人工智能 電離層電子總含量（TEC）預(yù)測(cè)技術(shù)應(yīng)用指南

1人工智能電離層電子總含量(TEC)預(yù)測(cè)技術(shù)應(yīng)用指南本文件給出了電子總含量預(yù)測(cè)的特征因素、評(píng)估過(guò)程及結(jié)果應(yīng)用等內(nèi)容。本文件適用于民用導(dǎo)航中電離層誤差的修正、導(dǎo)航算法的優(yōu)化及無(wú)線通信中通信頻率的選擇、通信故障的預(yù)防等。2規(guī)范性引用文件本文件沒(méi)有規(guī)范性引用文件。3術(shù)語(yǔ)和定義下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。3.1電離層地球大氣中高度范圍大約在60km~1000km、存在大量自由電子、足以顯著影響無(wú)線電波傳播的區(qū)域。3.2電子總含量（TEC）一定電離層高度上單位面積內(nèi)的總自由電子含量，代表了單位面積內(nèi)沿高度方向的電子濃度積分，1TECU=1016個(gè)電子/m2，TECU為總電子含量的單位。3.3緯度地球表面某一點(diǎn)與地球赤道平面的夾角。3.4隨機(jī)森林包含多個(gè)決策樹(shù)的分類器，并且其輸出的類別是由個(gè)別樹(shù)輸出的類別的眾數(shù)而定。3.5支持向量機(jī)按監(jiān)督學(xué)習(xí)方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二元分類的廣義線性分類器。3.6皮爾遜相關(guān)系數(shù)用于衡量?jī)蓚€(gè)變量之間的線性相關(guān)性，其值介于-1和+1之間，+1表示完全正相關(guān)，-1表示完全負(fù)相關(guān)，0表示無(wú)相關(guān)。3.7決定系數(shù)用于衡量回歸模型對(duì)數(shù)據(jù)集的擬合優(yōu)度，其值最大為1，最小為0，當(dāng)值越接近于1，則說(shuō)明模型越好。23.8時(shí)間卷積網(wǎng)絡(luò)一種特別為處理時(shí)間序列數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它通過(guò)使用卷積層而非循環(huán)層來(lái)處理序列依賴關(guān)系。3.9長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)路一種時(shí)間循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，適合于處理和預(yù)測(cè)時(shí)間序列中間隔和延遲非常長(zhǎng)的重要事件。4縮略語(yǔ)下列縮略語(yǔ)適用于本文件。TEC：電離層電子總含量（TotalElectronContent）SSN：太陽(yáng)黑子數(shù)（SunSpotNumber）Dst：磁暴環(huán)電流指數(shù)（DisturbanceStormTime）SYM/H：赤道附近地磁場(chǎng)水平分量擾動(dòng)的縱向?qū)ΨQ分量（SymmetricHorizontalComponentofGeomagneticFieldDisturbanceneartheEquator）LT：當(dāng)?shù)貢r(shí)間（LocalTime）GNSS：全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem）RTKLIB：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS的標(biāo)準(zhǔn)和精密定位開(kāi)源程序包（Real-TimeKinematicLIBrary）5基本框架如圖1所示，基本框架包括特征因素輸入、預(yù)測(cè)評(píng)估過(guò)程及結(jié)果應(yīng)用輸出。太陽(yáng)活動(dòng)、地磁活動(dòng)、時(shí)間、位置等重要特征因素是影響TEC預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。獲取特征因素并將其作為輸入，通過(guò)特征選擇、TEC預(yù)測(cè)、指標(biāo)確定等流程，通過(guò)評(píng)估，基本符合適用條件的結(jié)果將可能應(yīng)用于民用導(dǎo)航和無(wú)線通信等應(yīng)用場(chǎng)景。圖1基本框架圖36特征因素及獲取方法6.1特征因素影響TEC預(yù)測(cè)的主要特征因素如表1內(nèi)容所示，除此之外還可以有各類特征的衍生數(shù)據(jù)，可以根據(jù)具體情況選擇。表1特征因素SYM/H6.2獲取方法多類特征因素通常是使用GNSS數(shù)據(jù)處理軟件（如RTKLIB等）對(duì)雙頻GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得，可從中國(guó)氣象局、國(guó)家空間科學(xué)中心等官方部門公開(kāi)獲取。7預(yù)測(cè)評(píng)估7.1特征選擇對(duì)特征因素進(jìn)行特征選擇時(shí)，需要考慮特征因素與預(yù)測(cè)目標(biāo)的相關(guān)性。特征選擇方法可以選擇如隨機(jī)森林、支持向量機(jī)等單一或集成方法，主要是通過(guò)分析相關(guān)性來(lái)評(píng)估特征的重要性，最終獲得最優(yōu)特征。7.2TEC預(yù)測(cè)對(duì)TEC序列進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，需要將經(jīng)過(guò)特征選擇后的特征因素輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或算法。預(yù)測(cè)方法可以選擇如時(shí)間卷積網(wǎng)絡(luò)、長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)等方法，主要是捕捉電離層特征因素的非線性變化，最終獲得TEC預(yù)測(cè)結(jié)果。7.3指標(biāo)確定統(tǒng)計(jì)學(xué)中有多類指標(biāo)能夠用于描述和評(píng)估預(yù)測(cè)技術(shù)的性能和準(zhǔn)確度，TEC預(yù)測(cè)技術(shù)可以使用皮爾遜相關(guān)系數(shù)和決定系數(shù)作為預(yù)測(cè)評(píng)估的指標(biāo)，前者能夠解釋變量間是否存在潛在的相關(guān)關(guān)系，后者則是評(píng)估預(yù)測(cè)技術(shù)優(yōu)劣的重要依據(jù)。47.3.1皮爾遜相關(guān)系數(shù)式中：n為數(shù)據(jù)量，i為第i個(gè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)結(jié)果，yi為第i個(gè)數(shù)據(jù)的實(shí)際值，y為預(yù)測(cè)結(jié)果的平均值，式中：n為數(shù)據(jù)量，i為第i個(gè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)結(jié)果，yi為第i個(gè)數(shù)據(jù)的實(shí)際值，y為預(yù)測(cè)結(jié)果的平均值，y-為實(shí)際值的平均值。7.3.2決定系數(shù)式中：n為數(shù)據(jù)量，i為第i個(gè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)結(jié)果，yi為第i個(gè)數(shù)據(jù)的實(shí)際值，y-為實(shí)際值的平均值。8結(jié)果應(yīng)用8.1適用條件TEC預(yù)測(cè)技術(shù)能夠初步嘗試應(yīng)用于民用導(dǎo)航、無(wú)線通信等場(chǎng)景時(shí)，要求預(yù)測(cè)結(jié)果至少滿足以下的預(yù)測(cè)性能，適用條件具體見(jiàn)表2。表2TEC預(yù)測(cè)技術(shù)適用條件ρR2ρR2ρR2ρR28.2應(yīng)用場(chǎng)景具體可以應(yīng)用的場(chǎng)景包括但不限于：8.2.1民用導(dǎo)航a)修正電離層誤差：1)預(yù)測(cè)電離層的電子總含量變化；2)估算出電離層對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的延遲；3)修正接收到的信號(hào)；4)消除電離層延遲誤差且提高定位精度。b)優(yōu)化導(dǎo)航算法：1)優(yōu)化導(dǎo)航系統(tǒng)的定位算法；2)處理到電離層活動(dòng)較為劇烈時(shí)的導(dǎo)航信號(hào)；3)降低電離層對(duì)定位的影響。c)輔助地面定位：1)提供電離層狀態(tài)信息(向地面基站)；2)輔助基站準(zhǔn)確計(jì)算信號(hào)傳播時(shí)間；3)實(shí)現(xiàn)更精確、更穩(wěn)定的定位；4)更新并優(yōu)化預(yù)測(cè)結(jié)果。8.2.2無(wú)線通信a)選擇通信頻率：1)輔助通信系統(tǒng)選擇合適的通信頻率（如電離層活動(dòng)劇烈時(shí)選擇更高頻段的信號(hào)）；2)減少電離層對(duì)通信的干擾。b)優(yōu)化通信質(zhì)量：1)預(yù)測(cè)電離層對(duì)通信信號(hào)的影響程度；2)調(diào)整通信系統(tǒng)的參數(shù)（如功率、調(diào)制方式等）。c)預(yù)防通信故障：1)預(yù)測(cè)波動(dòng)事件的發(fā)生時(shí)間；2)采取預(yù)防措施（如增加