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.

基于SSA-LSTM的短期电离层TEC组合预报模型

针对电离层总电子含量(TEC)时间序列具有高噪声、非线性和非平稳的特性,在奇异谱分析基础上,融合长短期记忆神经网络模型构建短期电离层组合预报改进模型,并对磁暴期、磁平静期的电离层TEC预报精度进行分析。结果表明,在磁暴期和磁平静期,该模型预报3 d的TEC相对精度分别为91.17%和95.46%,比单一LSTM模型分别提高4.92百分点和3.17百分点。

电离层总电子含量的短期预报方法的误差评估

用统计学的方法分析了用自相关分析法和改进的克里格插值法对中国地区电离层总电子含量(TEC)进行短期预报的预报误差。结果表明:预报误差的大小在地域上呈现出由北向南逐渐增大的趋势,时间上,在二分季节误差较大,误差日变化的峰值出现在午后。而相对误差则是在冬季最大,在夏季最小;相对误差的日变化为双峰结构,峰值出现的时间在8点和20点附近。从总体上看,在提前一小时预报中国地区电离层TEC时,相对误差为12%左右。通过统计对比单站预报和区域重构对最终预报误差的影响可以看出,单站预报误差起主要作用。因此,改进单站预报方法十分重要,可以有效地提高预报精度。同时,也需要增加并合理布局全球定位系统(GPS)接收台站。

基于极大验后推估理论的全球电离层地图预报

提出了一种基于极大验后估计理论的全球电离层预报方法,基于中国科学院电离层分析中心(CAS)提供的快速全球电离层地图(GIM),实现了1天、2天和5天GIM的预报。以国际GNSS服务组织(IGS)最终GIM、Jason测高卫星提供的电离层观测信息及全球GNSS基准站实测电离层总电子含量(TEC)为基准,评估了2008-2017年CAS电离层预报GIM在全球大陆及海洋区域的精度,并与欧洲定轨中心(CODE)、欧洲空间局(ESA)和西班牙加泰罗尼亚理工大学(UPC)的预报GIM进行对比。在评估时段内,与IGS-GIM相比,CAS预报GIM精度为2.4~3.1 TECU;与测高卫星TEC相比,CAS预报GIM的精度为5.1~6.6 TECU;与全球基准站实测TEC相比,CAS预报GIM的电离层延迟修正精度优于80%。总体来看,CAS预报GIM与CODE预报GIM精度相当,显著优于ESA和UPC预报GIM。

附加电离层延迟约束的实时动态PPP快速重新初始化方法

传统模式下,由于卫星信号中断等原因导致的实时动态PPP重新初始化问题将严重影响PPP的实际应用效果.针对上述问题,本文提出了一种有效的解决思路,首先设计了电离层延迟变化预报模型,并提出预报信息的定权方法,进而将上述预报结果作为虚拟观测值,联合历元间/星间差分观测数据估计得到周跳参数浮点解,并尝试固定,从而实现PPP快速重新初始化.该方法通过实现电离层预报结果权重的自适应确定,改善了参数估计结果的精度,提高了周跳修复成功率及可靠性.利用不同区域和不同时期的大量观测数据分析表明,周跳修复效果与测站位置、太阳活动及中断时长存在密切关系,当中断时间较短(90 s以内)时,均可以获得较高的成功率,平均达到90%以上,由此验证了本方法的有效性;随着中断时长进一步增大,不同地区和太阳活动情形下的修复效果存在显著差异,纬度越低,太阳活动越剧烈,成功率越低.