自适应功能与随机模型优化方法：缓解电离层扰动对NRTK定位的影响及其在低纬度地区的应用

本刊推荐：针对太阳活动高峰年电离层扰动加剧导致GNSS定位精度下降的问题，研究人员开展了面向复杂电离层环境的网络实时动态定位（NRTK）优化方法研究。通过服务器端电离层扰动预警与用户端电离层残差估计及自适应随机模型的协同处理，显著提升了定位精度与可用性。实验表明，该方法在强电离层活动期间将固定率从58%提升至84%，水平与垂直定位精度分别提高37.6%和41.6%，对保障低纬度地区高精度定位服务具有重要意义。

　　

当前，太阳活动已进入第25个活动周期的高峰年，这对全球导航卫星系统（GNSS）的定位精度与可靠性产生了显著且关键的影响。强烈的电离层闪烁和总电子含量（TEC）波动会导致GNSS观测值出现显著误差，尤其在低纬度区域更为严重。为了解决这一问题，本研究提出了一种针对复杂电离层环境改进的网络实时动态定位（NRTK）方法。

为什么要开展这项研究呢？长期以来，电离层延迟一直是高精度GNSS定位的主要误差源之一。在过去二十年中，大量研究致力于减轻其影响。然而，在电离层活动加剧或电离层暴期间，NRTK用户很难获得固定解，尤其在低纬度地区，当参考站间距离超过30公里时，定位精度显著下降。现有的电离层建模方法在电离层活动期间精度退化，导致较大的电离层建模残差，进而降低了NRTK服务的准确性、可用性和连续性。因此，实现厘米级精度的NRTK定位在电离层活动期间仍然是一个挑战。

为了缓解电离层插值残差的影响，学者们提出了电离层加权模型，该方法显著推动了中长基线RTK定位的发展。目前，将多站网络电离层校正与电离层加权模型相结合，已成为精确GNSS相对定位最有效的策略之一。尽管如此，电离层参数估计方法在强电离层扰动下仍然存在困难，特别是在电离层参数初始化、合适的过程噪声规定以及适当的观测随机模型制定方面。

本研究旨在通过利用服务器端提供的电离层扰动信息，在用户端动态激活电离层参数估计，并自适应调整电离层参数的过程噪声。此外，扰动信息还用于细化相位和码观测值的随机模型。实验证明，通过减轻服务器端电离层插值模型引入的残差误差，在严重电离层扰动条件下，RTK定位的可用性和准确性得到显著提升。

研究人员为开展本研究采用了几个关键技术方法：首先，基于香港地区连续运行参考站（CORS）网络数据，计算了电离层扰动指数ROTI（TEC变化率指数），并分析了其与插值误差和固定率的相关性；其次，构建了包含电离层残差参数的双差观测模型，采用扩展卡尔曼滤波进行参数估计，并利用几何无关组合观测值实时计算电离层延迟变化以动态调整过程噪声；最后，基于ROTI和高度角加权模型，优化了用户端随机模型，对受闪烁影响的卫星进行降权或剔除处理。

研究结果主要包括以下几个方面：

电离层扰动与插值误差的关联分析

通过分析2019年（低太阳活动年）和2024年（高太阳活动年）的数据，发现2024年电离层扰动指数ROTI与电离层插值误差的RMS呈强正相关（相关系数0.91），而2019年相关性较弱（相关系数0.11）。这表明在高太阳活动年，电离层闪烁比例的增加会导致插值误差显著增大。

电离层扰动对固定率的影响

2024年数据表明，ROTI与NRTK用户端固定率呈强负相关（相关系数-0.9）。当电离层闪烁比例超过50%时，固定率下降至50-70%。而2019年固定率始终保持在95%以上，闪烁比例低于10%，相关性仅为0.01。

改进定位方法的性能评估

对2024年9月数据的分析显示，与传统NRTK方法相比：

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  方法A（电离层残差估计）将平均固定率从58.6%提升至79.8%
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  方法B（结合自适应随机模型）进一步将固定率提升至84.1%
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  水平定位误差从6.93厘米降低至4.32厘米（改善37.6%）
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  垂直定位误差从12.76厘米降低至7.45厘米（改善41.6%）

不同电离层条件下的定位表现

在电离层闪烁比例为12.29%的温和条件下，三种方法定位精度相当；当闪烁比例升至28.19%时，方法A和方法B均优于传统方法；在闪烁比例达到54.05%和65.95%的严重条件下，方法B表现出显著优势。

可用性提升分析

对87个固定率低于90%的样本分析表明，方法A使53%的样本固定率提升至90%以上，方法B进一步将可用性提升至61%，显著改善了强电离层扰动期间的定位服务连续性。

研究结论表明，本研究提出的改进NRTK定位方法通过服务器端扰动信息生成与用户端电离层残差估计的有机结合，有效缓解了太阳活动高峰年电离层扰动对GNSS定位的不利影响。通过引入ROTI指数和高程依赖加权模型，进一步优化了用户端RTK定位的随机模型，增强了算法在不同电离层环境下的适应性。

该研究的重要意义在于：首先，建立了电离层闪烁比例与插值误差的定量关系，为随机模型优化提供了理论依据；其次，提出的自适应处理方法显著提升了强电离层扰动期间的定位性能；最后，该技术对保障低纬度地区在太阳活动高峰年的高精度定位服务具有重要实用价值，为未来智能导航系统在极端空间天气条件下的可靠运行提供了技术支撑。

这项由武汉大学张金胜等人完成的研究发表在《Satellite Navigation》期刊上，为GNSS高精度定位技术在电离层扰动环境下的应用提供了创新性解决方案。