在我们之前的“掌握精度”文章中，我们讨论了 GNSS 及其误差源，以及 RTK 如何通过假设基站和流动站足够接近，从而通过双差计算消除大气误差来减轻这些误差。但是，大气层通常是不均匀的，因此该方法可能无法完全消除误差，从而导致精度降低。
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，位于地球表面上方约 50 至 1,000 公里处。
太阳辐射撞击大气层中的粒子，导致自由电子和离子（获得或失去电子的原子）的存在。电离程度随高度、太阳活动和一天中的时间而变化。
极光是这种高层大气电离的可见结果。关于 RF 通信，特别是 GNSS 信号传输，这些带电粒子在信号通过电离层时会产生延迟。由于 GNSS 从根本上依赖于能够考虑信号传输的时间，因此这些延迟对 GNSS 精度有重大影响。
在高太阳活动的情况下，其影响可能更具挑战性：电离层闪烁会降低信号质量，使其无法用于导航。太阳风暴也可能导致基础设施永久性或暂时性故障。以下是一些示例：
- 1989年3月：在一次太阳风暴之后，观察到重大电力故障
- 2000年7月：无线电中断和卫星故障
- 2022 年 2 月：40 颗 Starlink 卫星被太阳风暴摧毁
电离层周期性变化
电离层的电荷水平呈现出受太阳活动、季节变化和每日变化影响的周期性模式。
太阳周期
太阳周期是指太阳活动大约 11 年的变化周期。该周期的标志是太阳表面太阳黑子数量的增减。太阳黑子是太阳上的临时现象，表现为暗点，与强烈的磁活动有关。
太阳周期可以分为两个主要阶段：太阳活动极小期和太阳活动极大期。在太阳活动极小期期间，太阳的太阳黑子较少，其整体活动相对较低。随着周期向太阳活动极大期发展，太阳黑子的数量会增加，太阳活动也会加剧。
在高太阳活动期间，电离层经历电子密度增加，从而放大了电离层延迟对 GNSS 信号的影响。
自 2020 年以来，太阳活动一直在增加，自 2022 年下半年以来记录到高活动；预计在 2025 年达到峰值。这种高活动导致整体 GNSS 性能下降，并使 RTK 定位更难获得。
季节性周期
季节性变化在电离层行为中起着关键作用。在北纬地区，由于太阳辐射的增加，春季和秋季通常会出现较高的电离水平，而夏季和冬季则会出现较低的电离水平。
这些季节性变化以不同的方式影响 GNSS 信号，从而导致定位精度的整体变化。
每日变化
电离层中的每日变化受地球自转和太阳位置的影响。随着地球的旋转，不同区域经历不同程度的电离。在下图中，TECU代表总电子含量单位，它表征了电离层活动，也与信号经历的额外延迟有关。
位置
除了上述循环、季节性和每日变化之外，地球上的位置对电离层活动有很大影响。 地磁赤道周围的平均电离层活动较高。
两个日期内每日电离层活动的典型示例
大气误差对 RTK 的影响：最新技术
根据 GNSS 接收器上使用的技术，大气误差的影响会有所不同。
入门级 RTK 接收机通常无法真正应对这种影响，可能会遇到较低的 RTK 定位成功率或更长的收敛时间。
更高级别（大地测量级）的 GNSS 接收器或后处理引擎可能会嵌入一定程度的电离层缓解措施，这些措施可能基于两种主要技术：
- 特定的测量组合，称为 Iono Free，在一些科学出版物中也称为 L3。
- 通过在导航滤波器中使用专用状态来估计电离层误差
这两种方法各有优缺点，但通常会带来显著更高的噪声和/或收敛时间。
使用 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，以纠正高电离层活动的影响：Ionoshield。
Ionoshield 充分利用 PPK 的强大功能，即使在困难的 GNSS 条件和高电离层活动下，也能提供可靠的厘米级 RTK 定位解决方案。Ionoshield 是一种大气误差缓解算法。它使用基站和移动站上的观测数据来确定电离层和平流层引入的误差。
它使用所有可用的频率和星座来估计大气误差并对其进行补偿。一种智能策略可最大限度地缩短收敛时间，而正向/反向/合并处理可完成该过程，即使在具有挑战性的条件下，也能实现零收敛时间。
最后，Ionoshield 与嵌入式 RAIM 算法相结合，可检测并排除因电离层问题（如闪烁）导致的任何故障卫星。
通过这种方法，Ionoshield 可产生显著的优势：
- 无与伦比的RTK定位能力和厘米级精度
- 与其他电离层处理技术（如无电离层组合）不同，不会增加噪声
- 充分利用现代多频接收机，通过三频全星座 PPK 提高精度和稳健性
- 即使在陆地应用（轻度到中度城市环境）中也能工作。
为了使 Ionoshield 尽可能易于使用，Qinertia 还集成了自动选择选项。此自动选项会在选择处理模式（单基站 PPK、Ionoshield PPK 或 VBS）之前评估电离层活动。对于高级用户，也可以手动选择处理模式。
虽然 Ionoshield 提供了巨大的优势，但也有一些先决条件：
– 至少需要一个双频 GNSS 接收器（首选 L1/L2），这在所有 SBG Systems 产品上都是给定的。Ionoshield 还充分利用了三频 (L1/L2/L5) GNSS 接收器的可用性，以提高精度！
– 日志记录持续时间和开阔天空：Ionoshield 可以快速收敛。但是，在电离层活动较高、基站和移动站观测到的误差之间存在较大差异的极端条件下，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。