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基于QPSO-LSTM模型的电离层TEC预测

郭文韬 孙希延 纪元法 贾茜子

郭文韬, 孙希延, 纪元法, 贾茜子. 基于QPSO-LSTM模型的电离层TEC预测[J]. 空间科学学报, 2024, 44(5): 772-781. doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0143
引用本文: 郭文韬, 孙希延, 纪元法, 贾茜子. 基于QPSO-LSTM模型的电离层TEC预测[J]. 空间科学学报, 2024, 44(5): 772-781. doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0143
GUO Wentao, SUN Xiyan, JI Yuanfa, JIA Qianzi. Ionospheric TEC Prediction Based on QPSO-LSTM Model (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2024, 44(5): 772-781 doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0143
Citation: GUO Wentao, SUN Xiyan, JI Yuanfa, JIA Qianzi. Ionospheric TEC Prediction Based on QPSO-LSTM Model (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2024, 44(5): 772-781 doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0143

基于QPSO-LSTM模型的电离层TEC预测

doi: 10.11728/cjss2024.05.2023-0143 cstr: 32142.14.cjss2024.05.2023-0143
基金项目: 广西壮族自治区科学技术厅项目(桂科AB21196041, 桂科AB22035074, 桂科AD22080061), 国家自然科学基金项目(U23A20280, 62161007, 62061010)和广西高校中青年教师科研基础能力提升项目(2022KY0181)共同资助
详细信息
    作者简介:
    • 郭文韬 男, 1996年6月出生于河北省承德市, 现为桂林电子科技大学信息与通信学院硕士研究生, 主要研究方向为卫星导航电离层TEC时空演变规律及预测. E-mail: gwt2024@126.com
    通讯作者:
    • 孙希延 女, 山东省安丘人, 现为桂林电子科技大学研究员, 博士生导师, 广西“八桂学者”, 主要研究方向为卫星导航、卫星通信和遥感. E-mail: sunxiyan1@163.com
  • 中图分类号: P352

Ionospheric TEC Prediction Based on QPSO-LSTM Model

  • 摘要: 针对单一LSTM模型的电离层TEC短期预报存在参数调整和性能优化困难导致预测精度低的问题, 结合量子粒子群算法(Quantum Particle Swarm Optimization, QPSO)和LSTM模型, 通过量子粒子群算法自适应确定最优解, 优化LSTM模型的参数配置, 并利用该模型预测2014年和2018年共三个时段的低、中、高纬度提前5 d的电离层TEC, 对地磁活动的平静期和扰动期的电离层TEC预测精度进行实验分析. 结果表明, 经过QPSO优化的LSTM模型对TEC进行连续5 d预测时, 相对于单一LSTM模型, QPSO-LSTM模型在太阳活动低年均方根误差最多降低了0.34 TECU, 而相对精度最多提高了2.68%, 而在太阳活动高年, 低纬度地区均方根误差最多下降了0.68 TECU, 而相对精度在高纬度地区最多提高了2.36%. 从不同的角度对比分析发现, QPSO-LSTM模型的预测精度均优于单一LSTM模型.

     

  • 图  1  LSTM模型神经元网络结构

    Figure  1.  LSTM model neuron network structure

    图  2  QPSO-LSTM模型流程

    Figure  2.  QPSO-LSTM model flow

    图  3  平静期地磁活动指数

    Figure  3.  Geomagnetic activity index in quiet period

    图  4  扰动期地磁活动指数

    Figure  4.  Geomagnetic activity index in disturbance period

    图  5  平静期两种模型TEC预测值与真实值对比

    Figure  5.  Comparison of TEC predicted values and real values of the two models in the quiet period

    图  6  扰动期两种模型TEC预测值与真实值的对比

    Figure  6.  Comparison of TEC predicted values and real values of the two models during the disturbance period

    图  7  平静期两种模型的TEC预测结果绝对误差和相对误差直方图

    Figure  7.  Histogram of absolute error and relative error of TEC prediction results of two models in quiet period

    图  8  扰动期两种模型的TEC预测结果绝对误差和相对误差直方图

    Figure  8.  Histogram of absolute error and relative error of TEC prediction results of two models in disturbance period

    图  9  太阳活动高年两种模型TEC预测值与真实值对比

    Figure  9.  Comparison of TEC predicted values and real values of two models in high solar activity years

    图  10  太阳活动高年两种模型的TEC预测结果绝对误差和相对误差直方图

    Figure  10.  Histogram of absolute error and relative error of TEC prediction results for two models of high solar activity year

    表  1  所选位置的描述

    Table  1.   Description of all locations

    区域编号 经纬度坐标 描述
    A1 (15°N, 100°E) 低纬度
    A2 (45°N, 100°E) 中纬度
    A3 (75°N, 100°E) 高纬度
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    表  2  不同参数组合的QPSO-LSTM模型预测结果

    Table  2.   Prediction results of QPSO-LSTM model with different parameter combinations

    PopNum 10 20 40
    Maxstep 10 20 40 10 20 40 10 20 40
    ERMS/TECU 1.097 1.042 1.044 1.066 1.039 0.998 1.052 1.040 0.998
    Pmr 95.048 95.298 95.287 95.191 95.311 95.495 95.252 95.304 95.494
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    表  3  太阳活动低年不同模型TEC预测结果的评估系数对比

    Table  3.   Comparison of evaluation coefficients of TEC prediction results of different models in low solar activity years

    模型 评估系数 A1 A2 A3
    LSTM 均方根误差/TECU 1.74 1.03 0.53
    相对精度/(%) 91.43 89.40 91.50
    QPSO-LSTM 均方根误差/TECU 1.40 0.80 0.46
    相对精度/(%) 93.12 92.08 92.61
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    表  4  太阳活动高年不同模型TEC预测结果的评估系数对比

    Table  4.   Comparison of evaluation coefficients of TEC prediction results of different models in high solar activity years

    模型 评估系数 A1 A2 A3
    LSTM 均方根误差/TECU 4.33 2.66 2.19
    相对精度/(%) 92.27 90.80 85.85
    QPSO-LSTM 均方根误差/TECU 3.65 2.43 1.83
    相对精度/(%) 93.47 91.43 88.21
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-06
  • 修回日期:  2024-03-06
  • 网络出版日期:  2024-04-02

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