度；三小時的最大、最小變化幅度；一天的最大、最小變化幅度。
系統(tǒng)中還設(shè)置有定時器，利用該定時器可以控制磁暴初相和主相出現(xiàn)時間監(jiān)測裝置101、地磁場1、3小時變化幅度監(jiān)測裝置102、地磁場一天變化最大變幅監(jiān)測裝置103和行星性磁情指數(shù)監(jiān)測裝置104定時進行監(jiān)測數(shù)據(jù)，控制當前地磁場擾動分析裝置2定時對地磁場擾動狀況進行分析，控制地磁場擾動預報模塊3定時進行地磁場擾動狀況預報。
實時地磁場擾動狀況分析裝置204讀入多元回歸分析模型裝置202得到的一小時的最大、最小變化幅度；三小時的最大、最小變化幅度；一天的最大、最小變化幅度，結(jié)合地磁場背景動態(tài)提取裝置203從數(shù)據(jù)預處理與存儲裝置201中提取的當前的地磁場背景，通過量取各個小時的地磁總強度和各分量變化幅度，與歷史變化幅度及國際對不同緯度臺站地磁變化幅度的換算標準，生成反映24小時內(nèi)全球地磁場的擾動指標結(jié)果，仍以預報需求的ap，Kp，Ap給出。
由于地磁場擾動場受環(huán)境的影響具有復雜的變化形態(tài)，因此利用自然正交分解特征向量模型裝置301將數(shù)據(jù)預處理與存儲裝置201中存儲的當前和歷史地磁場擾動狀況通過自然正交分量法(Natural?Orthogonal?Component)可將其分解為對應不同空間電流體系的特征向量Ф和相應的變化幅度A，前者反映了不同空間電流系對地磁場擾動的特征，后者則確定了各自特征向量對地磁場擾動貢獻的大小，即權(quán)重。其特點在于分解的特征向量(基函數(shù)系列)不是事先給定，而是在對數(shù)據(jù)資料的計算分析中由數(shù)據(jù)本身自然生成。
特征向量集構(gòu)建裝置302提取自然正交分解特征向量模型裝置301分解的不同空間電流體系的特征向量Ф的各個分量，構(gòu)建特征向量集；
權(quán)重一步預報裝置303利用不同空間電流體系的特征向量Ф和相應的變化幅度A，采用時序外推方法獲得最近一天的地磁活動預報，包括ap、Kp、Ap。
地磁場擾動預報分析存儲裝置304結(jié)合特征向量集構(gòu)建裝置302獲得的特征向量集，以及權(quán)重一步預報裝置303獲得最近一天的地磁活動預報，將權(quán)重一步預報裝置303獲得的地磁活動預報結(jié)果結(jié)合特征向量集構(gòu)建裝置302獲得的特征向量集，利用線性代數(shù)求解特征值的方法，獲得預報時點以前一定時期的地磁場擾動場特征向量集，即地磁場擾動變化“振型”的基礎(chǔ)上，通過對不同振型貢獻的大小(即權(quán)重)進一步預報，生成未來1-30天地磁場擾動預報結(jié)果，達到對地磁場擾動場中長期變化程度的多步預報。
通過對權(quán)重的一步預報裝置303得到的不同權(quán)重，采用可對非平穩(wěn)序列進行平穩(wěn)化處理的ARIMA(Autoregressive?Integrated?Moving?Average)模型，生成未來1-30天全球地磁場擾動指標結(jié)果，并將結(jié)果保存。
所有的輸出結(jié)果按年/月/日命名，如20081231.ybo為2008年12月31日地磁場擾動程度的預報分析結(jié)果。
地磁場擾動預報輸出裝置303最后根據(jù)用戶需求，將預報結(jié)果通過電子郵件、手機短信、面向公眾及特定機構(gòu)用戶的網(wǎng)站、協(xié)同工作環(huán)境/平臺和地球物理/空間科學網(wǎng)格分發(fā)。
本發(fā)明的地磁場擾動實時分析預報系統(tǒng)，解決了無法實時獲得地磁擾動場整體變化程度指標的難題。它能夠快速準確地對地磁場擾動狀況做出判斷，并能以此為基礎(chǔ)，有效的將地磁場擾動中長期的變化規(guī)律應用到中長期預報中，這對于防止地磁場激烈擾動對人類生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成影響，對于科學研究都具有重要的應用價值。
以上的實施例僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通工程技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進，均應落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護范圍內(nèi)。