KR102562273B1 - Apparatus for forecasting 24-hour global total electron content using deep learning based on conditional generative adversarial neural network and method thereof - Google Patents

Apparatus for forecasting 24-hour global total electron content using deep learning based on conditional generative adversarial neural network and method thereof Download PDF

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Abstract

조건적 적대적 신경망 딥러닝 기법을 사용한 24시간 후의 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치 및 그 방법이 개시된다.
이 장치는 현재의 총 전자수 함유량(Total Electron Content) 이미지를 사용하여 24시간 후의 총 전자수 함유량 이미지를 예측하는 장치로서, 학습부 및 예측부를 포함한다. 학습부는 과거의 총 전자수 함유량 이미지를 사용하여 특정 시점으로부터 24시간 후의 총 전자수 함유량 이미지를 예측하는 예측 모델에 대한 기계학습 기반의 훈련을 수행하여 예측 모델을 학습시킨다. 예측부는 현재의 총 전자수 함유량 이미지를 예측 모델에 적용하여 현재로부터 24시간 후의 총 전자수 함유량 이미지를 예측한다.
An apparatus and method for predicting global total electron count after 24 hours using a conditional adversarial neural network deep learning technique are disclosed.
This device is a device for predicting a total electron content image after 24 hours using a current total electron content image, and includes a learning unit and a prediction unit. The learning unit trains the prediction model by performing machine learning-based training on a prediction model that predicts a total electron number content image 24 hours after a specific point in time by using a total electron number content image of the past. The prediction unit applies the current total electron number content image to the prediction model to predict the total electron number content image 24 hours from now.

Description

조건적 적대적 신경망 딥러닝 기법을 사용한 24시간 후의 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치 및 그 방법 {Apparatus for forecasting 24-hour global total electron content using deep learning based on conditional generative adversarial neural network and method thereof}Apparatus for forecasting 24-hour global total electron content using deep learning based on conditional generative adversarial neural network and method thereof}

본 발명은 조건적 적대적 신경망 딥러닝 기법을 사용한 24시간 후의 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for predicting total global electron content after 24 hours using a conditional adversarial neural network deep learning technique.

총 전자수 함유량(Total Electron Content, TEC)은 무선 송신기와 수신기 사이의 경로를 따라 있는 총 전자수를 의미하며, 단위(TECU)는 1016 전자/m2로 정의된다.Total Electron Content (TEC) means the total number of electrons along a path between a wireless transmitter and a receiver, and the unit (TECU) is defined as 10 16 electrons/m 2 .

TEC는 우주 기상의 주요 파라미터 중 하나이며, 전리층 교란의 지시자로서 사용되므로, TEC의 정확한 측정은 위성 통신, 내비게이션, 국방 및 항공에 대한 유용한 정보를 제공한다.As TEC is one of the key parameters of space weather and is used as an indicator of ionospheric disturbances, accurate measurements of TEC provide useful information for satellite communications, navigation, defense and aviation.

이러한 TEC의 예보 방법으로는 크게 과거 관측된 값을 바탕으로 만든 계산식을 사용하는 경험 모델, 열권 및 전리층에 관한 운동, 에너지, 기체 방정식 등을 활용한 물리 기반 모델, 그리고 관측 데이터와 물리 기반의 모델이 합쳐진 동화 모델로 나눌 수 있다. These TEC forecasting methods include empirical models using calculation formulas based on past observed values, physics-based models using motion, energy, and gas equations related to the thermosphere and ionosphere, and models based on observational data and physics. It can be divided into this combined assimilation model.

먼저, 관측된 통계값을 활용한 경험 모델은 과거부터 보편적인 예보 방법으로 사용되고 있지만, 적도 지역의 이상 현상과 태양 활동과 지자기 활동이 빈번한 시기에 오차가 나타난다. First, the empirical model using observed statistical values has been used as a universal forecasting method since the past, but errors appear during periods of frequent solar and geomagnetic activity and anomalies in the equatorial region.

또한, 물리 기반 모델과 동화 모델의 경우에는 포함된 수식과 격자가 정밀할수록 컴퓨터 계산 소요 시간이 증가하며, 경험 모델과 마찬가지로 이상 현상에 대한 오차가 나타난다.In addition, in the case of physics-based models and assimilation models, the more precise the formulas and grids are, the more time required for computer calculations, and, like the empirical models, errors for anomalies appear.

International GNSS service(IGS)는 1998년부터 전지구적 총 전자수 함유량 맵을 만들어서 제공하고 있다. 이 자료는 GNSS 관측 데이터를 가지고 계산, 분석 그리고 검증을 단계를 거쳐 생산되며 가장 높은 정확도를 보이는 자료이다. 이러한 자료는 신속 TEC(Rapid TEC)과 최종(Final TEC) 두 가지 형태로 제공되고 있으며, 최종 TEC의 정확도가 더 높은 것으로 알려져 있으며, 총 전자수 함유량 예측 모델의 값을 검증하는 자료로 사용된다.Since 1998, the International GNSS service (IGS) has been providing maps of global total electron content. This data is produced through the steps of calculation, analysis, and verification with GNSS observation data, and is the data with the highest accuracy. These data are provided in two forms, Rapid TEC and Final TEC. Final TEC is known to have higher accuracy, and is used as data to verify the value of the total electron content prediction model.

그러나, 기존의 IGS TEC에서는 태양 및 지자기 활동 인덱스와 같은 추가 데이터 없이 24시간 후의 TEC 이미지를 잘 예측할 수 없다는 문제점이 있다.However, existing IGS TECs have a problem in that they cannot predict TEC images 24 hours later without additional data such as solar and geomagnetic activity indices.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 태양 및 지자기 활동 인덱스와 같은 추가 데이터 없이 이전의 TEC 이미지만 사용하여 24시간 후의 TEC 이미지를 잘 예측할 수 있는 조건적 적대적 신경망 딥러닝 기법을 사용한 24시간 후의 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is the global total after 24 hours using a conditional adversarial neural network deep learning technique that can well predict TEC images after 24 hours using only previous TEC images without additional data such as solar and geomagnetic activity indices. It is to provide an electron number content predicting device and method therefor.

상기한 바와 같은 본 발명의 과제를 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 효과를 실현하기 위한, 본 발명의 특징적인 구성은 하기와 같다.In order to achieve the objects of the present invention as described above and realize the characteristic effects of the present invention described later, the characteristic configuration of the present invention is as follows.

본 발명의 일 측면에 따르면, 총 전자수 함유량 예측 장치가 제공되며, 이 장치는,According to one aspect of the present invention, a device for predicting the total number of electrons is provided, which includes:

현재의 총 전자수 함유량(Total Electron Content) 이미지를 사용하여 특정 시간 후의 총 전자수 함유량 이미지를 예측하는 장치로서, 과거의 총 전자수 함유량 이미지를 사용하여 특정 시점으로부터 상기 특정 시간 후의 총 전자수 함유량 이미지를 예측하는 예측 모델에 대한 기계학습 기반의 훈련을 수행하여 상기 예측 모델을 학습시키는 학습부, 그리고 현재의 총 전자수 함유량 이미지를 상기 예측 모델에 적용하여 현재로부터 상기 특정 시간 후의 총 전자수 함유량 이미지를 예측하도록 하는 예측부를 포함한다.A device for predicting a total electron content image after a specific time using a current total electron content image, wherein the total electron content after a specific time from a specific point in time using a past total electron content image A learning unit for learning the prediction model by performing machine learning-based training on a prediction model that predicts an image, and applying the current total number of electrons content image to the prediction model to obtain the total number of electrons after the specific time from the present A prediction unit for predicting an image is included.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 총 전자수 함유량 예측 방법이 제공되며, 이 방법은,According to another aspect of the present invention, a method for predicting the total number of electrons is provided, the method comprising:

현재의 총 전자수 함유량 이미지를 사용하여 특정 시간 후의 총 전자수 함유량 이미지를 예측하는 방법으로서, 과거의 총 전자수 함유량 이미지를 사용하여 특정 시점으로부터 상기 특정 시간 후의 총 전자수 함유량 이미지를 예측하는 예측 모델에 대한 기계학습 기반의 훈련을 수행하여 상기 예측 모델을 학습시키는 단계, 현재의 총 전자수 함유량 이미지와, 현재로부터 상기 특정 시간 전의 총 전자수 함유량 이미지와 상기 현재의 총 전자수 함유량 이미지 사이의 차이를 나타내는 차이 맵을 상기 예측 모델로 입력하는 단계, 그리고 상기 예측 모델에 의해 생성되는 이미지를 획득하여 현재로부터 상기 특정 시간 후의 총 전자수 함유량 이미지로서 출력하는 단계를 포함한다.A method of predicting a total electron number content image after a specific time using a current total electron number content image, wherein the total electron number content image after the specific time is predicted from a specific time point using a past total electron number content image. Learning the predictive model by performing machine learning-based training on the model, between the current total electron number content image, the total electron number content image before the specific time from the present, and the current total electron number content image A step of inputting a difference map representing a difference into the predictive model, and acquiring an image generated by the predictive model and outputting it as a total electron count content image after the specific time from the present.

본 발명에 따르면, 딥 러닝 모델을 글로벌 TEC 이미지의 예측에 성공적으로 적용할 수 있다.According to the present invention, deep learning models can be successfully applied to the prediction of global TEC images.

또한. 태양 및 지자기 활동 인덱스와 같은 추가 데이터 없이 이전의 TEC 이미지만 사용하여 24시간 후의 TEC 이미지를 잘 예측할 수 있다.also. TEC images after 24 hours can be well predicted using only previous TEC images without additional data such as solar and geomagnetic activity indices.

또한, 세 가지 메트릭(RMSE, BIAS 및 STD)을 고려할 때 태양 극대기 및 태양 극소기 동안의 1일 CODE 예측 모델보다 우수하다.It also outperforms the 1-day CODE prediction model during solar maximum and solar minimum when considering all three metrics (RMSE, BIAS and STD).

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치의 개략적인 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 예측 모델의 구체적인 구성을 도시한 도면으로, 훈련시 사용되는 작동을 기준으로 한 도면이다.
도 3의 (a)는 현재 IGS TEC 이미지의 예이고, (b)는 차이 맵의 예이며, (c)는 생성기에 의해 생성된 이미지이고, (d)는 실제 이미지의 예를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치를 테스트한 일 예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치에 의해 예측된 TEC 이미지와 IGS TEC 이미지 사이의 평균 RMSE, BIAS 및 STD와 1일 CODE 예측 TEC 이미지와 IGS TEC 이미지 사이의 평균 RMSE, BIAS 및 STD를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치에서 예측된 출력 TEC 이미지와 IGS TEC 이미지 사이의 월 평균 RMSE, BIAS 및 STD와, 1일 CODE 예측 TEC 이미지와 IGS TEC 이미지 사이의 월간 평균을 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전지구적 총 전자수 함유량 예측 방법의 개략적인 흐름도이다.
1 is a schematic block diagram of an apparatus for predicting total global electron count content according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a specific configuration of the predictive model shown in FIG. 1, based on an operation used during training.
3 (a) is an example of a current IGS TEC image, (b) is an example of a difference map, (c) is an image generated by a generator, and (d) shows an example of an actual image.
4 is a diagram showing an example of a test of the global total electron count prediction device according to an embodiment of the present invention.
5 is an average of RMSE, BIAS, and STD between a TEC image and an IGS TEC image predicted by a global total electron count prediction device according to an embodiment of the present invention and an average between a 1-day CODE predicted TEC image and an IGS TEC image. It is a diagram showing RMSE, BIAS and STD.
6 shows monthly average RMSE, BIAS, and STD between output TEC images and IGS TEC images predicted by the global total electron count prediction device according to an embodiment of the present invention, and between 1-day CODE predicted TEC images and IGS TEC images. shows the monthly average of
7 is a schematic flowchart of a method for predicting the global total number of electrons according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description have been omitted, and similar reference numerals have been attached to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. Throughout the specification, when a certain component is said to "include", it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated. In addition, terms such as “… unit”, “… unit”, and “module” described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software or a combination of hardware and software. there is.

본 발명에서 설명하는 장치들은 적어도 하나의 프로세서, 메모리 장치, 통신 장치 등을 포함하는 하드웨어로 구성되고, 지정된 장소에 하드웨어와 결합되어 실행되는 프로그램이 저장된다. 하드웨어는 본 발명의 방법을 실행할 수 있는 구성과 성능을 가진다. 프로그램은 도면들을 참고로 설명한 본 발명의 동작 방법을 구현한 명령어(instructions)를 포함하고, 프로세서와 메모리 장치 등의 하드웨어와 결합하여 본 발명을 실행한다. Devices described in the present invention are composed of hardware including at least one processor, memory device, communication device, and the like, and a program to be executed in combination with the hardware is stored in a designated place. The hardware has the configuration and capability to implement the method of the present invention. The program includes instructions implementing the operating method of the present invention described with reference to the drawings, and implements the present invention in combination with hardware such as a processor and a memory device.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 조건적 적대적 신경망 딥러닝 기법을 사용한 24시간 후의 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치에 대해 설명한다.Hereinafter, an apparatus for predicting total global electron count content after 24 hours using a conditional adversarial neural network deep learning technique according to an embodiment of the present invention will be described.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치의 개략적인 블록도이다.1 is a schematic block diagram of an apparatus for predicting total global electron count content according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치(100)는 입력부(110), 차이 맵 생성부(120), 저장부(130), 학습부(140), 예측 모델(150), 예측부(160) 및 출력부(170)를 포함한다. 이 때, 도 1에 도시된 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치(100)는 본 발명의 일 실시예에 불과하므로 도 1을 통해 본 발명이 한정 해석되는 것은 아니며, 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 도 1과 다르게 구현될 수도 있다.As shown in FIG. 1 , the apparatus 100 for predicting the global total number of electrons according to an embodiment of the present invention includes an input unit 110, a difference map generator 120, a storage unit 130, and a learning unit 140. ), a prediction model 150, a prediction unit 160, and an output unit 170. At this time, since the global total electron count prediction device 100 shown in FIG. 1 is only one embodiment of the present invention, the present invention is not limitedly interpreted through FIG. 1, and various embodiments of the present invention Accordingly, it may be implemented differently from FIG. 1 .

입력부(110)는 외부로부터 TEC 데이터를 입력받는다. 예를 들어, 입력부(110)는 IGS에서 제공되는 IGS TEC 데이터를 입력받는다. 이러한 IGS TEC 데이터는 미국 항공 우주국(National Aeronautics and Space Administration, NASA)의 CDDIS(Crustal Dynamics Data Information System) 웹 사이트 (ftp://cddis.nasa.gov/gnss/products/ionex/)를 통해 획득될 수 있다. 획득되는 IGS TEC 데이터는 5°× 2.5°의 지리적 경도 및 위도에서 (73 × 71) 해상도를 갖는다. The input unit 110 receives TEC data from the outside. For example, the input unit 110 receives IGS TEC data provided from IGS. These IGS TEC data will be obtained through the National Aeronautics and Space Administration (NASA) Crustal Dynamics Data Information System (CDDIS) website ( ftp://cddis.nasa.gov/gnss/products/ionex/ ). can The acquired IGS TEC data has (73 × 71) resolution in geographic longitude and latitude of 5° × 2.5°.

입력부(110)는 입력되는 IGS TEC 데이터를 예측 모델(1150)에서 사용하기 위해 데이터 전처리를 수행할 수 있다. 이러한 전처리로는, 예를 들어, IGS TEC 데이터에 대응하는 이미지(이하에서 'IGS TEC 이미지‘로 지칭함)에서, 날짜 표시 줄에서 겹치는 값을 제거하여 72 × 71 이미지를 만드는 처리, 적절한 패딩 데이터(좌측과 우측에 동일한 데이터, 그리고 위쪽과 아래쪽에 0의 값)를 추가하여 128 × 128 이미지로 만드는 처리 등이 포함될 수 있다. 이러한 전처리는 예측 모델(160)에서 사용되는 이미지에 대응하여 변경될 수 있다.The input unit 110 may perform data preprocessing in order to use input IGS TEC data in the prediction model 1150 . Such pre-processing includes, for example, processing to create a 72 × 71 image by removing overlapping values from the timeline in an image corresponding to IGS TEC data (hereinafter referred to as 'IGS TEC image'), appropriate padding data ( processing to make a 128 × 128 image by adding the same data on the left and right sides and a value of 0 on the top and bottom). This preprocessing may be changed corresponding to the image used in the predictive model 160 .

입력부(110)는 입력되는 IGS TEC 데이터를 대응하는 날짜 및 시간과 함께 저장부(130)에 저장한다. The input unit 110 stores input IGS TEC data in the storage unit 130 together with a corresponding date and time.

차이 맵 생성부(110)는 저장부(130)에 저장된 특정 IGS TEC 데이터에 대응하는 특정 IGS TEC 이미지와 1일 전, 즉 24시간 전의 IGS TEC 데이터에 대응하는 1일 전 IGS TEC 이미지 사이의 차이를 나타내는 차이 맵을 생성한다. The difference map generation unit 110 determines the difference between a specific IGS TEC image corresponding to specific IGS TEC data stored in the storage unit 130 and an IGS TEC image corresponding to IGS TEC data from 1 day ago, that is, 24 hours ago, from 1 day ago. Create a difference map representing

저장부(130)는 입력부(110)를 통해 전달되는 IGS TEC 데이터를 저장한다. The storage unit 130 stores IGS TEC data transmitted through the input unit 110 .

또한, 저장부(130)에는 예측 모델(150)의 훈련 및 테스트를 위해 과거의 IGS TEC 데이터가 미리 저장되어 있을 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 적어도 2003년부터 현재까지의 IGS TEC 데이터가 저장되어 있을 수 있다.Also, past IGS TEC data may be previously stored in the storage 130 for training and testing of the predictive model 150 . In an embodiment of the present invention, IGS TEC data from at least 2003 to the present may be stored.

학습부(140)는 입력부(110)를 통해 저장부(130)에 저장된 과거의 IGS TEC 데이터를 사용하여 예측 모델(150)에 대한 훈련을 통해, 입력되는 IGS TEC 데이터와 차이 맵을 사용하여 24시간 후의 TEC 이미지를 예측하는 학습을 수행한다.The learning unit 140 trains the predictive model 150 using past IGS TEC data stored in the storage unit 130 through the input unit 110, and uses the input IGS TEC data and the difference map to generate 24 Learning to predict the TEC image after time is performed.

예측 모델(150)은 딥러닝(deep learning)을 통해 학습된 예측 모델로서, 예를 들어, 딥 러닝 기반의 영상 변환 모델인 조건적 적대적 신경망(conditional Generative Adversarial Network, cGAN) 기반의 모델이 사용될 수 있으나, 이것으로만 제한되는 것은 아니다. 예측 모델(150)의 구체적인 구성에 대해서는 추후 설명한다. The prediction model 150 is a prediction model learned through deep learning. For example, a conditional adversarial network (cGAN) based model, which is a deep learning-based image conversion model, can be used. However, it is not limited to this. A detailed configuration of the predictive model 150 will be described later.

예측부(160)는 입력부(110)를 통해 입력되는 현재 IGS TEC 이미지와 차이 맵을 예측 모델(150)에 적용하여 생성되는 24시간 후의 TEC 이미지를 획득함으로써, 현재 IGS TEC 이미지에 대한 24시간 후의 TEC를 예측한다. The prediction unit 160 obtains a TEC image after 24 hours, which is generated by applying the current IGS TEC image input through the input unit 110 and the difference map to the predictive model 150, so that the current IGS TEC image after 24 hours predict TEC.

예측부(160)는 예측 모델(150)에 의해 예측된 24시간 후의 TEC 이미지를 출력부(170)로 출력한다. The prediction unit 160 outputs the TEC image predicted by the prediction model 150 after 24 hours to the output unit 170 .

예측부(160)에서 예측된 24시간 후의 TEC 이미지는 저장부(130)에 저장될 수 있다.The TEC image predicted by the prediction unit 160 after 24 hours may be stored in the storage unit 130 .

출력부(170)는 예측부(160)에 의해 예측된 24시간 후의 TEC 이미지를 외부로 표시하거나 외부의 장치 등으로 전달할 수 있다.The output unit 170 may externally display the TEC image predicted by the prediction unit 160 after 24 hours or transmit it to an external device.

도 2는 도 1에 도시된 예측 모델(150)의 구체적인 구성을 도시한 도면으로, 훈련시 사용되는 작동을 기준으로 한 도면이다.FIG. 2 is a diagram showing a specific configuration of the predictive model 150 shown in FIG. 1, based on an operation used during training.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 예측 모델(150)은 cGAN(conditional Generative Adversarial Network)의 모델로서, 두 개의 네트워크, 예를 들어 생성기(151) 및 판별기(153)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the prediction model 150 according to an embodiment of the present invention is a conditional generative adversarial network (cGAN) model, and includes two networks, for example, a generator 151 and a discriminator 153. .

생성기(151)는 학습부(140)로부터 현재 IGS TEC 이미지(CI)와 차이 맵(DI)을 입력받아서 현재 IGS TEC 이미지(CI)와 유사한 가짜 이미지(GI)를 생성한다. 여기서, 현재 IGS TEC 이미지(C1)는 저장부(130)에 저장된 과거의 IGS TEC 데이터에 대응하는 이미지이며, 설명의 편의를 위해 과거의 특정 시점에 대해‘현재’라는 용어를 사용한 것이다. The generator 151 receives the current IGS TEC image (CI) and the difference map (DI) from the learning unit 140 and generates a fake image (GI) similar to the current IGS TEC image (CI). Here, the current IGS TEC image C1 is an image corresponding to past IGS TEC data stored in the storage unit 130, and for convenience of description, the term 'current' is used for a specific point in time in the past.

생성기(151)는 생성된 이미지(GI)와, 학습부(140)로부터 입력된 현재 IGS TEC 이미지(CI)와 차이 맵(DI)을 판별기(153)로 전달한다. 학습부(140)로부터 입력되는 현재 IGS TEC 이미지(CI)의 예는 도 3의 (a)에 도시되어 있고, 차이 맵(DI)의 예는 도 3의 (b)에 도시되어 있으며, 생성기(151)에 의해 생성된 이미지(GI)의 예는 도 3의 (c)에 도시되어 있다.The generator 151 transfers the generated image GI, the current IGS TEC image CI input from the learning unit 140, and the difference map DI to the discriminator 153. An example of the current IGS TEC image (CI) input from the learning unit 140 is shown in (a) of FIG. 3, and an example of the difference map (DI) is shown in (b) of FIG. 3, and the generator ( 151) is shown in (c) of FIG.

판별기(153)는 또한 학습부(140)로부터 입력되는 타겟 이미지인 실제 이미지(RI)와 생성기(141)에서 생성된 가짜 이미지, 즉 생성된 이미지(GI)를 판별하여 판별 결과를 생성기(151)로 피드백한다. 이 때, 판별 결과는 실제 이미지(RI)와 생성된 이미지(GI)가 다른 것으로 판별된 것을 의미하는 ‘가짜(0)’이거나 또는 실제 이미지와 생성된 이미지가 같은 것으로 판별된 것을 의미하는 ‘진짜(1)’ 두 가지 중 하나이다. 판별기(153)에서 사용되는 실제 이미지는 학습부(140)로부터 생성기(151)로 입력된 현재 IGS TEC 이미지의 시점(상기에서 현재)으로부터 24시간 후의 IGS TEC 이미지이며, 이러한 실제 이미지의 예는 도 3의 (d)에 도시되어 있다.The discriminator 153 also discriminates between the real image RI, which is the target image input from the learning unit 140, and the fake image generated by the generator 141, that is, the generated image GI, and the discrimination result is generated by the generator 151 ) as feedback. At this time, the determination result is 'fake (0)', which means that the real image (RI) and the generated image (GI) are determined to be different, or 'real', which means that the real image and the generated image are determined to be the same. (1) is one of two things. The actual image used in the discriminator 153 is an IGS TEC image 24 hours after the current IGS TEC image input from the learning unit 140 to the generator 151 (the present in the above). An example of such an actual image is It is shown in (d) of FIG.

판별기(153)는 생성기(151)로부터 생성된 이미지(GI)와 입력부(120)로부터 입력된 현재 IGS TEC 이미지(CI)와 차이 맵(DI)을 전달받는 동시에, 학습부(140)로부터 입력되는 실제 이미지(RI), 즉 훈련을 위해 입력된 현재 IGS TEC 이미지(CI)의 24시간 후의 실제 이미지(RI), 입력부(120)로부터 입력된 현재 IGS TEC 이미지(CI)와 차이 맵(DI)을 입력받아서 생성된 이미지(GI)와 실제 이미지(RI) 사이의 판별을 수행한다. 여기서, 생성기(151)로부터 생성된 이미지(GI)와 입력부(120)로부터 입력된 현재 IGS TEC 이미지(CI) 및 차이 맵(DI)을 가짜 쌍(Fake Pair)이라 하고, 실제 이미지(RI)와 학습부(140)로부터 입력된 현재 IGS TEC 이미지(CI) 및 차이 맵(DI)을 실제 쌍(Real Pair)이라 한다.The discriminator 153 receives the image GI generated by the generator 151, the current IGS TEC image CI and the difference map DI input from the input unit 120, and input from the learning unit 140. 24 hours later real image RI of the current IGS TEC image CI input for training, current IGS TEC image CI input from the input unit 120 and difference map DI It receives and discriminates between the generated image (GI) and the actual image (RI). Here, the image (GI) generated by the generator 151 and the current IGS TEC image (CI) and difference map (DI) input from the input unit 120 are referred to as a fake pair, and the real image (RI) and The current IGS TEC image (CI) and the difference map (DI) input from the learning unit 140 are referred to as a real pair.

생성기(151)는 판별기(153)로부터 피드백되는 판별 결과를 반영하여 현재 IGS TEC 이미지(CI)를 사용하여 가짜 이미지(GI)를 생성하는 학습을 계속 수행한다. 구체적으로, 생성기(151)는 판별기(153)로부터 피드백되는 판별 결과가 가짜(0)인 경우에는 판별기(153)로부터 피드백되는 판별 결과가 진짜(1)가 될 때까지 가짜 이미지(GI)를 생성하는 학습을 계속 수행한다. The generator 151 reflects the discrimination result fed back from the discriminator 153 and continues learning to generate a fake image GI using the current IGS TEC image CI. Specifically, when the discrimination result fed back from the discriminator 153 is fake (0), the generator 151 generates fake images (GI) until the discrimination result fed back from the discriminator 153 becomes real (1). continue learning to generate

전술한 바와 같이 학습부(140)에 의해 훈련 학습된 예측 모델(150)은 입력부(110)를 통해 예측하고자 하는 현재 IGS TEC 이미지와 이에 대응하는 차이 맵이 예측부(160)를 통해 입력되는 경우, 즉 현재로부터 24시간 후의 TEC를 예측하고자 하는 경우, 학습된 생성기(151)에 의해 현재 IGS TEC 이미지와 이에 대응하는 차이 맵을 사용하여 생성된 이미지가 예측된 24시간 후의 TEC 이미지로서 예측부(160)로 출력된다. As described above, the prediction model 150 trained and learned by the learning unit 140 is input through the input unit 110 when the current IGS TEC image to be predicted and the corresponding difference map are input through the prediction unit 160. That is, when it is desired to predict the TEC 24 hours from now, the image generated using the current IGS TEC image and the difference map corresponding to the current IGS TEC image by the learned generator 151 is the predicted TEC image 24 hours later, the prediction unit ( 160) is output.

한편, 전술한 예측 모델을 훈련시키기 위해, 3개의 손실(목표) 함수를 사용한다.On the other hand, to train the aforementioned predictive model, three loss (target) functions are used.

먼저, 타겟 이미지인 실제 이미지(RI)와 생성기(141)에 의해 생성된 이미지(GI) 사이의 오류를 최소화하기 위해 사용되는 L1 함수는 다음의 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.First, the L 1 function used to minimize the error between the actual image RI, which is the target image, and the image GI generated by the generator 141 may be expressed as in [Equation 1] below.

여기서, G는 생성기(151)를 나타내고, x 및 G(x)는 각각 생성기(151)에 의한 입력, 즉 현재 IGS TEC 이미지(CI)와 출력, 즉 생성된 이미지(GI)를 나타내며, y는 타겟 이미지인 실제 이미지(RI)를 나타낸다.where G denotes the generator 151, x and G(x) denote the input by the generator 151, i.e., the current IGS TEC image (CI) and the output, i.e., the generated image (GI), and y is Indicates the actual image RI, which is the target image.

다음, cGAN 대한 손실 함수는 다음의 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.Next, the loss function for cGAN can be expressed as the following [Equation 2].

여기서, D는 판별기(153)를 나타내고, D(x, y)는 실제 쌍이 실제(또는 진짜)일 확률에 대한 판별기(153)의 추정을 나타내며, D(x, G(x))는 가짜 쌍이 실제일 확률에 대한 판별기(153)의 추정을 나타낸다.where D denotes discriminator 153, D(x, y) denotes discriminator 153's estimate of the probability that the actual pair is real (or genuine), and D(x, G(x)) is It represents discriminator 153's estimate of the probability that a fake pair is real.

cGAN의 예측 모델에서, D(판별기)는 이미지 쌍이 0(가짜 쌍) 또는 1(실제 쌍)에 속할 확률을 계산하며, G(생성기)가 그것을 최소화하려고 하는 동안 D(판별기)는 목표를 최대화하려고 한다. 결과적으로, D(판별기)와 G(생성기)는 최소-최대 게임을 하게 된다. 이 때, 최종 목표(G*)는 다음의 [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.In cGAN's predictive model, D (discriminator) calculates the probability that an image pair belongs to 0 (fake pair) or 1 (real pair), and D (discriminator) tries to minimize it while G (generator) tries to minimize it. try to maximize As a result, D (the discriminator) and G (the generator) play a min-max game. At this time, the final target (G*) can be expressed as the following [Equation 3].

[수학식 3][Equation 3]

여기서, λ는 LcGAN 손실과 L1 손실의 상대적 가중치를 나타낸다.Here, λ represents the relative weight of L cGAN loss and L 1 loss.

전술한 상대적 가중치는 예를 들어, 100을 사용할 수 있으며, 이러한 가중치는, 0.0 평균과 0.02 표준 편차를 갖는 정규 분포를 사용하는 컨볼루션(Convolution) 레이어와 컨볼루션-트랜스포즈(Convolution-Transpose) 레이어, 1.0 평균과 0.02 표준 편차를 갖는 정규 분포를 사용하는 배치 정규화(Batch-Normalization) 레이어와 같이 초기화될 수 있다. 또한, 학습률이 2×10-4, 모멘텀 β1이 0.5, 모멘텀 β2가 0.999인 ADAM 솔버(solver)가 최적화기로 사용될 수 있다. The aforementioned relative weight can be, for example, 100, and these weights are the convolution layer and the convolution-transpose layer using a normal distribution with a mean of 0.0 and a standard deviation of 0.02. , can be initialized as a batch-normalization layer using a normal distribution with a mean of 1.0 and a standard deviation of 0.02. In addition, an ADAM solver having a learning rate of 2×10 -4 , a momentum β 1 of 0.5, and a momentum β 2 of 0.999 may be used as an optimizer.

학습부(140)는 전술한 바와 같은 훈련에 대해 거의 1,000,000번의 반복인 22 에포크(epoch) 동안 예측 모델(150)을 훈련시키고 20,000번 반복할 때마다 생성기(D) 및 판별기(G)로 구성되는 예측 모델(150)을 저장부(130) 또는 기타 저장장치에 저장한다.The learning unit 140 trains the prediction model 150 for 22 epochs, which is approximately 1,000,000 iterations for the training as described above, and consists of a generator (D) and a discriminator (G) every 20,000 iterations The predictive model 150 to be stored is stored in the storage unit 130 or other storage devices.

본 발명의 실시예에서는, 도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치(100)의 예측 모델(150)을 훈련시키기 위해 실제 데이터, 예를 들어, 2003년부터 2012년까지 태양의 극대 및 극소를 다루는 2시간 해상도 TEC 이미지(대략 43,800개 이미지)를 사용하였다. 즉, 2003년부터 2012년까지 태양의 극대 및 극소를 다루는 2시간 해상도 TEC 이미지(대략 43,800개 이미지)를 훈련 이미지로서 저장부(130)에 저장한 상태에서, 학습부(140)가 입력부(110)를 통해 전달받은 훈련 이미지 각각을 현재 IGS TEC 이미지로서 예측 모델(150)로 입력하여 훈련시켰다. In an embodiment of the present invention, in order to train the prediction model 150 of the global total electron content prediction apparatus 100 according to the embodiment of the present invention described with reference to FIG. 1, actual data, for example, 2003 From 2012 to 2012, we used 2-hour resolution TEC images (approximately 43,800 images) covering solar maxima and minima. That is, in a state in which 2-hour resolution TEC images (approximately 43,800 images) covering solar maxima and minima from 2003 to 2012 are stored in the storage unit 130 as training images, the learning unit 140 inputs the input unit 110 Each of the training images delivered through ) was input to the prediction model 150 as a current IGS TEC image and trained.

이와 같이, 훈련된 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치(100)의 예측 모델(150)을 테스트하기 위해, 2013년부터 2014년까지 태양 극대기의 TEC 이미지(대략 8,736개의 이미지)와 2017년부터 2018년까지 태양 극소기의 TEC 이미지(대략 8,736개의 이미지)로 구성되는 두 개의 데이터 세트를 사용하였다. 즉, 2013년부터 2014년까지 태양 극대기의 TEC 이미지인 제1 데이터 세트를 제1 테스트 이미지로서 저장부(110)에 저장한 상태에서, 제1 테스트 이미지 각각을 현재 IGS TEC 이미지로서 학습부(140)를 통해 예측 모델(150)로 입력하여 태양 극대기에 대해 예측 모델(150)을 테스트하였다.In this way, in order to test the prediction model 150 of the trained global total electron content prediction device 100, TEC images (approximately 8,736 images) of solar maximum from 2013 to 2014 and 2017 to 2018 Until now, we have used two datasets consisting of TEC images of solar minimums (approximately 8,736 images). That is, in a state in which the first data set, which is TEC images of solar maximum from 2013 to 2014, is stored in the storage unit 110 as the first test image, each of the first test images is used as the current IGS TEC image, and the learning unit 140 ) was entered into the prediction model 150 to test the prediction model 150 for the solar maximum period.

또한, 2017년부터 2018년까지 태양 극소기의 TEC 이미지인 제2 데이터 세트를 제2 테스트 이미지로서 저장부(110)에 저장한 상태에서, 제2 테스트 이미지 각각을 현재 IGS TEC 이미지로서 학습부(140)를 통해 예측 모델(150)로 입력하여 태양 극소기에 대해 예측 모델(150)을 테스트하였다.In addition, in a state where a second data set, which is a TEC image of the solar minimum from 2017 to 2018, is stored in the storage unit 110 as a second test image, each of the second test images is a learning unit as a current IGS TEC image ( 140) into the prediction model 150 to test the prediction model 150 against the solar minimum.

전술한 테스트의 예로서 도면을 참조하여 설명한다.An example of the above test will be described with reference to the drawings.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치(100)를 테스트한 일 예를 도시한 도면이다.4 is a diagram showing an example of a test of the global total electron count prediction apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 2013년 10월 1일 오전 2시에 관측된 (a)에 도시된 입력 이미지(현재 IGS TEC 이미지)를 사용하여 24시간 후의 전지구적 TEC를 예측하였으며, (c)에 도시된 출력 이미지(생성된 이미지)가 예측된 이미지이고, (b)는 실제 이미지, 즉 (a)에 도시된 입력 이미지의 시간으로부터 24시간 후의 이미지이며, (d)는 실제 이미지(b)와 예측된 이미지(c) 사이의 차이 맵이다. Referring to FIG. 4, the global TEC after 24 hours was predicted using the input image (current IGS TEC image) shown in (a) observed at 2 am on October 1, 2013, and shown in (c) The output image (generated image) is the predicted image, (b) is the actual image, that is, the image after 24 hours from the time of the input image shown in (a), and (d) is the actual image (b) and the predicted image. is a difference map between the image (c).

전술한 입력 이미지(a) 촬영시 Kp 인덱스는 0이고, 타겟 이미지(b) 촬영시 Kp 인덱스는 지자기 폭풍에 해당하는 5이다. 예측된 출력 이미지(c)는 타겟 이미지(b)인 24시간 후의 IGS TEC과 잘 일치한다. 특히, 본 발명의 실시예에 따른 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치(100)의 예측 모델(150)은 적도 지역의 피크 구조를 성공적으로 생성한다. 출력 이미지(c)와 타겟 이미지(b) 사이의 RMS 오차(Root Mean Square Error, RMSE), 바이어스(BIAS) 및 표준 편차(Standard Deviation, STD)는 각각 2.92 TECU, -0.52 TECU 및 2.87 TECU이다.When the aforementioned input image (a) is captured, the Kp index is 0, and when the target image (b) is captured, the Kp index is 5, which corresponds to a geomagnetic storm. The predicted output image (c) agrees well with the IGS TEC after 24 hours, which is the target image (b). In particular, the prediction model 150 of the apparatus 100 for predicting the global total number of electrons according to an embodiment of the present invention successfully generates a peak structure in the equatorial region. The root mean square error (RMSE), bias (BIAS), and standard deviation (STD) between the output image (c) and the target image (b) are 2.92 TECU, -0.52 TECU, and 2.87 TECU, respectively.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치(100)에 의해 예측된 결과는 예측 정확도를 확인하기 위해 이미 잘 알려져 있는 CODE의 예측 모델 결과와 비교될 수 있다. CODE는 IAAC 중 하나이며 GNSS 데이터를 사용하여 글로벌 TEC 예측을 수행하고 있다.On the other hand, the result predicted by the global total electron count prediction device 100 according to an embodiment of the present invention can be compared with the result of a well-known CODE prediction model to confirm the prediction accuracy. CODE is one of the IAACs and uses GNSS data to perform global TEC predictions.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치에 의해 예측된 TEC 이미지와 IGS TEC 이미지 사이의 평균 RMSE, BIAS 및 STD와 1일 CODE 예측 TEC 이미지와 IGS TEC 이미지 사이의 평균 RMSE, BIAS 및 STD를 나타낸 도면이다.5 is an average of RMSE, BIAS, and STD between a TEC image and an IGS TEC image predicted by a global total electron count prediction device according to an embodiment of the present invention and an average between a 1-day CODE predicted TEC image and an IGS TEC image. It is a diagram showing RMSE, BIAS and STD.

도 5에서의 비교는, 모든 테스트 데이터(2013 ~ 2014 및 2017 ~ 2018), 태양 극대기(2013 ~ 2014), 태양 극소기(2017 ~ 2018)의 세 가지 테스트 데이터 세트를 고려하였다. The comparison in Figure 5 considers three test data sets: All test data (2013-2014 and 2017-2018), Solar maximum (2013-2014), and Solar minimum (2017-2018).

도 5를 참조하면, 모든 테스트 데이터에 대해 본 발명의 실시예에 따른 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치(100)에서의 예측 결과가 1일 CODE 예측 모델의 결과보다 우수하다는 것을 알 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치(100)에서의 예측 결과는 또한 태양 극대기뿐만 아니라 태양 극소기 동안 모두에서 1일 CODE 예측 모델의 결과보다 우수한 것으로 나타났다.Referring to FIG. 5 , it can be seen that the prediction results of the apparatus 100 for predicting the global total number of electrons according to an embodiment of the present invention are superior to the results of the 1-day CODE prediction model for all test data. The predicted results of the global total electron count prediction device 100 according to an embodiment of the present invention are also better than those of the daily CODE prediction model both during solar maximum and solar minimum.

한편, TEC는 일일, 계절, 연간, 태양 자전 주기(27일), 태양 주기(약 11년) 변화에 규칙적인 변화를 보인다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치(100)에서 예측된 출력 TEC 이미지와 IGS TEC 이미지 사이의 월 평균 RMSE, BIAS 및 STD와, 1일 CODE 예측 TEC 이미지와 IGS TEC 이미지 사이의 월간 평균을 보여준다. On the other hand, the TEC shows regular changes in daily, seasonal, annual, solar rotation cycle (27 days), and solar cycle (about 11 years) changes. 6 shows monthly average RMSE, BIAS, and STD between output TEC images and IGS TEC images predicted by the global total electron count prediction apparatus 100 according to an embodiment of the present invention, and 1-day CODE predicted TEC images and IGS Shows the monthly average between TEC images.

도 6을 참조하면, 2014년 3월과 4월에 수집된 2개의 데이터 포인트를 제외하고 본 발명의 실시예에 따른 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치(100)에서의 모든 예측 결과가 CODE 1일 예측 모델의 결과보다 우수하다는 것을 나타낸다. 이러한 결과는 훈련 데이터 기간과 관련이 있을 수 있다. 2014년 3월과 4월에 태양 활동은 태양 주기 24동안 가장 활동적이다. 발명의 실시예에 따른 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치(100)에서의 훈련 데이터는 2003년부터 포함되었기 때문에 가장 활동적인 경우에 대해 잘 훈련되지 못하였다.Referring to FIG. 6, except for the two data points collected in March and April 2014, all prediction results from the global total electron count prediction device 100 according to an embodiment of the present invention are CODE 1 day indicates that it is superior to the results of the predictive model. These results may be related to the duration of the training data. Solar activity in March and April 2014 is most active during the 24 solar cycle. Since the training data in the global total electron count prediction device 100 according to the embodiment of the present invention has been included since 2003, it is not well trained for the most active case.

본 발명의 실시예에 따르면, 딥 러닝 모델을 글로벌 TEC 이미지의 예측에 성공적으로 적용할 수 있고. 둘째, 태양 및 지자기 활동 인덱스와 같은 추가 데이터 없이 이전의 TEC 이미지만 사용하여 24시간 후의 TEC 이미지를 잘 예측할 수 있으며, 또한, 세 가지 메트릭(RMSE, BIAS 및 STD)을 고려할 때 태양 극대기 및 태양 극소기 동안의 1일 CODE 예측 모델보다 우수하다.According to an embodiment of the present invention, a deep learning model can be successfully applied to the prediction of global TEC images. Second, TEC images after 24 hours can be well predicted using only previous TEC images without additional data such as solar and geomagnetic activity indices, and also, given the three metrics (RMSE, BIAS and STD), solar maximum and solar minimum It is better than the 1-day CODE prediction model during the period.

한편, 발명의 실시예에 따른 전지구적 총 전자수 함유량 예측 장치(100)는 이미지 변환 방법을 기반으로 한 딥러닝 모델이 이전 이미지를 사용하여 미래 이미지를 예측하는 데 효과적이라는 것을 보여주고 있다. 이러한 방법은 다른 과학 분야의 이미지 예측에도 적용될 수 있음은 당업자라면 쉽게 이해할 것이다. On the other hand, the apparatus 100 for predicting global total electron count according to an embodiment of the present invention shows that a deep learning model based on an image conversion method is effective in predicting a future image using a previous image. Those skilled in the art will easily understand that this method can be applied to image prediction in other scientific fields.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전지구적 총 전자수 함유량 예측 방법에 대해 설명한다.Hereinafter, a global total electron count prediction method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전지구적 총 전자수 함유량 예측 방법의 개략적인 흐름도이다. 도 7에 도시된 전지구적 총 전자수 함유량 예측 방법은 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 총 전자수 함유량 예측 장치(100)에 의해 수행될 수 있다.7 is a schematic flowchart of a method for predicting the global total number of electrons according to an embodiment of the present invention. The global total electron count prediction method shown in FIG. 7 may be performed by the total electron count prediction device 100 described with reference to FIGS. 1 to 6 .

도 7을 참조하면, 먼저, 저장부(130)에 저장된 과거의 IGS TEC 데이터를 사용하여 예측 모델(150)에 대한 학습이 수행된다(S100). 구체적으로, 학습부(140)가 입력부(110)를 통해 저장부(130)로부터 과거의 특정 시점의 IGS TEC 이미지(현재 IGS TEC 이미지), 과거의 특정 시점의 IGS TEC 이미지와 과거의 특정 시점으로부터 24시간 이전의 IGS TEC 이미지 사이의 차이 맵, 그리고 과거의 특정 시점으로부터 24시간 후의 IGS TEC 이미지(실제 이미지)를 예측 모델(150)로 입력시켜서 현재 IGS TEC 이미지에 대한 24시간 후의 TEC 이미지를 예측하는 학습을 다수의 과거 데이터에 대해 반복 수행함으로써, 예측 모델(150)이 학습될 수 있다.Referring to FIG. 7 , first, the prediction model 150 is learned using past IGS TEC data stored in the storage unit 130 (S100). Specifically, the learning unit 140 receives an IGS TEC image (current IGS TEC image) at a specific time in the past from the storage unit 130 through the input unit 110, an IGS TEC image at a specific time in the past, and a specific time in the past. A difference map between IGS TEC images before 24 hours and an IGS TEC image (actual image) 24 hours later from a specific point in the past are input to the prediction model 150 to predict a TEC image 24 hours later for the current IGS TEC image. The predictive model 150 may be learned by repeatedly performing learning on a plurality of past data.

다음, 실제 예측을 위해, 현재의 IGS TEC 이미지를 예측 모델(150)로 입력한다(S110). 구체적으로, 입력부(110)는 현재의 IGS TEC 이미지와, 차이 맵 생성부(120)에 의해 생성된 현재의 IGS TEC 이미지와 저장부(130)에 저장되어 있는 현재로부터 24시간 이전의 IGS TEC 사이의 차이 맵을 예측 모델(150)로 입력한다.Next, for actual prediction, the current IGS TEC image is input to the prediction model 150 (S110). Specifically, the input unit 110 connects the current IGS TEC image, the current IGS TEC image generated by the difference map generator 120, and the IGS TEC stored in the storage unit 130 24 hours before the present. Input the difference map of to the predictive model 150.

그 후, 예측 모델(150)에 의해 예측된 24시간 후의 TEC 이미지를 획득하고(S120), 예측 모델(150)로부터 예측된 24시간 후의 TEC 이미지를 출력한다(S130). 즉, 예측 모델(150)의 생성기(151)로부터 출력되는 예측된 24시간 후의 TEC 이미지를 출력부(170)를 통해 외부로 표시하거나 외부 장치로 전달한다.After that, the TEC image predicted by the prediction model 150 after 24 hours is acquired (S120), and the TEC image predicted from the prediction model 150 after 24 hours is output (S130). That is, the predicted TEC image 24 hours later output from the generator 151 of the predictive model 150 is externally displayed through the output unit 170 or transferred to an external device.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.The embodiments of the present invention described above are not implemented only through devices and methods, and may be implemented through programs that realize functions corresponding to the configuration of the embodiments of the present invention or a recording medium on which the programs are recorded.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements made by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also included in the scope of the present invention. that fall within the scope of the right.

Claims (12)

현재의 총 전자수 함유량(Total Electron Content) 이미지를 사용하여 특정 시간 후의 총 전자수 함유량 이미지를 예측하는 장치로서,
과거의 총 전자수 함유량 이미지를 사용하여 특정 시점으로부터 상기 특정 시간 후의 총 전자수 함유량 이미지를 예측하는 예측 모델에 대한 딥러닝 기반의 훈련을 수행하여 상기 예측 모델을 학습시키는 학습부, 그리고
현재의 총 전자수 함유량 이미지를 상기 예측 모델에 적용하여 현재로부터 상기 특정 시간 후의 총 전자수 함유량 이미지를 예측하도록 하는 예측부
를 포함하며,
상기 학습부는, 상기 과거의 총 전자수 함유량 이미지 중에서, 상기 특정 시점의 총 전자수 함유량 이미지(이하'학습 이미지'로 지칭함), 상기 특정 시점으로부터 상기 특정 시간 전의 총 전자수 함유량 이미지와 상기 학습 이미지 사이의 차이를 나타내는 차이 맵, 그리고 상기 특정 시점으로부터 상기 특정 시간 후의 총 전자수 함유량 이미지(이하 '실제 이미지'로 지칭함)를 입력으로 cGAN(conditional Generative Adversarial Network) 기반의 학습을 수행하여 상기 특정 시간 후의 총 전자수 함유량 이미지를 예측하는 예측 모델을 생성하고,
상기 예측부는, 상기 현재의 총 전자수 함유량 이미지와, 현재로부터 상기 특정 시간 전의 총 전자수 함유량 이미지와 상기 현재의 총 전자수 함유량 이미지 사이의 차이를 나타내는 차이 맵을 상기 예측 모델에 적용하여 현재로부터 상기 특정 시간 후의 총 전자수 함유량 이미지를 예측하는,
총 전자수 함유량 예측 장치.
A device for predicting a total electron content image after a specific time using a current total electron content image,
A learning unit for learning the prediction model by performing deep learning-based training on a prediction model that predicts a total electron number content image after a specific time from a specific point in time using a total electron number content image of the past, and
A prediction unit for applying the current total electron number content image to the prediction model to predict the total electron number content image after the specific time from the present
Including,
The learning unit, among the total electron number content images of the past, the total electron number content image at the specific time point (hereinafter referred to as 'learning image'), the total electron number content image before the specific time from the specific time point, and the learning image A difference map representing the difference between the specific time and a total electron content image (hereinafter referred to as 'actual image') after the specific time from the specific time point is input to perform conditional generative adversarial network (cGAN)-based learning to perform learning at the specific time Create a predictive model that predicts the total electron number content image after
The prediction unit applies a difference map representing a difference between the current total number of electrons content image and the total number of electrons content image before the specific time from the present and the current total number of electrons content image to the prediction model to determine the current total number of electrons. Predicting the total electron number content image after the specific time,
A device for predicting the total number of electrons.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 예측 모델은 cGAN(conditional Generative Adversarial Network) 기반의 예측 모델로서,
상기 학습 이미지와 상기 차이 맵을 입력으로 받아서 상기 학습 이미지에 대응하는 가짜 이미지를 생성하는 생성기, 그리고
상기 생성기에 의해 생성된 가짜 이미지와 상기 실제 이미지를 비교하여 진위를 판별하고, 판별 결과를 상기 생성기로 피드백하는 판별기
를 포함하는, 총 전자수 함유량 예측 장치.
According to claim 1,
The prediction model is a conditional generative adversarial network (cGAN)-based prediction model,
A generator receiving the training image and the difference map as inputs and generating a fake image corresponding to the training image; and
A discriminator for determining authenticity by comparing the fake image generated by the generator with the real image, and feeding back the determination result to the generator.
Including, total electron number prediction device.
제3항에 있어서,
상기 학습부는 상기 판별기로부터 상기 생성기로 피드백되는 판별 결과가 상기 가짜 이미지가 진짜임을 나타낼 때까지 상기 학습 이미지에 대한 학습을 계속 수행하는,
총 전자수 함유량 예측 장치.
According to claim 3,
The learning unit continues to learn the learning image until a discrimination result fed back from the discriminator to the generator indicates that the fake image is real.
A device for predicting the total number of electrons.
제4항에 있어서,
상기 예측부는,
상기 현재의 총 전자수 함유량 이미지를 상기 예측 모델의 생성기로 입력한 후, 상기 생성기에 의해 생성된 이미지를 상기 현재의 총 전자수 함유량에 대해 예측된 상기 특정 시간 후의 총 전자수 함유량 이미지로 사용하는,
총 전자수 함유량 예측 장치.
According to claim 4,
The prediction unit,
After inputting the current total electron number content image into the generator of the prediction model, the image generated by the generator is used as the total electron number content image after the specific time predicted for the current total electron number content ,
A device for predicting the total number of electrons.
제3항에 있어서,
상기 예측 모델의 훈련시 사용되는 손실 함수 L1은 다음의 관계식

여기서, G는 상기 생성기를 나타내고, x 및 G(x)는 각각 상기 생성기에 의한 입력과 출력을 나타내며, y는 상기 실제 이미지를 나타냄
으로 표현되고,
cGAN에 대한 손실 함수 LcGAN은 다음의 관계식

여기서, D는 상기 판별기를 나타내고, D(x, y)는 상기 실제 이미지가 진짜일 확률에 대한 상기 판별기의 추정을 나타내며, D(x, G(x))는 상기 가짜 이미지가 실제일 확률에 대한 상기 판별기의 추정을 나타냄
으로 표현되며,
상기 cGAN의 최종 목표 G*는 다음의 관계식

여기서, λ는 LcGAN 손실과 L1 손실의 상대적 가중치를 나타냄
으로 표현되는, 총 전자수 함유량 예측 장치.
According to claim 3,
The loss function L 1 used in training the predictive model is the following relational expression

where G represents the generator, x and G(x) represent input and output by the generator, respectively, and y represents the real image
is expressed as
The loss function L cGAN for cGAN is the relation

where D represents the discriminator, D(x, y) represents the discriminator's estimate of the probability that the real image is genuine, and D(x, G(x)) represents the probability that the fake image is real Indicates the discriminator's estimate for
is expressed as
The final target G* of the cGAN is the following relational expression

where λ represents the relative weight of L cGAN loss and L 1 loss
Expressed as, Total electron number prediction device.
제1항에 있어서,
상기 학습부는 태양의 극대기에 속하는 날짜의 총 전자수 함유량 데이터와 극소기에 속하는 총 전자수 함유량 데이터로 구분하여 상기 예측 모델에 대한 학습을 수행하는,
총 전자수 함유량 예측 장치.
According to claim 1,
The learning unit performs learning on the prediction model by dividing the total number of electrons content data of the date belonging to the maximum period of the sun and the total number of electrons content data belonging to the minimum period,
A device for predicting the total number of electrons.
제1항에 있어서,
상기 특정 시간은 24시간인,
총 전자수 함유량 예측 장치.
According to claim 1,
The specific time is 24 hours,
A device for predicting the total number of electrons.
현재의 총 전자수 함유량 이미지를 사용하여 특정 시간 후의 총 전자수 함유량 이미지를 예측하는 총 전자수 함유량 예측 장치가 총 전자수 함유량을 예측하는 방법으로서,
과거의 총 전자수 함유량 이미지를 사용하여 특정 시점으로부터 상기 특정 시간 후의 총 전자수 함유량 이미지를 예측하는 예측 모델에 대한 딥러닝 기반의 훈련을 수행하여 상기 예측 모델을 학습시키는 단계,
현재의 총 전자수 함유량 이미지와, 현재로부터 상기 특정 시간 전의 총 전자수 함유량 이미지와 상기 현재의 총 전자수 함유량 이미지 사이의 차이를 나타내는 차이 맵을 상기 예측 모델로 입력하는 단계, 그리고
상기 예측 모델에 의해 생성되는 이미지를 획득하여 현재로부터 상기 특정 시간 후의 총 전자수 함유량 이미지로서 출력하는 단계
를 포함하며,
상기 학습시키는 단계에서, 상기 과거의 총 전자수 함유량 이미지 중에서, 상기 특정 시점의 총 전자수 함유량 이미지(이하'학습 이미지'로 지칭함), 상기 특정 시점으로부터 상기 특정 시간 전의 총 전자수 함유량 이미지와 상기 학습 이미지 사이의 차이를 나타내는 차이 맵, 그리고 상기 특정 시점으로부터 상기 특정 시간 후의 총 전자수 함유량 이미지(이하 '실제 이미지'로 지칭함)를 입력으로 cGAN(conditional Generative Adversarial Network) 기반의 학습을 수행하여 상기 특정 시간 후의 총 전자수 함유량 이미지를 예측하는 예측 모델을 생성하는,
총 전자수 함유량 예측 방법.
A method in which a total electron number content predicting device predicting a total electron number content after a specific time using a current total electron number content image predicts a total electron number content,
Performing deep learning-based training on a predictive model that predicts a total electron number content image after a specific time from a specific point in time using a total electron number content image in the past to learn the predictive model;
inputting a current total electron number content image and a difference map representing a difference between a total electron number content image from the present to the specific time ago and the current total electron number content image into the prediction model; and
Acquiring an image generated by the predictive model and outputting it as a total electron number content image after the specific time from the present
Including,
In the learning step, among the total electron number content images of the past, the total electron number content image at the specific time point (hereinafter referred to as 'learning image'), the total electron number content image before the specific time from the specific time point, and the By performing conditional generative adversarial network (cGAN)-based learning with a difference map representing the difference between training images and an image of the total number of electrons (hereinafter referred to as 'actual image') after the specific time from the specific point in time as inputs, Creating a predictive model that predicts the total electron number content image after a specific time,
Method for predicting the total number of electrons.
삭제delete 제9항에 있어서,
상기 예측 모델은 cGAN(conditional Generative Adversarial Network) 기반의 예측 모델로서, 생성기 및 판별기를 포함하고,
상기 생성기는 상기 학습 이미지와 상기 차이 맵을 입력으로 받아서 상기 학습 이미지에 대응하는 가짜 이미지를 생성하고,
상기 판별기는 상기 생성기에 의해 생성된 가짜 이미지와 상기 실제 이미지를 비교하여 진위를 판별하고, 판별 결과를 상기 생성기로 피드백하는,
총 전자수 함유량 예측 방법.
According to claim 9,
The prediction model is a conditional generative adversarial network (cGAN)-based prediction model, including a generator and a discriminator,
The generator receives the training image and the difference map as inputs and generates a fake image corresponding to the training image,
The discriminator compares the fake image generated by the generator with the real image to determine authenticity, and feeds back the determination result to the generator.
Method for predicting the total number of electrons.
제11항에 있어서,
상기 학습시키는 단계는 상기 판별기로부터 상기 생성기로 피드백되는 판별 결과가 상기 가짜 이미지가 진짜임을 나타낼 때까지 반복 수행되는,
총 전자수 함유량 예측 방법.
According to claim 11,
The learning step is repeated until the discrimination result fed back from the discriminator to the generator indicates that the fake image is real.
Method for predicting the total number of electrons.
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Cristian Damian and Daniela Coltuc, "Generative Adversarial Networks for Total Electron Content Prediction," 2020 International Symposium on Electronics and Telecommunications (ISETC) (2020.11.05.)*
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