Dünya’nın iyonosferinin daha kesin bir modeli

İyonosfer – Dünya’nın 60 ila 1000 kilometre yukarısını kapsayan jeo-uzayın bölgesi – elektrik yüklü parçacıklarıyla küresel navigasyon uydu sistemlerinden (GNSS) radyo sinyallerinin yayılmasını bozar. Bu, hem araştırmalarda hem de otonom sürüş veya uyduların hassas yörünge belirleme gibi uygulamalarda bu sistemlerin gerektirdiği her zamankinden daha yüksek hassasiyet için bir sorundur.

İyonosfer modelleri ve düzensiz, dinamik yük dağılımı, GNSS uygulamalarındaki ana hata kaynaklarından biri olan iyonosferik gecikmeler için sinyallerin düzeltilmesine yardımcı olabilir. GFZ Alman Yerbilimleri Araştırma Merkezi’nden Artem Smirnov ve Yuri Shprits liderliğindeki araştırmacılar, dergide iyonosferin yeni bir modelini sundular. Bilimsel Raporlarsinir ağları ve 19 yıllık uydu ölçüm verileri temelinde geliştirildi.

Özellikle, üst taraf iyonosferini, iyonosferin üst, elektron açısından zengin kısmını eskisinden çok daha hassas bir şekilde yeniden yapılandırabilir. Bu nedenle, örneğin elektromanyetik dalgaların yayılması veya belirli uzay hava olaylarının analizi ile ilgili çalışmalardaki uygulamalarla iyonosfer araştırmalarındaki ilerleme için önemli bir temeldir.

Arka plan: İyonosferin önemi ve karmaşıklığı

Dünya’nın iyonosferi, üst atmosferin yaklaşık 60 ila 1000 kilometre yükseklikteki bölgesidir. Burada, güneşin radyasyon faaliyetinin neden olduğu elektronlar ve pozitif iyonlar gibi yüklü parçacıklar hakimdir – dolayısıyla isim. İyonosfer birçok bilimsel ve endüstriyel uygulama için önemlidir çünkü yüklü parçacıklar radyo sinyalleri gibi elektromanyetik dalgaların yayılmasını etkiler.

Radyo sinyallerinin sözde iyonosferik yayılma gecikmesi, uydu navigasyonu için en önemli parazit kaynaklarından biridir. Bu, katedilen uzaydaki elektron yoğunluğu ile orantılıdır. Bu nedenle, elektron yoğunluğu hakkında iyi bir bilgi, sinyallerin düzeltilmesine yardımcı olabilir. Özellikle, iyonosferin 600 kilometrenin üzerindeki üst bölgesi ilgi çekicidir, çünkü elektronların yüzde 80’i bu sözde üst iyonosferde toplanmıştır.

Sorun şu ki, elektron yoğunluğu Dünya üzerindeki boylam ve enleme, günün ve yılın saatine ve güneş aktivitesine bağlı olarak büyük ölçüde değişiyor. Bu, örneğin radyo sinyallerini düzeltmenin temelini yeniden oluşturmayı ve tahmin etmeyi zorlaştırır.

Önceki modeller

İyonosferdeki elektron yoğunluğunun modellenmesine yönelik çeşitli yaklaşımlar vardır; diğerlerinin yanı sıra, 2014’ten beri tanınan Uluslararası Referans İyonosfer Modeli IRI. Bu, gözlemlerin istatistiksel analizine dayalı olarak girdi ve çıktı değişkenleri arasında bir ilişki kuran ampirik bir modeldir. . Bununla birlikte, bu bölgede daha önce toplanan gözlemlerin sınırlı kapsamı nedeniyle, üst iyonosferin önemli alanında hala zayıflıkları vardır.

Ancak son zamanlarda, bu alan için büyük miktarda veri mevcut hale geldi. Bu nedenle, Makine öğrenimi (ML) yaklaşımları, özellikle karmaşık doğrusal olmayan ilişkiler için bundan düzenlilikler türetmeye uygundur.

Makine öğrenimi ve sinir ağlarını kullanan yeni yaklaşım

Artem Smirnov, Ph.D. öğrenci ve çalışmanın ilk yazarı ve “Uzay Fiziği ve Uzay Hava Durumu” bölümünün başkanı ve Potsdam Üniversitesi’nde Profesör Yuri Shprits, ML tabanlı yeni bir ampirik yaklaşım benimsedi.

Bunun için, özellikle GFZ ve COSMIC tarafından önemli ölçüde işbirliği yapılan CHAMP, GRACE ve GRACE-FO olmak üzere 19 yıllık uydu misyonlarından elde edilen verileri kullandılar. Uydular, diğer şeylerin yanı sıra, iyonosferin farklı yükseklik aralıklarındaki elektron yoğunluğunu ölçtü ve farklı yıllık ve yerel zamanların yanı sıra güneş döngülerini de kapsıyor.

Neural Networks’ün yardımıyla araştırmacılar üst iyonosferin elektron yoğunluğu için NET modeli adını verdikleri bir model geliştirdiler. Veri dağılımlarını çok yüksek doğrulukla yeniden oluşturmak için ağ ağırlıklarını yinelemeli olarak öğrenen MLP yöntemini (Çok Katmanlı Algılayıcılar) kullandılar.

Araştırmacılar, modeli diğer üç uydu görevinden bağımsız ölçümlerle test ettiler.

Yeni modelin değerlendirilmesi

“Modelimiz, ölçümlerle dikkate değer bir uyum içindedir: Dünyanın her yerinde, yılın ve günün her zamanında ve farklı güneş aktivitesi seviyelerinde, üst iyonosferin tüm yükseklik aralıklarında elektron yoğunluğunu çok iyi yeniden oluşturabilir. ve doğruluk açısından Uluslararası Referans İyonosfer Modeli IRI’yi önemli ölçüde aşıyor. Ayrıca, uzayı sürekli olarak kaplıyor,” diye özetliyor birinci yazar Artem Smirnov.

Yuri Shprits ekliyor: “Bu çalışma, iyonosferik araştırmalarda bir paradigma değişimini temsil ediyor çünkü iyonosferik yoğunlukların çok yüksek doğrulukla yeniden oluşturulabileceğini gösteriyor. iyonosfer araştırmalarında uygulamalar.”

İyonosfer araştırmalarında olası uygulamalar

Araştırmacılar, örneğin, dalga yayılımı çalışmalarında, genellikle bilinmeyen temel ofsetlerle yeni elektron yoğunluğu veri setlerini kalibre etmek, bir arka plan modeli biçiminde tomografik rekonstrüksiyonlar için ve ayrıca belirli uzay hava olaylarını analiz etmek ve uzun süre performans göstermek için olası uygulamaları görüyorlar. vadeli iyonosferik rekonstrüksiyonlar. Ayrıca, geliştirilen model plazmasferik yüksekliklere bağlanabilir ve böylece IRI için yeni bir borda seçeneği olabilir.

Geliştirilen çerçeve, yeni verilerin ve yeni veri kaynaklarının sorunsuz bir şekilde dahil edilmesini sağlar. Modelin yeniden eğitilmesi standart bir bilgisayarda yapılabilir ve düzenli olarak gerçekleştirilebilir. Genel olarak, NET modeli, geleneksel yöntemlere göre önemli bir gelişmeyi temsil eder ve GNSS’ye dayanan iletişim ve navigasyon sistemleri için iyonosferin daha doğru bir temsilini sağlamak için sinir ağı tabanlı modellerin potansiyelini vurgular.