【摘要】：電離層是地球高層大氣受太陽輻射和宇宙射線影響產(chǎn)生的電離區(qū)域.電離層的范圍約為距地球表面60千米到1000千米,且含有大量的電子和離子,可以影響無線電的傳播.電離層總電子含量(Total Electron Content,TEC)是單位面積電離層高度上電子密度的總和,與無線電波時間延遲與相位延遲密切相關(guān),因此電離層TEC的研究和預報工作具有非常重要的意義.在本篇論文中,我們將電離層TEC,太陽活動指數(shù)F10.7和地磁活動ap指數(shù)作為預報因子,利用長短時記憶網(wǎng)絡(luò)(Long Short-term Memory Network,LSTM)預報未來24小時的TEC的值.主要內(nèi)容和結(jié)果如下:(1)提出預報電離層TEC的LSTM網(wǎng)絡(luò)模型,并將實驗結(jié)果與傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(MLP)進行對比.實驗證明LSTM網(wǎng)絡(luò)要比傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練速度快并且訓練更加穩(wěn)定.此外,LSTM網(wǎng)絡(luò)預報結(jié)果的均方根誤差為3.47,預報準確度遠遠高于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的5.02.最后,我們將預報的TEC的值與真實值分別擬合曲線,在電離層平靜時期,擾動時期以及平靜時期時的突然擾動三種情況下,直觀比較兩個網(wǎng)絡(luò)的預報效果.實驗證明,LSTM網(wǎng)絡(luò)在平靜時期擬合的曲線更加切合真實曲線.當電離層發(fā)生劇烈擾動時,LSTM的預報結(jié)果完全符合TEC的周期變化趨勢,而傳統(tǒng)BP網(wǎng)絡(luò)在這種復雜情況下會預測出與真實趨勢相反的結(jié)果,這說明LSTM網(wǎng)絡(luò)可以學習數(shù)據(jù)之間的長期依賴關(guān)系.但是,當電離層在平靜時期突然發(fā)生擾動時,即使LSTM網(wǎng)絡(luò)也無法給出相對準確的預報。因此我們進一步應用雙向長短時記憶網(wǎng)絡(luò)(Bidirectional Long Short-term Memory Network,雙向LSTM)來改善這一問題.(2)提出預報電離層TEC的雙向LSTM,改善了LSTM在平靜期發(fā)生突然擾動的情況下預報誤差會變大的問題.在實驗分析部分,我們將雙向LSTM網(wǎng)絡(luò)預報的平方根誤差分別與雙層LSTM網(wǎng)絡(luò),單層LSTM網(wǎng)絡(luò)以及BP網(wǎng)絡(luò)進行對比,其中,雙向LSTM的均方根誤差最小,為3.34.重點分析了雙向LSTM在平靜期發(fā)生突然擾動時的預報結(jié)果.實驗說明,雙向LSTM可以充分挖掘過去和未來時間的數(shù)據(jù)信息,在LSTM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上提高了預報性能.
【圖文】：

距離地球表面高度范圍 60 千米到 1000 千米的區(qū)域，其間包史上，電離層的發(fā)現(xiàn)與無線電通信的發(fā)展密不可分[1]. 在韋創(chuàng)建的電磁理論預言了電磁波的存在. 隨后在 1887 年，德捕捉到了電磁波. 此后，人們試圖將電磁波用于遠距離無利科學家馬可尼在加拿大訊號山成功接收到了從英格蘭發(fā)出猜想，在地球大氣層中存在電子層，它可以把無線電波反以相互通信. 1924 年，，英國物理學家阿普爾頓在發(fā)射周期性號顯示距地面 90 千米處存在一個反射層，至此證實了電離形成主要依賴于太陽輻射的極紫外線和 X 射線，此外，太陽非常重要的作用. 足夠強烈的太陽輻射電離稀薄的大氣，產(chǎn)電離提供能量，生成足夠多的電子，后者保證電子復合速合大氣運動，電離、輸送、復合三個過程達到平衡，便能形成過程如圖 1.1 所示.

基于長短時記憶網(wǎng)絡(luò)的電離層總電子含量預報~90 千米是電離層 D 層，只存在于白天，夜晚，因缺乏太陽輻射成中性成分而消失.~120 千米是電離層 E 層，電子密度峰值約為 D 層峰值的 100 倍降低.米~1000 千米是電離層 F 層，又分為 F1 層和 F2 層，F(xiàn)1 層為 1消失，F(xiàn)2 層為 210 千米以上，是短波能夠遠距離通信的主要原因
【學位授予單位】：深圳大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：P352

【參考文獻】

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本文編號：2636490