電離層融合處理和預(yù)報(bào)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

摘要：針對(duì)當(dāng)前電離層現(xiàn)報(bào)和預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)精度不足、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合困難等問(wèn)題，本文基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）和垂測(cè)觀測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一套電離層融合處理和預(yù)報(bào)系統(tǒng)。采用限帶卡爾曼濾波模型，基于銀河麒麟操作系統(tǒng)和云計(jì)算平臺(tái)，利用容器云、高可用、分布式架構(gòu)實(shí)現(xiàn)全球及中國(guó)周邊區(qū)域電離層總電子含量（Total Electron Content，TEC）、F2層臨界頻率（Critical Frequency of theF2Layer，foF2）及電子密度的高精度現(xiàn)報(bào)和預(yù)報(bào)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)現(xiàn)報(bào)延遲約 5min 、空間時(shí)間分辨率達(dá)到 5°×2.5°×15min ，較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法有較大提升。系統(tǒng)支持三維電子密度可視化，為電離層研究、衛(wèi)星導(dǎo)航修正、短波通信及地基雷達(dá)等應(yīng)用提供可靠數(shù)據(jù)支撐，為無(wú)線電系統(tǒng)應(yīng)用提供高精度、高時(shí)效的電離層環(huán)境信息服務(wù)。

Architecture Design of Ionospheric Fusion Processing and Forecasting System

TAN Shuai1， ZHANG Bao2，MA Baotian1，OU Ming1 ，WANG Yan1，ZHEN Weimin1，ZHU Qinglin'（1. China Research Institute of Radio-wave Propagation，Qingdao 266lo7，China;2.PLA 61711 Troops，Kashi844000，China）

Abstract： In view of the current problems such as insufficient accuracy of ionospheric real-time and forecast data and the difficulty in fusing multi-source heterogeneous data， this paper designs a set of ionospheric fusion processing and forecasting system based on Global Navigation Satellite System（GNSS） and vertical observation data，aiming to provide high-precision and high-timeliness ionospheric environment information services for radio system applications. This system adopts Limited Kalman Filter Model， based on the Kylin operating system and cloud computing platform.It utilizes container cloud，high availability，and distributed architecture to achieve high-precision real-time and forecast reports of the total electron content （TEC），critical frequency of the F2 layer （foF2），and electron density in the global and surrounding areas of China. Experimental tests show that the system has a current reporting delay of approximately 5 minutes and a spatial-temporal resolution of 5^°×2.5^°×15min ，representing a significant improvement over traditional data processing methods. Additionally， the system supports three-dimensional electron density visualization，providing reliable data support for applications such as ionospheric research，satellte navigation correction，shortwave communication，and ground-based radar. It offers high-precision and high-timeliness ionospheric environment information services for radio system applications.

Keywords： ionospheric characteristic parameter； forecasting system；cloud computing platform; architecture design

電離層作為空間環(huán)境的重要組成部分，其形態(tài)變化特征和傳播特性對(duì)GNSS短波通信系統(tǒng)及高分對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)等無(wú)線電系統(tǒng)的性能具有決定性影響[1]。近年來(lái)，隨著空間技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展，電離層監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)的精度與時(shí)效性要求不斷提高。GNSS與垂直探測(cè)技術(shù)的結(jié)合成為電離層觀測(cè)技術(shù)研究的重要手段。GNSS 憑借全球覆蓋、高時(shí)空分辨率及全天候觀測(cè)等優(yōu)勢(shì)，可提供大范圍的總電子含量（Total Electron Con-tent，TEC）數(shù)據(jù)[2];垂測(cè)技術(shù)（如數(shù)字測(cè)高儀）能精確獲取F2 層臨界頻率（foF2）等關(guān)鍵參數(shù)[3]，兩種技術(shù)的互補(bǔ)為全面認(rèn)知電離層結(jié)構(gòu)變化提供了新的觀測(cè)維度。美國(guó)開(kāi)發(fā)的全球同化電離層模型（GlobalAssimila-tive IonosphericModel，GAIM）通過(guò)融合多源觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了全球電離層狀態(tài)的精確描述[4]；國(guó)際GNSS服務(wù)組織（International GNSS Service，IGS）建立的全球觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)擁有超過(guò) 2OO個(gè)GNSS 臺(tái)站，為科學(xué)研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)資源[5]；全球電離層無(wú)線電觀測(cè)站網(wǎng)（Global Ionospheric Radio Observatory，GIRO）整合了50余個(gè)數(shù)字測(cè)高儀站點(diǎn)，顯著提升了電離層垂向探測(cè)能力6；等[7-8機(jī)構(gòu)在多源數(shù)據(jù)同化技術(shù)方面取得了重要突破，為區(qū)域電離層建模奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。但多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合精度較低，特別是GNSS與垂測(cè)數(shù)據(jù)的協(xié)同同化問(wèn)題，現(xiàn)有預(yù)報(bào)模型的區(qū)域適應(yīng)性不足，難以滿足中國(guó)及周邊地區(qū)的特殊需求，業(yè)務(wù)化系統(tǒng)的計(jì)算效率與穩(wěn)定性需要進(jìn)一步提升[9]?；诖?，本研究設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了新一代電離層融合處理和預(yù)報(bào)系統(tǒng)，創(chuàng)新性地結(jié)合了多源數(shù)據(jù)同化算法、國(guó)產(chǎn)云計(jì)算平臺(tái)和分布式架構(gòu)技術(shù)，建立了GNSSTEC 與垂測(cè) foF2 數(shù)據(jù)的優(yōu)化融合方法[10-11]，，開(kāi)發(fā)了面向中國(guó)區(qū)域的電離層短期預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)化系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行。該系統(tǒng)可提供全球及區(qū)域尺度的電離層TEC、foF2及電子密度等參數(shù)的現(xiàn)報(bào)和預(yù)報(bào)產(chǎn)品，為空間天氣研究、衛(wèi)星導(dǎo)航修正、無(wú)線電通信優(yōu)化等應(yīng)用提供支撐。

系統(tǒng)組成與功能特性

1.1 基本組成

電離層數(shù)據(jù)融合處理和預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用模塊化軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由同化數(shù)據(jù)制備軟件、同化產(chǎn)品制備軟件、同化產(chǎn)品展示軟件及中心數(shù)據(jù)庫(kù)4個(gè)核心組件構(gòu)成。系統(tǒng)基于云計(jì)算平臺(tái)構(gòu)建，充分利用云主機(jī)、云存儲(chǔ)和云網(wǎng)關(guān)等基礎(chǔ)設(shè)施資源，實(shí)現(xiàn)地基GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)與垂測(cè)數(shù)據(jù)的多源匯聚、智能解析、高性能計(jì)算、產(chǎn)品自動(dòng)生成及可視化展示等功能。系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.1.1數(shù)據(jù)采集與整合

本系統(tǒng)整合了多源電離層觀測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了統(tǒng)一的天地基觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。國(guó)內(nèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)包括電波觀測(cè)站網(wǎng)地基垂測(cè)/斜測(cè)數(shù)據(jù)、GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星信標(biāo)TEC

數(shù)據(jù)及掩星TEC/Ne數(shù)據(jù)[12]。國(guó)際觀測(cè)數(shù)據(jù)包括IGS 提供的GNSS 數(shù)據(jù)及GIRO全球電離層垂測(cè)數(shù)據(jù)[13]。通過(guò)系統(tǒng)化整合上述多源觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立了完整的電離層觀測(cè)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，為電離層經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建與應(yīng)用提供了高質(zhì)量數(shù)據(jù)支撐。

1. 1. 2 數(shù)據(jù)預(yù)處理與質(zhì)量控制

同化數(shù)據(jù)制備軟件按照區(qū)域和類型對(duì)不同的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理。地基GNSS數(shù)據(jù)處理包括算法解碼、特征參量提取、載波平滑偽距計(jì)算及電離層投影函數(shù)轉(zhuǎn)換。GIRO測(cè)高儀數(shù)據(jù)處理包括自動(dòng)判讀置信度篩選（閾值 gt;75： ）和數(shù)據(jù)質(zhì)量驗(yàn)證。上述方法有效減少了異常值，顯著提升了TEC、foF2及電子密度等關(guān)鍵參數(shù)的質(zhì)量。處理后的數(shù)據(jù)按照既定協(xié)議存儲(chǔ)為觀測(cè)過(guò)程文件，上傳至本地FTP服務(wù)器，供后續(xù)同化產(chǎn)品制備使用。

1.1.3 同化產(chǎn)品生成與存儲(chǔ)

同化產(chǎn)品制備軟件對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)過(guò)程文件進(jìn)行完整性校驗(yàn)和解析，提取電離層觀測(cè)參量及地理位置信息。隨后調(diào)用限帶卡爾曼濾波同化模型庫(kù)，生成TEC、foF2、電子密度3類參量的現(xiàn)報(bào)/預(yù)報(bào)產(chǎn)品，存儲(chǔ)至服務(wù)器共享硬盤(pán)，同時(shí)將原始觀測(cè)數(shù)據(jù)和報(bào)文產(chǎn)品存人中心數(shù)據(jù)庫(kù)，支持后續(xù)數(shù)據(jù)再分析。中心數(shù)據(jù)庫(kù)采用開(kāi)源MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)觀測(cè)過(guò)程數(shù)據(jù)、同化產(chǎn)品數(shù)據(jù)、再分析結(jié)果及系統(tǒng)運(yùn)行日志等內(nèi)容。

1.1. 4 區(qū)域自適應(yīng)優(yōu)化策略

針對(duì)極區(qū)和赤道區(qū)等特殊電離層環(huán)境，系統(tǒng)采用區(qū)域自適應(yīng)優(yōu)化策略。極區(qū)優(yōu)化通過(guò)引人衛(wèi)星信標(biāo)TEC數(shù)據(jù)，補(bǔ)償GNSS觀測(cè)站稀疏問(wèn)題;采用粒子沉降事件檢測(cè)算法;動(dòng)態(tài)調(diào)整電子密度剖面約束條件。赤道區(qū)優(yōu)化包括強(qiáng)化赤道電離異常（Equatorial Ionization Anomaly，EIA）雙峰結(jié)構(gòu)建模及引人地磁傾角修正的垂測(cè)數(shù)據(jù)權(quán)重分配策略[14]。

1.1.5 可視化展示與交互功能

同化產(chǎn)品展示軟件部署于云主機(jī)，采用分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)，支持動(dòng)態(tài)資源擴(kuò)展和開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，可進(jìn)行電離層數(shù)據(jù)同化產(chǎn)品展示和數(shù)據(jù)再分析。該軟件通過(guò)多線程異步計(jì)算和云虛擬服務(wù)器CPU/內(nèi)存負(fù)載均衡技術(shù)，支持萬(wàn)級(jí)用戶并發(fā)訪問(wèn)。同時(shí)，同化產(chǎn)品展示軟件具備多終端適配功能，自適應(yīng)顯示分辨率，兼容手機(jī)、平板、筆記本電腦等多種終端設(shè)備。

1.1.6數(shù)據(jù)訪問(wèn)與共享

基于云服務(wù)平臺(tái)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了同平臺(tái)服務(wù)器間的高效數(shù)據(jù)訪問(wèn)，確保數(shù)據(jù)流通性和系統(tǒng)協(xié)同能力。

1.2 系統(tǒng)功能特性

基于GNSS和垂測(cè)數(shù)據(jù)的電離層融合處理和預(yù)報(bào)系統(tǒng)具有以下功能特性：

1）長(zhǎng)時(shí)效預(yù)報(bào)與廣域覆蓋能力系統(tǒng)采用無(wú)人值守工作模式，可實(shí)時(shí)匯聚全球多源電離層觀測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)融合電波觀測(cè)站數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電離層同化模型，實(shí)現(xiàn)電離層特征參量（TEC、foF2、電子密度等）的全球/區(qū)域?qū)崟r(shí)顯示，支持 1～3h 短期預(yù)報(bào)及 1～3 天中期預(yù)報(bào)。在數(shù)據(jù)源穩(wěn)定的情況下，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn) 3h 預(yù)報(bào)的實(shí)時(shí)更新和3天預(yù)報(bào)的定時(shí)更新，覆蓋范圍包含低、中、高緯度區(qū)域，空間分辨率為 5^° （經(jīng)度） ×2.5^° （緯度） x （ ～25 ） km （高度），時(shí)間分辨率為 15min 。

2）多維度產(chǎn)品與在線計(jì)算功能 系統(tǒng)提供TEC、foF2及電子密度等參量的近實(shí)時(shí)現(xiàn)報(bào)和分時(shí)段預(yù)報(bào)?；陉P(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)，用戶可通過(guò)同化產(chǎn)品展示軟件按需進(jìn)行在線計(jì)算，計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)顯示于分析界面并自動(dòng)歸檔至產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)。

3）國(guó)產(chǎn)化云平臺(tái)架構(gòu)系統(tǒng)使用開(kāi)源開(kāi)發(fā)工具，基于 /Python語(yǔ)言研發(fā)，部署于國(guó)產(chǎn)化云平臺(tái)虛擬服務(wù)器。軟件及開(kāi)發(fā)平臺(tái)完全自主可控，且兼容國(guó)產(chǎn)麒麟操作系統(tǒng)。硬件組件采用國(guó)產(chǎn)CPU芯片與內(nèi)存模塊，配合國(guó)產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)及安全防護(hù)設(shè)備，確保系統(tǒng)具備高安全性與可靠性。

4）智能化運(yùn)維與成本優(yōu)勢(shì)系統(tǒng)突破傳統(tǒng)軟件交付后的高成本運(yùn)維模式：通過(guò)云平臺(tái)集中提供安全防護(hù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控（CPU利用率/磁盤(pán)I/O/網(wǎng)絡(luò)流量等）運(yùn)維服務(wù)。用戶可通過(guò)Web門(mén)戶靈活管理云資源，既保障操作系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，又避免額外采購(gòu)服務(wù)器及安全設(shè)備。該部署方案顯著降低人力維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)降本增效。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)與云平臺(tái)分布式部署模式，基于開(kāi)源關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)功能模塊采用解耦

設(shè)計(jì)，將數(shù)據(jù)匯集、預(yù)處理、產(chǎn)品制備及展示等功能獨(dú)立開(kāi)發(fā)并分布式部署于云平臺(tái)虛擬服務(wù)器集群。各模塊通過(guò)國(guó)產(chǎn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、通信服務(wù)及數(shù)據(jù)文件等多種方式進(jìn)行高效數(shù)據(jù)交互。

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

電離層融合處理和預(yù)報(bào)系統(tǒng)利用云平臺(tái)對(duì)計(jì)算、內(nèi)存、存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行合理分配，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源獲取、過(guò)程文件傳遞和報(bào)文產(chǎn)品發(fā)布等功能。系統(tǒng)所使用的云服務(wù)器是由云平臺(tái)硬件資源統(tǒng)一管理創(chuàng)建的虛擬服務(wù)器。為更好地展示軟件部署情況，對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行具象化描述，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。

由圖2可知，系統(tǒng)主要依托互聯(lián)網(wǎng)專線獲取國(guó)內(nèi)外電離層觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)云平臺(tái)統(tǒng)一防火墻、鑒權(quán)設(shè)備及安全軟件掃描查殺后匯入路由器，傳遞到云平臺(tái)數(shù)據(jù)匯集服務(wù)器中。云平臺(tái)數(shù)據(jù)匯集服務(wù)器與應(yīng)用展示服務(wù)器均為計(jì)算型云主機(jī)，分布在同一個(gè)局域網(wǎng)，可通過(guò)路由器實(shí)時(shí)傳遞數(shù)據(jù)。同時(shí)，2臺(tái)云平臺(tái)服務(wù)器經(jīng)由安全設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接，可支持多用戶、多類型設(shè)備同時(shí)訪問(wèn)。其中，云平臺(tái)數(shù)據(jù)匯集服務(wù)器安裝了同化數(shù)據(jù)制備軟件、同化產(chǎn)品制備軟件及多源電離層同化模型庫(kù)；云平臺(tái)應(yīng)用展示服務(wù)器安裝了同化產(chǎn)品展示軟件、中心數(shù)據(jù)庫(kù)和電離層同化模型庫(kù)，并配備高性能國(guó)產(chǎn)化芯片、大容量?jī)?nèi)存、存儲(chǔ)和千兆網(wǎng)絡(luò)帶寬等資源，支持高并發(fā)網(wǎng)站訪問(wèn)需求。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

電離層融合處理和預(yù)報(bào)系統(tǒng)體系分為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層及應(yīng)用層。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.1 基礎(chǔ)層

基礎(chǔ)層主要由計(jì)算型云平臺(tái)和麒麟操作系統(tǒng)構(gòu)成，作為電離層融合處理與預(yù)報(bào)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，為系統(tǒng)提供計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、中間件、安全防護(hù)、第三方插件以及系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)等軟硬件資源支持。云平臺(tái)所搭建的云主機(jī)基于國(guó)產(chǎn)化服務(wù)器、分布式存儲(chǔ)、千兆路由器和安全設(shè)備構(gòu)建，配合銀河麒麟操作系統(tǒng)及其配套服務(wù)插件，為系統(tǒng)軟件運(yùn)行和網(wǎng)站發(fā)布提供可靠的環(huán)境保障。

2.2.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要包括電離層觀測(cè)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)。觀測(cè)數(shù)據(jù)涵蓋IGS數(shù)據(jù)、GIRO垂測(cè)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星信標(biāo)TEC 數(shù)據(jù)及掩星TEC/Ne數(shù)據(jù);產(chǎn)品數(shù)據(jù)包含 TEC現(xiàn)報(bào)與預(yù)報(bào)、foF2現(xiàn)報(bào)與預(yù)報(bào)及電子密度現(xiàn)報(bào)與預(yù)報(bào)。數(shù)據(jù)層為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，具備數(shù)據(jù)管理功能。

2.2.3 服務(wù)層

服務(wù)層包括電離層同化模型庫(kù)、HTTP服務(wù)、MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)、FTP服務(wù)、QT構(gòu)建庫(kù)等組件。電離層同化模型庫(kù)采用SO格式動(dòng)態(tài)庫(kù)設(shè)計(jì)，適配飛騰 2000+ 芯片和銀河麒麟操作系統(tǒng)。模型預(yù)設(shè)經(jīng)緯度分辨率為 5^°×2.5^° ，高度范圍為 100～2000km ，高度分辨率為 25～500km ，定時(shí)觸發(fā)時(shí)間為 15min 。QT構(gòu)件庫(kù)為系統(tǒng)同化產(chǎn)品制備軟件的開(kāi)發(fā)提供了開(kāi)發(fā)庫(kù)支持。采用功能分解法進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，顯著提升軟件的重用性和可維護(hù)性。HTTP服務(wù)結(jié)合第三方WEB應(yīng)用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)報(bào)文產(chǎn)品發(fā)布功能。同化產(chǎn)品展示軟件繼承了HTTP服務(wù)簡(jiǎn)單靈活、跨平臺(tái)性強(qiáng)的特點(diǎn)，兼容多平臺(tái)、多語(yǔ)言環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)用擴(kuò)展，支持各類終端設(shè)備訪問(wèn)。MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)為系統(tǒng)提供電離層觀測(cè)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)和日志數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及管理。系統(tǒng)通過(guò)MySQL原生驅(qū)動(dòng)連接數(shù)據(jù)庫(kù)，基于觀測(cè)數(shù)據(jù)表協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、修改和刪除等。FTP服務(wù)為系統(tǒng)提供可靠的文件傳輸保障。系統(tǒng)利用FTP服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，確保數(shù)據(jù)文件的安全性、可控性和完整性，在多源觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取、產(chǎn)品分發(fā)和系統(tǒng)運(yùn)維等方面表現(xiàn)優(yōu)異。

2.2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層是電離層融合處理和預(yù)報(bào)系統(tǒng)的對(duì)外交互界面，集中體現(xiàn)系統(tǒng)整體功能，為第三方應(yīng)用提供電離層同化產(chǎn)品數(shù)據(jù)，同時(shí)也是系統(tǒng)運(yùn)維的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該層基于基礎(chǔ)層平臺(tái)運(yùn)行，整合數(shù)據(jù)層資源，通過(guò)服務(wù)層接口實(shí)現(xiàn)通信，為各軟件功能模塊運(yùn)行和電離層數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成提供支持。

應(yīng)用層由同化數(shù)據(jù)制備軟件、同化產(chǎn)品制備軟件和同化產(chǎn)品展示軟件3部分組成。根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，同化數(shù)據(jù)制備軟件包含5個(gè)功能模塊，同化產(chǎn)品制備軟件包含6個(gè)功能模塊，同化產(chǎn)品展示軟件包含7個(gè)功能模塊。

2.3 系統(tǒng)工作流程

電離層融合處理和預(yù)報(bào)系統(tǒng)工作流程涉及觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取、特征參量提取、多源數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、多源電離層同化模型計(jì)算、產(chǎn)品發(fā)布等過(guò)程，工作流程如圖4所示。

1）同化數(shù)據(jù)制備軟件按預(yù)設(shè)任務(wù)觸發(fā)時(shí)間（整點(diǎn)觸發(fā)，間隔 15min ）啟動(dòng)數(shù)據(jù)下載任務(wù)，從電波觀測(cè)站網(wǎng)、GNSS服務(wù)（IGS）及GIRO獲取GNSS數(shù)據(jù)、垂測(cè)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星信標(biāo)TEC數(shù)據(jù)、掩星TEC/Ne數(shù)據(jù)。若下載成功，則創(chuàng)建當(dāng)前工程任務(wù)并執(zhí)行數(shù)據(jù)解壓和規(guī)范化操作；否則終止當(dāng)前任務(wù)。

2）同化數(shù)據(jù)制備軟件對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理（包括野值剔除和周跳監(jiān)測(cè)等），提取電離層觀測(cè)參量。對(duì)STEC數(shù)據(jù)、電子密度剖面和foF2等數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理和質(zhì)量控制后，按指定存儲(chǔ)協(xié)議生成觀測(cè)數(shù)據(jù)文件并上傳至FTP服務(wù)器，供后續(xù)流程使用。

3）同化產(chǎn)品制備軟件定時(shí)從FTP服務(wù)器下載觀測(cè)數(shù)據(jù)文件，完成下載后進(jìn)行完整性校驗(yàn)。校驗(yàn)通過(guò)解析數(shù)據(jù)，獲取電離層觀測(cè)參量及地理位置信息，調(diào)用限帶卡爾曼模型、大型稀疏矩陣計(jì)算模型和高斯-馬爾科夫模型等多源電離層同化模型，生成TEC、foF2和電子密度現(xiàn)報(bào)與預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，校驗(yàn)未通過(guò)則等待下次觸發(fā)。

4）同化產(chǎn)品制備軟件對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)和歸檔，確保數(shù)據(jù)完整性后，分別存儲(chǔ)至云主機(jī)共享存儲(chǔ)和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。

5）同化產(chǎn)品展示軟件完成數(shù)據(jù)產(chǎn)品校驗(yàn)后，按區(qū)域和時(shí)間維度對(duì)電子密度、TEC和foF2的現(xiàn)報(bào)與預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，直至下次任務(wù)觸發(fā)。從數(shù)據(jù)觀測(cè)采集到系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)同化生成現(xiàn)報(bào)產(chǎn)品并展示，整個(gè)工作流程耗時(shí)約5分鐘。

6）當(dāng)用戶使用同化產(chǎn)品展示軟件的數(shù)據(jù)再分析功能時(shí)，系統(tǒng)將從MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)獲取指定時(shí)間段的預(yù)處理特征參量觀測(cè)數(shù)據(jù)，調(diào)用多源電離層同化模型重新計(jì)算生成歷史電離層特征參量產(chǎn)品，并將結(jié)果存人云主機(jī)共享存儲(chǔ)。

2.4 系統(tǒng)應(yīng)用

電離層融合處理和預(yù)報(bào)系統(tǒng)通過(guò)同化產(chǎn)品展示軟件實(shí)現(xiàn)電離層分布的可視化呈現(xiàn)，支持按區(qū)域和時(shí)間段進(jìn)行專業(yè)分析，其成果可應(yīng)用于GNSS及短波通信等領(lǐng)域[15]。系統(tǒng)依托穩(wěn)定可靠的電波觀測(cè)站網(wǎng)數(shù)據(jù)源，為分析工作提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)保障。

本系統(tǒng)采用的多源電離層同化模型基于限帶卡爾曼濾波算法，較傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄈ鏘RI－2016）具有顯著優(yōu)勢(shì)。

1）多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合通過(guò)觀測(cè)誤差協(xié)方差動(dòng)態(tài)調(diào)整權(quán)重系數(shù)，實(shí)現(xiàn)GNSS（ 5^°×2.5^° 高空間分辨率）、垂測(cè) （25～500km 高垂直分辨率）、衛(wèi)星信標(biāo)（全天候覆蓋）數(shù)據(jù)的互補(bǔ)融合；

2）時(shí)空關(guān)聯(lián)建模采用球諧函數(shù)分解處理全球GNSS數(shù)據(jù)構(gòu)造觀測(cè)方程矩陣，同時(shí)引入高斯-馬爾科夫過(guò)程實(shí)現(xiàn)電離層同化預(yù)報(bào)；

3）計(jì)算優(yōu)化通過(guò)稀疏矩陣迭代求解算法將運(yùn)算復(fù)雜度從 O（N³） 降至O（NlogN），滿足實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)需求。其中模型參數(shù)采用自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整策略，例如卡爾曼增益通過(guò)觀測(cè)噪聲協(xié)方差動(dòng)態(tài)調(diào)整。

觀測(cè)系統(tǒng)仿真試驗(yàn)（Observing System Simulation Experiment，OSSE），利用2015 年3月中國(guó)區(qū)域內(nèi)13個(gè)電離層垂測(cè)臺(tái)站（北京、?？凇V州、蘭州、滿洲里、烏魯木齊等）的觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用平均誤差（Mean Er-ror，ME）和標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation，SD）2個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行定量分析。對(duì)比分析了國(guó)際參考電離層模型（IRI）和電離層數(shù)據(jù)同化模型的foF2預(yù)報(bào)精度。結(jié)果顯示，相比于IRI模型散點(diǎn)分布較分散，部分?jǐn)?shù)據(jù)偏離 1：1 參考線（理想預(yù)測(cè)線），本系統(tǒng)模型散點(diǎn)更緊密地分布在參考線附近，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合度更高。經(jīng)過(guò)分析，IRI模型foF2的平均誤差達(dá)到 0.80MHz ，標(biāo)準(zhǔn)差為 1.00MHz ；而經(jīng)過(guò)同化模型處理后，這兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)分別降低至 0.38MHz 和 0.51MHz ，降幅分別達(dá)到 52.5% 和 49%^[16] 。這一結(jié)果充分證明了數(shù)據(jù)同化技術(shù)在改善電離層電子密度預(yù)報(bào)精度方面的有效性。

系統(tǒng)采用無(wú)人值守的運(yùn)行模式，通過(guò)開(kāi)機(jī)自啟動(dòng)和“?；罘?wù)\"確保持續(xù)運(yùn)行，結(jié)合云平臺(tái)監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)資源管理和異常事件告警，在降低運(yùn)維成本的同時(shí)保障了數(shù)據(jù)的連續(xù)性。相關(guān)同化模型成果已集成至電波觀測(cè)網(wǎng)系統(tǒng)，提升了電離層監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)能力。云平臺(tái)可靈活配置，支持異地備份、資源擴(kuò)容和負(fù)載均衡等功能，顯著提升了系統(tǒng)效能。

同化產(chǎn)品展示軟件作為系統(tǒng)成果的統(tǒng)一輸出界面，提供電離層同化近實(shí)時(shí)產(chǎn)品展示和歷史再分析功能，支持TEC、foF2和電子密度等參數(shù)的可視化展示，軟件界面示意圖如圖5所示。軟件功能模塊設(shè)計(jì)充分考慮用戶數(shù)據(jù)定制需求，可通過(guò)云平臺(tái)FTP服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。軟件通過(guò)直觀的交互界面為用戶提供電離層專業(yè)數(shù)據(jù)的便捷訪問(wèn)和分析，TECMap 如圖6所示，foF2Map如圖7所示，NeMap 如圖8所示。

3 結(jié)論

本文基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)、銀河麒麟操作系統(tǒng)和云計(jì)算平臺(tái)，構(gòu)建了電離層融合處理和預(yù)報(bào)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用限帶卡爾曼濾波模型，通過(guò)動(dòng)態(tài)權(quán)重優(yōu)化機(jī)制，有效整合了GNSS 與垂測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了電離層參量（TEC、foF2、電子密度）的現(xiàn)報(bào)與預(yù)報(bào)，顯著提升了電離層三維結(jié)構(gòu)重構(gòu)精度 （5^°×2.5^°×15min） 。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多源數(shù)據(jù)同化在電離層建模中的普適性，實(shí)現(xiàn)了更高的數(shù)據(jù)安全性和區(qū)域服務(wù)靈活性。然而，系統(tǒng)無(wú)法提供特定區(qū)域的高精度數(shù)據(jù)同化產(chǎn)品，極區(qū)電子密度反演存在偏差，主要受限于現(xiàn)有站點(diǎn)分布不均，站點(diǎn)距離較遠(yuǎn)和極區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)稀缺。本研究建立了動(dòng)態(tài)優(yōu)化的多源同化框架，為衛(wèi)星導(dǎo)航修正和短波通信提供了可靠數(shù)據(jù)支持。后續(xù)研究將重點(diǎn)提升系統(tǒng)集成模型的時(shí)間序列預(yù)測(cè)能力，接人更多臺(tái)站電離層觀測(cè)資料，構(gòu)建極區(qū)聯(lián)合觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，完善高緯度數(shù)據(jù)同化體系。

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