[發明專利]一種基于LSTM和半參數的電離層TEC短期預報方法

在審

• 申請號: 202210845838.5
• 申請日: 2022-07-19
• 公開（公告）號: CN116050562A
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發明（設計）人: 羅小敏;曹光胤;李揚
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06F30/27;G06F17/14;G06N3/0442;G06N3/08;G06Q50/26
• 代理公司: 武漢知產時代知識產權代理有限公司 42238
• 代理人: 魏波

本發明提供了一種基于LSTM和半參數的電離層TEC短期預報方法，首先獲取至少30天連續的全球電離層15階球諧模型數據，利用FFT獲得其周期與振幅，建立Semi?SH模型，然后利用二次多項式和半參數核估計方法分別擬合球諧系數趨勢項和周期項，利用核估計法解算隨機信號，同時在時間域上進行外推，得到球諧函數系數和擬合殘差；最后利用擬合殘差對建立的LSTM模型進行訓練，輸入參數包括擬合殘差和外部的時間參數序列，輸出為后一天內的預報擬合殘差，結合Semi?SH模型預報值得到15階球諧函數系數，進而得到全球任一位置的TEC數據。通過該方法有效減少了預報過程中殘余周期造成的系統誤差和半參數球諧函數模型中窗寬參數的選取帶來的估計偏差，改善了電離層TEC預報的精度。

技術領域

本發明涉及全球導航衛星系統(Global?Navigation?Satellite?Systems,GNSS)定位技術領域，尤其涉及一種基于LSTM和半參數的電離層TEC短期預報方法。

背景技術

電離層總電子含量(Total?Electron?content,TEC)是描述電離層活躍程度的重要參數，可間接反映電離層對無線電信號傳播延遲的大小。獲取TEC的時空變化對于研究電離層的變換規律與特性至關重要，并在全球導航衛星系統(Global?Navigation?SatelliteSystems,GNSS)精密定位中應用廣泛。目前全球高精度GNSS?TEC產品主要是基于事后電離層建模獲取，一般需3-5天的時間延遲。而實時TEC甚至TEC預報產品可用于電離層的實時監測與預警，而且在單頻GNSS實時導航定位、震前電離層擾動探測等方面應用廣泛。

目前，具有代表性的電離層TEC產品是基于15階球諧函數模型建立，進而通過預報球諧函數系數達到預報電離層TEC的目的。常用的球諧函數系數預報方法有最小二乘配置、自適應自回歸模型、半參數球諧函數模型(Semi-parametric?spherical?harmonicfunction?model,Semi-SH)等方法。其中，Semi-SH模型在快速傅里葉變換(Fast?FourierTransform,FFT)獲得球諧函數系數的周期與振幅的基礎上，將其中高振幅的主周期歸入周期項，低振幅的剩余周期歸入隨機信號，并利用二次多項式和半參數核估計方法分別擬合球諧系數趨勢項和周期項，利用核估計法解算隨機信號，同時在時間域上進行外推，得到預報時間的球諧函數系數。Semi-SH模型有效減少了預報過程中殘余周期造成的系統誤差，改善了電離層TEC預報的精度。但是，在半參數核估計理論中，窗寬參數是一個非常關鍵的平滑因子，它不能使參數估計偏差和非參數估計偏差同時變小，所以半參數球諧函數模型對電離層TEC預報依然存在偏差。有學者結合自回歸模型(Autoregressive?model,AR)修正窗寬參數引起的估計偏差，進一步改善了電離層預報的精度。但是AR模型對于非平穩性時間序列需要進行多次差分平穩化，平穩性檢驗準則決定了AR模型的精度。此外，差分次數的增加也造成了信息的損失。相較于AR模型，長短期記憶神經網絡(Long-Short?Term?Memory，LSTM)適用于非平穩性時間序列的殘差預報，并在球諧函數系數的預報過程中擁有較好的效果。考慮到Semi-SH可以修正系統誤差并改善了TEC短期預報精度，本發明建立一種綜合Semi-SH和LSTM的組合預報模型(Semi-SH-LSTM)，在實測數據中表現出在全球電離層短期預報中具有更好的效果。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提供了一種基于LSTM和半參數的電離層TEC短期預報方法，主要包括：

S1：從歷史全球電離層數據文件中獲取至少n1天連續的全球電離層15階球諧模型數據，n1為大于0的正整數；

S2：利用FFT從步驟S1中的15階球諧模型數據中獲得球諧函數系數的周期與振幅，并選取其中最大的1-3個主周期；