关于电离层，你必须知道的9个事实

天硕导航技术团队  2022年3月15日

“最近电离层干扰大，RTK出现空旷环境下不固定浮点的情况，CORS用户影响更甚......” 想必同为测绘伙伴的你，朋友圈里也偶被此类“温馨提醒”刷屏。

电离层到底是什么？它为什么会对导航、定位产生干扰？今天，我们就来讲讲关于电离层，你必须知道的9个事实。

1. 大气中所有带电粒子的聚集地

地球的电离处于大气层的外层，与太空“接壤”。电离层的空气分子在太阳高能辐射以及宇宙线的“烹煮”之下，丢失了一个或者两个电子，从而产生了带电粒子的海洋。

2. 地球大气层和太空之间的连接纽带

电离层从距离地面约80公里开始一直延伸到约600多公里高度的地球高层大气区域，与中性的上层大气一起，将人们生活和呼吸的低层大气区域与与外太空分隔开来。

3. 形态变幻莫测，不可预判

电离层是不断变化的。电离层由那些被太阳辐射而电离的粒子组成，所以电离层会随着日出日落而变化。在夜间，由于不受太阳照射，先前被电离的粒子会重新组合成为中性粒子，电离层的浓度就会变低。除却太阳辐射，电离层还会受到太空和地球本身的各种扰动源影响产生很多不可预测的变化，这让我们无法准确判断某个特定时间的电离层形态。

4. 受地球恶劣天气影响

台风或雷暴等来自地球的恶劣天气会产生压力波，向上激发引起电离层扰动。这也是导致电离层变化的一个因素。

5. 亦受太空天气影响

由于电离层由带电粒子组成，它对太空中不断变化的磁电情况具有独特的反应性。 这些磁电情况以及带电粒子爆发等其他事件被称为太空天气，通常与太阳活动有关。 除了地球上的常规天气外，太空天气是影响电离层的另一个主要因素。

6. 电离层会“发光”

气辉是地球高层大气的微弱发光现象。当高层大气中的原子和分子受到太阳光的激发，在释放多余的能量时就会产生微弱光辉。此外，当被太阳光电离的原子和分子碰撞并捕获到自由电子时也会产生气辉。

气辉不仅仅是一项“自然奇观”，更包含着大量的高层大气和电离层信息。受大气气体、海拔区域和激发过程影响，每种大气会呈现出不同的色彩。因此，我们可以利用气辉来研究不同气体的位置和动态。

7. 低轨道卫星和空间站的家园

这个与太空接轨的边界区域正是许多低轨道卫星和国际空间站的所在地，该区域运行的卫星遭受着电离层波动的影响——当磁暴爆发时，大量带电粒子注入大气层并受热膨胀，空气阻力会随之骤增，倘若未能及时加速调整到高轨道，卫星的运行速度会越来越慢，直至脱轨甚至坠落。

8. 干扰信号传播

电离层在日常通信和导航系统中有重要影响。无线电和GNSS信号可以穿过大气包括电离层，也可以通过电离层反射信号到达他们的目的地。电离层的密度和成分变化都将干扰这两种信号的传输。

9. 影响定位和导航

作为高层大气的一部分，地球电离层是导航卫星和地球之间无线电波在空间传播的最重要的大气层。通常情况下，电离层是单频 GNSS 接收机单点定位的最大误差源。例如，下图显示了 2015 年 3 月 17 日圣帕特里克节 13:00 UT 的全球垂直总电子含量 (VTEC) 地图。这些大的 VTEC 变化主要是由强烈的地磁风暴引起的（Erdogan 等，2020）。

电离层对无线电波的影响是双重的，既能改变信号的传播时间，又能影响信号的传播路径。在大多数实际应用中，电离层对信号传播路径的影响可忽略不计。电离层延迟直接取决于卫星发射端和地面接收端之间沿信号路径的电子密度的积分，即所谓的倾斜总电子含量(STEC)。换句话说，如果通过电离层模型中得知沿射线路径的STEC，便可以计算出单频GNSS测量的延迟，并在一定程度上加以修正。然而电离层是不断变化的，高精度的电离层模型只能和时效性妥协。也就是说，你只能快速地获得预测的电离层模型，或者在事后获得更准确的电离层模型。

在RTK算法中，电离层延迟可以通过双差消除，其原理是假设卫星发射端到地面基站接收端和卫星发射端到地面移动站接收端的延迟是一致的，随着基线的增长和电离层活跃度加大，两者的一致性会变差。在长基线RTK计算中，目前流行的ionosphere-free的线性组合可以消除电离层一阶项的影响，但同时放大了噪声和多路径效应；在网络RTK的虚拟参考站算法中，也有基于基线长度和电离层活跃度的内插模型算法研究，但是当电离层过分活跃时，虚拟参考站数据的准确性将大打折扣。因此，在电离层非常活跃的情况下，超短基线是相对可靠的工作方式。