利用VMD-SSA-LSTM的电离层总电子含量预报研究

针对太阳活动影响下机器学习模型对电离层总电子含量(TEC)短期预报精度不高的问题,本文提出了一种基于变分模态分解(VMD)、麻雀搜索算法(SSA)、长短期记忆神经网络(LSTM)的组合模型(VMD-SSA-LSTM),以期提高TEC短期预报精度。利用VMD算法对不同时期太阳活动程度影响下的东、西半球TEC格网点数据分解,利用SSA优化LSTM模型,将分解的TEC样本分量及模型最优初始权值和阈值输入到LSTM模型中,将分量预测序列合并重构,得到电离层TEC预测值。实验表明:VMD-SSA-LSTM组合模型在东、西半球太阳活动强烈、适中、较弱时期的均方根误差分别为0.77、0.56、0.69;0.92、0.76、0.73个TECu,平均绝对误差平均值分别为0.69、0.47、0.56;0.79、0.65、0.58个TECu,平均相对精度分别达到94%、94%、93%;93%、91%、91%以上,残差绝对值分布在0~1个TECu的比例均值分别为75.56%、96.11%、85%;74.44%、80.55%、78.33%,较VMD-LSTM、LSTM两种模型预报精度有显著提升。

利用OI135.6nm夜气辉辐射探测电离层峰值电子密度及电子总含量的研究

测量夜间135.6nm大气气辉辐射强度是目前有效的电离层探测方式之一,我国即将在风云三号卫星上搭载仪器,利用该波段夜气辉辐射测量来反演电子总含量(本文所指电子总含量表示卫星高度以下大气柱的电子含量)及峰值电子密度,因此非常有必要开展相关的气辉发光模型及反演研究.在介绍氧原子135.6nm波段夜气辉激发机制基础上,考虑辐射在传输过程中受到大气氧原子的散射及氧气分子的吸收,采用迭代法求解包含多次散射及大气吸收衰减的辐射传输方程,得到该波段的体发射率,最终通过考虑包含辐射传输的路径积分计算得到135.6nm气辉辐射强度值.对结果的分析表明:该气辉模型能较好地描述体发射率随高度的分布特征,计算得到的135.6nm夜气辉辐射强度在不同时空及太阳活动的分布与相应条件下峰值电子密度(NmF2)及电子总含量(TEC)的分布基本一致.相同的时空及太阳活动输入条件下,模式计算的135.6nm夜气辉辐射强度与国外同类模式结果的值平均偏差约为3%.文中最后介绍了通过135.6nm夜气辉的辐射强度探测来反演电离层峰值电子密度NmF2及电子总含量TEC的反演方法.

利用GPS监测电离层总电子含量的季节性变化

利用Georgiadiou电离层模型计算了GPS系统硬件延迟,从而由双频伪距观测值获取绝对电离层总电子含量值。利用北京IGS站的GPS观测数据分别计算了2000年和2004年各个不同月份的总电子含量值,对两年各月份的总电子含量进行多项式拟合,发现总电子含量的季节性变化趋势一致。

利用非组合精密单点定位技术确定斜向电离层总电子含量和站星差分码偏差

联合双频GPS数据,利用相位平滑伪距算法,可得到包含斜向电离层总电子含量(slant total electron content,sTEC)、测站和卫星差分码偏差(differential code bias,DCB)的电离层观测值(称之为"平滑伪距电离层观测值"),常应用于与电离层有关的研究。然而,平滑伪距电离层观测值易受平滑弧段长度和与测站有关的误差影响。提出一种新算法:利用非组合精密单点定位技术(precise point positioning,PPP)计算电离层观测值(称之为"PPP电离层观测值"),进而估计sTEC和站星DCB。基于短基线试验,先用一台接收机按上述两种方法估计sTEC,用于改正另一接收机观测值的电离层延迟以实施单频PPP,结果表明,利用PPP电离层观测值得到的sTEC精度较高,定位结果的可靠性较强。随后,选取全球分布的8个IGS(internationalGNSS service)连续跟踪站2009年1月内某四天的观测数据,利用上述两种电离层观测值计算所有卫星的DCB,并将计算结果与CODE发布的月平均值进行比较,其中,平滑伪距电离层观测值的卫星DCB估值与CODE(Centre for Orbit Deter mination in Europe)发布值的差别较大,部分卫星甚至可达0.2～0.3 ns,而PPP电离层观测值而言,绝大多数卫星对应的差异均在0.1 ns以内。

大耀斑期间向日面电离层总电子含量的响应个例分析

利用2001年4月15日1336UT耀斑爆发期间向日面GPS观测数据提取的总电子含量的时间变化曲线,分析了向日面电离层对这次耀斑的响应特点.结果表明,耀斑期间向日面电离层出现了总电子含量突增事件.最大总电子含量增加量约为2.6TECU,在0600LT和1800LT都观测到了总电子含量突增,但增加幅度仅为0.5-1 TECU.在高纬地区,由于电离层闪烁,从TEC时间变化曲线提取不出来总电子含量增加值.从各卫星星下点处的TEC增加量和各星下点处的太阳天顶角的关系可以看到,TEC增加量与太阳天顶角有关,太阳天顶角越大,TEC增幅越小.另外,从总电子含量时间变化率曲线上还观测到了时间同步的小尺度扰动,通过与耀斑期间硬X射线辐射通量的比较,发现两者有明显的相关性,电离层中的这种扰动与耀斑期间的硬X射线或远紫外辐射有关.

武汉地区电离层电子浓度总含量的统计经验模式研究

由武汉电离层观象台一个太阳黑子周期（１９８０—１９９０年）的实测电离层电子浓度总含量（ＴＥＣ）资料，统计分析得出了武汉地区的一个 ＴＥＣ经验模式．模式很好地再现了武汉地区的ＴＥＣ观测值．其预测误差在太阳活动高年稍大，低年较小；在春秋两季稍大，冬夏两季较小；在当地时间白天和傍晚稍大，夜间和早晨较小．此外，与国际参考电离层模式ＩＲＩ的计算结果比较，本模式预测的ＴＥＣ值更接近于实际观测结果．同时，本文也初步探讨了ＴＥＣ的半年变化特征和冬季异常现象．

通过GPS测量数据研究电离层电子总含量的逐日变化

提出了一种直接通过双频GPS伪距测量数据导出接收站附近垂直TEC的方法，这种方法不需要事先知道卫星和接收机电路时延的精确值，前者可在换算过程中自治地加以修正，而接收机时钟误差则利用IRI模式的夜晚平均值作为参考来订正，这一订正存在一定的绝对误差，但不会影响逐日相对变化。却使数据处理过程大为简化．得到的垂直TEC为天顶周围60°锥角内的平均值，能够相当好地反映电离层电子总含量的周日变化．一个计算实例显示了连续三天北京地区TEC的日变化情况，证实了这一方法的实用性．文中还提出一个新概念或问题，即GPS卫星仰角很小时，通常认为多径效应造成大的误差，本文的一些实例似乎表明，这种多径效应的概念应当包括电高层不规则结构的贡献．

用经验正交函数构造武汉地区电子浓度总含量的经验模式

本文利用经验正交函数(EmpiricalOrthogonalFunction,简称EOF)分析了武汉电离层台站一个太阳黑子周期(1980年4月～1990年12月)的实测电离层电子浓度总含量(TEC)资料,在此基础上构建了一个武汉地区的TEC月中值的经验模式.结果表明:(1)以EOF分析观测数据具有一定的物理意义,其基函数表征TEC的日变化,系数表征TEC的长期变化;(2)EOF技术展开收敛速度快,很少数低阶项即能反映TEC的主要变化,采用经验正交函数建模可以用较少的参数表征较复杂的物理过程.此外,本文还就TEC模式的外部驱动量的改进问题作了一些探讨,发现用F107A(10.7cm太阳辐射通量F107的81天滑动平均值)作TEC建模的外部驱动量能够更好地提高EOF模式的精度和稳定性.

总电子含量的一个统计模式

利用北京实测的TEC及f_0F_2资料,求出太阳黑子数R,电离层临界频率f_0F_2和总电子含量的一个统计关系。

利用GPS三频数据计算电离层垂直总电子含量变化率

研究了通过采样间隔为1 s的GPS三频载波相位观测数据计算1 Hz电离层垂直总电子含量变化率(RVTEC)的方法,推导了直接采用双频载波相位观测量计算RVTEC的公式,对一般空间环境与电离层活动剧烈两种条件下L1L2、L1L5、L2L5三种载波相位组合计算的RVTEC进行了一致性分析,给出了通过三频载波相位观测数据计算电离层RVTEC的修正方法,比较了X射线太阳耀斑期间RVTEC与由传统方法计算的总电子含量变化率(ROT)响应,在双星串飞编队测高模式下对计算方法进行了应用.结果表明,L1L2、L1L5两种组合之间的一致性较好,由L1L2、L1L5组合计算的RVTEC的中误差约为0.004 TECu/s,RVTEC较ROT更能体现TEC变化的细节,在双星串飞编队测高模式下海面高梯度的计算中,电离层延迟之差可以忽略.

红心李总可溶性固形物含量的电子鼻预测方法研究

为实现红心李品质的无损检测,采用国标法检测红心李样品的可溶性固形物含量,测定并记录电子鼻响应值,采用非线性随机共振提取电子鼻信噪比特征值,构建红心李总可溶性固形物含量非线性Boltzmann预测模型。结果表明,构建的红心李可溶性固形物含量预测模型的相关系数R2=0.9700,表明电子鼻可以预测红心李可溶性固形物含量。验证可知,该模型的预测精度较高,对所有测试样品的预测值皆较准确。本研究为果蔬品质电子鼻快速无损检测提供了理论参考。

接收GPS卫星信号测量电离层总电子含量结果的初步分析

利用ＲｏｇｕｅＳＮＲ─８ＣＧＰＳ卫星接收机进行电离层总电子含量（ＴＥＣ）的观测。介绍了基本分析方法以及在新乡和南宁两地初步测量结果。结果表明，新乡的ＴＥＣ特性反映了中纬地区电离层的变化特征，而南宁的ＴＥＣ特性则反映了电离层的赤道异常的某些特征，显示了赤道异常峰的南北向移动的特点。

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.

利用GPS观测值反演电离层总电子含量的时空变化

为了便于电离层总电子含量时空变化的研究,利用区域电离层模型获得了GPS系统硬件延迟,从而进一步获取了绝对电离层总电子含量值。利用北京IGS站的GPS观测数据分别计算了2000年至2004年各个不同季节的总电子含量,经比较发现,电离层总电子含量表现出明显的季节性变化。利用中国地壳观测网络25个测站的观测数据计算发现,电离层总电子含量空间变化幅度大,在低纬度地区总电子含量值相对较大,而在中纬度地区相对较小。

基于全球卫星导航系统观测网的全球总电子含量快速反演方法

将全球按照地理经纬度进行网格划分,每网格选取一个接收机,基于全球卫星导航系统(GNSS)观测网的全球定位系统(GPS)双频观测数据,在电离层薄层假设条件下,提出了一种基于球谐函数拟合的高时间分辨率总电子含量(TEC)快速反演方法.利用2006年四季中16个地磁平静日的GPS双频观测数据,针对15种不同的网格选站情况考察其TEC的反演效果与解算时间.结果表明,当网格选站间隔小于15°×30°(纬度×经度)时,数据拟合度约为2TECU,并都能较好地反演TEC.综合考虑穿刺点分布与解算时间,在10°×20°(纬度×经度)选站条件下,约在3min内即可反演出有效的TEC、卫星硬件偏差和接收机硬件偏差,从而提高了反演速度,10°×20°(纬度×经度)选站的快速反演TEC能够为全球电离层TEC现报提供一种有效方法.

2009年7月22日日全食期间电离层总电子含量变化研究

利用中国区域内五个GPS台站(一个台站处于日全食区域、四个台站处于日偏食区域)观测数据,研究2009年7月22日日全食期间电离层总电子含量(TEC)的变化,结果表明,日全食期间,电离层TEC值经历了下降和恢复的过程,最小TEC相对于最大食偏的时间延迟约为1～10 min;台站测得最小TEC的星下点(IPP)越靠近日全食带TEC下降量越大,在日食期间武汉站(114.35°E,30.53°N)TEC相对于各参考日期的TEC,其平均下降量最大,达到4.58TECU.

低纬电离层闪烁与总电子含量起伏的GPS观测结果

在地处电离层赤道异常区的桂林和武汉两地进行了电离层闪烁和总电子含量(QTEC)起伏的同时监测.分析和比较了两地闪烁和QTEC起伏的特征.结果表明:振幅闪烁活动主要发生在日落后至黎明,最大振幅闪烁出现率在午夜及其前后数小时,表现出对地方时的强依赖性.大部分闪烁为中等偏弱闪烁,振幅闪烁指数(S4)大小为0.2≤S4<0.3,也不时有强闪烁(S4≥0.3)发生,闪烁出现率逐日变化幅度很大,其空间分布相对集中于卫星仰角25°至50°的区域.对于大多数事件,伴随振幅闪烁活动及其强度的增强,都出现明显的QTEC的耗空和QTEC变化率(RT)的快速起伏,RT的标准差(IR)指数也明显增强,该研究说明QTEC起伏的观测可以在一定程度上预测引起闪烁的电离层不规则结构的存在.

电离层总电子含量建模的最优观测值选择

观测量的精度对区域电离层总电子含量建模至关重要。介绍电离层总电子含量(TEC)的概念,讨论利用GPS双频观测数据反演TEC的方法和原理。通过对几种TEC计算方法的精度进行研究和分析,提出一种电离层总电子含量建模最优观测值的选取方法。

自回归神经网络的电离层总电子含量预报

为了进一步提高TEC的预报精度,针对TEC时间序列高噪声、非平稳、包含线性和非线性动态序列的特性,运用经验模态分解和非线性自回归动态神经网络,基于分解-预测-重构的思想构建EMD-NAR预测模型;并对比分析EMD-NAR组合模型和单一模型的预报精度,同时运用EMD-NAR预测模型分析不同环境下的电离层TEC时间序列。实验结果表明EMD-NAR动态神经网络模型能很好地反映电离层TEC的变化特性,平静期和活跃期的预测平均相对精度分别为94%和88.3%,预报残差小于1个TECu的分别占71%和68.5%,小于3个TECu的分别占90.3%和87.5%。

深度学习LSTM模型的电离层总电子含量预报

针对TEC时间序列高噪声、非线性和非平稳的动态序列的特性,基于分解-预测-重构的思想,运用总体经验模态分解和深度学习长短期记忆神经网络,构建了EEMD-LSTM预测模型。同时,以测试集上预测结果的均方根误差最小为目标,运用多层网格搜索算法对EMD-LSTM预测模型进行参数优选。以IGS中心2015年全年1 h时间尺度的TEC格网数据进行实验分析,结果表明,EEMD-LSTM组合模型的预报结果能够很好的反应电离层TEC的变化特性,在低、中、高纬度地区平均预报残差分别为1.37、0.82和0.96个TECu,预测平均相对精度分别为92.8%、91.9%和87.8%。