17/12/2010 IX GEGE

VRS usando redes neurais G

E

E

G

17/12/2010

GIGA

Wagner Carrupt Machado

IX

17/12/2010 IX GEGE

Conteúdo

• VRS x RNA (Redes Neurais Artificiais)

• RNA

• Experimentos com ionosfera

• Conclusões

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VRS x RNA

Modelagem dos erros que afetam os sinais GNSS

desafio para ciência

VRS

• Modelagem dos erros dependentes da distância;

• tempo-real => disponibilidade.

RNA

• Forma alternativa de modelar os erros dependentes da distância?

17/12/2010 IX GEGE

VRS x RNA

Esta apresentação => I

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RNA

Sistemas implementados de forma a imitar as habilidades computacionais do sistema nervoso biológico, visando armazenar conhecimento experimental e torná-lo disponível.

Entradas arquitetura Saídas

Unidades (nós) de processamento (neurônios)

+

Pesos

+

Bias

17/12/2010 IX GEGE

x1

x2

x3

FA

Pj1+ Pj1

yR

yR=FA(xiwij+w)

1

w

w3j

w1j

w2j

Neurônio

Função de

ativação Pesos Pesos

Bias

En

trad

as

Saíd

a

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Ativação do neurônio

Função de ativação

xx

xx

ee

eexF

)(

Depolarização da membrana

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Multilayer Perceptrons

entrada saída

camada

escondida

Utilização: – Predição;

– Reconhecedor de padrões;

– Aproximador de funções.

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Aprendizado Supervisionado

• Processo iterativo para ajustar os pesos

através de exemplos:

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Error Back Propagation

• Características:

• custo computacional;

• taxa de convergência.

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Levenberg-Marquardt

• Características:

• custo

computacional;

• taxa de

convergência.

17/12/2010 IX GEGE

x1

x2

x3

FT

Pj1+ Pj1

yRyD

Ajuste do bias

1

w+ w

w3j+ w3j

w1j+ w1j

w2j+ w2j

Ajuste dos pesos

Ajuste dos pesos

• No final do processo os pesos são

fixados e entradas desconhecidas

podem ser apresentadas para a RNA.

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Indicativos do aprendizado

• Erro do conjunto de treinamento;

• Erro do conjunto de testes.

• Overfitting:

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• Estabelecimento do menor número de neurônios: – comportamento do RMS dos conjuntos de teste

e treinamento;

– aumentar ou diminuir neurônios.

Treinamento

• Conjunto de teste representativo;

• Pré-processamento:

• Entradas: normalização;

• Saídas: entre o máximo e mínimo da função de ativação;

• Pesos iniciais: média zero e variância um.

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RNA x Ionosfera

• Entradas relacionadas fisicamente com

a ionosfera.

• Modelo inicial (uma única estação):

VTEC Sat. Azimute

Atividade Solar

Variação diária

Sat. Elevação

Variação sazonal

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RNA x Ionosfera (1)

• Treinamento modelo inicial:

– diário;

– Entradas:

– Saída: VTEC;

– Pesos iniciais: do dia anterior

• instante de recepção sinal (TU);

• azimute satélite;

• elevação satélite;

• índice f 10,7 cm.

efemérides

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RNA x Ionosfera 2

• Modelo atual (regional):

Latitude IPP

Ativ. geomag.

Variação diária

Longitude IPP

VTEC(PI, PI)

17/12/2010 IX GEGE

RNA x Ionosfera (2)

• Treinamento:

– diário;

– Entradas:

– Saída: VTEC

– Pesos iniciais: do dia anterior

• instante de recepção sinal (TU);

• latitude geográfica IPP;

• longitude geográfica IPP;

• índice kp.

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Dados

Dados

Período

GIM: IGS

F10.7 cm : NOAA

Kp : world data center for magnetism Kioto

março de 2001 (Doy 077-094).

Junho de 2009 (Doy 173-184)

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RNA 1

Tempestade geomagnética Alta atividade solar

Baixa atividade solar

16 neurônios -30

-20

-10

0

10

20

30

40

1 1001 2001

Exemplar

Dif

eren

ça V

TEC

(TE

CU

)

RMS=3,7

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

1 501 1001 1501 2001

Exemplar

Dif

eren

ça V

TEC

(TE

CU

)

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

1 501 1001 1501 2001

Exemplar

Dif

eren

ça V

TEC

(TE

CU

)

RMS=5,7 RMS=10,0

17/12/2010 IX GEGE

48 neurônios

RNA 2 (alta atividade solar)

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 9001

d VTEC (TECU) hora (TU)RMS=8,1

-1

1

3

5

7

9

1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 9001

Exemplar

Índi

ce k

p

sem kp com kp

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 9001

d VTEC (TECU) Hora (TU)RMS=31,5

24/03 25/03 26/03 24/03 25/03 26/03

17/12/2010 IX GEGE

RNA 2 (tempestade geomagnética)

sem kp

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 9001

d VTEC(TECU) Hora (TU)RMS=8,6

-1

1

3

5

7

9

1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 9001

Exemplar

Índi

ce k

p

com kp

-80

-30

20

70

120

1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 9001

d VTEC (TECU) Hora (TU)RMS=25,3

30/03 31/03 01/04 30/03 31/03 01/04

17/12/2010 IX GEGE

RNA 2 (Baixa atividade)

sem kp

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 9001 10001

d VTEC(TECU) Hora (TU)RMS=1,3

-1

1

3

5

7

9

1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 900110001

Exemplar

Índi

ce k

p

com kp

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 9001 10001

d VTEC (TECU) Hora (TU)RMS=2,3

22/06 23/06 24/06 22/06 23/06 24/06

17/12/2010 IX GEGE

RNA 2 (alta atividade solar)

RMS: 9,7

25/03/2001 23:00 TU

17/12/2010 IX GEGE

RNA 2 (tempestade geomagnética)

RMS: 25,3

31/03/2001 23:00 TU

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Conclusões

• Ambos os modelos:

• melhores resultados no período de baixa atividade solar;

• piores resultados durante a ocorrência de tempestade

geomagnética.

• Previsão do VTEC com RMS de 25 TECU durante

máximo tempestade geomagnética;

• Os modelos não dependem dos dados GNSS da rede

em tempo real, podendo ser utilizados na ocorrência de

falha do recebimento dos dados.