Data collected by the Interstellar Boundary Explorer (IBEX) satellite, recording heliospheric energetic neutral atoms (ENAs), exhibit a phenomenon that has caused space scientists to revise hypotheses about the physical processes, and computer simulations under those models, in play at the boundary of our solar system. Evaluating the fit of these computer models involves tuning their parameters to observational data from IBEX. This would be a classic (Bayesian) inverse problem if not for three challenges: (1) the computer simulations are slow, limiting the size of campaigns of runs; so (2) surrogate modeling is essential, but outputs are high-resolution images, thwarting conventional methods; and (3) IBEX observations are counts, whereas most inverse problem techniques assume Gaussian field data. To fill that gap we propose a novel approach to Bayesian inverse problems coupling a Poisson response with a sparse Gaussian process surrogate using the Vecchia approximation. We demonstrate the capabilities of our proposed framework, which compare favorably to alternatives, through multiple simulated examples in terms of recovering "true" computer model parameters and accurate out-of-sample prediction. We then apply this new technology to IBEX satellite data and associated computer models developed at Los Alamos National Laboratory.


翻译:星际边界探测器(IBEX)卫星收集的、记录太阳系高能中性原子(ENAs)的数据呈现一种现象,促使空间科学家修正关于太阳系边界物理过程及相关计算机模拟模型的假设。评估这些计算机模型的拟合度需要将其参数调整至IBEX的观测数据。若非面临三重挑战,这将是一个经典的(贝叶斯)反演问题:(1)计算机模拟速度缓慢,限制了运行实验的规模;因此(2)代理建模至关重要,但输出结果为高分辨率图像,使传统方法难以适用;且(3)IBEX观测数据为计数型,而多数反演技术假设数据服从高斯场分布。为填补这一空白,我们提出一种新颖的贝叶斯反演方法,通过Vecchia近似将泊松响应与稀疏高斯过程代理模型相结合。我们通过多个模拟案例,在恢复“真实”计算机模型参数和实现精确样本外预测方面,展示了所提框架优于替代方案的性能。最后,我们将此新技术应用于IBEX卫星数据及洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的关联计算机模型。

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