Un modelo de densidad termosférica basado en aprendizaje automático con cuantificación de incertidumbre
Autores: Li, Junzhi; Ning, Xin; Wang, Yong
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Un modelo de densidad termosférica basado en aprendizaje automático con cuantificación de incertidumbre
Categoría
Ciencias Naturales y Subdisciplinas
Subcategoría
Astronomía
Palabras clave
Modelos de densidad termosférica convencionales
Dinámicas de acoplamiento solar-geomagnético
Estimaciones de incertidumbre
MSIS-UN
Redes neuronales
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 8
Citaciones: Sin citaciones
Los modelos convencionales de densidad termosférica son limitados en su capacidad para capturar la dinámica de acoplamiento solar-geomagnético y carecen de estimaciones de incertidumbre probabilística. Presentamos MSIS-UN (NRLMSISE-00 con Cuantificación de Incertidumbre), un marco innovador que integra el análisis de componentes principales escasos (sPCA) con redes neuronales heterocedásticas. Nuestra metodología aprovecha las mediciones de densidad de múltiples satélites de las misiones CHAMP, GRACE y SWARM, junto con datos de temperatura exosférica (tinf) derivados de MSIS-00. El enfoque técnico presenta tres innovaciones clave: (1) descomposición armónica esférica de Tinfinity utilizando funciones base ortogonales espaciotemporales, (2) extracción basada en sPCA de modos dominantes a partir de datos de muestreo orbital escaso, y (3) predicción de coeficientes temporales mediante redes neuronales con cuantificación de incertidumbre incorporada. Este marco integrado mejora significativamente el módulo de cálculo de temperatura en MSIS-00 mientras proporciona estimaciones de densidad probabilística. La validación contra las mediciones de SWARM-C demuestra un rendimiento superior, reduciendo el error absoluto medio (MAE) durante períodos tranquilos del 44.1% de MSIS-00 al 23.7%, con límites de incertidumbre (1) logrando un MAE de 8.4%. Los intervalos de confianza dinámicos del modelo permiten una evaluación rigurosa del riesgo probabilístico para los sistemas de evitación de colisiones de satélites en LEO, representando un cambio de paradigma del modelado determinista al modelado probabilístico de la densidad termosférica.
Descripción
Los modelos convencionales de densidad termosférica son limitados en su capacidad para capturar la dinámica de acoplamiento solar-geomagnético y carecen de estimaciones de incertidumbre probabilística. Presentamos MSIS-UN (NRLMSISE-00 con Cuantificación de Incertidumbre), un marco innovador que integra el análisis de componentes principales escasos (sPCA) con redes neuronales heterocedásticas. Nuestra metodología aprovecha las mediciones de densidad de múltiples satélites de las misiones CHAMP, GRACE y SWARM, junto con datos de temperatura exosférica (tinf) derivados de MSIS-00. El enfoque técnico presenta tres innovaciones clave: (1) descomposición armónica esférica de Tinfinity utilizando funciones base ortogonales espaciotemporales, (2) extracción basada en sPCA de modos dominantes a partir de datos de muestreo orbital escaso, y (3) predicción de coeficientes temporales mediante redes neuronales con cuantificación de incertidumbre incorporada. Este marco integrado mejora significativamente el módulo de cálculo de temperatura en MSIS-00 mientras proporciona estimaciones de densidad probabilística. La validación contra las mediciones de SWARM-C demuestra un rendimiento superior, reduciendo el error absoluto medio (MAE) durante períodos tranquilos del 44.1% de MSIS-00 al 23.7%, con límites de incertidumbre (1) logrando un MAE de 8.4%. Los intervalos de confianza dinámicos del modelo permiten una evaluación rigurosa del riesgo probabilístico para los sistemas de evitación de colisiones de satélites en LEO, representando un cambio de paradigma del modelado determinista al modelado probabilístico de la densidad termosférica.