【摘 要】
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近年来基于无线电技术的全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)成功地应用于许多行业,例如地理数据采集、高精度测量以及车辆监控和导航服务等等。而地球电离层可以导致相对于真空环境的附加延迟,所以电离层的扰动将对导航、定位、授时等以无线电传播为基础的空间应用系统的精度造成严重影响。目前我们还不能有效地解决电离层引起的信号延迟问题,所以正确描述电离
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近年来基于无线电技术的全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)成功地应用于许多行业,例如地理数据采集、高精度测量以及车辆监控和导航服务等等。而地球电离层可以导致相对于真空环境的附加延迟,所以电离层的扰动将对导航、定位、授时等以无线电传播为基础的空间应用系统的精度造成严重影响。目前我们还不能有效地解决电离层引起的信号延迟问题,所以正确描述电离层及其扰动已经成为导航遥感以及相关领域的热点方向。而电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)则是卫星时代开始之后最常用的也是最重要的电离层参数。采用GNSS观测获取电离层TEC参数是当前使用最为广泛的方法之一。本文中我们从madrigal网站(http://cedar.openmadrigal.org)上获取了2000年至2014年全球范围内的时间分辨率为5分钟、空间分辨率为1°×1°的GNSS网络观测到的TEC数据。我们分析研究了至今还没有被针对地、系统地研究过的中国广东地区的长期电离层变化特征。广东地区地处在电离层赤道异常峰附近,并且靠近南海区域,所以本文对广东地区电离层TEC的时间变化研究具有重要的科学和应用意义。本文中我们对数据进行预处理、插值后将数据分类存储建立了数据库,再以日、年和太阳活动周期等不同的时间尺度来分析总结了广东地区和深圳地区总电子含量的变化规律及特征。研究结果表明广东地区和深圳地区TEC日变化的峰值主要出现在13~15地方时左右,日变化谷值出现在3~5地方时。TEC年变化存在明显的双峰特征,全年峰值出现在春季和秋季,即表现出非常明显的半年异常现象。而且在有些年份还出现了冬季TEC比夏季TEC略高的冬季异常现象。我们还分析了广东地区和深圳地区TEC与F10.7太阳辐射指数的联系,TEC年均值与日均值都与F10.7指数显示出了强相关性。该结果说明广东地区TEC受太阳辐射影响较大,且随着太阳活动周期变化。鉴于我们的研究结果显示TEC的时间变化呈现很强的规律性,且和F10.7指数存在很强的相关性,本文基于长短期记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)训练生成了广东和深圳地区的电离层TEC参数预测模型。该模型的输入为日期、地方时、F10.7太阳辐射指数和Dst地磁指数,模型输出为预测的广东地区(时间分辨率为1小时或1天)或者深圳地区(时间分辨率为1天)TEC的时间变化。本文通过均方误差(Mean Square Error,MSE)、误差百分比和标准差等参数来表征模型预测效果。结果发现模型预测值和真实值拟合程度较好,预测值可以很好地反映出TEC时间变化的趋势。预测值和真实值的差值也基本保持在±10 TECu以内,误差百分比平均值在20%左右。结果还显示相比于国际参考电离层(International Reference Ionosphere,IRI)模型,基于LSTM网络的预测模型能够更有效地预测电离层TEC的时间变化和微小扰动。但目前我们构建的模型对TEC突变的情况预测效果欠佳,需要开展进一步的工作对模型进行改进。
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