基于长短时记忆网络的电离层总电子含量预报

发布时间：2020-04-22 12:00

【摘要】：电离层是地球高层大气受太阳辐射和宇宙射线影响产生的电离区域.电离层的范围约为距地球表面60千米到1000千米,且含有大量的电子和离子,可以影响无线电的传播.电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)是单位面积电离层高度上电子密度的总和,与无线电波时间延迟与相位延迟密切相关,因此电离层TEC的研究和预报工作具有非常重要的意义.在本篇论文中,我们将电离层TEC,太阳活动指数F10.7和地磁活动ap指数作为预报因子,利用长短时记忆网络(Long Short-term Memory Network,LSTM)预报未来24小时的TEC的值.主要内容和结果如下:(1)提出预报电离层TEC的LSTM网络模型,并将实验结果与传统的BP神经网络(MLP)进行对比.实验证明LSTM网络要比传统的BP神经网络训练速度快并且训练更加稳定.此外,LSTM网络预报结果的均方根误差为3.47,预报准确度远远高于BP神经网络的5.02.最后,我们将预报的TEC的值与真实值分别拟合曲线,在电离层平静时期,扰动时期以及平静时期时的突然扰动三种情况下,直观比较两个网络的预报效果.实验证明,LSTM网络在平静时期拟合的曲线更加切合真实曲线.当电离层发生剧烈扰动时,LSTM的预报结果完全符合TEC的周期变化趋势,而传统BP网络在这种复杂情况下会预测出与真实趋势相反的结果,这说明LSTM网络可以学习数据之间的长期依赖关系.但是,当电离层在平静时期突然发生扰动时,即使LSTM网络也无法给出相对准确的预报。因此我们进一步应用双向长短时记忆网络(Bidirectional Long Short-term Memory Network,双向LSTM)来改善这一问题.(2)提出预报电离层TEC的双向LSTM,改善了LSTM在平静期发生突然扰动的情况下预报误差会变大的问题.在实验分析部分,我们将双向LSTM网络预报的平方根误差分别与双层LSTM网络,单层LSTM网络以及BP网络进行对比,其中,双向LSTM的均方根误差最小,为3.34.重点分析了双向LSTM在平静期发生突然扰动时的预报结果.实验说明,双向LSTM可以充分挖掘过去和未来时间的数据信息,在LSTM网络的基础上提高了预报性能.
【图文】：

特征区域,电子浓度,电离层,高度分布

距离地球表面高度范围 60 千米到 1000 千米的区域，其间包史上，电离层的发现与无线电通信的发展密不可分[1]. 在韦创建的电磁理论预言了电磁波的存在. 随后在 1887 年，德捕捉到了电磁波. 此后，人们试图将电磁波用于远距离无利科学家马可尼在加拿大讯号山成功接收到了从英格兰发出猜想，在地球大气层中存在电子层，它可以把无线电波反以相互通信. 1924 年，，英国物理学家阿普尔顿在发射周期性号显示距地面 90 千米处存在一个反射层，至此证实了电离形成主要依赖于太阳辐射的极紫外线和 X 射线，此外，太阳非常重要的作用. 足够强烈的太阳辐射电离稀薄的大气，产电离提供能量，生成足够多的电子，后者保证电子复合速合大气运动，电离、输送、复合三个过程达到平衡，便能形成过程如图 1.1 所示.

分层结构,电离层,电离层总电子含量,中性成分

基于长短时记忆网络的电离层总电子含量预报~90 千米是电离层 D 层，只存在于白天，夜晚，因缺乏太阳辐射成中性成分而消失.~120 千米是电离层 E 层，电子密度峰值约为 D 层峰值的 100 倍降低.米~1000 千米是电离层 F 层，又分为 F1 层和 F2 层，F1 层为 1消失，F2 层为 210 千米以上，是短波能够远距离通信的主要原因
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P352

【参考文献】