徠卡測(cè)量系統(tǒng)貿(mào)易(北京)有限公司 金玉潔

一、引 言

從2011年開始，“太陽風(fēng)暴”這個(gè)詞在各大媒體出現(xiàn)的頻率越來越高。劇烈的太陽黑子活動(dòng)會(huì)擾動(dòng)電離層環(huán)境，直接影響GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))的性能，輕則影響衛(wèi)星定位精度，重則導(dǎo)致衛(wèi)星通信失靈。因此，有必要了解電離層活動(dòng)的現(xiàn)狀，并探討如何抑制其對(duì)GNSS的影響。

二、太陽活動(dòng)和電離層

電離層隨著緯度、經(jīng)度的變化有著復(fù)雜的空間變化，并且具有晝夜、季節(jié)、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(dòng)的影響。

1.太陽黑子與電離層長(zhǎng)期變化

太陽輻射的劇烈程度通常可以用太陽黑子數(shù)來表示。太陽黑子活動(dòng)呈現(xiàn)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(fā)布的太陽活動(dòng)預(yù)測(cè)圖，從圖1中可看出，近兩年的太陽黑子數(shù)正顯著增加，第24周期的預(yù)測(cè)峰值將出現(xiàn)在2013年下半年。

圖1 太陽活動(dòng)周期(更新日期2013年5月)

2.測(cè)量電離層

自由電子總量(TEC)是電離層研究的一個(gè)重要參量，對(duì)減小GNSS定位誤差、提高精度有重要作用。I95指標(biāo)是測(cè)量電離層的另一方法，其描述某一區(qū)域短時(shí)間內(nèi)(如1 h)的電離層活動(dòng)變化。對(duì)于GNSS參考網(wǎng)，還可統(tǒng)計(jì)電離層殘差，即對(duì)定位精度產(chǎn)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(duì)流層殘差的RMS

3.電離層日變化

I95指標(biāo)和電離層殘差都可反映電離層活動(dòng)的日變化。通常，某區(qū)域當(dāng)?shù)貢r(shí)間上午11時(shí)到下午2時(shí)，太陽輻射強(qiáng)烈，電離層活動(dòng)達(dá)到一個(gè)日峰值，如圖4所示。

圖4 日電離層I95指標(biāo)

圖5為單站RTK(RTK)和網(wǎng)絡(luò)RTK(NRTK)應(yīng)用下的電離層殘差值，11～14時(shí)時(shí)間段內(nèi)，電離層延遲量明顯增加。在參考站分布密集的網(wǎng)絡(luò)中，RTK和NRTK電離層殘差值比較接近;而在稀疏的網(wǎng)絡(luò)中，RTK和NRTK電離層殘差值的區(qū)別較大。

圖5 Spider QC，NOVA全局電離層RMS

4.全球和區(qū)域電離層變化

全球TEC是由IGS(國際GNSS服務(wù)組織)跟蹤網(wǎng)絡(luò)以IONEX格式 (電離層交換格式)發(fā)布的，可提供全球和局部區(qū)域的電離層活動(dòng)和變化情況。TEC濃度和用戶的地理位置有很大關(guān)系，通常赤道地區(qū)受影響要大一些。圖6顯示了定期發(fā)布的全球TEC分布情況。

圖6 CODE，全球電離層TEC

徠卡SpiderQC免費(fèi)版本中提供了IONEX圖動(dòng)畫演示功能，可查看24 h全球動(dòng)態(tài)變化情況。

三、電離層活動(dòng)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(dāng)電磁波信號(hào)通過電離層時(shí)，路徑會(huì)發(fā)生彎曲產(chǎn)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(duì)參考站網(wǎng)的影響

電離層活動(dòng)將影響所有的參考站網(wǎng)，其程度與網(wǎng)型分布有關(guān)。對(duì)于密集的網(wǎng)絡(luò)(30～50 km間距)，電離層對(duì)網(wǎng)絡(luò)改正數(shù)的質(zhì)量影響處于低至中等級(jí)別;對(duì)于稀疏網(wǎng)絡(luò)(50～70 km)，質(zhì)量和可用性都會(huì)受到很大的影響。電離層活動(dòng)劇烈的情況下(日高峰、太陽風(fēng)暴等)，網(wǎng)絡(luò)改正模型數(shù)據(jù)的電離層殘差值會(huì)明顯增大。

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

2.電離層對(duì)GNSS RTK流動(dòng)站的影響

如果基線較短(＜10 km)，則影響很小;如果為中長(zhǎng)基線(10～20 km)，則影響會(huì)稍大。網(wǎng)絡(luò)RTK流動(dòng)站用戶的影響和參考站間距相關(guān)。

四、抑制電離層活動(dòng)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(jìn)的算法和模型來進(jìn)行電離層誤差改正。軟件自動(dòng)在線下載IONEX文件，IONEX數(shù)據(jù)產(chǎn)品是CODE每天利用全球150個(gè)跟蹤站的觀測(cè)資料計(jì)算得到的，按每?jī)尚r(shí)一組提供每天24 h的全球電離層圖。利用電離層預(yù)報(bào)模型可以較精確地估算電離層環(huán)境，與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖啾瓤筛訙?zhǔn)確地進(jìn)行電離層的誤差改正。實(shí)踐表明，在電離層活躍的情況下，參考網(wǎng)解算能取得理想效果。

若遇到網(wǎng)絡(luò)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(cè)數(shù)據(jù)。Klobuchar模型利用GPS衛(wèi)星導(dǎo)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(fēng)暴)，還可從以下方面著手：

1)參考站運(yùn)營機(jī)構(gòu)應(yīng)關(guān)注全球電離層活動(dòng)變化信息，并向流動(dòng)站用戶提供一些徠卡SpiderQC NOVA圖，告知當(dāng)前的電離層活動(dòng)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(diǎn)來應(yīng)對(duì)周期性的高峰年。

2)流動(dòng)站用戶需要意識(shí)到在電離層活動(dòng)高發(fā)期RTK性能會(huì)受到影響。為了維持可靠性和測(cè)量質(zhì)量，應(yīng)有計(jì)劃地避開峰值時(shí)段(如正午)，盡量選擇最近的參考站點(diǎn)?？蛇x擇一天內(nèi)不同時(shí)段，進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，提高精度。架設(shè)一個(gè)小于10 km的臨時(shí)基站，作為網(wǎng)絡(luò)RTK的備用測(cè)量手段。

(本專欄由徠卡測(cè)量系統(tǒng)和本刊編輯部共同主辦)