SN：區域電離層結構對GNSS定位的影響

全球導航衛星系統作為關鍵技術系統，已廣泛應用于精密農業、自動駕駛、地質監測、金融授時、電網同步和智慧城市管理等眾多領域。然而，GNSS的精度、可靠性和完好性不僅取決于衛星星座的硬件性能，更受到信號傳播路徑中介質環境狀態的顯著影響。電離層作為地球上空約60至1000公里高度范圍內的重要電離介質，受空間天氣擾動，呈現出從全球異常、區域結構、介觀強梯度到小尺度不規則體的多重尺度變化特征，對GNSS信號傳播產生復雜的影響。

磁暴的效應非常復雜且多樣，不同尺度的電離層結構對GNSS定位的影響機制也截然不同。以往聚焦于磁暴期間全球尺度范圍內GNSS定位精度的研究，目前尚未建立從電離層響應特征結構與GNSS定位影響的完整機制。

中國科學院地質與地球物理研究所劉立波研究員團隊基于GNSS電離層觀測，結合其它電離層探測，研究了地磁平靜期區域電離層梯度對標準單點定位和磁暴期間小尺度電離層不規則體對精密單點定位的影響。

憑借電離層穿刺點保持靜止的優勢，北斗地球靜止軌道（GEO）衛星觀測到總電子含量（TEC）數據特別適合用于觀測電離層區域結構。圖1展示了GEOTEC觀測到的在20°N–30°N緯度帶內陡峭的東西向TEC梯度。現有全球電離層模型（GIM）如IGS、CODE、ESA、JPL、UPC和WHU等，受限于經度分辨率較低（通常僅為5°），難以有效刻畫此類精細結構。中國科學院（CAS）和噴氣推進實驗室（JPL）的GIM產品雖通過引入新星座數據或改進投影函數在一定程度上提升了性能，但仍明顯低估了實際電離層的空間梯度。

圖1?2021年9月14日觀測到的（OBS）GEOTEC與GIMs（IGS、CODE、ESA、JPL、UPC、WHU）給出的TEC。（a）北緯13.3°，（b）北緯23.8°。曲線下方陰影區域表示不同GEO TEC之間的最大差值

標準單點定位的統計結果分析進一步表明，采用GIM TEC 估計電離層延遲時，陡峭的TEC梯度會導致定位誤差增大（圖2）。在陡峭的梯度條件下，使用CASG或JPLG比使用其他模型的標準單點定位誤差小一些。

圖2?SPP在a存在和b 不存在陡峭TEC梯度的情況下，采用CASG、JPLG及其他GIMs的定位結果

另一方面，利用電離層不規則體指數和動態精密單點定位誤差，分析了磁暴期間電動力學過程對定位誤差的影響。電離層測高儀和非相干散射雷達的觀測數據揭示了穿透電場的關鍵作用：磁暴期間的穿透電場通過調制日落后電離層不規則體，直接影響了GNSS定位精度。

在2023年12月1日磁暴事件中，行星際磁場Bz快速南向翻轉觸發欠屏蔽穿透電場，導致向上的等離子體漂移（圖3），促進了日落后電離層不規則體發展，精密單點定位誤差從厘米級惡化至米級（圖4）。

圖3?磁暴期間以及之前IMFBz，三亞（東經109.6°，北緯18.3°）電離層測高儀觀測的hmF2和垂直漂移隨時間的變化。黃色高亮部分表示欠屏蔽穿透電場發生的時間段。藍色虛線表示三亞當地150km高度的日落時間

圖4?2023年12月1日（磁暴期間）不規則體指數和定位誤差隨時間和經度的變化。黑實線表示150?km高度日落線

該研究揭示了不同尺度電離層結構對GNSS定位的差異化影響，為提升高精度導航在復雜空間天氣條件下的可靠性提供了重要依據。

研究成果發表于國內學術期刊SN（劉立波, 劉昂, 楊雨嫣, 趙秀寬, 李子申, 樂新安, 劉晶, 樂會軍, 陳一定, 張瑞龍, 李文博. Study of regional ionospheric structures and their impacts on SPP and PPP with multi-instrument observations in the Asian sector [J]. Satellite Navigation, 2026, 7:?5. DOI:10.1186/s43020-026-00191-2.）。研究得到中國國家自然科學基金（42530201）、國家重點研發計劃（2022YFF0504400）、江蘇省基礎研究計劃（BK20250747）、國家重點研發計劃（2025YFF0512302）以及子午工程項目的共同資助。