[发明专利]基于自注意力机制的电离层foF2空间重构方法

说明书

本发明提出了一种基于自注意力机制的电离层foF2空间重构方法，实现步骤为：获取训练样本集和测试样本集；构建基于自注意力机制的预测网络模型；对基于自注意力机制的预测网络模型进行迭代训练；获取电离层foF2的空间重构结果。本发明通过自注意力模块分析不同特征的贡献度、特征之间的相似性和依赖性，使模型能够提取更丰富的特征信息，克服了现有技术中信息缺失、foF2值的时空相关性挖掘程度不够的缺点，提高了电离层foF2的空间重构精度，从而提高了通讯、定位、雷达、导航等无线电系统的工作性能。

技术领域

本发明属于电离层研究中大数据和机器学习应用技术领域，涉及一种电离层参数重构方法，具体涉及一种基于自注意力机制的电离层临界频率foF2空间重构方法，可用于通讯、定位、雷达、导航等无线电系统的工作参数的确定。

背景技术

电离层是地球大气的一个电离区域，约是地面以上60km到1000km磁层顶之间的整个空间，是近地空间环境重要组成部分。按照距离地面高度，通常将电离层分为D、E、F1和F2层，其中F2层(220km～500km)具有最高的电子密度，主要决定电离层的特性。F2层中最大电子密度主要与F2层寻常波临界频率foF2有关，因此foF2是量化等离子体密度变化和描述电离层特性的关键参数之一，能反映电离层环境状况和扰动变化，同时极大地影响着无线电波的传播。为提高通讯、定位、雷达、导航等无线电系统的工作性能，以及保障航天飞行的安全，需要对电离层参数foF2进行准确定量的现报/预报。由于电离层受太阳活动、高空电场等诸多因素影响，且其变化规律与时间变化和空间地理经、纬度变化存在密切联系，foF2的现报/预报精度与对其相关因子的分析程度、时间和空间分布的挖掘程度有关。

电离层重构问题是指，仅在已知某区域内有限个电离层观测站的foF2的实测值或预报值的情况下，如何通过内插或外推的方式得到区域内其他未知地点的foF2值。针对重构问题，应用较为广泛的电离层参数模型为国际参考电离层IRI模型，可提供基于月平均的给定时间和位置的经验估计值，但无法对电离层实时状态进行现报且精度不高。因此电离层现报多采用探测方法，包括地面主动式无线电探测方法和无源探测方式，主动式探测如垂直探测、斜向探测和非相干散射雷达等方法存在探测系统设备复杂、成本较高、探测范围有限等缺陷，无源探测如利用高频非合作辐射源进行电离层预报，其存在预报精度较低的问题。为降低成本、扩大现报范围，多个研究通过利用有限数量的电离层探测站数据，采取数据同化法、自相关分析法等统计学方法进行电离层重构。

目前，电离层foF2重构的常用统计方法为数据同化法，例如申请公布号为CN110288117A，名称为“一种电离层参数临界频率的区域重构方法”中，公开了一种电离层参数临界频率的区域重构方法，该方法首先确定重构区域的网格点经纬度以及探测站点foF2实测值，并通过输入的时间利用中国参考电离层计算网格点的foF2值，最后利用Kalman滤波同化方法重构电离层foF2。该发明基于实时探测的foF2，重构精度有所提高，但其存在的缺陷在于通过高斯相关函数计算背景场相关矩阵仅利用了时间、经纬度信息，并且Kalman滤波在非线性系统下对foF2的时空相关性挖掘程度较浅，影响了重构精度的进一步提升。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出一种基于自注意力机制的电离层foF2空间重构方法，旨在解决现有技术存在的因信息缺失，以及对特征的贡献度认知较差造成的对foF2存在的时空相关性挖掘程度不够，导致的重构精度较低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：

(1)获取训练样本集R和测试样本集E：