基于长短时记忆神经网络的中国地区电离层TEC预测

电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)作为描述电离层形态、结构及变化的重要参量,一直是近地空间环境中重要的研究对象之一.本文利用太阳活动与地磁活动参量,结合欧洲定轨中心(Center for Orbit Determination in Europe,CODE)的TEC数据,给出了一种基于长短时记忆(Long Short-Term Memory,LSTM)神经网络的电离层TEC短期预测模型,并将其应用于2015年中国单站和区域电离层TEC提前1 h的预测中.单站TEC预测结果显示：LSTM神经网络模型预测的TEC与CODE-TEC的均方根误差为2.572 TECU (1 TECU=10 ¹⁶el/m²),比国际参考电离层(International Reference Ionosphere,IRI)2016模型、反向传播(Back Propagation,BP)神经网络模型预测的TEC与CODE-TEC的均方根误差小5.183 TECU和0.667 TECU;在电离层扰动期与宁静期,LSTM神经网络模型预测的TEC与CODE-TEC的均方根误差分布在1.653~3.532 TECU,均方根误差明显小于IRI-2016模型、BP神经网络模型与CODE-TEC之间的均方根误差.中国区域预测结果显示：LSTM神经网络模型预测值与CODE-TEC值的均方根误差为2.721 TECU,比BP神经网络模型小0.716 TECU,其误差绝对值小于5 TECU的比例为92.83%,比BP神经网络模型的比例高5.77%,并且LSTM神经网络模型能更好地预测赤道异常区TEC的变化特征;同时,LSTM神经网络模型的预测值与CODE-TEC值具有较好的相关性,其相关系数达到0.989.整体而言,LSTM神经网络模型不仅能够准确反映中国地区电离层TEC时空变化特征,而且预测精度明显优于传统BP神经网络模型.

     

联合半参数和长短期记忆神经网络的全球电离层TEC短期预报

半参数球谐函数(Semiparametric Spherical Harmonic, Semi-SH)模型能减少电离层预报模型误差以及残余周期带来的系统误差.但是半参数球谐函数模型中窗宽参数的选取会带来一定的估计偏差, 本文利用长短期记忆神经网络(Long-Short Term Memory Networks, LSTM)在非平稳性时间序列预报中的良好适应性, 提出了一种联合Semi-SH与LSTM (Semi-SH-LSTM)的全球电离层TEC短期组合预报模型, 适用于1—5天的短期预报.Semi-SH-LSTM模型通过预报球谐函数系数解算全球电离层TEC, 利用二次多项式和半参数核估计方法分别拟合球谐系数趋势项和周期项, 最后基于LSTM对拟合残差进行补偿预报.本文利用欧洲定轨中心(Center for Orbit Determination in Europe, CODE)球谐函数系数产品, 采用单天预报和多天预报两种实验方案验证Semi-SH-LSTM模型的有效性.实验结果表明, 相比于Semi-SH模型和综合半参数与自回归模型, Semi-SH-LSTM模型的单天全球TEC预报残差RMS值分别提升了12.6%和13.1%;误差小于1 TECU占比分别提升了4.9%、4.6%.基于Semi-SH-LSTM模型的多天全球TEC预报残差RMS值分别提升了10.5%和8.5%, 误差小于1 TECU占比提升了3.9%和3.2%.同时, 半参数LSTM组合预报模型每预报一天耗时约在2 h以内.

     

武汉大学IGS电离层分析中心全球电离层产品精度评估与分析

2016年2月,武汉大学卫星导航定位技术研究中心（Wuhan University,WHU）正式成为新的国际GNSS服务组织（International GNSS Services,IGS）电离层联合分析中心（Ionosphere Associate Analysis Center,IAAC）.本文首次系统地评估和分析了武汉大学IGS电离层分析中心自2016年日常化运行以来（2016年1月到2018年9月,太阳活动低年）的全球电离层产品的精度,并与其他六家IAACs（CODE、JPL、ESA、UPC、EMR和CAS）进行了比较分析.结果表明：WHU的全球电离层产品能够长期稳定且有效地监测全球电离层总电子含量（Total Electron Content,TEC）的时空变化;和IGS综合全球电离层产品比较,WHU的模型均方根误差和CODE、JPL相差不大,均值约为1.4 TECU,产品一致性优于其他IAACs;和GPS实测电离层TEC比较,WHU的模型内符合精度和CODE基本相当,均值约为1.4 TECU,且与电离层活动水平和地理纬度存在显著的相关性;和Jason-2测高卫星VTEC比较,WHU的全球电离层产品的系统性偏差均值约为-0.7 TECU,在不同纬度约为-3.0到1.0 TECU,且与地理纬度存在近似抛物线函数的关系;WHU的模型外符合精度和CODE、JPL以及CAS基本一致,均值约为2.9 TECU,且在中高纬度地区优于低纬度地区,北半球优于南半球.

     

综合半参数核估计和自回归补偿的全球电离层总电子含量预报模型

针对电离层半参数球谐函数模型中窗宽参数选择引起的估计偏差,本文在传统的电离层球谐函数模型中引入半参数核估计和自回归（Autoregressive model,AR）模型,分别用于分离球谐函数模型的系统误差和窗宽参数引起的估计偏差,提出一种全球电离层总电子含量（Total Electron Content,TEC）组合预报模型.首先,利用多项式拟合法剔除球谐系数的趋势项;然后利用频谱分析法提取球谐系数的周期,引入半参数核估计平差模型求解模型参数,建立半参数球谐函数（Semiparametric-Spherical Harmonic,Semi-SH）模型;最后将Semi-SH模型拟合残差用AR模型补偿预报.实验结果表明,组合预报模型相比单一的Semi-SH模型有较大的提升,全球TEC预报值与欧洲定轨中心（Center for Orbit Determination in Europe,CODE）发布的TEC值相比,单天预报残差小于1 TECU、3 TECU和5 TECU占比分别为54.30%、93.40%和98.61%;组合模型滑动预报5天相对精度在低、中、高纬度地区分别提高了2.14%、1.32%和2.32%.

     

基于注意力机制LSTM的电离层TEC预测

电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)的监测与预报是空间环境研究的重要内容,对卫星通讯和导航定位等有重要意义.TEC值影响因素较多,很难确定精确物理模型来对其进行预测.本文设计了基于注意力机制的LSTM模型(Att-LSTM),采用过去24小时TEC观测数据对未来TEC进行预测.选择北半球东经100°上,每2.5°纬度选择一个位置,共计36个位置来验证本文提出模型的性能,并与主流的深度学习模型如DNN、RNN、LSTM进行对比实验.取得了如下成果：(1)在选定的36个地区未来2小时单点预测上,基于本文的Att-LSTM模型的TEC预测性能明显优于其他对比模型;(2)讨论了纬度对Att-LSTM预测未来2小时TEC值时性能的影响,发现在北纬0°到60°之间,Att-LSTM预测性能随着纬度的升高而略有降低,在北纬62.5°~87.5°之间,模型预测性能出现扰动,预测效果略差;(3)讨论了磁暴期和磁静期模型的预测性能,发现无论是磁暴期还是磁静期,本文模型预测性能均较好;(4)还讨论了对未来多时点预测效果,实验结果表明,本文所提出的模型对未来2、4个小时的预测拟合度R-Square均超过0.95,预测结果比较可靠,对未来6、8、10个小时预测拟合度最高为0.7934,预测拟合度R-Square下降迅速,预测结果不可靠.

     

利用半参数核估计法预报全球电离层总电子含量

本文将半参数平差模型引入电离层球谐函数系数的预报中,建立了半参数球谐函数模型（Semiparametric-Spherical Harmonic,Semi-SH）来预测全球电离层总电子含量.首先,通过快速傅里叶变换获得球谐函数系数的周期和振幅,将振幅高的主周期归入趋势函数,振幅低的剩余周期归入随机信号,建立了半参数模型,同时利用核估计方法拟合趋势函数,解算随机信号,并在时间域上进行外推,得到了预报时间的球谐函数系数,代入15阶电离层球谐函数模型,最后得出电离层总电子含量（Total Electron Content,TEC）的预报值.本文基于欧洲定轨中心（CODE）发布的球谐函数系数进行电离层TEC长期预报和短期预报分析,其中长期预报采用四年预报两年的模式对球谐函数系数进行预报,短期预报设计了三个算例,采用前30天预报后一天的模式,分别预报1天、滑动预报7天和滑动预报30天.实验结果表明：长期预报能够较好地反映全球电离层TEC的变化趋势和波动情况,Semi-SH模型对全球电离层TEC平均值（Mean TEC global,MTEC_global）的拟合值和预报值与MTEC_global实际值的相关系数分别为0.8743和0.8010,呈现出高度相关性.短期预报中,在太阳活动高年和太阳活动低年,Semi-SH模型在中纬度地区预报精度较CODE发布的电离层TEC 1天预报产品（CODE'S 1-Day Predicted GIM,C1PG）有较大提升,在高纬度与低纬度地区两种模型预报精度相当;Semi-SH模型在太阳活动高年和太阳活动低年30天滑动预报精度的均值均高于C1PG模型.实验结果说明了Semi-SH模型预报电离层TEC值的有效性.

     

COSMIC低轨卫星GPS接收机差分码偏差估计

GPS接收机差分码偏差（Differential Code Bias,DCB）是利用COSMIC低轨卫星观测值反演电离层总电子含量TEC的一项重要误差源.本文将COSMIC卫星轨道高度以上的电离层作为一个单层,采用球谐函数来参数化电离层TEC值,并利用最小二乘法同时估算电离层球谐系数和DCB参数.运用这种方法对2012年12月份的所有COSMIC卫星GPS接收机DCB进行了解算,并与COSMIC数据分析与档案中心CDAAC提供的产品进行了比较.实验结果表明：在2012年12月期间,估计的接收机DCB与CDAAC结果符合的较好,二者DCB变化趋势相近,DCB差值的RMS值在2 TECU以内,且最大绝对差值小于3 TECU;此外,本文计算的接收机DCB估计误差主要分布在0.2~0.4 TECU之间,具有较高的内符合精度.     

基于载波相位平滑伪距与精密单点定位获取的TEC在GNSS电离层层析中的对比分析

利用GNSS(Global Navigation Satellite System)建立电离层层析(Computerized Ionospheric Tomography, CIT)模型反演电离层的结构,并探测和研究电离层的活动及其变化规律是目前的研究热点,其中相位平滑伪距(Carrier Phase Smoothing Pseudorange, CPSP)和精密单点定位技术(Precise Point Positioning, PPP)是两种主要的电离层电子含量(Total Electron Content, TEC)获取方式,但这两种方法对电离层层析的性能影响,目前尚未有研究进行比较分析.有鉴于此,本文利用欧洲区域2017年9月7、8两日的GNSS数据,分别基于CPSP和PPP获取TEC进行电离层层析反演并分析比较其精度,这两种反演方法分别称为CPSP-CIT和PPP-CIT.其结果显示,CPSP-CIT与测高仪之间的RMSE均值为0.9292×10¹¹ el/m³、PPP-CIT与测高仪之间的RMSE均值为0.6915×10^1...     

2009年7月22日日全食引起的电离层扰动及其对定位的影响

2009年7月22日发生在亚太地区的日全食,从北半球中纬地区一直延伸到南半球中纬地区.这次日食期间发生的磁暴和日食时间同步,使得电离层变化较为复杂.为了分析日食期间电离层扰动及其对定位的影响,所采用的GPS数据来源于日全食带内的重庆CORS网(4个站)、武汉CORS网(8个站)数据、IGS站WUHN、SHAO的数据,以及日偏食区域内不同纬度处的若干IGS站.通过比较日食前后连续三天的各个地方TEC变化,以及利用高采样率的CORS网数据研究日食期间TEC的瞬时变化,根据位置和时间的不同,各地日食期间TEC下降约(1~4)TECU.但是,磁暴期间TEC的响应整体表现为正相暴,偏离值达50%以上,且和日食食甚后的TEC变化相重合.同时,求解了日食期间伪距单点定位的实时精度和CORS网内中短基线的实时精度,伪距单点定位的平面精度变化不显著,高程精度下降达数十米,日食初期CORS网中基线的平面精度仍在厘米级内,高程精度仍在分米级内,但是,日食后期发生的磁暴导致基线的平面精度下降到分米级,高程精度下降到米级.     

2004年11月强磁暴期间武汉电离层TEC的响应和振幅闪烁特征的GPS观测

本文利用设在武汉(114.36°E,30.53°N,磁纬19.4°)的GPS电离层TEC和电波闪烁监测仪的测量数据,分析了2004年11月强磁暴期间TEC的响应以及电波闪烁和TEC起伏的特征.结果表明,在这次强磁暴期间,武汉及其邻近地区电离层TEC的响应以正暴相为主,正暴相分别出现在两次主相期间,最大正偏离达到50 TECU.这次磁暴另一个重要影响是主相期间L波段振幅闪烁的活动性及其强度显著增强.S4指数最大接近1.0.伴随增强的闪烁活动,多次观测到深度耗尽的等离子体泡与TEC起伏,TEC变化率的标准差ROTI指数也显著增强.分析揭示, ROTI指数与S4指数呈正相关,相关系数达到0.97.线性回归计算得到,ROTI和S4的比率为9.64.     

GIM和IRI2012模式在中国地区的时空变化和扰动分析

在合成孔径雷达(SAR,Synthetic Aperture Radar)定位中,电离层延迟是不可忽略的误差源之一,需要选择合适的电离层模型进行校正.为了验证IRI2012模式和GIM模式在中国不同纬度地区的适用性以及中国地区电离层扰动与太阳耀斑、地磁场等因素的相关性,本文利用IRI2012模式计算的TEC预测值,并结合GIM模式给出的TEC观测值对2014太阳活动低年的中国不同纬度地区TEC时空变化特性进行了分析,包括周日变化、半年变化和年变化等.此外,由于电离层扰动引起的电离层延迟对星载低频SAR定位精度影响比较严重,以IRI2012模式为背景电离层,根据电离层平静期的GIM-TEC观测值确定电离层TEC扰动指数的阈值,在太阳耀斑和地磁异常发生时统计前后一定时间的电离层TEC扰动指数.实验结果表明:IRI2012模式和GIM模式在中国低纬和中高纬度地区的空间和时间变化均符合一般规律,在中国地区具有适用性;电离层扰动指数连续5小时超过阈值0.5判定为电离层扰动事件,当中国地区位于向阳面或处于日冕物质抛射区时,其上空电离层扰动与太阳磁暴和地磁暴紧密相关.     

中国电离层TEC同化现报系统

数据同化是在基于物理机制的背景模型上,融合时空不规则分布的观测数据的一种现报方法.同化能够有效弥补数据的时空局限和模型的精度偏差,使二者相互匹配从而获得更加合理可信的模拟效果.本研究利用电离层数据同化方法,针对中国及周边区域（15°N—55°N,70°E—140°E）构建了电离层总电子含量（TEC）同化现报系统.系统使用国际参考电离层（IRI）作为背景场,利用中国科学院空间环境监测网和国际GNSS服务组织（IGS）的部分地基GNSS台站数据作为观测值,并采用三维变分与Gauss-Markov卡尔曼滤波相结合的算法进行背景场和观测值的数据同化,生成覆盖中国及周边区域的电离层TEC和GPS单频接收机延迟误差的格点化准实时现报地图,并在中国科学院空间环境预报中心（http://sepc.ac.cn/TEC_chn.php）网上发布,每15 min进行更新.该系统是我国基于同化算法的电离层现报系统之一,已用于中国及周边区域的电离层环境实时监测,可为卫星导航、雷达成像、短波通信等科学研究和工程应用提供相对及时、准确、有效的电离层TEC和误差修正信息.     

Prophet时序预测模型在电离层TEC异常探测中的应用

提出一种基于Facebook 开源的Prophet预测模型进行电离层TEC异常识别的新方法。 首先, 对比分析了该方法与传统时间序列预测方法(ARIMA模型等)预测电离层TEC建模背景值的精度, 以及与经典电离层TEC异常识别方法(滑动四分位法)提取前面对应一致的电离层TEC背景值的精度。 结果表明, Prophet预测模型预测建模背景值的精度要明显优于其他方法, 且预测的建模精度比ARIMA模型等方法高2.55倍左右, 比滑动四分位法高10.74倍左右。 同时, 在最佳预测建模区间时, 其精度值大小比较依次为RMSE_IQR=10.5841>RMSE_ARIMA=3.2780>RMSE_Prophet=0.8469, 说明传统探测法预测建模背景值时具有较大的不足。 随后, 以2017年8月8日九寨沟7.0级地震为例, 利用该方法分析了电离层TEC异常扰动情况, 并对比验证了该方法的有效性和准确性。 实验结果表明: 在震前第10 d和第2 d电离层TEC发生较为明显的负异常, 第7 d电离层TEC发生较为明显的正异常。 对比实验表明, Prophet预测模型的有效性和准确性明显优于滑动四分位法。     

国际GNSS服务组织全球电离层TEC格网精度评估与分析

国际GNSS服务组织（International GNSS Services,IGS）发布的全球电离层TEC格网（Global Ionospheric Map,GIM）是利用GNSS进行电离层研究的主要数据源之一.IGS电离层工作组于2016年2月正式授予中国科学院为全球第五个电离层数据分析中心,由测量与地球物理研究所和光电研究院联合实施.本文系统地总结和展示了IGS电离层工作组对各分析中心GIM评估的结果;此次评估以基准站实测电离层TEC、测高卫星电离层TEC为参考,给出了各分析中心1998-2015年GIM的总体性能.结果显示：随着IGS基准站日益增多,各分析中心GIM内符合精度由4.5~7.0TECu提升至2.5~3.5TECu;不同分析中心GIM一致性从3.0~4.5TECu提升至2.0~3.5TECu;相对于测高卫星电离层数据,CODE、CAS、JPL和UPC分析中心的GIM精度相对较高（约4.0~4.5TECu）,但是在不同测高卫星评估结果之间存在不同的系统性偏差.

     

利用GPS对磁暴期间极区TEC变化与极区碎片（Polar Patches）的研究

利用2004年11月6～10日磁暴发生期间南极区域内的中国中山站GPS常年跟踪站（ZHON）和国际GPS服务站（CAS1, MCM4, SYOG, MAW1）的GPS观测数据,计算了可观测卫星传播路径上的TEC和ROT值,进而依据TEC的波动频率和幅度推估出极区碎片的个数,分析了极区磁暴期间电离层响应及其极区碎片特性. 最终所得TEC和ROT结果与极区地磁场Dst和Kp指数信息相吻合,如实地反映了磁暴事件和极区碎片的出现. 本文所做工作在国内尚未开展,因此所用方法和结论为将来这一方向的研究提供了一定的参考.     

2015年3月磁暴期间中国中低纬地区电离层变化分析

2015年3月17日爆发了本太阳活动周最大的地磁暴,Dst指数达到-233 nT.本文利用电离层测高仪f_oF₂和h_mF₂、北斗同步卫星（BDS GEO）TEC以及GPS电离层闪烁S4指数对此次磁暴期间中国中低纬地区（北京、武汉、邵阳和三亚）的电离层变化进行分析,并对此次磁暴所引发电离层暴的可能机制进行了探讨.磁暴期间,中低纬电离层暴整体表现为正相暴之后长时间强的负相暴.3月17日白天中纬正相暴为风场抬升电离层所致,而驼峰区及低纬地区正相暴由东向穿透电场所引起;3月18日白天长时间的强负相暴为西向扰动发电机电场和成分扰动所引起;3月17和18日夜间的负相暴可能是日落东向电场受到抑制以及赤道向风场对扩散的抑制导致驼峰向赤道压缩所致,同时被抑制的日落东向电场强度不足以触发产生赤道扩展F,导致低纬三亚和邵阳夜间电离层闪烁在磁暴期间受到完全抑制.这是我们首次基于北斗同步卫星TEC组网观测开展的电离层暴研究.

     

120°E赤道电离异常区电子浓度总含量分析与预测

基于国际全球定位服务中心(International GPS Service,IGS)提供的120°E 上空1999-2009年IONEX格式电离层电子浓度总含量(TEC)资料,分析赤道电离异常驼峰区TEC峰值Inc和Isc的年变化和季节变化以及与太阳、地磁活动的相关性.在11年时间尺度上,Inc和Isc与太阳辐射P指数的日均值有较好的相关性(r=0.90和r=0.84),而与地磁活动指数Dst、Kp和Ap日均值的相关性均不好.驼峰区TEC峰值Inc和Isc都是在北半球春、秋季出现极大值,而且冬季值大于夏季值,即Inc呈现"半年异常"和"冬季异常"现象,我们认为Inc和Isc相似的半年变化特征是与赤道上空电离层电急流相关的东向电场半年变化导致的.利用支持向量回归方法构建了EIA指数的预报模型,预报试验结果表明,该预报模型能较准确地描述Inc和Isc的变化,对南北驼峰TEC峰值预报的平均相对误差分别为22.96%和10.2%.基于支持向量机回归的预测方法为赤道电离异常特征指数预报的实现提供一条有效方法途径和好的应用前景.     

暴时低纬电离层不规则体响应特征的多手段观测

2010年10月11日发生了一次中等强度的磁暴.本文利用三亚(18.4°N, 109.6°E)数字测高仪、VHF雷达和GPS TEC/闪烁监测仪数据以及120°E子午线附近我国漠河(53.5°N,122.4°E)、北京(40.3°N,116.2°E)和武汉(30.6°N,114.4°E)的数字测高仪和GPS TEC/闪烁监测仪数据,分析了磁暴期间我国中低纬地区电离层不规则体的响应特征.结果表明:这次磁暴触发了10月11日午夜前后两个时段低纬(三亚)电离层不规则体事件,而在较高的纬度地区(武汉及以北),并没有观测到电离层不规则体与闪烁.在午夜前,电离层不规则体的发生受磁暴主相期间快速穿透电场激发;在午夜后,电离层不规则体受磁暴恢复相的扰动发电机电场触发,该时段伴随行星际磁场北向翻转的过屏蔽穿透电场也可能是扰动源之一.此外,磁暴期间不同尺度的电离层不规则体会伴随发生.     

基于深度学习的内磁层等离子体密度动态演化模型

等离子体密度作为空间环境的重要参量,它的全球实时分布信息不仅对理解内磁层带电粒子时空演化过程具有重要意义,对于预报和防范灾害性空间天气过程也有着潜在应用价值.利用范阿伦双星的高质量等离子体密度观测数据,本文基于机器学习算法训练得到一个稳定的深度神经网络模型: 包含五个隐藏层; 激活函数包括Sigmoid和ReLU函数; 以太阳风参数、地磁指数以及卫星对应的位置信息作为输入.在测试集上,该模型输出值和观测值之间的线性相关系数约为0.93,均方根误差(RMSE)约为0.3,表明该模型性能良好.通过使用该模型对2012年4月24日磁暴事件中等离子体密度的全球动态变化进行模拟,我们成功重构了磁暴期间内磁层等离子体密度的全球变化过程,包括等离子体层的侵蚀和恢复,以及羽流的形成和消失.该内磁层等离子体密度的深度神经网络模型将有助于推动内磁层波粒相互作用的深入研究.

     

2015年3月磁暴期间中国中低纬地区电离层变化分析

2015年3月17日爆发了本太阳活动周最大的地磁暴,Dst指数达到-233 nT.本文利用电离层测高仪f_。F_2和h_mF_2、北斗同步卫星(BDSGEO)TEC以及GPS电离层闪烁S4指数对此次磁暴期间中国中低纬地区(北京、武汉、邵阳和三亚)的电离层变化进行分析,并对此次磁暴所引发电离层暴的可能机制进行了探讨.磁暴期间,中低纬电离层暴整体表现为正相暴之后长时间强的负相暴.3月17日白天中纬正相暴为风场抬升电离层所致,而驼峰区及低纬地区正相暴由东向穿透电场所引起;3月18日白天长时间的强负相暴为西向扰动发电机电场和成分扰动所引起;3月17和18日夜间的负相暴可能是日落东向电场受到抑制以及赤道向风场对扩散的抑制导致驼峰向赤道压缩所致,同时被抑制的日落东向电场强度不足以触发产生赤道扩展F,导致低纬三亚和邵阳夜间电离层闪烁在磁暴期间受到完全抑制.这是我们首次基于北斗同步卫星TEC组网观测开展的电离层暴研究.