為什么這個季節你的RTK經常不固定浮點?事關電離層，看完就懂了
發布時間：2022-03-14 09:41:11
“最近電離層干擾大，RTK出現空曠環境下不固定浮點的情況，CORS用戶影響更甚......” 想必同為測繪伙伴的你，朋友圈里也偶被此類“溫馨提醒”刷屏。那么為什么電離層會導致你的RTK經常不固定浮點?
電離層到底是什么?它為什么會對導航、定位產生干擾?今天，我們就來講講關于電離層，你必須知道的9個事實。
1、大氣中所有帶電粒子的聚集地
地球的電離處于大氣層的外層，與太空“接壤”。電離層的空氣分子在太陽高能輻射以及宇宙線的“烹煮”之下，丟失了一個或者兩個電子，從而產生了帶電粒子的海洋。
2、地球大氣層和太空之間的連接紐帶
電離層從距離地面約80公里開始一直延伸到約600多公里高度的地球高層大氣區域，與中性的上層大氣一起，將人們生活和呼吸的低層大氣區域與與外太空分隔開來。
3、形態變幻莫測，不可預判
電離層是不斷變化的。電離層由那些被太陽輻射而電離的粒子組成，所以電離層會隨著日出日落而變化。在夜間，由于不受太陽照射，先前被電離的粒子會重新組合成為中性粒子，電離層的濃度就會變低。除卻太陽輻射，電離層還會受到太空和地球本身的各種擾動源影響產生很多不可預測的變化，這讓我們無法準確判斷某個特定時間的電離層形態。
4、受地球惡劣天氣影響
臺風或雷暴等來自地球的惡劣天氣會產生壓力波，向上激發引起電離層擾動。這也是導致電離層變化的一個因素。
5、亦受太空天氣影響
由于電離層由帶電粒子組成，它對太空中不斷變化的磁電情況具有獨特的反應性。 這些磁電情況以及帶電粒子爆發等其他事件被稱為太空天氣，通常與太陽活動有關。 除了地球上的常規天氣外，太空天氣是影響電離層的另一個主要因素。
6、電離層會“發光”
氣輝是地球高層大氣的微弱發光現象。當高層大氣中的原子和分子受到太陽光的激發，在釋放多余的能量時就會產生微弱光輝。此外，當被太陽光電離的原子和分子碰撞并捕獲到自由電子時也會產生氣輝。
氣輝不僅僅是一項“自然奇觀”，更包含著大量的高層大氣和電離層信息。受大氣氣體、海拔區域和激發過程影響，每種大氣會呈現出不同的色彩。因此，我們可以利用氣輝來研究不同氣體的位置和動態。
7、低軌道衛星和空間站的家園
這個與太空接軌的邊界區域正是許多低軌道衛星和國際空間站的所在地，該區域運行的衛星遭受著電離層波動的影響——當磁暴爆發時，大量帶電粒子注入大氣層并受熱膨脹，空氣阻力會隨之驟增，倘若未能及時加速調整到高軌道，衛星的運行速度會越來越慢，直至脫軌甚至墜落。
8、干擾信號傳播
電離層在日常通信和導航系統中有重要影響。無線電和GNSS信號可以穿過大氣包括電離層，也可以通過電離層反射信號到達他們的目的地。電離層的密度和成分變化都將干擾這兩種信號的傳輸。
9、影響定位和導航
作為高層大氣的一部分，地球電離層是導航衛星和地球之間無線電波在空間傳播的最重要的大氣層。通常情況下，電離層是單頻 GNSS 接收機單點定位的最大誤差源。例如，下圖顯示了 2015 年 3 月 17 日圣帕特里克節 13:00 UT 的全球垂直總電子含量 (VTEC) 地圖。這些大的 VTEC 變化主要是由強烈的地磁風暴引起的(Erdogan 等，2020)。
電離層對無線電波的影響是雙重的，既能改變信號的傳播時間，又能影響信號的傳播路徑。在大多數實際應用中，電離層對信號傳播路徑的影響可忽略不計。電離層延遲直接取決于衛星發射端和地面接收端之間沿信號路徑的電子密度的積分，即所謂的傾斜總電子含量(STEC)。換句話說，如果通過電離層模型中得知沿射線路徑的STEC，便可以計算出單頻GNSS測量的延遲，并在一定程度上加以修正。然而電離層是不斷變化的，高精度的電離層模型只能和時效性妥協。也就是說，你只能快速地獲得預測的電離層模型，或者在事后獲得更準確的電離層模型。
在RTK算法中，電離層延遲可以通過雙差消除，其原理是假設衛星發射端到地面基站接收端和衛星發射端到地面移動站接收端的延遲是一致的，隨著基線的增長和電離層活躍度加大，兩者的一致性會變差。在長基線RTK計算中，目前流行的ionosphere-free的線性組合可以消除電離層一階項的影響，但同時放大了噪聲和多路徑效應;在網絡RTK的虛擬參考站算法中，也有基于基線長度和電離層活躍度的內插模型算法研究，但是當電離層過分活躍時，虛擬參考站數據的準確性將大打折扣。因此，在電離層非常活躍的情況下，超短基線是相對可靠的工作方式。
參考文獻：Erdogan E., Schmidt M., Goss A., Görres B., Seitz F.: Adaptive Modeling of the Global Ionosphere Vertical Total Electron Content. Remote Sensing, 12(11), 1822, 10.3390/rs12111822, 2020
本文內容翻譯、整理自NASA官網及網絡公開資料
源于NASA官網及網絡，如有侵權請聯系刪除
來源：TersusGNSS 天碩導航
電離層到底是什么?它為什么會對導航、定位產生干擾?今天，我們就來講講關于電離層，你必須知道的9個事實。
1、大氣中所有帶電粒子的聚集地
地球的電離處于大氣層的外層，與太空“接壤”。電離層的空氣分子在太陽高能輻射以及宇宙線的“烹煮”之下，丟失了一個或者兩個電子，從而產生了帶電粒子的海洋。
2、地球大氣層和太空之間的連接紐帶
電離層從距離地面約80公里開始一直延伸到約600多公里高度的地球高層大氣區域，與中性的上層大氣一起，將人們生活和呼吸的低層大氣區域與與外太空分隔開來。
3、形態變幻莫測，不可預判
電離層是不斷變化的。電離層由那些被太陽輻射而電離的粒子組成，所以電離層會隨著日出日落而變化。在夜間，由于不受太陽照射，先前被電離的粒子會重新組合成為中性粒子，電離層的濃度就會變低。除卻太陽輻射，電離層還會受到太空和地球本身的各種擾動源影響產生很多不可預測的變化，這讓我們無法準確判斷某個特定時間的電離層形態。
4、受地球惡劣天氣影響
臺風或雷暴等來自地球的惡劣天氣會產生壓力波，向上激發引起電離層擾動。這也是導致電離層變化的一個因素。
5、亦受太空天氣影響
由于電離層由帶電粒子組成，它對太空中不斷變化的磁電情況具有獨特的反應性。 這些磁電情況以及帶電粒子爆發等其他事件被稱為太空天氣，通常與太陽活動有關。 除了地球上的常規天氣外，太空天氣是影響電離層的另一個主要因素。
6、電離層會“發光”
氣輝是地球高層大氣的微弱發光現象。當高層大氣中的原子和分子受到太陽光的激發，在釋放多余的能量時就會產生微弱光輝。此外，當被太陽光電離的原子和分子碰撞并捕獲到自由電子時也會產生氣輝。
氣輝不僅僅是一項“自然奇觀”，更包含著大量的高層大氣和電離層信息。受大氣氣體、海拔區域和激發過程影響，每種大氣會呈現出不同的色彩。因此，我們可以利用氣輝來研究不同氣體的位置和動態。
7、低軌道衛星和空間站的家園
這個與太空接軌的邊界區域正是許多低軌道衛星和國際空間站的所在地，該區域運行的衛星遭受著電離層波動的影響——當磁暴爆發時，大量帶電粒子注入大氣層并受熱膨脹，空氣阻力會隨之驟增，倘若未能及時加速調整到高軌道，衛星的運行速度會越來越慢，直至脫軌甚至墜落。
8、干擾信號傳播
電離層在日常通信和導航系統中有重要影響。無線電和GNSS信號可以穿過大氣包括電離層，也可以通過電離層反射信號到達他們的目的地。電離層的密度和成分變化都將干擾這兩種信號的傳輸。
9、影響定位和導航
作為高層大氣的一部分，地球電離層是導航衛星和地球之間無線電波在空間傳播的最重要的大氣層。通常情況下，電離層是單頻 GNSS 接收機單點定位的最大誤差源。例如，下圖顯示了 2015 年 3 月 17 日圣帕特里克節 13:00 UT 的全球垂直總電子含量 (VTEC) 地圖。這些大的 VTEC 變化主要是由強烈的地磁風暴引起的(Erdogan 等，2020)。
電離層對無線電波的影響是雙重的，既能改變信號的傳播時間，又能影響信號的傳播路徑。在大多數實際應用中，電離層對信號傳播路徑的影響可忽略不計。電離層延遲直接取決于衛星發射端和地面接收端之間沿信號路徑的電子密度的積分，即所謂的傾斜總電子含量(STEC)。換句話說，如果通過電離層模型中得知沿射線路徑的STEC，便可以計算出單頻GNSS測量的延遲，并在一定程度上加以修正。然而電離層是不斷變化的，高精度的電離層模型只能和時效性妥協。也就是說，你只能快速地獲得預測的電離層模型，或者在事后獲得更準確的電離層模型。
在RTK算法中，電離層延遲可以通過雙差消除，其原理是假設衛星發射端到地面基站接收端和衛星發射端到地面移動站接收端的延遲是一致的，隨著基線的增長和電離層活躍度加大，兩者的一致性會變差。在長基線RTK計算中，目前流行的ionosphere-free的線性組合可以消除電離層一階項的影響，但同時放大了噪聲和多路徑效應;在網絡RTK的虛擬參考站算法中，也有基于基線長度和電離層活躍度的內插模型算法研究，但是當電離層過分活躍時，虛擬參考站數據的準確性將大打折扣。因此，在電離層非常活躍的情況下，超短基線是相對可靠的工作方式。
參考文獻：Erdogan E., Schmidt M., Goss A., Görres B., Seitz F.: Adaptive Modeling of the Global Ionosphere Vertical Total Electron Content. Remote Sensing, 12(11), 1822, 10.3390/rs12111822, 2020
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