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今年，接二连三的几次地磁暴着实让测绘人头疼。然而，如果我告诉你这些还只是“前菜”，真正的“主菜”还在后面，你会作何感想？研究统计表明，太阳活动每11年达到一次高峰，下一次高峰——也就是真正的“主菜”预计在2025年出现，届时GNSS信号的延迟和稳定性将受到直接影响，并可能对精确定位产生负面影响。
继续阅读本文，了解我们即将面临的挑战，以及Trimble技术如何助您面对疾风，无畏挑战！
首先让我们了解一下什么是电离层干扰，以及它是如何影响全球导航卫星系统的？
01.
太阳活动周期
太阳黑子是太阳表面经常出现的阴暗斑点，由活跃的磁通量减少对流造成。太阳黑子越多，磁场极性越复杂，磁场强度越大。太阳黑子会喷射出粒子，这些粒子会增强太阳风，并可能被带到地球上。随着更多的粒子撞击地球，大气层中的电离层会变得更加带电，从而导致来自电离层的GNSS信号延迟增加。
美国国家海洋和大气管理局太阳活动周期预测模型
02.
电离层
电离层位于地球表面80至600公里之间，其中有大量带电原子和分子，导致穿过它的GNSS信号会出现延迟。延迟与频率的平方成反比，例如频率较高的L1信号的延迟会小于L2信号。描述电离层的一个常用指标是电子总含量（TEC），这是直线上两点之间的电子总数，例如从接收机到卫星的电子总数。穿过电离层的延迟并不是固定的，它会根据一天中的时间、年份和位置发生变化。接收机与卫星之间的角度也会影响延迟的大小。高海拔信号穿过电离层的路径最短，因为路径与电离层垂直。低海拔信号将以一定角度穿过电离层，因此会产生更高的延迟。在没有地磁暴的情况下，电离层与太阳活动相关，因此延迟峰值出现在午后，夜晚延迟较低。
03.
赤道效应
在赤道附近的夜间时段，电离层中的等离子体会上升。这可能会导致电离层内的不稳定。在这种情况下，GNSS信号会受到电离层中不同电子密度的影响，从而导致相位和振幅的快速变化，导致跟踪不良、完全失去锁定和/或载波相位周跳。它的发生也有周期性，大部分干扰发生在9月至次年3月，严重程度取决于11年的太阳周期。
04.
极性效应
太阳黑子能从太阳喷射出速度为每秒几百公里到每秒几千公里的物质，这种现象被称为日冕物质抛射。当日冕抛射物抵达地球时，由于地球磁场的作用，日冕抛射物会飞往两极，对两极的电离层造成严重影响。除了影响GNSS的性能外，有时还可以观测到极光。在更强烈的地磁暴期间，极光会延伸到低纬度大陆，进而会影响到低纬度地区的GNSS信号。
05.
全球影响
虽然最明显的干扰发生在赤道和高纬度附近，但随着太阳周期最大值的临近，我们也观察到全球电离层延迟测量值有所增加。虽然利用双频和三频技术通过使用电离层组合来减轻这些影响，但这也增加了测量和定位噪声。电离层保护已成为全球GNSS接收机的关键需求！
接下来，让我们来看看Trimble为了应对地磁暴都做了哪些准备。
在当前太阳周期的初期，Trimble就开始了数据收集和研发工作，以确保硬件和软件准备就绪，最大限度地提高客户的生产率。
01.
GNSS规划在线工具
Trimble建立了一个全球电离层测量网络，通过GNSS Planning Online (www.gnssplanning.com) 工具，您可以提前规划，避免在干扰概率较高的时段工作。
工具供了特定地点和时间的电离层指数值。这是一个从0到10的数值，表示电离层水平，由测量的TEC和大气闪烁得出。
02.
数据收集
为了在GNSS RTK接收机中设计出有效的电离层减缓方法，Trimble工程师需要从问题普遍存在的地区收集数据。在太阳活动频繁期间，除了收集所有GNSS频率的原始射频数据外，还要收集伪距和载波测量数据。Trimble在多个赤道和高纬度地点安装了在线连续运行的接收机和射频记录仪，采集了大量常规季节性电离层活动，以及一些重大太阳风暴事件期间的数据。这些数据为研发提供了基础。利用重放数据对信号处理技术和RTK算法进行了调整。然后将更新的固件加载到现场接收机中进行实时评估。
03.
Trimble IonoGuard™技术应运而生
收集来的数据被用于开发下一代 Trimble IonoGuard 技术。
信号处理补救
在地磁暴期间，通过电离层的相位和群延迟可能会出现明显的频率差异。因此，接收机的运行不能依赖于任何一个频率，这一点非常重要。Trimble的GNSS信号处理已经更新，可以独立跟踪信号。但2005年之前发射的GPS卫星上的L2信号除外，这些信号需要L1协助跟踪。考虑到这一点，IonoGuard会在地磁暴期间调整这些信道的信号处理，以尽量减少跟踪误差。
RTK算法依赖于所有频率的载波相位测量。在极端电离层事件中，接收机可能会短暂失去对载波的锁定，通常只有几秒钟。利用IonoGuard技术对相位跟踪算法进行改进后，恢复载波相位跟踪所需的时间缩短了，潜在干扰也降到了最低。Trimble ProPoint® GNSS 技术对所跟踪的信号也不受限制，例如，它可以使用三频、双频或单频测量的任何组合。
Trimble ProPoint RTK 补救
Trimble IonoGuard已与Trimble ProPoint RTK引擎紧密集成。当基站和流动站接收机都启用IonoGuard时，可实现最佳性能。基站启用IonoGuard后，每颗卫星的电离层信息都会通过CMRx或RTCM MSM协议传输到流动站接收机。IonoGuard流动站接收机利用这些信息和自己的电离层测量结果来优化计算位置。
如果基站接收机未启用IonoGuard，那么IonoGuard流动站将分析标准基站信息，确定是否需要进行电离层调整，然后利用这些调整来提高定位性能。这种方法不如从基站发送更详细的电离层信息来得严格，但在使用非Trimble ProPoint接收机或第三方基站接收机时可以提供帮助。
客户诊断
高精度定位系统的故障排除可能是一项昂贵的工作。多径、干扰和其他因素都可能导致与电离层干扰类似的结果，因此准确、快速地定位非常重要。随着Trimble IonoGuard的推出，接收机Web界面上又多了一个“交通灯系统”。绿色、黄色、橙色或红色图标表示RTK基站在每颗卫星上受到的电离层干扰程度。流动站接收机通过接收到的IonoGuard基站信息显示同样的信息。
如果基站没有收到IonoGuard信息，则圆圈符号处将显示为方形符号，并显示流动站对基站电离层活动的计算结果。
基站网络界面上还提供了基站电离层活动的历史记录。
所有电离层数据都记录在标准的Trimble T04原始数据文件中，这有助于Trimble支持团队进一步诊断问题。
04.
实际应用结果
在电离层干扰水平较高的地区持续运行的基站和流动站接收机，将启用了IonoGuard的固件与未启用的固件进行比较，前者的定位精度明显高于后者。以下是2023年8月5日地磁暴期间巴西、秘鲁和瑞典北部的数据。蓝线为未启用IonoGuard的固件的水平定位误差（以米为单位）。红线代表IonoGuard的性能。
巴西数据
秘鲁数据
瑞典数据
在垂直精度方面也取得了类似的结果。这些结果表明，在电离层活动频繁的情况下，IonoGuard不仅能确保持续提供厘米级精度，而且还能达到采矿、建筑、农业和地理空间应用可接受的水平。
结论：
Trimble不断调整信号处理和算法，IonoGuard技术用于优化关键应用中的精度、可用性和完整性，进一步提高了ProPoint接收机的卓越性能，让您在工作中可以充满信心。
