徕卡测量系统贸易(北京)有限公司 金玉洁

一、引 言

从2011年开始，“太阳风暴”这个词在各大媒体出现的频率越来越高。剧烈的太阳黑子活动会扰动电离层环境，直接影响GNSS(全球导航卫星系统)的性能，轻则影响卫星定位精度，重则导致卫星通信失灵。因此，有必要了解电离层活动的现状，并探讨如何抑制其对GNSS的影响。

二、太阳活动和电离层

电离层随着纬度、经度的变化有着复杂的空间变化，并且具有昼夜、季节、年、太阳黑子等周期变化。电离层中的电子密度主要受太阳活动的影响。

1.太阳黑子与电离层长期变化

太阳辐射的剧烈程度通常可以用太阳黑子数来表示。太阳黑子活动呈现周期性，两次高峰间隔约11年，高峰年和低峰年之间，总电子含量可相差4倍左右。图1为美国太空局发布的太阳活动预测图，从图1中可看出，近两年的太阳黑子数正显著增加，第24周期的预测峰值将出现在2013年下半年。

图1 太阳活动周期(更新日期2013年5月)

2.测量电离层

自由电子总量(TEC)是电离层研究的一个重要参量，对减小GNSS定位误差、提高精度有重要作用。I95指标是测量电离层的另一方法，其描述某一区域短时间内(如1 h)的电离层活动变化。对于GNSS参考网，还可统计电离层残差，即对定位精度产生影响的残余电离层。徕卡SpiderQC软件中可提供NOVA图，图2和图3分别为全局平均和局部电离层残差RMS。

图2 SpiderQC，电离层RMS残差示例

图3 SpiderQC，电离层和对流层残差的RMS

3.电离层日变化

I95指标和电离层残差都可反映电离层活动的日变化。通常，某区域当地时间上午11时到下午2时，太阳辐射强烈，电离层活动达到一个日峰值，如图4所示。

图4 日电离层I95指标

图5为单站RTK(RTK)和网络RTK(NRTK)应用下的电离层残差值，11～14时时间段内，电离层延迟量明显增加。在参考站分布密集的网络中，RTK和NRTK电离层残差值比较接近;而在稀疏的网络中，RTK和NRTK电离层残差值的区别较大。

图5 Spider QC，NOVA全局电离层RMS

4.全球和区域电离层变化

全球TEC是由IGS(国际GNSS服务组织)跟踪网络以IONEX格式 (电离层交换格式)发布的，可提供全球和局部区域的电离层活动和变化情况。TEC浓度和用户的地理位置有很大关系，通常赤道地区受影响要大一些。图6显示了定期发布的全球TEC分布情况。

图6 CODE，全球电离层TEC

徕卡SpiderQC免费版本中提供了IONEX图动画演示功能，可查看24 h全球动态变化情况。

三、电离层活动的影响

电离层迟延误差是影响GPS定位精度的主要误差源之一。当电磁波信号通过电离层时，路径会发生弯曲产生折射，造成电磁波传播误差，所有GNSS都将受到影响，影响程度取决于GNSS的频率和TEC浓度。

1.电离层对参考站网的影响

电离层活动将影响所有的参考站网，其程度与网型分布有关。对于密集的网络(30～50 km间距)，电离层对网络改正数的质量影响处于低至中等级别;对于稀疏网络(50～70 km)，质量和可用性都会受到很大的影响。电离层活动剧烈的情况下(日高峰、太阳风暴等)，网络改正模型数据的电离层残差值会明显增大。

整周模糊度解算难度增加，固定时间加长，可用的解也相应减少。其次，站间距离长，使得电离层误差模型与实际情况不相符，导致残差变大。在两个因素综合影响下，流动站用户无法快速获得高精度的定位解。

2.电离层对GNSS RTK流动站的影响

如果基线较短(＜10 km)，则影响很小;如果为中长基线(10～20 km)，则影响会稍大。网络RTK流动站用户的影响和参考站间距相关。

四、抑制电离层活动的影响

改正电离层延迟误差的方法一般有双频改正法、差分GPS定位法、半和改正法、电离层模型法。

徕卡Spider软件集成了先进的算法和模型来进行电离层误差改正。软件自动在线下载IONEX文件，IONEX数据产品是CODE每天利用全球150个跟踪站的观测资料计算得到的，按每两小时一组提供每天24 h的全球电离层图。利用电离层预报模型可以较精确地估算电离层环境，与传统经验模型相比可更加准确地进行电离层的误差改正。实践表明，在电离层活跃的情况下，参考网解算能取得理想效果。

若遇到网络故障无法在线下载IONEX的情况，Spider则在解算模糊度前，先使用Klobuchar模型改正原始观测数据。Klobuchar模型利用GPS卫星导航文件中的信息，可以消除50%左右的电离层影响。

在极端情况下(如高峰年/太阳风暴)，还可从以下方面着手：

1)参考站运营机构应关注全球电离层活动变化信息，并向流动站用户提供一些徕卡SpiderQC NOVA图，告知当前的电离层活动状况;其次，确保Spider软件更新到最新版本;另外，还可以考虑加密参考站点来应对周期性的高峰年。

2)流动站用户需要意识到在电离层活动高发期RTK性能会受到影响。为了维持可靠性和测量质量，应有计划地避开峰值时段(如正午)，尽量选择最近的参考站点。可选择一天内不同时段，进行重复测量，提高精度。架设一个小于10 km的临时基站，作为网络RTK的备用测量手段。

(本专栏由徕卡测量系统和本刊编辑部共同主办)