电离层如何影响
GPS/GNSS 定位导航
背景
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大家都很熟悉GPS（Global Positioning System）是美国发展起来的第⼀个全球定位系统，后来随着其它三个全球定位系统的发展，包括俄罗斯的格洛纳斯系统，欧洲的伽利略系统，以及我国的北⽃系统，全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System， GNSS)这个词就变得越来越普遍了，它是包括了GPS 在内的四个全球定位系统的统称。
图源：https://www.spirent.cn
虽然大家还是经常说智能⼿机⽤GPS 导航，其实智能⼿机除了使⽤GPS 卫星信号之外，很有可能还同时使⽤北⽃及其它GNSS卫星的信号做定位导航。因此更准确更⼴泛⼀点说，我们⼤家现在都⽤GNSS 卫星信号做定位导航。
当GNSS卫星从⼤约2万公⾥⾼空朝地球发射电磁波信号的时候，电磁波信号要穿过⼀个叫做电离层的⾼层⼤⽓区域，才抵达地⾯或者空中的GNSS接收机，例如我们的智能⼿机、⽆⼈机和商业航班上⾯的GNSS 卫星信号接收装置。国际上普遍将距离地⾯⼤概60 公⾥到1000 公⾥⾼度这⼀层叫做电离层。在这⼀⾼度区域内的中性⼤⽓分⼦和原⼦在太阳紫外线、Χ射线和⾼能粒⼦等作⽤下获得能量，产⽣⾃由电⼦和离⼦，形成包含了⼤量⾃由电⼦的电离层。
图源：https://www.baike.com/wikiid/4553521856914230094
通常，电离层中电⼦密度在空间的分层结构是⼤致规则的，它们的存在会给穿过其中的GNSS 卫星信号带来⼏⽶甚⾄上百⽶的距离误差，这个误差通常叫做电离层误差，幸运的是这种电离层误差可以通过⼀定的⽅法和模型进⾏修正，⽽且效果相对⽐较好。
⼀般⽽⾔，电离层中的电⼦密度在距离地⾯250 公⾥到400 公⾥这个区间最⾼。值得指出的是，电⼦密度的分布随空间、年份、季节、时间的变化⽽变化，⽽且这种变化具有很⼤的不可预测性。
通常⽽⾔，在极区和⾚道电离层异常区（包括⾹港）⽐较容易发⽣电离层闪烁现象；在太阳活动⾼峰年期间（以11年为周期，现今就属于第25个太阳周期的⾼峰年）发⽣更加频繁。研究表明，我国低纬电离层闪烁春季最频繁、秋季次之；⼀⽇之中电离层闪烁主要出现在⽇落后⾄黎明前。当GNSS卫星信号经过电离层电⼦密度分布不均匀结构（规模为⼏⼗⽶到⼏⼗公⾥）的时候，⽆线电信号就会产⽣⼀种快速抖动的现象，它严重影响GNSS 信号的质量，这就叫做GNSS 电离层闪烁。电离层闪烁会将卫星信号强度降到原有强度的1%甚⾄更低，导致GNSS 定位导航误差变⼤，在严重的情况下甚⾄会导致GNSS接收机完全接收不到卫星信号，最后⽆法定位导航。
02
图源：https://www.geodetic.gov.hk/tc/satref/satref.htm
⾹港特区政府辖下的地政总署测绘处在2010 年建⽴了⼀个覆盖全港的⾹港卫星定位参考站网，为全港的测绘⼯作者、GNSS 定位导航⽤⼾免费提供⾼质量的参考数据，能帮助⽤⼾利⽤市⾯上不同GNSS仪器进⾏快速和⾼精度的定位导航，是现代⾼科技在⾹港智慧城市建设中发挥巨⼤作⽤的⼀个典型例⼦。
GNSS 卫星定位参考站网中包括三个监测站，从北向南分别位于粉岭、⼤⽼⼭、鲗⿂涌，可以根据它们的监测结果，了解其附近区域GNSS 定位误差变化情况。在通常情况下如果这种监测站的误差变⼤，是由于电离层闪烁导致的。
笔者检查了2024 年9 ⽉30 ⽇本地时间从下午2 点到晚上11 点这段时间内粉岭、⼤⽼⼭、鲗⿂涌三个监测站的结果，发现粉岭监测站的数据正常，定位结果精确，GNSS 定位误差不到⼀个厘⽶；但是⼤⽼⼭监测站从晚上8 点半开始到晚上11 点，定位误差⾼达⼆⼗多个厘⽶，有的时候甚⾄超过了系统事先设定的最⼤值。⾄于鲗⿂涌监测站，由于从当天晚上6 点半到次⽇13 时左右发⽣供电意外故障，导致无法提供数据。粉岭和⼤⽼⼭这两个监测站之间直线距离略⻑于⼗七公⾥，由此可⾒，即使两地相距不到⼆⼗公⾥，其电离层闪烁情况可以完全不⼀样，这也就可以理解为什么深圳可以进⾏无⼈机表演⽽⾹港⻄九⿓无⼈机无法表演。因为无⼈机GNSS定位不精确，很有可能会导致无⼈机互相碰撞。
这次事件的发⽣也提醒我们，⼤⾃然还有很多未知的奥秘，需要我们不停的探索和研究。
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刘志赵博⼠，⾹港理⼯⼤学⼟地测量及地理资讯学系教授、系副主任（对外交流），⻓期从事GPS/GNSS 精密定位导航、电离层闪烁监测、空间天⽓对⻜⾏导航的影响、⼤⽓⽔汽遥感及其对AI 和数值天⽓预报的影响等⽅⾯的研究。他是⾹港天⽂台科学顾问、⾹港⽓象学会理事和终⾝会员、⾹港⼯程测量师学会会⼠，以及加拿⼤地理信息学会⾹港分会⾸任会⻓。
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