Modeling China’s Sichuan-Yunnan’s ionosphere based on multi-channel WOA-CNN-LSTM algorithm

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作者
Wang Li,H. Zhu,Shuangshuang Shi,Dongsheng Zhao,Yi Shen,Changyong Hé
出处
期刊:IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:62: 1-18 被引量:2
标识
DOI:10.1109/tgrs.2024.3403684
摘要

The total electron content (TEC) of ionosphere at low latitudes is significantly influenced by solar-geomagnetic activity and seasonal variations. Traditional ionospheric models often struggle to accurately forecast TEC in low latitudes, which limits the improvement of positioning accuracy for single-frequency GNSS (Global Navigation Satellite System) receivers. This study focuses on the Sichuan and Yunnan areas of China that locate on the northern crest of the equatorial ionization anomaly, utilizing data from 48 stations of the Chinese GNSS network. It employs a Convolutional Long Short-Term Memory network with multi-channel characteristics, combined with the Whale Optimization Algorithm, to construct a WOA-CNN-LSTM model for predicting TEC variations. The results demonstrate that the WOA-CNN-LSTM model outperforms Convolutional Neural Network-Gated Recurrent Unit (CNN-GRU), Bidirectional Long Short-Term Memory (BiLSTM), and Recurrent Neural Network (RNN) models in spatial morphology. In 2015 (a year with geomagnetic storms), the root mean square error (RMSE) values for all four seasons are at or below 1.96TECu, with mean absolute error (MAE) values at or below 1.42TECu, and Pearson correlation coefficients at or above 0.98. In 2019 (a calm year), the RMSE values are all below 0.74TECu, MAE values are all below 0.54TECu, and Pearson correlation coefficients remain at or above 0.95. In terms of temporal variation, the RMSE prediction results for the four observation stations are all at or below 2.75TECu for each of the four seasons in 2015, improving to 1.56TECu in 2019. Therefore, this model significantly enhances ionospheric prediction accuracy in low-latitude regions, benefiting navigation positioning, space environment forecasting, and disaster early warning systems.
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