摘要
电离层干扰会破坏GNSS定位，导致系统停机，增加成本并造成项目延误。这个挑战在太阳活动达到最活跃时尤为严重，此时电离层活动达到自然峰值。虽然所有GNSS用户在某种程度上都受到电离层干扰的影响，但u-blox结合多频段GNSS芯片组和PointPerfect修正服务，使用户即使在电离层干扰下也能实现精准可靠的定位。这相比其他GNSS解决方案提供了更优异的可用性，提高了生产力，同时降低了运营成本。
背景
对高精度全球导航卫星系统（GNSS）的需求从未如此之高。曾经依赖手动、劳动密集型方法的行业现在正在拥抱自动化和数字化工作流程，这些流程需要可靠、精准的定位解决方案。
对于依赖全球导航卫星系统（GNSS）的用户和操作员，电离层干扰仍是他们所面临的最大定位误差来源之一。这些干扰并不是罕见事件；它们是影响每个GNSS频率和星座的自然太阳动态的一部分。
电离层经历各种周期，在这些周期中我们会经历低活动和高活动的时期。当电离层干扰严重时，可能会导致中断、系统可用性丧失和停机，从而导致工作延误和成本增加。
本白皮书解释了电离层是什么以及它对GNSS性能的重要性，描述了电离层活动如何影响高精度定位的准确性和可用性，并演示了u-blox在X20平台上的全频段跟踪与PointPerfect网络校正服务的结合是如何应对这些挑战并提供保护的。
地球的电离层
电离层是大气层的一个区域，延伸至地球表面上方约60到1000公里。这个层充满了主要由太阳辐射产生的带电粒子，在GNSS信号传播中发挥着关键作用。随着带电粒子密度随时间变化，GNSS信号会经历延迟和衍射，这直接影响GNSS定位的准确性和可用性。而电离层最广为人知的现象，便是绚丽的北极光。
地理变异性
电离层的行为因地球上的位置而异。电离层效应在地磁赤道附近最强，但所有纬度的用户都会受到影响，尤其是在地磁风暴期间。特别是，闪烁具有强烈的纬度依赖性。
图1. 突出电离层闪烁的地理变异性，闪烁在地球的地磁赤道附近和极地最为频繁。在风暴和重大事件期间，所有地点的用户可能都会受到影响。
电离层如何随时间变化
电离层是动态的，具有多种时间依赖的周期。此外，就像地球上的天气一样，太阳风暴也可能会不定期发生，且相对较少有所预警。
日常变化：阳光增加了大气中带电粒子的数量，而在夜间，这个数量大大减少。
季节变化：随着白天长度的变化和季节性温度的改变，电离层会波动，影响大气密度。
11年太阳周期：也许最显著的变化是太阳周期，太阳在低活动和高活动期之间振荡。在太阳最大期，太阳耀斑、日冕物质抛射和地磁风暴变得常见。这些事件会显著增加电离层的干扰和闪烁，通常没有太多预警。
图2. 11年太阳周期。在太阳黑子数量较高的时期，离子层变得更加活跃， GNSS用户受到的影响更大。2025年是最近的峰值，现在我们开始进入一个较安静的时期。
离子层活动对高精度定位应用的影响
对于高精度GNSS应用，离子层带来了两个挑战：
离子层组延迟
这种影响会导致GNSS测量中的大范围误差，必须进行补偿；否则，会在用户的估计位置中引入误差。存在多种缓解方法，包括使用多频GNSS接收机或对测量应用修正模型。
模型质量差异显著：标准模型可能仅能消除50%至70%的总离子层误差，而基于实时GNSS参考站网络扫描的更精细模型则能补偿超过95%的误差。
图3. 修正和模型对离子层误差的影响。标准模型如Klobuchar和NTCM-G只能解释50-70%的总离子层误差。实时修正，如为PointPerfect Flex生成的修正，可以解释超过95%的误差，从而提高用户的可靠性和准确性。
闪烁
闪烁是由电离层中的小规模扰动引起的，具体来说是高密度电子的小口袋扰动和分裂GNSS信号。这种现象可能导致周跳，从而导致位置性能变差和可用性丧失。闪烁通常发生在傍晚和夜间，但也可能在其他时间出现。接收器并不是直接纠正这种影响，而是通过多频信号跟踪和基于信号质量的智能卫星选择来受益，这可以显著减轻对用户的影响。
在电离层扰动下的弹性定位
我们如何减少电离层扰动对客户的影响？u-blox采用了一种综合性策略，结合了最先进的硬件、定位算法、 GNSS参考网络和网络处理算法。
用户设备
u-blox最新的高精度GNSS平台X20，利用全频信号跟踪和处理来减少电离层扰动的影响。额外信号频段的加入增强了对电离层闪烁的弹性，并允许在模块内更好地建模电离层延迟。
图4. PointPerfect Flex修正服务的高层次概述。GNSS信号由数百个24/7运行的参考站捕获。这些信号用于在用户操作的确切位置生成精确的修正。所有这些都在实时进行，以提高用户的性能。
修正服务
修正服务在减轻电离层对用户影响方面也发挥着重要作用。修正服务使用数百个参考站，这些参考站均以高频率来持续测量大气条件。这些测量数据经过实时处理，发送到位于全球的u-blox服务器，然后通过复杂建模进行整合。修正数据使用SPARTN格式（spartnformat.org）进行压缩，并通过IP或L波段卫星传送。
南美洲提供了一个绝佳的应用场景，以展示PointPerfect在强电离层条件下的性能，因为它靠近地磁赤道。与我们的合作伙伴Nordian（nordian.com）一起，我们持续监测该地区PointPerfect的性能。
图5. 以下示例中使用的测试站位置（Goog le Earth）
通过实时应用PointPerfect修正，接收器可以有效减轻电离层活动，并为用户提供稳定的位置结果。下面的图表显示了在强电离层条件下，使用X20硬件与PointPerfect修正服务组合所能实现的水平精度和定位质量。
Nordian是一家总部位于德克萨斯州奥斯汀的工业智能公司，提供农业、工业自动化和自主技术的实时厘米级定位和大规模可靠连接。
他们的平台支持在大规模部署中进行关键任务定位，帮助客户自信地部署自动化。除了在美国和欧洲提供全面的精确解决方案并支持全球范围内的多个行业外，Nordian还开发并拥有南美最大的、部署最密集的PPP-RTK网络，覆盖整个大陆。
图6. 在高电离层时期PointPerfect服务的性能。在24小时内，电离层达到了高活动期，而水平位置误差保持稳定。
图7. 2025年7月一个月内PointPerfect服务的性能，展示了解决方案的长期稳定性和质量。
为用户带来的利好
随着高精度GNSS应用日益广泛，在电离层条件下的可靠定位能力，能为用户带来直接、可量化的实际效益。u-blox的服务选项使人员、机械和车队在一天内保持高效，避免工作流程中断、设备闲置和昂贵的返工。这可让更多的工作按时、按预算完成。通过各种硬件和服务集成选项，u-blox为工程师提供了灵活性，以设计符合最终用户需求的解决方案。
u-blox 提供的硬件和软件产品。有关详细信息和更多使用案例，请访问：ubx.io/easy
总结
电离层对高精度定位解决方案构成了不可预测的挑战。随着我们在当前太阳活动高峰期及其之后的发展，GNSS操作员需要可靠的解决方案，以确保他们的产品能够可靠和持续地运行。
通过u-blox的X20平台上可用的全频段跟踪与PointPerfect修正服务的结合，客户即使在具有挑战性的电离层条件下也能实现可靠的定位解决方案。
文章来源：u-blox