全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)作為關鍵技術系統(tǒng)，已廣泛應用于精密農業(yè)、自動駕駛、地質監(jiān)測、金融授時、電網(wǎng)同步和智慧城市管理等眾多領域。然而，GNSS的精度、可靠性和完好性不僅取決于衛(wèi)星星座的硬件性能，更受到信號傳播路徑中介質環(huán)境狀態(tài)的顯著影響。電離層作為地球上空約60至1000公里高度范圍內的重要電離介質，受空間天氣擾動，呈現(xiàn)出從全球異常、區(qū)域結構、介觀強梯度到小尺度不規(guī)則體的多重尺度變化特征，對GNSS信號傳播產生復雜的影響。

磁暴的效應非常復雜且多樣，不同尺度的電離層結構對GNSS定位的影響機制也截然不同。以往聚焦于磁暴期間全球尺度范圍內GNSS定位精度的研究，目前尚未建立從電離層響應特征結構與GNSS定位影響的完整機制。

中國科學院地質與地球物理研究所劉立波研究員團隊基于GNSS電離層觀測，結合其它電離層探測，研究了地磁平靜期區(qū)域電離層梯度對標準單點定位和磁暴期間小尺度電離層不規(guī)則體對精密單點定位的影響。

憑借電離層穿刺點保持靜止的優(yōu)勢，北斗地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星觀測到總電子含量（TEC）數(shù)據(jù)特別適合用于觀測電離層區(qū)域結構。圖1展示了GEOTEC觀測到的在20°N–30°N緯度帶內陡峭的東西向TEC梯度?，F(xiàn)有全球電離層模型（GIM）如IGS、CODE、ESA、JPL、UPC和WHU等，受限于經(jīng)度分辨率較低（通常僅為5°），難以有效刻畫此類精細結構。中國科學院（CAS）和噴氣推進實驗室（JPL）的GIM產品雖通過引入新星座數(shù)據(jù)或改進投影函數(shù)在一定程度上提升了性能，但仍明顯低估了實際電離層的空間梯度。

圖1?2021年9月14日觀測到的（OBS）GEOTEC與GIMs（IGS、CODE、ESA、JPL、UPC、WHU）給出的TEC。（a）北緯13.3°，（b）北緯23.8°。曲線下方陰影區(qū)域表示不同GEO TEC之間的最大差值

標準單點定位的統(tǒng)計結果分析進一步表明，采用GIM TEC 估計電離層延遲時，陡峭的TEC梯度會導致定位誤差增大（圖2）。在陡峭的梯度條件下，使用CASG或JPLG比使用其他模型的標準單點定位誤差小一些。

圖2?SPP在a存在和b 不存在陡峭TEC梯度的情況下，采用CASG、JPLG及其他GIMs的定位結果

另一方面，利用電離層不規(guī)則體指數(shù)和動態(tài)精密單點定位誤差，分析了磁暴期間電動力學過程對定位誤差的影響。電離層測高儀和非相干散射雷達的觀測數(shù)據(jù)揭示了穿透電場的關鍵作用：磁暴期間的穿透電場通過調制日落后電離層不規(guī)則體，直接影響了GNSS定位精度。

在2023年12月1日磁暴事件中，行星際磁場Bz快速南向翻轉觸發(fā)欠屏蔽穿透電場，導致向上的等離子體漂移（圖3），促進了日落后電離層不規(guī)則體發(fā)展，精密單點定位誤差從厘米級惡化至米級（圖4）。

圖3?磁暴期間以及之前IMFBz，三亞（東經(jīng)109.6°，北緯18.3°）電離層測高儀觀測的hmF2和垂直漂移隨時間的變化。黃色高亮部分表示欠屏蔽穿透電場發(fā)生的時間段。藍色虛線表示三亞當?shù)?50km高度的日落時間

圖4?2023年12月1日（磁暴期間）不規(guī)則體指數(shù)和定位誤差隨時間和經(jīng)度的變化。黑實線表示150?km高度日落線

該研究揭示了不同尺度電離層結構對GNSS定位的差異化影響，為提升高精度導航在復雜空間天氣條件下的可靠性提供了重要依據(jù)。

研究成果發(fā)表于國內學術期刊SN（劉立波, 劉昂, 楊雨嫣, 趙秀寬, 李子申, 樂新安, 劉晶, 樂會軍, 陳一定, 張瑞龍, 李文博. Study of regional ionospheric structures and their impacts on SPP and PPP with multi-instrument observations in the Asian sector [J]. Satellite Navigation, 2026, 7:?5. DOI:10.1186/s43020-026-00191-2.）。研究得到中國國家自然科學基金（42530201）、國家重點研發(fā)計劃（2022YFF0504400）、江蘇省基礎研究計劃（BK20250747）、國家重點研發(fā)計劃（2025YFF0512302）以及子午工程項目的共同資助。