一种卫星HPM载荷三轴角度非线性变化的磁场数据校正方法
本发明属于地球物理卫星磁测数据处理，具体涉及一种卫星hpm载荷三轴角度非线性变化的磁场数据校正方法。
背景技术：
1、中国于2018年2月发射首颗地球物理卫星-张衡一号（中国地震电磁监测卫星，cses），标志着中国成为世界上少数拥有在轨运行高精度地球物理场探测卫星的国家之一。cses搭载感应式磁力仪、高精度磁强计（hpm）、电场探测仪、gnss掩星接收机、等离子体分析仪、高能粒子探测器、朗缪尔探针和三频信标发射机8种载荷，长期监测全球电磁场、电离层粒子活动，为地震预警、防灾减灾发挥重要作用，同时hpm获取了宝贵的全球地磁场数据，填补了中国全球地球物理场战略信息获取能力的空白。
2、基于张衡一号卫星磁测数据建立的全球地磁场模型cggm2020，已入选最新的全球地磁场参考模型igrf-13。根据swarm与张衡一号卫星磁测数据建立的地球主磁场模型，所研究的whumms和whummc模型与igrf13和chaos7模型互差较小，表明张衡一号卫星磁测数据具有建立精度较高的地磁场模型的能力。然而，尽管cses卫星在磁力测量方面取得了显著成就，其搭载的高精度磁强计（hpm）记录的磁场数据存在一定误差，在电离层中运行的磁场载荷材料会受到温度变化等因素的影响，尤其是在纬度变化时，数据会出现较为明显的误差，且这些误差呈现出非线性周期性变化的特征，主要原因在于hpm载荷上三分量非正交角度在卫星运行过程中发生了变化，并且吊杆在卫星运行过程中存在一定热形变等情况。这些使得坐标转换过程中依据三轴非正交角保持不变的假设不再完全适用，导致磁场三分量数据存在一定误差，对用于研究地球内部结构的微弱感应磁场产生很大影响。尽管目前已有专家提出了一些在轨校正方法，但目前公开的cses hpm二级数据仍然面临着这一困扰。
3、卫星记录的磁场主要包括内源场和外源场，内源场以地核产生的主磁场和岩石圈产生的磁场为主，外源场包括磁层、电离层等复杂空间电流系统形成的场以及这些随时间变化的激流源在地球中产生的感应磁场。内源场变化缓慢，外源场包含诸多与地球内部电性结构有关的电磁感应信息，对研究地球内部物质成分、地球动力学研究等具有重要意义。但外源场幅值较小，由地球感应产生的磁场更加微弱，因此如何从复杂磁场数据中提取外源场并消除三轴非正交角度非线性变化影响对未来地球科学问题研究具有重要意义。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种卫星hpm载荷三轴角度非线性变化的磁场数据校正方法，解决cses卫星矢量磁测数据记录偏差相关问题。
2、本发明是这样实现的，
3、一种卫星hpm载荷三轴角度非线性变化的磁场数据校正方法，该方法包括如下步骤：
4、s1：对cses卫星磁测数据进行筛选，获取卫星矢量磁强计记录的地磁场三分量数据和卫星标量磁强计所记录的标量总磁场数据；
5、s2：去除s1中获取的卫星矢量磁强计记录的地磁场三分量数据和卫星标量磁强计所记录的标量总磁场数据中的干扰项，并计算地磁场三分量数据与标量总磁场数据的残差值，得到残差数据；
6、s3：以为一带构建全球经纬度二维平面，并对s2中获取的残差数据进行分段采样，获取每度带的残差数据并进行平均处理，运用三次样条插值与滑动平均得到全球经纬度坐标下的每度带的原始平均残差；
7、s4：对原始平均残差运用曲波调平方法，得到二维波数域下的多尺度剖面，分别提取不同尺度下的曲波系数，在各个尺度下的各个方向上对曲波系数运用阈值法进行校正，得到校正后的曲波系数，将各个校正后的曲波系数提取出来，并重构至空间域，得到调平平均残差，将原始平均残差与调平平均残差作差得到数据调平增量；
8、s5：以为一带将cses卫星原始数据进行网格化处理，分别采样每个网格中的卫星矢量磁强计记录的地磁场三分量数据和卫星标量磁强计记录的总磁场数据，计算内源场数据，所述内源场数据包括主磁场和岩石圈磁场，从卫星矢量磁强计记录的地磁场三分量数据中去除内源场数据，得到外源场的地磁场三分量数据；
9、s6：根据单个网格中卫星矢量磁强计记录的地磁场三分量数据、卫星标量磁强计记录的总磁场数据和s4计算得到的数据调平增量作为原始已知量，构建一维线性超定方程组，用于计算单个网格中的三分量校正量；
10、s7：对全球范围内的网格进行迭代求解，得到地理坐标系中全球网格带三分量校正量，将全球网格带三分量校正量加至s5中得到的外源场的地磁场三分量数据，得到经过校正后的外源场三分量矢量数据。
11、进一步地，所述曲波调平方法包括离散曲波变换，在所述二维波数域中，离散曲波变换利用笛卡尔窗来平滑并提取不同尺度和方向的平均残差数据的数据特征，笛卡尔窗包括径向窗和角度窗，其中径向窗由嵌套的同心正方形组成，解析表达式如下：
12、 ，
13、 ，
14、其中，为二维波数域中的相关变量，，表示二维波数域中数据点坐标，为尺度参数，定义为两个一维低通滤波的乘积，表示初始径向窗函数，为初始尺度参数，表示初始滤波乘积，表示第尺度下的滤波乘积，表示第尺度下的径向窗函数；
15、所有径向窗构成二维波数域，径向窗函数满足以下条件：
16、 ，
17、角度窗定义为：，
18、其中，表示离散曲波变换的角度窗函数，表示对向下取整，表示第尺度下的角度窗函数；
19、离散曲波变换的笛卡尔窗函数表示为：
20、，
21、引入等周期的正切值：，表示在方向上的旋转角度，以左上角与水平线成45°角为第一方向，则有：
22、 ，
23、其中，为在尺度下方向上的笛卡尔窗函数、在尺度下方向上的角度窗函数，为剪切矩阵表示为：
24、 ，
25、将原始平均残差进行傅里叶变换采样得到采样集，将采样集与笛卡尔窗函数相乘，经离散曲波变换后进行二维傅里叶逆变换，得到不同尺度下的曲波系数。
26、进一步地，在各个尺度下的各个方向上对曲波系数运用阈值法进行校正，得到校正后的曲波系数，包括：
27、在校正过程中先采用硬阈值法，表示硬阈值分段函数，表示为:
28、 ，
29、其中，表示二维波数域当中的曲波系数，为设定的硬阈值，表示在第尺度第方向上的波数域；
30、然后应用软阈值法，表示软阈值分段函数，表示为：
31、，
32、其中集合包含全部曲波系数，为设定的软阈值。
33、进一步地，s5中，构建一维线性超定方程组的过程包括：
34、将卫星矢量磁强计记录的地磁场三分量数据与卫星标量磁强计所记录的标量总磁场数据的标量差的关系式表示为：
35、 ，
36、其中为标量总磁场，为地磁场三分量数据的径向分量，为地磁场三分量数据的天顶角分量，为地磁场三分量数据的方位角分量；
37、对卫星矢量磁强计记录的地磁场三分量数据与卫星标量磁强计所记录的标量总磁场数据的标量差的关系式进行误差校正得到误差校正关系式：
38、 ，
39、校正量方程为：
40、 ，
41、其中，为外源场径向校正量，为外源场天顶角校正量，为外源场方位角校正量，为数据调平增量；
42、将校正量方程代入误差校正关系式得到一维线性超定方程组：
43、 ，
44、其中，表示单个网格中的第n个地磁场三分量数据的径向分量，表示单个网格中的第n个地磁场三分量数据的天顶角分量，表示单个网格中的第n个地磁场三分量数据的方位角分量，表示单个网格中的第n个标量总磁场，表示单个网格中的第n个地磁场三分量数据的矢量和。
45、本发明与现有技术相比，有益效果在于：
46、本发明基于曲波调平方法的卫星三轴非正交角非线性变化的校正方法中，调平平均残差时将卫星三轴非正交角产生的影响与仪器热形变产生的相关影响综合考虑，在残差校正中采用三次样条插值与曲波调平方法进行处理，并使用阈值法从多尺度多方向上改变曲波变换得到的曲波系数，对经纬度坐标系下的残差进行精细化处理。通过所构建的一维线性超定方程组能够获得校正后的三分量矢量数据，本发明方法考虑了不同经纬度下外源场与卫星搭载的磁强计的影响差异，并使用统计平均算法和迭代求解来实现全球范围内的地磁场外源场三分量校正功能。本发明具有一维超定方程组的求解速度快准确性高的特点，同时具备多尺度多方向精细化调平方法的优势，可有效提高cses磁矢量数据质量。
47、本发明方法实现了一种能减小cses卫星矢量磁测数据三轴角度非线性变化导致记录偏差的相关策略，更好地提高卫星磁矢量数据质量，为进一步开展地球内部和外部空间环境相互作用的研究提供基础。
技术特征：
1.一种卫星hpm载荷三轴角度非线性变化的磁场数据校正方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种卫星hpm载荷三轴角度非线性变化的磁场数据校正方法，其特征在于，
3.根据权利要求1所述的一种卫星hpm载荷三轴角度非线性变化的磁场数据校正方法，其特征在于，在各个尺度下的各个方向上对曲波系数运用阈值法进行校正，得到校正后的曲波系数，包括：
4.根据权利要求1所述的一种卫星hpm载荷三轴角度非线性变化的磁场数据校正方法，其特征在于，s5中，构建一维线性超定方程组的过程包括：
技术总结
本发明属于地球物理卫星磁测数据处理技术领域，为一种卫星HPM载荷三轴角度非线性变化的磁场数据校正方法，包括获取的卫星矢量磁强计记录的地磁场三分量数据和卫星标量磁强计所记录的标量总磁场数据，得到残差数据，计算全球经纬度坐标下的每度带的原始平均残差，对原始平均残差运用曲波调平方法，得到调平平均残差，将原始平均残差与调平平均残差作差得到数据调平增量；从卫星矢量磁强计记录的地磁场三分量数据中去除内源场数据，得到外源场的地磁场三分量数据；构建一维线性超定方程组；对全球范围内的网格进行迭代求解，得到经过校正后的外源场三分量矢量数据。本发明解决CSES卫星矢量磁测数据记录偏差相关问题。有效提高CSES磁矢量数据质量。
技术研发人员：任秀艳,汪升,赖明泉,殷长春,王应林
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23