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基于残差补偿WHO-RF模型的电离层不规则体预测

陈清燕 纪元法 孙希延 梁文斌 GHAZALI Kamarul Hawari Bin

陈清燕, 纪元法, 孙希延, 梁文斌, GHAZALI Kamarul Hawari Bin. 基于残差补偿WHO-RF模型的电离层不规则体预测[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2026.03.2025-0117
引用本文: 陈清燕, 纪元法, 孙希延, 梁文斌, GHAZALI Kamarul Hawari Bin. 基于残差补偿WHO-RF模型的电离层不规则体预测[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2026.03.2025-0117
CHEN Qingyan, JI Yuanfa, SUN Xiyan, LIANG Wenbin, GHAZALI Kamarul Hawari Bin. Prediction of the Ionospheric Irregularities Based on Residual Compensation WHO-RF Model (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2026, 46(3): 1-11 doi: 10.11728/cjss2026.03.2025-0117
Citation: CHEN Qingyan, JI Yuanfa, SUN Xiyan, LIANG Wenbin, GHAZALI Kamarul Hawari Bin. Prediction of the Ionospheric Irregularities Based on Residual Compensation WHO-RF Model (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2026, 46(3): 1-11 doi: 10.11728/cjss2026.03.2025-0117

基于残差补偿WHO-RF模型的电离层不规则体预测

doi: 10.11728/cjss2026.03.2025-0117 cstr: 32142.14.cjss.2025-0117
基金项目: 广西科技计划项目(AA23062038, ZY23055048, AB23026120, 桂科24206043), 国家自然科学基金项目(U23A20280, 62161007, 62471153), 南宁市科学研究与技术开发计划项目(20231029, 20231011)和广西研究生教育创新计划项目(YCSW2024329)共同资助
详细信息
    作者简介:
    • 陈清燕 女, 2001年6月出生于广西梧州市, 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时空演变规律及预测. E-mail: 2572642573@qq.com
    通讯作者:
    • 纪元法 男, 1975年12月出生于山东聊城, 现为桂林电子科技大学信息与通信学院教授, 博士生导师, 主要研究方向为卫星导航、信号处理. E-mail:jiyuanfa@163.com
  • 中图分类号: P352

Prediction of the Ionospheric Irregularities Based on Residual Compensation WHO-RF Model

  • 摘要: 针对电离层不规则体预测困难和单一随机森林(RF)模型在预测中存在精度不高且参数调整困难等问题, 在结合野马优化算法(Wild Horse Optimizer, WHO)的基础上进行残差补偿(Residual Compensation, RC), 构建RC-WHO-RF电离层不规则体预测模型. 利用2020年3月1日至2024年6月30日香港HKWS站的观测数据, 计算电离层总电子含量变化率的标准差 (ROTI) 以及选择一系列与不规则体相关的背景电离层参数作为输入特征进行实验分析. 结果表明, ROTI、余弦相位日变化因子和地磁活动指数对电离层不规则体的预测至关重要; RC-WHO-RF模型预测的均方根误差均小于0.1 TECU·min–1, 对突发性磁暴事件也具有优异的响应能力和预测精度; RC-WHO-RF模型在提前30 min的短临预报中平均相对精度达90.67%, 比WHO-RF提升8.16%, 比单一RF模型提升11.2%, 组合模型的预测效果要明显优于单一RF模型和WHO-RF模型.

     

  • 图  1  香港HKWS站点2024年3月31日日落后发生电离层不规则体时ROTI示例

    Figure  1.  Example of ROTI when ionospheric irregularities occur at the HKWS station in Hong Kong after sunset on 31 March 2024

    图  2  使用6点、12点和18点移动窗口的平滑效果对比

    Figure  2.  Comparison of smooth effects of moving windows using 6 points, 12 points, and 18 points

    图  3  RF模型结构

    Figure  3.  Structure of RF model

    图  4  RC-WHO-RF电离层不规则体预测模型流程

    Figure  4.  Flow chart of RC-WO-RF ionospheric irregular body prediction model

    图  5  基于RF方法的输入参数重要性排序

    Figure  5.  Importance ranking of input parameters based on random forest method

    图  6  不同参数组合下的WHO-RF模型性能及寻优时间

    Figure  6.  Performance and optimization time of WHO-RF model under different parameter combinations

    图  7  2024年3月29-31日ROTI预测值与真实值的对比

    Figure  7.  Comparison between ROTI forecast and actual values from 29 to 31 in March 2024

    图  8  2024年3月29-31日ROTI预测值的R2, RMSE和MAE分布

    Figure  8.  Distribution of R2, RMSE and MAE for ROTI forecast values from 29 to 31 in March 2024

    图  9  2024年6月28-30日ROTI预测值与真实值对比

    Figure  9.  Comparison between ROTI forecast and actual values from 28 to 30 in June 2024

    图  10  2024年6月28-30日ROTI预测值的R2, RMSE和MAE分布

    Figure  10.  Distribution of R2, RMSE and MAE for ROTI forecast values from 28 to 30 in June 2024

    图  11  2009-2024年的太阳黑子数变化

    Figure  11.  Changes in sunspot numbers from 2009 to 2024

    表  1  电离层背景环境参数 (数据分辨率为 60 min)

    Table  1.   Ionospheric background environmental parameters (Data resolution is 60 min)

    环境参数数据描述
    HHC余弦相位日变化因子
    HHS正弦相位日变化因子
    Dst地磁指数
    F10.7太阳射电流量指数
    Bx行星际磁场径向分量
    By行星际磁场东向分量
    Bz行星际磁场垂向分量
    SYM/H环电流的对称水平分量
    Flow Pressure (FP)磁流体压力
    f0F2F2层临界频率
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    表  2  不同参数组合下的WHO-RF模型性能及寻优时间

    Table  2.   Performance and optimization time of WHO-RF model under different parameter combinations

    Maxstep 10 20 30
    Pop 10 20 30 10 20 30 10 20 30
    RMSE /(TECU·min–1) 0.110 0.103 0.098 0.105 0.098 0.099 0.100 0.097 0.092
    MAE /(TECU·min–1) 0.068 0.059 0.058 0.061 0.057 0.058 0.058 0.056 0.054
    $ {R}^{2} $ 0.780 0.800 0.803 0.782 0.803 0.799 0.798 0.805 0.810
    Time/s 129 331 760 198 545 778 1013 1649 1797
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    表  3  不同残差权重的RC-WHO-RF模型预测结果

    Table  3.   Prediction results of RC-WHO-RF models with different residual weights

    不规则体发生率
    残差权重倍数 3 4 5 4 5 6
    RMSE/(TECU·min–1) 0.059 0.056 0.074 0.082 0.075 0.093
    MAE/(TECU·min–1) 0.042 0.037 0.048 0.044 0.038 0.063
    $ {R}^{2} $ 0.902 0.935 0.891 0.843 0.864 0.797
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    表  4  RC-WHO-RF模型提前不同时间预测性能

    Table  4.   RC-WO-RF model predicts performance at different time in advance

    评价指标提前时间/min
    10306090120180240
    RMSE/(TECU·min–1)0.0260.0390.0430.0480.0530.0590.066
    $ {R}^{2} $0.9870.9720.9650.9620.9510.9490.942
    MRA/(%)91.9490.6789.1587.4086.9785.5482.79
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    表  5  太阳活动低/高年模型预测效果对比

    Table  5.   Comparison of prediction results between low/high solar activity year models

    时段 模型 指标
    RMSE/(TECU·min–1) MAE/(TECU·min–1) MRA/(%)
    2020年3月 RF 0.036 0.016 85.40
    WHO-RF 0.028 0.013 87.59
    RC-WHO-RF 0.015 0.007 92.98
    2024年3月 RF 0.099 0.060 79.47
    WHO-RF 0.085 0.049 82.51
    RC-WHO-RF 0.039 0.037 90.67
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-07-14
  • 修回日期:  2025-10-16
  • 网络出版日期:  2025-12-31

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