人工智能技術(shù)在電離層擴(kuò)展F領(lǐng)域的應(yīng)用研究

　　電離層是近地空間環(huán)境的重要組成部分，對(duì)信息系統(tǒng)的無線電波傳播會(huì)產(chǎn)生重要的影響。由于受到來自太陽與地磁活動(dòng)、高層大氣乃至近地面低層大氣的多種因素的驅(qū)動(dòng)，電離層中會(huì)出現(xiàn)各種不規(guī)則結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展F是電離層中常見的一種不規(guī)則結(jié)構(gòu)之一，其時(shí)空變化可導(dǎo)致復(fù)雜的無線電傳播效應(yīng)，進(jìn)而影響無線電系統(tǒng)的性能，一直以來是研究電波環(huán)境和電離層空間天氣的熱點(diǎn)問題。為了加深對(duì)我國中低緯度地區(qū)電離層擴(kuò)展F發(fā)生變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，提升我國電離層空間天氣精細(xì)化建模、預(yù)報(bào)和電波傳播應(yīng)用的能力，本書利用中國和日本部分臺(tái)站的電離層觀測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了在不同的太陽和地磁活動(dòng)條件下中低緯度地區(qū)電離層擴(kuò)展F發(fā)生概率的區(qū)域統(tǒng)計(jì)特征，研究了擴(kuò)展F與電離層F2層臨界頻率（foF2）、F層虛高（h′F）、偶發(fā)E層（Es層）和電離層閃爍效應(yīng)的相關(guān)性、大數(shù)據(jù)分析處理方法及中低緯度地區(qū)擴(kuò)展F發(fā)生概率的預(yù)測(cè)方法。本書的主要研究?jī)?nèi)容如下：①基于我國和日本中低緯度地區(qū)共12個(gè)臺(tái)站多年的電離層垂測(cè)數(shù)據(jù)，深入分析和研究了中低緯度地區(qū)電離層頻率擴(kuò)展F和距離擴(kuò)展F的時(shí)空變化特征。研究結(jié)果表明擴(kuò)展F發(fā)生概率的經(jīng)向變化比緯向變化明顯，同時(shí)在35°N~45°N緯度沿海及海洋區(qū)域擴(kuò)展F的發(fā)生概率高于內(nèi)陸地區(qū)。這些研究成果深化了對(duì)我國中低緯度地區(qū)電離層擴(kuò)展F發(fā)生規(guī)律及其區(qū)域變化特征的認(rèn)識(shí)。②利用?？凇V州、北京、長春站的電離層垂測(cè)數(shù)據(jù)，開展了擴(kuò)展F與電離層F層背景參數(shù)中foF2、h′F的相關(guān)性研究。研究獲得了4個(gè)站點(diǎn)控制頻率擴(kuò)展F發(fā)生的foF2的閾值和距離擴(kuò)展F發(fā)生概率隨h′F的變化特征。結(jié)果表明，foF2的閾值隨著緯度的升高而減小。距離擴(kuò)展F發(fā)生概率隨h′F的升高而增大，在240~290 km處發(fā)生概率，隨著h′F的進(jìn)一步增高發(fā)生概率逐漸減小。發(fā)現(xiàn)頻率擴(kuò)展F與foF2滿足線性關(guān)系，而距離擴(kuò)展F與h′F滿足二次曲線關(guān)系，并且給出了擬合曲線的表達(dá)式。這些結(jié)果深化了對(duì)擴(kuò)展F與電離層F層背景參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系的認(rèn)識(shí)。③利用多臺(tái)站的電離層垂測(cè)和閃爍數(shù)據(jù)，分析了擴(kuò)展F與電離層閃爍以及偶發(fā)E層的相關(guān)性。發(fā)現(xiàn)距離擴(kuò)展F與閃爍現(xiàn)象的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.7~0.9，且相關(guān)系數(shù)隨著緯度的升高而減小。同時(shí)，擴(kuò)展F的發(fā)生概率隨著foEs和fbEs差值的減小而增大，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展F的發(fā)生概率與foEs和fbEs差值滿足三次曲線關(guān)系并且給出了擬合曲線的表達(dá)式。這些結(jié)果拓展了對(duì)擴(kuò)展F與其他不規(guī)則體現(xiàn)象相關(guān)性的認(rèn)識(shí)。④基于太陽和地磁活動(dòng)指數(shù)、foF2、h′F等參數(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，提出了一種新的擴(kuò)展F發(fā)生概率的預(yù)測(cè)方法。該方法較國際已有的預(yù)測(cè)方法增加了foF2和h′F作為預(yù)測(cè)模型的輸入?yún)?shù)。與已有預(yù)測(cè)方法的對(duì)比結(jié)果顯示，該模型的預(yù)測(cè)精度比已有預(yù)測(cè)模型的平均均方差提高了約7%，并且該模型可更好地用于我國區(qū)域擴(kuò)展F發(fā)生概率的預(yù)測(cè)。本書介紹了電離層不規(guī)則體理論、我國擴(kuò)展F的區(qū)域特征及人工智能預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)擴(kuò)展F發(fā)生概率的方法，內(nèi)容上既包括其基本理論的詳細(xì)介紹，又包括其在實(shí)際問題上的具體應(yīng)用，可使讀者循序漸進(jìn)地掌握電離層擴(kuò)展F的變化特性及其未來在通信、導(dǎo)航中的應(yīng)用前景。本書內(nèi)容安排適合高等學(xué)校空間物理、智能科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等相關(guān)專業(yè)本科生、碩士研究生及博士研究生的實(shí)際研究和教學(xué)要求，做到深入淺出、重點(diǎn)突出，讀者可以在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)入門并深入進(jìn)去進(jìn)而得到啟發(fā)，也可作為相關(guān)研究領(lǐng)域的科研工作者的參考資料。

　　電離層是近地空間環(huán)境的重要組成部分，由于受到來自太陽與地磁活動(dòng)、高層大氣乃至近地面低層大氣的多種因素的驅(qū)動(dòng)，電離層中會(huì)出現(xiàn)各種不規(guī)則結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展F是電離層中最常見的一種不規(guī)則結(jié)構(gòu)之一。本書利用東亞地區(qū)中國和日本部分臺(tái)站的電離層觀測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了我國電離層擴(kuò)展F發(fā)生概率的區(qū)域統(tǒng)計(jì)特征，以及我國中低緯地區(qū)擴(kuò)展F發(fā)生概率的預(yù)測(cè)方法，并搶先發(fā)售將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用于電離層擴(kuò)展F發(fā)生概率的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)領(lǐng)域。