為什么這個(gè)季節(jié)你的RTK經(jīng)常不固定浮點(diǎn)?事關(guān)電離層，看完就懂了
發(fā)布時(shí)間：2022-03-14 09:41:11
“最近電離層干擾大，RTK出現(xiàn)空曠環(huán)境下不固定浮點(diǎn)的情況，CORS用戶(hù)影響更甚......” 想必同為測(cè)繪伙伴的你，朋友圈里也偶被此類(lèi)“溫馨提醒”刷屏。那么為什么電離層會(huì)導(dǎo)致你的RTK經(jīng)常不固定浮點(diǎn)?
電離層到底是什么?它為什么會(huì)對(duì)導(dǎo)航、定位產(chǎn)生干擾?今天，我們就來(lái)講講關(guān)于電離層，你必須知道的9個(gè)事實(shí)。
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(yáng)高能輻射以及宇宙線的“烹煮”之下，丟失了一個(gè)或者兩個(gè)電子，從而產(chǎn)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(kāi)始一直延伸到約600多公里高度的地球高層大氣區(qū)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(qū)域與與外太空分隔開(kāi)來(lái)。
3、形態(tài)變幻莫測(cè)，不可預(yù)判
電離層是不斷變化的。電離層由那些被太陽(yáng)輻射而電離的粒子組成，所以電離層會(huì)隨著日出日落而變化。在夜間，由于不受太陽(yáng)照射，先前被電離的粒子會(huì)重新組合成為中性粒子，電離層的濃度就會(huì)變低。除卻太陽(yáng)輻射，電離層還會(huì)受到太空和地球本身的各種擾動(dòng)源影響產(chǎn)生很多不可預(yù)測(cè)的變化，這讓我們無(wú)法準(zhǔn)確判斷某個(gè)特定時(shí)間的電離層形態(tài)。
4、受地球惡劣天氣影響
臺(tái)風(fēng)或雷暴等來(lái)自地球的惡劣天氣會(huì)產(chǎn)生壓力波，向上激發(fā)引起電離層擾動(dòng)。這也是導(dǎo)致電離層變化的一個(gè)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(duì)太空中不斷變化的磁電情況具有獨(dú)特的反應(yīng)性。 這些磁電情況以及帶電粒子爆發(fā)等其他事件被稱(chēng)為太空天氣，通常與太陽(yáng)活動(dòng)有關(guān)。 除了地球上的常規(guī)天氣外，太空天氣是影響電離層的另一個(gè)主要因素。
6、電離層會(huì)“發(fā)光”
氣輝是地球高層大氣的微弱發(fā)光現(xiàn)象。當(dāng)高層大氣中的原子和分子受到太陽(yáng)光的激發(fā)，在釋放多余的能量時(shí)就會(huì)產(chǎn)生微弱光輝。此外，當(dāng)被太陽(yáng)光電離的原子和分子碰撞并捕獲到自由電子時(shí)也會(huì)產(chǎn)生氣輝。
氣輝不僅僅是一項(xiàng)“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(qū)域和激發(fā)過(guò)程影響，每種大氣會(huì)呈現(xiàn)出不同的色彩。因此，我們可以利用氣輝來(lái)研究不同氣體的位置和動(dòng)態(tài)。
7、低軌道衛(wèi)星和空間站的家園
這個(gè)與太空接軌的邊界區(qū)域正是許多低軌道衛(wèi)星和國(guó)際空間站的所在地，該區(qū)域運(yùn)行的衛(wèi)星遭受著電離層波動(dòng)的影響——當(dāng)磁暴爆發(fā)時(shí)，大量帶電粒子注入大氣層并受熱膨脹，空氣阻力會(huì)隨之驟增，倘若未能及時(shí)加速調(diào)整到高軌道，衛(wèi)星的運(yùn)行速度會(huì)越來(lái)越慢，直至脫軌甚至墜落。
8、干擾信號(hào)傳播
電離層在日常通信和導(dǎo)航系統(tǒng)中有重要影響。無(wú)線電和GNSS信號(hào)可以穿過(guò)大氣包括電離層，也可以通過(guò)電離層反射信號(hào)到達(dá)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(hào)的傳輸。
9、影響定位和導(dǎo)航
作為高層大氣的一部分，地球電離層是導(dǎo)航衛(wèi)星和地球之間無(wú)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(jī)單點(diǎn)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(jié) 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(qiáng)烈的地磁風(fēng)暴引起的(Erdogan 等，2020)。
電離層對(duì)無(wú)線電波的影響是雙重的，既能改變信號(hào)的傳播時(shí)間，又能影響信號(hào)的傳播路徑。在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，電離層對(duì)信號(hào)傳播路徑的影響可忽略不計(jì)。電離層延遲直接取決于衛(wèi)星發(fā)射端和地面接收端之間沿信號(hào)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(shuō)，如果通過(guò)電離層模型中得知沿射線路徑的STEC，便可以計(jì)算出單頻GNSS測(cè)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(shí)效性妥協(xié)。也就是說(shuō)，你只能快速地獲得預(yù)測(cè)的電離層模型，或者在事后獲得更準(zhǔn)確的電離層模型。
在RTK算法中，電離層延遲可以通過(guò)雙差消除，其原理是假設(shè)衛(wèi)星發(fā)射端到地面基站接收端和衛(wèi)星發(fā)射端到地面移動(dòng)站接收端的延遲是一致的，隨著基線的增長(zhǎng)和電離層活躍度加大，兩者的一致性會(huì)變差。在長(zhǎng)基線RTK計(jì)算中，目前流行的ionosphere-free的線性組合可以消除電離層一階項(xiàng)的影響，但同時(shí)放大了噪聲和多路徑效應(yīng);在網(wǎng)絡(luò)RTK的虛擬參考站算法中，也有基于基線長(zhǎng)度和電離層活躍度的內(nèi)插模型算法研究，但是當(dāng)電離層過(guò)分活躍時(shí)，虛擬參考站數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(duì)可靠的工作方式。
參考文獻(xiàn)：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(nèi)容翻譯、整理自NASA官網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)公開(kāi)資料
源于NASA官網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系刪除
來(lái)源：TersusGNSS 天碩導(dǎo)航
電離層到底是什么?它為什么會(huì)對(duì)導(dǎo)航、定位產(chǎn)生干擾?今天，我們就來(lái)講講關(guān)于電離層，你必須知道的9個(gè)事實(shí)。
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(yáng)高能輻射以及宇宙線的“烹煮”之下，丟失了一個(gè)或者兩個(gè)電子，從而產(chǎn)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(kāi)始一直延伸到約600多公里高度的地球高層大氣區(qū)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(qū)域與與外太空分隔開(kāi)來(lái)。
3、形態(tài)變幻莫測(cè)，不可預(yù)判
電離層是不斷變化的。電離層由那些被太陽(yáng)輻射而電離的粒子組成，所以電離層會(huì)隨著日出日落而變化。在夜間，由于不受太陽(yáng)照射，先前被電離的粒子會(huì)重新組合成為中性粒子，電離層的濃度就會(huì)變低。除卻太陽(yáng)輻射，電離層還會(huì)受到太空和地球本身的各種擾動(dòng)源影響產(chǎn)生很多不可預(yù)測(cè)的變化，這讓我們無(wú)法準(zhǔn)確判斷某個(gè)特定時(shí)間的電離層形態(tài)。
4、受地球惡劣天氣影響
臺(tái)風(fēng)或雷暴等來(lái)自地球的惡劣天氣會(huì)產(chǎn)生壓力波，向上激發(fā)引起電離層擾動(dòng)。這也是導(dǎo)致電離層變化的一個(gè)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(duì)太空中不斷變化的磁電情況具有獨(dú)特的反應(yīng)性。 這些磁電情況以及帶電粒子爆發(fā)等其他事件被稱(chēng)為太空天氣，通常與太陽(yáng)活動(dòng)有關(guān)。 除了地球上的常規(guī)天氣外，太空天氣是影響電離層的另一個(gè)主要因素。
6、電離層會(huì)“發(fā)光”
氣輝是地球高層大氣的微弱發(fā)光現(xiàn)象。當(dāng)高層大氣中的原子和分子受到太陽(yáng)光的激發(fā)，在釋放多余的能量時(shí)就會(huì)產(chǎn)生微弱光輝。此外，當(dāng)被太陽(yáng)光電離的原子和分子碰撞并捕獲到自由電子時(shí)也會(huì)產(chǎn)生氣輝。
氣輝不僅僅是一項(xiàng)“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(qū)域和激發(fā)過(guò)程影響，每種大氣會(huì)呈現(xiàn)出不同的色彩。因此，我們可以利用氣輝來(lái)研究不同氣體的位置和動(dòng)態(tài)。
7、低軌道衛(wèi)星和空間站的家園
這個(gè)與太空接軌的邊界區(qū)域正是許多低軌道衛(wèi)星和國(guó)際空間站的所在地，該區(qū)域運(yùn)行的衛(wèi)星遭受著電離層波動(dòng)的影響——當(dāng)磁暴爆發(fā)時(shí)，大量帶電粒子注入大氣層并受熱膨脹，空氣阻力會(huì)隨之驟增，倘若未能及時(shí)加速調(diào)整到高軌道，衛(wèi)星的運(yùn)行速度會(huì)越來(lái)越慢，直至脫軌甚至墜落。
8、干擾信號(hào)傳播
電離層在日常通信和導(dǎo)航系統(tǒng)中有重要影響。無(wú)線電和GNSS信號(hào)可以穿過(guò)大氣包括電離層，也可以通過(guò)電離層反射信號(hào)到達(dá)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(hào)的傳輸。
9、影響定位和導(dǎo)航
作為高層大氣的一部分，地球電離層是導(dǎo)航衛(wèi)星和地球之間無(wú)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(jī)單點(diǎn)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(jié) 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(qiáng)烈的地磁風(fēng)暴引起的(Erdogan 等，2020)。
電離層對(duì)無(wú)線電波的影響是雙重的，既能改變信號(hào)的傳播時(shí)間，又能影響信號(hào)的傳播路徑。在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，電離層對(duì)信號(hào)傳播路徑的影響可忽略不計(jì)。電離層延遲直接取決于衛(wèi)星發(fā)射端和地面接收端之間沿信號(hào)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(shuō)，如果通過(guò)電離層模型中得知沿射線路徑的STEC，便可以計(jì)算出單頻GNSS測(cè)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(shí)效性妥協(xié)。也就是說(shuō)，你只能快速地獲得預(yù)測(cè)的電離層模型，或者在事后獲得更準(zhǔn)確的電離層模型。
在RTK算法中，電離層延遲可以通過(guò)雙差消除，其原理是假設(shè)衛(wèi)星發(fā)射端到地面基站接收端和衛(wèi)星發(fā)射端到地面移動(dòng)站接收端的延遲是一致的，隨著基線的增長(zhǎng)和電離層活躍度加大，兩者的一致性會(huì)變差。在長(zhǎng)基線RTK計(jì)算中，目前流行的ionosphere-free的線性組合可以消除電離層一階項(xiàng)的影響，但同時(shí)放大了噪聲和多路徑效應(yīng);在網(wǎng)絡(luò)RTK的虛擬參考站算法中，也有基于基線長(zhǎng)度和電離層活躍度的內(nèi)插模型算法研究，但是當(dāng)電離層過(guò)分活躍時(shí)，虛擬參考站數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(duì)可靠的工作方式。
參考文獻(xiàn)：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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