刘博威|刘立波等-Satellite Navigation：电离层区域结构对GNSS定位的影响

2026-03-16

全球导航卫星系统作为关键技术系统，已广泛应用于精密农业、自动驾驶、地质监测、金融授时、电网同步和智慧城市管理等众多领域。GNSS的精度、可靠性和完好性不仅取决于卫星星座的硬件性能，更受到信号传播路径中介质环境状态的显著影响。电离层作为地球上空约60至1000公里高度范围内的重要电离介质，受空间天气扰动，呈现出从全球异常、区域结构、介观强梯度到小尺度不规则体的多重尺度变化特征，对GNSS信号传播产生复杂的影响。

磁暴的效应非常复杂且多样，不同尺度的电离层结构对GNSS定位的影响机制也截然不同。以往聚焦于磁暴期间全球尺度范围内GNSS定位精度的研究，目前尚未建立从电离层响应特征结构与GNSS定位影响的完整机制。

漠河站团队基于GNSS电离层观测，结合其它电离层探测，研究了地磁平静期区域电离层梯度对标准单点定位和磁暴期间小尺度电离层不规则体对精密单点定位的影响。

凭借电离层穿刺点保持静止的优势，北斗地球静止轨道（GEO）卫星观测到总电子含量（TEC）数据特别适合用于观测电离层区域结构。图1展示了GEO TEC观测到的在20°N–30°N纬度带内陡峭的东西向TEC梯度。现有全球电离层模型（GIM）如IGS、CODE、ESA、JPL、UPC和WHU等，受限于经度分辨率较低（通常仅为5°），难以有效刻画此类精细结构。中国科学院（CAS）和喷气推进实验室（JPL）的GIM产品虽通过引入新星座数据或改进投影函数在一定程度上提升了性能，但仍明显低估了实际电离层的空间梯度。

图1 2021年9月14日观测到的（OBS）GEO TEC与GIMs（IGS、CODE、ESA、JPL、UPC、WHU）给出的TEC。（a）北纬13.3°，（b）北纬23.8°。曲线下方阴影区域表示不同GEO TEC之间的最大差值。

标准单点定位的统计结果分析进一步表明，采用GIM TEC 估计电离层延迟时，陡峭的TEC梯度会导致定位误差增大（图2）。在陡峭的梯度条件下，使用CASG或JPLG比使用其他模型的标准单点定位误差小一些。

图2 SPP在 a 存在和 b 不存在陡峭TEC梯度的情况下，采用CASG、JPLG及其他GIMs的定位结果。

另一方面，利用电离层不规则体指数和动态精密单点定位误差，分析了磁暴期间电动力学过程对定位误差的影响。电离层测高仪和非相干散射雷达的观测数据揭示了穿透电场的关键作用：磁暴期间的穿透电场通过调制日落后电离层不规则体，直接影响了GNSS定位精度。

在2023年12月1日磁暴事件中，行星际磁场Bz快速南向翻转触发欠屏蔽穿透电场，导致向上的等离子体漂移（图3），促进了日落后电离层不规则体发展，精密单点定位误差从厘米级恶化至米级（图4）；

图3 磁暴期间以及之前IMF Bz，三亚（东经109.6°，北纬18.3°）电离层测高仪观测的hmF2和垂直漂移随时间的变化。黄色高亮部分表示欠屏蔽穿透电场发生的时间段。蓝色虚线表示三亚当地150 km高度的日落时间。

图4 2023年12月1日（磁暴期间）不规则体指数和定位误差随时间和经度的变化。黑实线表示150 km高度日落线。

研究揭示了不同尺度电离层结构对GNSS定位的差异化影响，为提升高精度导航在复杂空间天气条件下的可靠性提供了重要依据。

研究成果发表于Satellite Navigation期刊(Liu, B., Liu, L.*, Liu, A., Yang, Y., Zhao, X., Li, Z., Yue, X., Liu, J., Le, H., Chen, Y., Zhang, R. & Li, W. (2026). Study of regional ionospheric structures and their impacts on SPP and PPP with multi-instrument observations in the Asian sector, Satellite Navigation, 7, 5. DOI: https://doi.org/10.1186/s43020-026-00191-2)。该研究得到中国国家自然科学基金（42530201）、国家重点研发计划（2022YFF0504400）、江苏省基础研究计划（BK20250747）、国家重点研发计划（2025YFF0512302）以及子午工程项目的共同资助。