[發明專利]一種基于GRU網絡模型的電離層TEC單點預測方法及系統

在審

• 申請號: 202010058571.6
• 申請日: 2020-01-19
• 公開（公告）號: CN113139327A
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發明（設計）人: 殷夢婷;鐘佳;李云龍;胡曉彥;鄒自明
• 申請（專利權）人: 中國科學院國家空間科學中心
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06N3/04;G06N3/08;G01D21/02
• 代理公司: 北京方安思達知識產權代理有限公司 11472
• 代理人: 楊青;陳琳琳

本發明公開了一種基于GRU網絡模型的電離層TEC單點預測方法，所述方法包括：對收集的電離層電子濃度總含量數據、太陽指數數據和地磁指數數據進行預處理；將預處理后的前5天的電離層電子濃度總含量、太陽指數數據和地磁指數數據輸入預先訓練好的電離層TEC預測模型組，輸出第6天的電離層電子濃度總含量。本發明的方法通過長時間序列電離層電子濃度總含量、太陽活動指數、地磁指數的6個參數訓練出基于GRU模型的單點電離層TEC預測模型，能夠以較低的誤差進行單點電離層TEC的預測。

技術領域

本發明屬于電離層研究中大數據和機器學習應用領域，涉及一種基于GRU網絡模型的電離層TEC單點預測方法及系統。

背景技術

按無線電工程師協會(IRE)的定義，電離層是地面60km以上到磁層頂之間的整個空間，在那里“存在著大量的自由電子，足以影響無線電波的傳播”。電離層是一個高度動態的、復雜的開放系統，對太陽活動和地磁活動有著強烈的響應，同時它又與地球大氣存在著復雜的耦合關系。因此電離層有諸多的干擾源影響著它。電離層總是隨緯度、經度呈現復雜的空間變化，并且具有晝夜、季節、年、太陽黑子周期等變化。此外，太陽活動、地磁活動、地震等因素都會引起電離層的擾動。

電離層的電子濃度總含量(Total electronic concentration，簡稱為TEC)又稱電離層電子濃度柱含量、積分含量等，是一個非常重要的電離層參量，對電離層物理的理論研究及電離層電波傳播的應用研究均具有十分重要的意義。電離層TEC擾動會引起通信、導航和衛星定位等系統的工作誤差，所以為了保障這些系統的穩定性，對于電離層TEC的檢測預報模型方法的研究和預測精度的提高很有價值。

常見的預報單點電離層TEC的模型中Klobuchar模型參數設定困難，對預報精度影響很大，且整體預報精度低，屬于工程模型；國際參考電離層模型IRI模型反映了平靜電離層的平均狀態，主要數據來源是世界范圍的離子探測儀網絡、非相干散射雷達，以及許多衛星和火箭上的現場儀器等，計算復雜，在一些情況下，IRI的輸出的結果準確率并不高，屬于統計預報模型；時間序列模型的參數估算繁瑣，屬于數學電離層預報模型。目前，很多國內外學者講神經網絡方法應用于電離層TEC的預報問題，比如多層感知機MLP網絡、徑向基神經網絡RBF、遞歸神經網絡RNN等，但是在使用的TEC數據來源、模型的輸入參數和預測的位置上有很大差異，且預測精度有待提高。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術缺陷，提出了一種基于GRU網絡模型的電離層TEC單點預測方法。

為了實現上述目的，本發明提出了一種基于GRU網絡模型的電離層TEC單點預測方法，所述方法包括：

對收集的電離層電子濃度總含量數據、太陽指數數據和地磁指數數據進行預處理；

將預處理后的前5天的電離層電子濃度總含量、太陽指數數據和地磁指數數據輸入預先訓練好的電離層TEC預測模型組，輸出第6天的電離層電子濃度總含量。

作為上述方法的一種改進，所述對收集的電離層電子濃度總含量數據、太陽指數數據和地磁指數數據進行預處理，具體包括：

將電離層電子濃度總含量數據解析成網格數據；

按照經緯度將網格數據轉換成時間序列格式，包含時間、經度、緯度、電離層電子濃度總含量；

根據預先設定的經緯度網格點，提取網格點對應的電離層電子濃度總含量，時間分辨率插值為1小時；

對太陽指數數據和地磁指數數據的異常值進行處理后，將網格點對應的電離層電子濃度總含量、太陽指數數據和地磁指數數據，整理為基于同一時間，時序格式的預處理數據；

所述太陽指數數據具體包括：太陽活動大小標志SSN、太陽EUV輻射變化f10.7；