مدل سازی محلی پروفیل چگالی الکترون یون سپهری ماهواره ی FORMOSAT-3/COSMIC با استفاده از شبکه های عصبی مصنوعی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد مهندسی عمران-نقشه برداری ،پردیس دانشکده های فنی دانشگاه تهران

2 دانشیار گروه مهندسی نقشه برداری و پژوهشکده مهندسی فناوری های اطلاعات مکانی ،دانشگاه تهران

3 استادیارگروه مهندسی نقشه برداری،پردیس دانشکده های فنی دانشگاه تهران

چکیده

مطالعه و سنجش  یون  سپهر در علوم مختلف از جمله مطالعات فضایی و برای بهبود آنالیز و پیش بینی فضایی هوا  شامل طوفان های ژئومغناطیسی، بررسی پدیده ها و ناهنجاری های یون سپهری، سیستم های مخابراتی،ژئوفیزیکی، مطالعه پیش نشانگری زلزله و مخاطرات طبیعی  بسیار کارآمد می باشد. برای توصیف فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی رخ داده در لایه یون سپهر تغییرات پی در پی چگالی الکترون این لایه  با تغییرات زمان و موقعیت جغرافیایی موسوم  به پروفیل عموی لایۀ یون سپهر (پروفیل چگالی الکترون) مورد استفاده قرار می گیرد. اهمیت پایش چگالی الکترون یون سپهر بدلیل تأثیری که لایه یون سپهر بر روی امواج رادیویی  GPS در ناوبری و مخابرات می گذارد، سبب مدلسازی و بررسی پارامتر یون سپهری در این مقالهگردیده است. تغییرات ناگهانی و زیاد چگالی الکترون در بخش های مختلف یون سپهر مدلسازی آن را برای تصحیح خطای یون سپهری بسیار پیچیده می نماید.یکی از جدیدترین روش های سنجش از دور برای استخراج پروفیل چگالی الکترون در لایه ی یون سپهر، روش نهفتگی رادیویی (GPS RO)  است که قادر به تولید پروفیل های چگالی الکترون با توان تفکیک قائم بالامی باشد. دراین روش گیرنده های  GNSS بر روی ماهواره های  ارتفاع پایین (LEO) قرار گرفته و سیگنال فرستاده شده در راستای خط دید ماهواره های  LEO و GNSS  خم گردیده و اطلاعات لایه های اتمسفری (بویژه یون سپهر)  را ثبت و ضبط می نماید. در این مقاله، ابتدا ماهواره ی COSMIC معرفی و سپس برایسال های 2006تا2007 (کمینة فعالیت خورشیدی) بکارگیری الگوریتم های هوشمند توانسته است کارآیی مناسبی در جهت مدلسازی پروفیل های چگالی الکترون ارائه دهد.نتایج بدست آمدهبا پروفیل های چگالی الکترون  سه نوع مدل مرجع بین المللی یون سپهریIRI-NEQ،IRI-Corrو IRI-001 مقایسه شده اند و چنین نتیجه گرفته شده است که برای کشور ایران، مدل ایجاد شده با شبکة عصبی  شباهت بیشتری  با پروفیل های مشاهداتی ماهواره ی COSMIC نسبت به پروفیل های چگالی الکترون مدل های مرجع بین المللی یون سپهری از خود نشان می دهند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Local Modeling of the FORMOSAT-3 / COSMIC Satellite’s Ionosepheric Electron Density Profiles, Using Artificial Neural Networks

نویسندگان [English]

  • Farideh Sabzehee 1
  • Mohammad Ali Sharifi 2
  • Mehdi Akhoondzadeh hanzaee 3
1 Department of surveying and geomatics engineering, College of engineering, University of Tehran
2 Department of surveying and geomatics engineering, College of engineering and research institute of geoinformation technology (RIGT),University of Tehran
3 Department of surveying and geomatics engineering, College of engineering, University of Tehran
چکیده [English]

Extended Abstract
Electrondensity is one of the significant parameters for monitoring and describing the ionosphere.The ionosphere is a consequential source of errors for the GPS signals that traverse through the ionosphere on their ways to the ground-based receivers, because there is a high concentration of free electrons and ionsreleased by the ionizingaction of solar X-ray and ultraviolet radiation on atmospheric formers. Radio Occultation(RO) is one of the most modern satellite techniques to study on vertical profiles of neutral density, temperature, pressure and water vapor in the stratosphere and troposphere and ionospheric electron density profiles with high vertical resolutions.Since the RO technique using the GPS signals was employed for the first time by the Global Positioning System Meteorology (GPS/MET), the low-earth-orbit-based GPS RO technique has been proven as a successful method in exploring the earth’s lower atmosphere and ionosphere.
Abel transformation is the basic hypothesis made in the retrieval of radio-occulted ionospheric parameters.The Abel inversion is a powerful tool to retrieve high-resolution vertical profiles of electron density from GPS radio occultation collected by satellites into Low Earth Orbit(LEO).
COSMIC satellite records measurements during the whole day and is not limited to the specific times and special atmospheric conditions.It should be noted that the GPS radio occultation techniques provide continuous and useful ionospheric layers information and are not obtained from the point wise measurements by other satellites.
 COSMIC satellite also records the altitude for the measurements of the electron density profile. COSMIC satellite provides more than1000  electron density profiles per day with approximately global coverage and also parts of them cover  IRAN .In this approach, the LEO-GPS line of sight is occulted by the Earth’s limb with the setting(or rising) motion of the LEO satellite. The GPS-LEO radio connection successively records the atmospheric layers at different altitudes. The ionosphere is highly variable in space and time. Thus, for modeling the electrondensity profile the time changes(diurnaland seasonal) and location changes(geographical position of station), must be considered. In this research, the input space includes the day number (seasonal variation), hour (diurnal variation), latitude, longitude, height and F10.7 index (measure of the solar activity). The output of the model is the ionospheric electron density profile(Ne).The COSMIC observations and IRI-2007-based data of electron density profiles were also analyzed during the solar minimum period. In this research, we used a feedforward Artificial Neural Network (ANN) with 55 neurons in hidden layer for modeling profiles of electron density of COSMIC satellite performance of the ANN models was evaluated using correlation coefficient (R=92%),R-Squared(0.83). It was found that the ANN model could be applied successfully in estimating the electron density profiles retrieved from the FORMOSAT-3/COSMIC.The comparison of the IRI model electron density profile with the COSMIC RO measurements during each month of the year 2007 over IRAN is performed.The electron density profile from all three International Reference Ionosphere (IRI) models, namely IRI-NEQ,IRI-2001, and IRI-01-Corr are used.
The results showed that the results of the IRI2007 model electron density is not satisfactory over IRAN and ANN model electron density profile is in very good agreement with COSMIC RO measurements. It was concluded that IRI-NEQ model is more appropriate thanthe other two models.
The results showed that the differences between the modeled profile electron density and theobserved profile electron density are very lower than the differences between the IRI-2007 models.Maximum changes occurred in January and December at analtitude of about 450 km and minimum changes were recorded in November at the height of 250 Km and in April at the height of 450 Km. The differences also decreased in the summer at higher altitudes and in winter at lower altitudes.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Electron Density Profile
  • COSMIC Satellite
  • Artificial neural network
  • International Reference Ionosphere (IRI) model

1. امیری،ش.، (1392)، سنجش TEC به منظور تصحیح خطای یون‌سپهری در مخابرات ماهواره‌ای به روش نهفتگی رادیویی، فصلنامة علمی-پژوهشی علوم و فناوری فضایی، شمارة 2، جلد6، ص.ص 28-21.

2. معصومی،س.،(1391)، بررسی تغییرات لایة یون‌سپهر در منطقة ایران با استفاده از مشاهدات ماهواره‌های ارتفاع پایین، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، مهندسی نقشه‌برداری، گرایش ژئودزی، دانشکده فنی، دانشگاه تهران.

3. منهاج،م.ب.،مبانی شبکه‌های عصبی، تهران، انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر،1381.

4- Liou‎, ‎Y.A.‎, ‎A.G‎.‎Paveleyev‎, ‎S.F‎. ‎Liu‎, ‎A.A‎.Pavelyev‎, ‎N‎. ‎Yen‎, ‎C.Y‎. ‎Huang and C.J‎. ‎Fong, (2007),‎ ‎FORMOSAT-3‎ / COSMIC GPS radio occultation mission‎: ‎Preliminary results‎. ‎IEEE‎, ‎Transactions on Geoscience and Remote Sensing‎, ‎vol‎.45.‎, ‎no‎.11.‎, ‎pp.3813-3826‎.

5- Schreiner‎, ‎S.W.‎, ‎C‎. ‎Rocken‎, ‎S‎. ‎Sokolovskiy‎, ‎S‎. ‎Syndergaard and D‎. ‎Hunt‎,, (2007) ‎Estimates of the precision of GPS radio occultations from the COSMIC‎ / ‎FORMOSAT-3 mission‎. ‎Geophysical Research Letters‎, ‎vol‎.34.‎, ‎issue 4‎.

6.Liu, L., Wan, W., Ning, B.& Zhang, M. L. ,(2009 b),Climatology of the mean TEC derived from GPS Global Ionospheric Maps. J Geophys Res 114: A06308.

7.Anthes‎, ‎R.A.‎, ‎P.A‎. ‎Bernhardt‎, ‎Y‎. ‎Chen‎, ‎L‎. ‎Cucurull‎, ‎K.F‎. ‎Dymond‎, ‎D‎. ‎Ector‎, ‎S.B‎. ‎Healy‎, ‎S.P‎. ‎Ho‎, ‎D.C‎. ‎Hunt‎, ‎Y.H‎. ‎Kuo‎, ‎H‎. ‎Liu‎, ‎K‎. ‎Manning‎, ‎C‎. ‎McCormick‎, ‎T.K‎. ‎Meehan‎, ‎W.J‎. ‎Randel‎, ‎C‎. ‎Rocken‎, ‎W.S‎. ‎Schreiner‎, ‎S.V‎. ‎Sokolovskiy‎, ‎S‎. ‎Syndergaard‎, ‎D.C‎. ‎Thompson‎, ‎K.E‎. ‎Trenberth‎, ‎T.K‎. ‎Wee‎, ‎N.L‎. ‎Yen and Z‎. ‎Zeng‎, (2008),The COSMIC‎ / ‎FORMOSAT-3 mission‎: ‎Early results‎. ‎Bulletin of the American Meteorological Society‎, ‎vol‎.. (3) 89. ‎pp‎.  313-333.

 8- Rafiq,M.Y,Bugmann,G.,Easterbrook,D.J.,(2001), Neural network design for engineering applications; computers structures 79,1541-1552.

9- Hargreaves, J. K. ,(1992) ,The Solar-Terrestrial Environment: an introduction to geospace - the science of the terrestrial upper atmosphere, ionosphere and magnetosphere, Cambridge University Press,Cambridge.

10- Skone, S. ,(1998) ,Wide area ionosphere grid modelling in the auroralregion,PhD Thesis, University of Calgary, Department of Geomatics Engineering, Calgary, Alberta, Canada.

11- Kelley, M. C.(2009) ,The Earth’s Ionosphere: Plasma Physics and Electrodynamics , Intern. Geophys.Series, vol 43. San Diego: Academic Press.

12- Kumar‎, ‎S.,Tan‎, ‎E.L.‎, ‎Razul‎, ‎S.G.,See‎, ‎C.M.S.,Siingh‎, ‎D.(2014) ,Validation of the IRI-2012 model with GPS-based ground observation over a low-latitude Singapore station,Earth‎, ‎Planets and Space‎, , 17:66.‎

13- http://apollo.lsc.vsc.edu/classes/remote/lecture_notes/gps/theory/theoryhtml.htm