Método de Predicción de Series Temporales Ionosféricas Basado en Red Neuronal Gráfica Espacio-Temporal
Autores: Chen, Yifei; Liu, Yang; Yang, Kunlin; Li, Lanhao; Xiong, Chao; Wang, Jinling
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
Categoría
Ciencias Naturales y Subdisciplinas
Subcategoría
Astronomía
Palabras clave
Contenido total de electrones ionosféricos globales
Aplicaciones GNSS
Red neuronal gráfica espaciotemporal
Heterogeneidad espacial
Tendencias temporales multiescala
Mecanismo de atención posicional entrenable
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Predecir el contenido total de electrones en la ionosfera global (TEC) es crítico para aplicaciones GNSS de alta precisión, pero algunos modelos existentes no logran capturar conjuntamente la heterogeneidad espacial y las tendencias temporales multiescala. Para abordar el problema, este trabajo propone una red neuronal gráfica espaciotemporal (STGNN) que enfrenta estas limitaciones a través de (1) un mecanismo de atención posicional entrenable para inferir dinámicamente las dependencias de los nodos sin restricciones geográficas fijas y (2) un módulo secuencial GRU-Transformer para modelar jerárquicamente patrones temporales locales y globales. La red propuesta se valida mediante diferentes actividades solares y geomagnéticas. Con un conjunto de datos de entrenamiento con un período de tiempo entre 2008 y 2018, el modelo propuesto se prueba en una fase solar alta para el año 2015 y una fase solar baja para el año 2018. Para 2015, los resultados experimentales muestran una reducción del 21.9% en el RMSE en latitudes bajas en comparación con los resultados del modelo iTransformer. Para el evento de tormenta geomagnética, el STGNN propuesto logra una estabilidad un 16.0% mayor. Para la prueba de predicción de una semana (84 pasos), el STGNN muestra un error un 27.0% menor en comparación con el modelo MLPMultivariate. El aprendizaje espacial auto-adaptativo del modelo y el modelado temporal multiescala permiten de manera única la predicción del TEC bajo diversas condiciones geofísicas.
Descripción
Predecir el contenido total de electrones en la ionosfera global (TEC) es crítico para aplicaciones GNSS de alta precisión, pero algunos modelos existentes no logran capturar conjuntamente la heterogeneidad espacial y las tendencias temporales multiescala. Para abordar el problema, este trabajo propone una red neuronal gráfica espaciotemporal (STGNN) que enfrenta estas limitaciones a través de (1) un mecanismo de atención posicional entrenable para inferir dinámicamente las dependencias de los nodos sin restricciones geográficas fijas y (2) un módulo secuencial GRU-Transformer para modelar jerárquicamente patrones temporales locales y globales. La red propuesta se valida mediante diferentes actividades solares y geomagnéticas. Con un conjunto de datos de entrenamiento con un período de tiempo entre 2008 y 2018, el modelo propuesto se prueba en una fase solar alta para el año 2015 y una fase solar baja para el año 2018. Para 2015, los resultados experimentales muestran una reducción del 21.9% en el RMSE en latitudes bajas en comparación con los resultados del modelo iTransformer. Para el evento de tormenta geomagnética, el STGNN propuesto logra una estabilidad un 16.0% mayor. Para la prueba de predicción de una semana (84 pasos), el STGNN muestra un error un 27.0% menor en comparación con el modelo MLPMultivariate. El aprendizaje espacial auto-adaptativo del modelo y el modelado temporal multiescala permiten de manera única la predicción del TEC bajo diversas condiciones geofísicas.