電離層活動對GNSS的影響和抑制方法

徠卡測量系統貿易(北京)有限公司 金玉潔

一、引 言

從2011年開始，“太陽風暴”這個詞在各大媒體出現的頻率越來越高。劇烈的太陽黑子活動會擾動電離層環境，直接影響GNSS(全球導航衛星系統)的性能，輕則影響衛星定位精度，重則導致衛星通信失靈。因此，有必要了解電離層活動的現狀，并探討如何抑制其對GNSS的影響。

二、太陽活動和電離層

電離層隨著緯度、經度的變化有著復雜的空間變化，并且具有晝夜、季節、年、太陽黑子等周期變化。電離層中的電子密度主要受太陽活動的影響。

1.太陽黑子與電離層長期變化

太陽輻射的劇烈程度通常可以用太陽黑子數來表示。太陽黑子活動呈現周期性，兩次高峰間隔約11年，高峰年和低峰年之間，總電子含量可相差4倍左右。圖1為美國太空局發布的太陽活動預測圖，從圖1中可看出，近兩年的太陽黑子數正顯著增加，第24周期的預測峰值將出現在2013年下半年。

圖1 太陽活動周期(更新日期2013年5月)

2.測量電離層

自由電子總量(TEC)是電離層研究的一個重要參量，對減小GNSS定位誤差、提高精度有重要作用。I95指標是測量電離層的另一方法，其描述某一區域短時間內(如1 h)的電離層活動變化。對于GNSS參考網，還可統計電離層殘差，即對定位精度產生影響的殘余電離層。徠卡SpiderQC軟件中可提供NOVA圖，圖2和圖3分別為全局平均和局部電離層殘差RMS。

圖2 SpiderQC，電離層RMS殘差示例

圖3 SpiderQC，電離層和對流層殘差的RMS

3.電離層日變化

I95指標和電離層殘差都可反映電離層活動的日變化。通常，某區域當地時間上午11時到下午2時，太陽輻射強烈，電離層活動達到一個日峰值，如圖4所示。

圖4 日電離層I95指標

圖5為單站RTK(RTK)和網絡RTK(NRTK)應用下的電離層殘差值，11～14時時間段內，電離層延遲量明顯增加。在參考站分布密集的網絡中，RTK和NRTK電離層殘差值比較接近;而在稀疏的網絡中，RTK和NRTK電離層殘差值的區別較大。

圖5 Spider QC，NOVA全局電離層RMS

4.全球和區域電離層變化

全球TEC是由IGS(國際GNSS服務組織)跟蹤網絡以IONEX格式 (電離層交換格式)發布的，可提供全球和局部區域的電離層活動和變化情況。TEC濃度和用戶的地理位置有很大關系，通常赤道地區受影響要大一些。圖6顯示了定期發布的全球TEC分布情況。

圖6 CODE，全球電離層TEC

徠卡SpiderQC免費版本中提供了IONEX圖動畫演示功能，可查看24 h全球動態變化情況。

三、電離層活動的影響

電離層遲延誤差是影響GPS定位精度的主要誤差源之一。當電磁波信號通過電離層時，路徑會發生彎曲產生折射，造成電磁波傳播誤差，所有GNSS都將受到影響，影響程度取決于GNSS的頻率和TEC濃度。

1.電離層對參考站網的影響

電離層活動將影響所有的參考站網，其程度與網型分布有關。對于密集的網絡(30～50 km間距)，電離層對網絡改正數的質量影響處于低至中等級別;對于稀疏網絡(50～70 km)，質量和可用性都會受到很大的影響。電離層活動劇烈的情況下(日高峰、太陽風暴等)，網絡改正模型數據的電離層殘差值會明顯增大。

整周模糊度解算難度增加，固定時間加長，可用的解也相應減少。其次，站間距離長，使得電離層誤差模型與實際情況不相符，導致殘差變大。在兩個因素綜合影響下，流動站用戶無法快速獲得高精度的定位解。

2.電離層對GNSS RTK流動站的影響

如果基線較短(＜10 km)，則影響很小;如果為中長基線(10～20 km)，則影響會稍大。網絡RTK流動站用戶的影響和參考站間距相關。

四、抑制電離層活動的影響

改正電離層延遲誤差的方法一般有雙頻改正法、差分GPS定位法、半和改正法、電離層模型法。

徠卡Spider軟件集成了先進的算法和模型來進行電離層誤差改正。軟件自動在線下載IONEX文件，IONEX數據產品是CODE每天利用全球150個跟蹤站的觀測資料計算得到的，按每兩小時一組提供每天24 h的全球電離層圖。利用電離層預報模型可以較精確地估算電離層環境，與傳統經驗模型相比可更加準確地進行電離層的誤差改正。實踐表明，在電離層活躍的情況下，參考網解算能取得理想效果。

若遇到網絡故障無法在線下載IONEX的情況，Spider則在解算模糊度前，先使用Klobuchar模型改正原始觀測數據。Klobuchar模型利用GPS衛星導航文件中的信息，可以消除50%左右的電離層影響。

在極端情況下(如高峰年/太陽風暴)，還可從以下方面著手：

1)參考站運營機構應關注全球電離層活動變化信息，并向流動站用戶提供一些徠卡SpiderQC NOVA圖，告知當前的電離層活動狀況;其次，確保Spider軟件更新到最新版本;另外，還可以考慮加密參考站點來應對周期性的高峰年。

2)流動站用戶需要意識到在電離層活動高發期RTK性能會受到影響。為了維持可靠性和測量質量，應有計劃地避開峰值時段(如正午)，盡量選擇最近的參考站點。可選擇一天內不同時段，進行重復測量，提高精度。架設一個小于10 km的臨時基站，作為網絡RTK的備用測量手段。

(本專欄由徠卡測量系統和本刊編輯部共同主辦)