發(fā)布時間：2020-04-22 12:00

【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(yù)報(bào)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(yù)報(bào)因子,利用長短時記憶網(wǎng)絡(luò)(Long Short-term Memory Network,LSTM)預(yù)報(bào)未來24小時的TEC的值.主要內(nèi)容和結(jié)果如下:(1)提出預(yù)報(bào)電離層TEC的LSTM網(wǎng)絡(luò)模型,并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(MLP)進(jìn)行對比.實(shí)驗(yàn)證明LSTM網(wǎng)絡(luò)要比傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練速度快并且訓(xùn)練更加穩(wěn)定.此外,LSTM網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)結(jié)果的均方根誤差為3.47,預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的5.02.最后,我們將預(yù)報(bào)的TEC的值與真實(shí)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(yù)報(bào)效果.實(shí)驗(yàn)證明,LSTM網(wǎng)絡(luò)在平靜時期擬合的曲線更加切合真實(shí)曲線.當(dāng)電離層發(fā)生劇烈擾動時,LSTM的預(yù)報(bào)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(fù)雜情況下會預(yù)測出與真實(shí)趨勢相反的結(jié)果,這說明LSTM網(wǎng)絡(luò)可以學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)之間的長期依賴關(guān)系.但是,當(dāng)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(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。因此我們進(jìn)一步應(yīng)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(yù)報(bào)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(yù)報(bào)誤差會變大的問題.在實(shí)驗(yàn)分析部分,我們將雙向LSTM網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)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(jìn)行對比,其中,雙向LSTM的均方根誤差最小,為3.34.重點(diǎn)分析了雙向LSTM在平靜期發(fā)生突然擾動時的預(yù)報(bào)結(jié)果.實(shí)驗(yàn)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(yù)報(bào)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(yù)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(yuǎn)距離無利科學(xué)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(xué)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(shí)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(qiáng)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(fù)合速合大氣運(yùn)動，電離、輸送、復(fù)合三個過程達(dá)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(yù)報(bào)~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(yuǎn)距離通信的主要原因
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P352

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2636490