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基于LSTM Spatio-temporal Transformer的电离层TEC预测模型

尹萍 王朝钰

尹萍, 王朝钰. 基于LSTM Spatio-temporal Transformer的电离层TEC预测模型[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2025.05.2024-0117
引用本文: 尹萍, 王朝钰. 基于LSTM Spatio-temporal Transformer的电离层TEC预测模型[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2025.05.2024-0117
YIN Ping, WANG Chaoyu. Ionospheric TEC Prediction Model Based on LSTM Spatio-temporal Transformer (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(5): 1-13 doi: 10.11728/cjss2025.05.2024-0117
Citation: YIN Ping, WANG Chaoyu. Ionospheric TEC Prediction Model Based on LSTM Spatio-temporal Transformer (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(5): 1-13 doi: 10.11728/cjss2025.05.2024-0117

基于LSTM Spatio-temporal Transformer的电离层TEC预测模型

doi: 10.11728/cjss2025.05.2024-0117 cstr: 32142.14.cjss.2024-0117
详细信息
    作者简介:
    • 王朝钰 男, 1998年出生于湖北省鄂州市, 硕士研究生, 研究方向为卫星导航技术、电离层遥感遥测成像, 深度学习, 智能布粮装置. E-mail: 2512609881@qq.com
    通讯作者:
    • 尹萍 女, 1970年出生于天津市, 现为中国民航大学电子信息与自动化学院副研究员, 博士, 硕士生导师, 主要研究方向为卫星导航技术、电离层/大气层遥感遥测、层析成像与探测等. E-mail: pyin2001@hotmail.com
  • 中图分类号: P352

Ionospheric TEC Prediction Model Based on LSTM Spatio-temporal Transformer

  • 摘要: 电离层总电子含量(TEC)是研究电离层时空变化的重要参数. 本文提出一种结合时空Transformer(STT)与长短期记忆网络(LSTM), 并引入时空注意力机制的电离层TEC组合预测模型(LSTM-STT). 利用2000-2023年国际GNSS服务欧洲定轨中心(CODE)提供的中国及其周边地区的TEC数据, 时间范围覆盖8766天, 采用滑动窗口方法对数据进行处理, 模型以前48 h的TEC数据以及辅助参数作为输入, 用于预测后24 h的TEC数据, 据此构建了8764个样本. 为验证模型性能, 分别在2018年(太阳活动低年)和2023年(太阳活动高年)开展实验进行预测分析. 研究结果表明, 模型在2018年测试集上全部样本的均方根误差(RMSE)均值为1.3981 TECU, 相对精度均值为90.2524%; 在2023年测试集上全部样本的RMSE均值为4.6262 TECU, 相对精度均值为89.9208%, 说明模型在不同太阳活动状态下均表现出良好的预测性能.

     

  • 图  1  LSTM Spatio-temporal transformer模型结构

    Figure  1.  Structure of the LSTM Spatio-temporal transformer model

    图  2  模型在2018年测试集上的RMSE分布直方图(a)和相对精度分布直方图(b)

    Figure  2.  Histogram of RMSE distribution (a) and histogram of average relative accuracy distribution (b) of the model on the test set in 2018

    图  3  模型在2023年测试集上的RMSE分布直方图(a)和平均相对精度分布直方图(b)

    Figure  3.  Histogram of RMSE distribution (a) and histogram of average relative accuracy distribution (b) of the model on the test set in 2023

    图  4  模型在2018年测试集上每天的RMSE分布

    Figure  4.  Daily RMSE distribution of the model on the test set in 2018

    图  5  模型在2018年测试集上每天的平均相对精度分布

    Figure  5.  Daily average relative accuracy distribution of the model on the test set in 2018

    图  6  模型在2023年测试集上每天的RMSE分布

    Figure  6.  Daily RMSE distribution of the model on the test set in 2023

    图  7  模型在2023年测试集上每天的平均相对精度分布

    Figure  7.  Daily average relative accuracy distribution of the model on the test set in 2023

    图  8  2018年1月28日地磁平静期(a)与8月26日磁暴期(b)的TEC预测对比

    Figure  8.  Comparison of TEC predictions during the geomagnetic quiet period on 28 January (a) and geomagnetic storm period on 26 August (b) in 2018 (a)

    图  9  2023年7月1日地磁平静期 (a)与11月5日磁暴期(b)的TEC预测对比

    Figure  9.  Comparison of TEC predictions during the geomagnetic quiet period on 28 January (a) and geomagnetic storm period on 5 November (b) in 2023

    表  1  以太阳活动低年(2018年)作为测试集的划分策略

    Table  1.   Segmentation strategy with a low solar activity year (2018) as the test set

    名称训练集验证集测试集
    时间范围2000-2016年, 2019-2023年2017年2018年
    样本数量8034365365
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    表  2  以太阳活动高年(2023年)作为测试集的划分策略

    Table  2.   Segmentation strategy with high solar activity year (2023) as the test set

    名称训练集验证集测试集
    时间范围2000-2021年2022年2023年
    样本数量8034365365
    下载: 导出CSV
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  • 网络出版日期:  2025-03-30

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