A Spatiotemporal Network Model for Global Ionospheric TEC Forecasting

技术 电离层 总电子含量 计算机科学 国际参考电离层 卫星 遥感 环境科学 地质学 地球物理学 航空航天工程 工程类
作者
Xu Lin,Hongyue Wang,Qingqing Zhang,Chaolong Yao,Changxin Chen,Lin Cheng,Zhaoxiong Li
出处
期刊:Remote Sensing [MDPI AG]
卷期号:14 (7): 1717-1717 被引量:20
标识
DOI:10.3390/rs14071717
摘要

In the Global Navigation Satellite System, ionospheric delay is a significant source of error. The magnitude of the ionosphere total electron content (TEC) directly impacts the magnitude of the ionospheric delay. Correcting the ionospheric delay and improving the accuracy of satellite navigation positioning can both benefit from the accurate modeling and forecasting of ionospheric TEC. The majority of current ionospheric TEC forecasting research only considers the temporal or spatial dimensions, ignoring the ionospheric TEC’s spatial and temporal autocorrelation. Therefore, we constructed a spatiotemporal network model with two modules: (i) global spatiotemporal characteristics extraction via forwarding spatiotemporal characteristics transfer and (ii) regional spatiotemporal characteristics correction via reverse spatiotemporal characteristics transfer. This model can realize the complementarity of TEC global spatiotemporal characteristics and regional spatiotemporal characteristics. It also ensures that the global spatiotemporal characteristics of the global ionospheric TEC are transferred to each other in both temporal and spatial domains at the same time. The spatiotemporal network model thus achieves a spatiotemporal prediction of global ionospheric TEC. The Huber loss function is also used to suppress the gross error and noise in the ionospheric TEC data to improve the forecasting accuracy of global ionospheric TEC. We compare the results of the spatiotemporal network model with the Center for Orbit Determination in Europe (CODE), the convolutional Long Short-Term Memory (convLSTM) model and the Predictive Recurrent Neural Network (PredRNN) model for one-day forecasts of global ionospheric TEC under different conditions of time and solar activity, respectively. With internal data validation, the average root mean square error (RMSE) of our proposed algorithm increased by 21.19, 15.75, and 9.67%, respectively, during the maximum solar activity period. During the minimum solar activity period, the RMSE improved by 38.69, 38.02, and 13.54%, respectively. This algorithm can effectively be applied to ionospheric delay error correction and can improve the accuracy of satellite navigation and positioning.
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