北斗赋能大气感知 低纬电离层精准“画像”

电离层是距地面60至1000公里的高空大气层，其中的带点粒子会延迟GNSS信号传播，成为制约高精度定位的“拦路虎”。随着GNSS高精度定位技术在测绘地理信息、智能交通、无人驾驶等领域的深入应用，用户对定位精度、可靠性与收敛速度提出更高要求。而在各类误差源中，电离层延迟始终是制约基准站网基线解算精度与模糊度固定可靠性的主要瓶颈——尤其在太阳活动高年、电离层剧烈扰动等极端空间环境条件下，现有网络RTK服务性能存在显著下降甚至中断的风险。

在广东所处的低纬地区，日落后电离层底部F区（下边界≈140km）易发生等离子体不稳定过程，形成沿磁力线延展的电子密度耗空区及多尺度不规则结构，即通常所说的“电离层不规则体”（又称等离子体泡）。这类结构会引起GNSS载波相位快速扰动和信号闪烁，严重时可导致接收机失锁、定位误差增大、服务连续性下降，是低纬地区高精度定位服务质量的关键威胁。

面对这一难题，研究团队另辟蹊径：依托GDCORS密集北斗观测网，选取北斗地球静止轨道（GEO）卫星作为主要观测对象，构建区域GEO-ROTI（电离层扰动指数）数据集。

研究团队选取北斗地球静止轨道（GEO）卫星作为主要观测对象，依托GDCORS 2023年的GNSS连续观测数据，选取30个夜间样本，重点处理BDS C01—C05等GEO卫星观测资料，构建5分钟分辨率的区域GEO-ROTI（电离层扰动指数）数据集。如图1所示，BDS GEO卫星在研究区内具有稳定的观测几何，不同GEO卫星的IPP在广东及邻近低纬区域形成相对稳定的空间采样，为区域GEO-ROTI增强结构识别和形态演化分析提供了观测基础。（见图1）

 图1 北斗GEO卫星电离层穿刺点（IPP）分布

基于30个夜间观测样本的分析显示，观测日可按峰值强度、活跃测站占比和持续时长划分为强区域增强、中等区域增强、弱增强和平静四类。如图2所示，其中强事件日的GEO-ROTI在日落后整体抬升，与平静日的低水平背景差异明显。统计结果显示，强增强事件多发生于日落后至午夜前，峰值出现在当地21:00前后，并主要集中在春秋两季。（见图2）

图2 平静日与强事件日GEO-ROTI对比

将增强结构还原到二维平面后研究发现，7个强增强日的持续时间为150—360分钟，最大连续增强区占比0.73—1.00，差异显著。结果表明，低纬夜间不规则体并非都表现为单一结构的整体平移，而是存在单主斑块、多斑块等多种空间组织方式——有的呈现单一连续主体形态（见图3），有的则呈现多中心并发特征（见图4）。

图3 DOY049强增强日GEO-ROTI二维形态演化（单一连续主体）

图4 DOY290强增强日GEO-ROTI二维形态演化（多中心并发）

在二维结构识别基础上，团队进一步利用不同电离层穿刺点的扰动到达时间差进行平面拟合，结果表明观测到的电离层增强带以纬向运动为主；各方向速度分量（见图5）与国内外气辉成像、雷达观测获得的低纬夜间等离子体泡漂移速度处于同一范围，充分验证了方法的有效性。

图5 局地传播段日期分布与运动速度统计

本次研究是项目在电离层方向取得的首批系统性成果，具有三重价值：

一是拓展GDCORS数据应用维度，进一步将北斗观测数据用于电离层空间天气监测，推动系统从“定位基准服务”向“定位＋大气环境感知”拓展；

二是直接支撑项目后续建设，所形成的不规则体识别方法、形态参数指标与发生规律，可作为深度学习大气改正因子模型的特征输入，并为电离层状态实时监测与分级预警模块提供阈值依据和算法基础；

三是形成自主可控的区域监测能力，具有连续运行、成本低、覆盖广的优势。

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