Machine Learning Prediction of Storm‐Time High‐Latitude Ionospheric Irregularities From GNSS‐Derived ROTI Maps

全球导航卫星系统应用 计算机科学 人工智能 机器学习 全球定位系统 电信
作者
Lei Liu,Y. Jade Morton,Yunxiang Liu
出处
期刊:Geophysical Research Letters [American Geophysical Union]
卷期号:48 (20) 被引量:9
标识
DOI:10.1029/2021gl095561
摘要

This study presents an image-based convolutional long short-term memory (convLSTM) machine learning algorithm to predict storm-time ionospheric irregularities. Unlike existing methods that are either focused on irregularities at individual locations or treat the irregularity prediction as a classification problem, the convLSTM-based architecture forecasts an entire regions' ionospheric irregularity occurrence and intensity values. We implemented the convLSTM-based model with a custom-designed loss function (convLSTM-Lc) that includes a dynamic penalty on the difference between the truth and the predicted rate of total electron content index (ROTI) maps. The convLSTM-Lc is trained with real ROTI data collected during January 1–August 7, 2015 from ∼550 global navigation satellite system receivers located in (45°–90°N, 0°–180°W). Test results show that the convLSTM-Lc algorithm can forecast irregularity structures more accurately than a convLSTM model that implements conventional loss functions. The model also outperforms the convLSTM-L1, convLSTM-L2, and persistence models according to statistical classification metrics with a lead time of up to 60 min.

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