PROBABILISTIC SHORT TERM SOLAR DRIVER FORECASTING WITH NEURAL NETWORK ENSEMBLES
Notice bibliographique
Résumé
Commonly utilized space weather indices and proxies drive predictive models for thermosphere density, directly impacting objects in low-Earth orbit (LEO) by influencing atmospheric drag forces. A set of solar proxies and indices (drivers), F10.7, S10.7, M10.7, and Y10.7, are created from a mixture of ground based radio observations and satellite instrument data. These solar drivers represent heating in various levels of the thermosphere and are used as inputs by the JB2008 empirical thermosphere density model. The United States Air Force (USAF) operational High Accuracy Satellite Drag Model (HASDM) relies on JB2008, and forecasts of solar drivers made by a linear algorithm, to produce forecasts of density. Density forecasts are useful to the space traffic management community and can be used to determine orbital state and probability of collision for space objects. In this thesis, we aim to provide improved and probabilistic forecasting models for these solar drivers, with a focus on providing first time probabilistic models for S10.7, M10.7, and Y10.7. We introduce auto-regressive methods to forecast solar drivers using neural network ensembles with multi-layer perceptron (MLP) and long-short term memory (LSTM) models in order to improve on the current operational forecasting methods. We investigate input data manipulation methods such as backwards averaging, varied lookback, and PCA rotation for multivariate prediction. We also investigate the differences associated with multi-step and dynamic prediction methods. A novel method for splitting data, referred to as striped sampling, is introduced to produce statistically consistent machine learning data sets. We also investigate the effects of loss function on forecasting performance and uncertainty estimates, as well as investigate novel ensemble weighting methods. We show the best models for univariate forecasting are ensemble approaches using multi step or a combination of multi step and dynamic predictions. Nearly all univariate approaches offer an improvement, with best models improving between 48 and 59% on relative mean squared error (MSE) with respect to persistence, which is used as the baseline model in this work. We show also that a stacked neural network ensemble approach significantly outperforms the operational linear method. When using MV-MLE (multivariate multi-lookback ensemble), we see improvements in performance error metrics over the operational method on all drivers. The multivariate approach also yields an improvement of root mean squared error (RMSE) for F10.7, S10.7, M10.7, and Y10.7 of 17.7%, 12.3%, 13.8%, 13.7% respectively, over the current operational method. We additionally provide the first probabilistic forecasting models for S10.7,
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,003 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».