在我们之前的“掌握精度”系列文章中，我们讨论了 GNSS、其误差来源，以及 RTK 如何通过假设基准站和流动站足够近以通过双差计算消除大气误差来减轻这些误差。然而，大气层通常是异质的，因此这种方法可能无法完全消除误差，从而导致精度下降。
什么是电离层以及它如何影响 GNSS
电离层是地球高层大气的重要组成部分，位于距地表约50至1,000公里处。
太阳辐射照射到该大气层中的粒子，导致其中存在自由电子和离子（即获得或失去电子的原子）。电离程度随海拔高度、太阳活动以及一天中的时间而变化。
极光是高层大气电离的可见后果。在射频通信领域，尤其是 GNSS 信号传输方面，这些带电粒子在穿过电离层时会产生信号延迟。由于 GNSS 从根本上依赖于计算信号传输时间，因此这些延迟对 GNSS 精度产生了重大影响。
如果太阳活动剧烈，其影响可能会更加严峻：电离层闪烁会导致信号质量下降，以致无法用于导航。太阳风暴还可能导致基础设施发生永久性或暂时性故障。以下是一些例子：
- 1989年3月：在一次太阳风暴之后，发生了大规模停电
- 2000年7月：无线电通讯中断，卫星故障
- 2022年2月：40颗Starlink卫星被太阳风暴摧毁
电离层周期与周期性
电离层的电荷水平呈现出受太阳活动、季节变化和日变化影响的周期性规律。
太阳活动周期
太阳活动周期是指太阳活动变化的大约11年周期。该周期的特征是太阳表面黑子数量的增减。黑子是太阳上的一种暂时性现象，表现为暗斑，并与强烈的磁活动有关。
太阳活动周期可分为两个主要阶段：太阳活动极小期和太阳活动极大期。在太阳活动极小期，太阳上的太阳黑子较少，其整体活动相对较低。随着周期向太阳活动极大期发展，太阳黑子的数量以及太阳活动的增强都会增加。
在太阳活动高度活跃期间，电离层电子密度增加，放大了电离层延迟效应对 GNSS 信号的影响。
自 2020 年以来，太阳活动一直在增加，2022 年下半年以来更是记录到了高度活跃期，预计将在 2025 年达到峰值。这种高水平的活动导致整体 GNSS 性能下降，并使 RTK 固定解更难获取。
季节周期
季节变化对电离层的行为起着至关重要的作用。在北半球，由于太阳辐射增强，春秋两季的电离程度通常较高，而夏冬两季的电离程度则较低。
这些季节性变化对 GNSS 信号的影响各不相同，从而导致定位精度的整体变异性。
每日波动
电离层的日变化受地球自转和太阳位置的影响。随着地球自转，不同区域的电离程度各不相同。在下图中，TECU 代表“总电子含量单位”，该指标反映了电离层活动状况，同时也与信号所经历的额外延迟有关。
位置
除了上述的周期性、季节性和日变化外，地球上的位置对电离层活动也有很大影响。在地磁赤道附近，电离层活动的平均水平较高。
两个日期中电离层日活动的典型示例
大气误差对RTK的影响：最新研究进展
根据 GNSS 接收机所使用的技术，大气误差的影响也会有所不同。
入门级RTK接收机通常难以有效应对这种影响，可能会导致RTK定位成功率降低或收敛时间延长。
更高等级的（大地测量级）GNSS 接收机或后处理引擎可能会内置一定程度的电离层抑制功能，该功能可基于两大主要技术：
- 一种名为“Iono Free”的特定测量组合，在某些科学文献中也被称为L3。
- 利用导航滤波器中的专用状态估计电离层误差
这两种方法各有利弊，但通常会伴随显著更高的噪声和/或收敛时间。
借助Ionoshield技术减轻这些影响
为了更好地支持我们的客户，我们为 Qinertia 4 开发了一项突破性技术，用于校正高电离层活动的影响：Ionoshield。
Ionoshield 利用 PPK 的全部能力，即使在恶劣的 GNSS 条件和高电离层活动下，也能提供可靠的厘米级 RTK 固定解。Ionoshield 是一种大气误差缓解算法。它利用基站和移动站的观测数据来确定电离层和对流层引入的误差。
它利用所有可用的频率和星座来估计大气误差并进行补偿。一种智能策略可最大限度地缩短收敛时间，同时，前向/后向/合并处理完成该过程，旨在实现零收敛时间，即使在具有挑战性的条件下也是如此。
最后，Ionoshield 与嵌入式 RAIM 算法结合，以检测并排除任何由于电离层问题（如闪烁）而导致的故障卫星。
采用这种方法，Ionoshield 带来了显著的优势：
- 在实现RTK定位和达到厘米级精度方面具有无与伦比的能力
- 没有引入额外噪声，不同于无电离层组合等其他电离层处理技术。
- 充分利用现代多频接收机，通过三频全星座PPK技术提高精度和鲁棒性
- 即使在陆地应用中（轻度至中度的城市环境）也能正常工作。
为了让 Ionoshield 尽可能易于使用，Qinertia 还集成了一个自动选择选项。该自动选项在选择处理模式之前会评估电离层活动：单基准站 PPK、Ionoshield PPK 或 VBS。对于高级用户，也可以手动选择处理模式。
虽然 Ionoshield 具有巨大优势，但也存在一些先决条件：
– 至少需要双频 GNSS 接收机（首选 L1/L2），这在所有 SBG Systems 产品上都是标配。Ionoshield 还充分利用了三频（L1/L2/L5）GNSS 接收机的优势，以提高精度！
– 记录持续时间和开阔天空：Ionoshield 可以快速收敛。但在电离层活动高度活跃、基准站与移动站观测到的误差差异较大的极端条件下，Ionoshield 可能需要更长的收敛时间。
如果您有兴趣测试 Ionoshield 如何改善您的数据，请联系我们。
