1人工智能電離層電子總含量(TEC)預測技術應用指南本文件給出了電子總含量預測的特征因素、評估過程及結果應用等內容。本文件適用于民用導航中電離層誤差的修正、導航算法的優化及無線通信中通信頻率的選擇、通信故障的預防等。2規范性引用文件本文件沒有規范性引用文件。3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。3.1電離層地球大氣中高度范圍大約在60km~1000km、存在大量自由電子、足以顯著影響無線電波傳播的區域。3.2電子總含量（TEC）一定電離層高度上單位面積內的總自由電子含量，代表了單位面積內沿高度方向的電子濃度積分，1TECU=1016個電子/m2，TECU為總電子含量的單位。3.3緯度地球表面某一點與地球赤道平面的夾角。3.4隨機森林包含多個決策樹的分類器，并且其輸出的類別是由個別樹輸出的類別的眾數而定。3.5支持向量機按監督學習方式對數據進行二元分類的廣義線性分類器。3.6皮爾遜相關系數用于衡量兩個變量之間的線性相關性，其值介于-1和+1之間，+1表示完全正相關，-1表示完全負相關，0表示無相關。3.7決定系數用于衡量回歸模型對數據集的擬合優度，其值最大為1，最小為0，當值越接近于1，則說明模型越好。23.8時間卷積網絡一種特別為處理時間序列數據設計的網絡結構，它通過使用卷積層而非循環層來處理序列依賴關系。3.9長短期記憶網路一種時間循環神經網絡，適合于處理和預測時間序列中間隔和延遲非常長的重要事件。4縮略語下列縮略語適用于本文件。TEC：電離層電子總含量（TotalElectronContent）SSN：太陽黑子數（SunSpotNumber）Dst：磁暴環電流指數（DisturbanceStormTime）SYM/H：赤道附近地磁場水平分量擾動的縱向對稱分量（SymmetricHorizontalComponentofGeomagneticFieldDisturbanceneartheEquator）LT：當地時間（LocalTime）GNSS：全球衛星導航系統（GlobalNavigationSatelliteSystem）RTKLIB：全球導航衛星系統GNSS的標準和精密定位開源程序包（Real-TimeKinematicLIBrary）5基本框架如圖1所示，基本框架包括特征因素輸入、預測評估過程及結果應用輸出。太陽活動、地磁活動、時間、位置等重要特征因素是影響TEC預測準確性的關鍵因素。獲取特征因素并將其作為輸入，通過特征選擇、TEC預測、指標確定等流程，通過評估，基本符合適用條件的結果將可能應用于民用導航和無線通信等應用場景。圖1基本框架圖36特征因素及獲取方法6.1特征因素影響TEC預測的主要特征因素如表1內容所示，除此之外還可以有各類特征的衍生數據，可以根據具體情況選擇。表1特征因素SYM/H6.2獲取方法多類特征因素通常是使用GNSS數據處理軟件（如RTKLIB等）對雙頻GNSS觀測數據進行處理獲得，可從中國氣象局、國家空間科學中心等官方部門公開獲取。7預測評估7.1特征選擇對特征因素進行特征選擇時，需要考慮特征因素與預測目標的相關性。特征選擇方法可以選擇如隨機森林、支持向量機等單一或集成方法，主要是通過分析相關性來評估特征的重要性，最終獲得最優特征。7.2TEC預測對TEC序列進行預測時，需要將經過特征選擇后的特征因素輸入神經網絡或算法。預測方法可以選擇如時間卷積網絡、長短期記憶網絡等方法，主要是捕捉電離層特征因素的非線性變化，最終獲得TEC預測結果。7.3指標確定統計學中有多類指標能夠用于描述和評估預測技術的性能和準確度，TEC預測技術可以使用皮爾遜相關系數和決定系數作為預測評估的指標，前者能夠解釋變量間是否存在潛在的相關關系，后者則是評估預測技術優劣的重要依據。47.3.1皮爾遜相關系數式中：n為數據量，i為第i個數據的預測結果，yi為第i個數據的實際值，y為預測結果的平均值，式中：n為數據量，i為第i個數據的預測結果，yi為第i個數據的實際值，y為預測結果的平均值，y-為實際值的平均值。7.3.2決定系數式中：n為數據量，i為第i個數據的預測結果，yi為第i個數據的實際值，y-為實際值的平均值。8結果應用8.1適用條件TEC預測技術能夠初步嘗試應用于民用導航、無線通信等場景時，要求預測結果至少滿足以下的預測性能，適用條件具體見表2。表2TEC預測技術適用條件ρR2ρR2ρR2ρR28.2應用場景具體可以應用的場景包括但不限于：8.2.1民用導航a)修正電離層誤差：1)預測電離層的電子總含量變化；2)估算出電離層對導航信號的延遲；3)修正接收到的信號；4)消除電離層延遲誤差且提高定位精度。b)優化導航算法：1)優化導航系統的定位算法；2)處理到電離層活動較為劇烈時的導航信號；3)降低電離層對定位的影響。c)輔助地面定位：1)提供電離層狀態信息(向地面基站)；2)輔助基站準確計算信號傳播時間；3)實現更精確、更穩定的定位；4)更新并優化預測結果。8.2.2無線通信a)選擇通信頻率：1)輔助通信系統選擇合適的通信頻率（如電離層活動劇烈時選擇更高頻段的信號）；2)減少電離層對通信的干擾。b)優化通信質量：1)預測電離層對通信信號的影響程度；2)調整通信系統的參數（如功率、調制方式等）。c)預防通信故障：1)預測波動事件的發生時間；2)采取預防措施（如增加