ARTEMIS：卫星导航电离层精准监测助力北斗高精度应用

在国家重点研发计划项目的支持下，中国科学院空天信息创新研究院联合波兰UWM大学开展融合北斗和Galileo的全球电离层实时精细化探测方法研究，研发了多尺度空间电离层天气实时监测和服务平台ARTEMIS，在我国建成国际权威的IGS电离层分析中心，服务产品的精度长期稳居全球前列；研制了北斗/GNSS空间大气一体化探测设备（BDSmart），并在气象领域开展北斗技术规模化应用；首次实现了北斗/Galileo和低频无线电天文望远镜（LOFA）的电离层联合观测；以高精度电离层观测信息为基础，联合精密卫星轨道和钟差等产品，共同推动“北斗+Galileo”高精度定位在自动驾驶、空天遥感、智能手机等领域的应用。

电离层是距地面大约50千米至1000千米范围内的大气层，其中存在的大量自由电子和离子会对卫星导航信号、卫星通信信号等无线电波的传播产生显著影响，主要表现为信号延迟、弯曲、衰减和散射等。电磁波经过电离层时会受电子影响发生折射，使信号传播路径变长，即产生信号延迟。这种延迟会影响全球导航卫星系统（GNSS）的定位精度，对测绘、精密农业、自动驾驶等高精度定位应用的影响尤甚，因此进行电离层校正十分必要。此外，电离层的不均匀性和电子密度变化还会导致信号弯曲和偏差，影响定位的准确性。

实时高精度电离层天气监测，已成为制约我国导航定位、短波通信、航天测控等重大航天任务实施的共性关键技术，也是突破作为我国地球科学领域三大“硬骨头”难题之一的“空间天气预报”的核心抓手。近年来，以我国的北斗（BDS）、欧盟的伽利略（Galileo）、美国的全球定位系统（GPS）为代表的全球导航卫星系统迅速发展，并成为电离层监测的主要技术手段之一，特别是北斗和Galileo的新型多频信号体制以及混合星座构型为提升电离层探测的效能提供了更为有利的条件。

中国科学院空天信息创新研究院与波兰奥尔什丁瓦尔米亚玛祖里大学（UWM）电离层研究团队开展深度合作，充分挖掘北斗和Galileo的技术特色，系统地突破北斗/Galileo/GPS电离层关键参数实时精确提取、多模多频差分码偏差实时精确确定、电离层总电子含量（TEC）实时精确建模、电离层扰动和闪烁指数实时模型构建以及电离层三维电子密度实时精确反演等系列关键技术；研发基于北斗/Galileo/GPS的电离层实时精确监测和服务系统，设计并产出包括电离层总电子含量、三维电子密度、扰动等在内的系列实时产品，开展面向导航定位、短波通信和科学研究等领域的应用验证及相关产品的国际推广。

星地异构多源观测高精度

电离层信息精确提取技术

全球电离层总电子含量实时精确反演是推动空间电离层天气应用的基础与核心。通过国际合作，在国际GNSS服务组织（IGS）、国际大地测量协会（IAG）、国际GNSS监测评估中心（iGMAS）等国际学术组织的协调下，实现了“站网资源互补、多模GNSS合作”；课题组完成了2000—2024年间全球GPS、Galileo和北斗历史观测资料和实时数据流、多普勒卫星测轨和无线电定位组合系统（DORIS）、卫星测高等电离层原始观测资料数据库构建；利用高精度处理手段，提取电离层总电子含量观测资料，主要包括：

针对地基GNSS观测数据，采用非差非组合精密单点定位（PPP）技术，利用精密卫星轨道及卫星钟差等外部约束信息，对测站位置、接收机钟差及对流层延迟等频率无关项作估计处理，同时采用最小二乘法实现模型参数的估计，提高了参数估计的抗差能力及可靠性。

针对DORIS观测数据，利用星基RINEX格式（一种与接收机无关的数据交换格式）的DORIS观测文件，基于载波相位的组合提取差分斜向总电子含量（dSTEC）观测信息。得益于DORIS双频信号之间较大的频率差，DORIS-dSTEC的提取精度高达0.028 TECu（TECu为电离层总电子含量单位，1 TECu=1×1016电子数/平方米）。

针对测高卫星观测数据，利用严格的数据预处理策略及窗口平滑实现测高卫星电离层信息的提取，该信息可以填补地基GNSS电离层的观测空白，对于全球/海域电离层参数反演具有重要意义。

多尺度电离层趋近式快速建模技术

联合波方协调的全球和欧美区域北斗/Galileo实时观测数据，建立全球、区域及局部电离层延迟趋近式快速精准模型化方法，形成“全球精确-区域精化-局部精细”的卫星导航电离层延迟精确模拟与校正的新思路。以北斗/GNSS、测高卫星和DORIS等为代表的电离层观测具有非同步的问题和星地异构的特点，这严重制约其在实时模式中的应用效能。对此，课题组通过发展“建模+预测”的循环迭代处理策略，将非同步观测的贡献延拓至当前历元；结合星地异构特点，设计各类系统误差的序贯处理和动态调整方法，以削弱由残余误差无限累积导致的解算不稳定程度；借鉴“虚拟观测”和“大网处理”的思想，大幅提高实时解算效率；在此基础上，建立实时模式下利用非同步星地异构观测进行电离层总电子含量反演的系统解决方案，在全球范围内实现优于3 TECu的反演精度；此外，考虑到中国中低纬度地区的电离层较为活跃，电离层变化更为复杂，课题组提出了调整球谐函数附加克里金插值估计的区域电离层建模方法（SHAKING），实现了对中国区域电离层状态的实时监控。

ARTEMIS电离层云服务平台

为保障电离层状态监测的实时应用性能，课题组建立了ARTEMIS电离层云服务平台。该平台主要提供的服务包括：电离层总电子含量；扰动指数（ROTI）、电离层闪烁指数（S4）、电离层空间梯度指数（GIX）等电离层异常效应指数；GNSS单频用户应用验证等。同时，用户可通过文件传输协议（FTP）服务获取课题组公开提供的GNSS电离层服务信息（ftp://ftp.gipp.org.cn/product）或通过在线网页（http://iono.bdsmart.cn/）获取相关信息。

研制空间大气探测设备

助力北斗规模化应用

随着国家空间天气监测预警中心和有关部门的业务发展，我国对电离层及对流层的监测数据的需求更加迫切、要求逐渐提高。课题组突破基于北斗的低层大气和空间天气关键参数一体化探测技术，完成相关设备研制，不仅具备低层大气水汽含量实时探测和处理能力，而且拓展实现空间电离层的有效观测，技术指标与Septentrio等欧美设备性能相当，部分指标更优。通过部署新一代的北斗大气探测设备，构建大规模北斗空间天气观测网，提升空间大气参数观测分辨率、精度和时效性，统筹实现低层大气和空间电离层的联合探测，对于全面提升我国气象观测能力，确保安全可控和高质量发展具有重大意义。

空间天气监测应用：基于上述成果，课题组建立了融合北斗和Galileo的全球电离层实时精细化探测技术和方法，共同研发了多尺度空间电离层天气实时监测和服务平台；根据电离层通用格式，生成全球、中国区域电离层二维格网产品，开展空间天气监测应用。相关产品在中国和波兰双方的共同努力下，作为IGS电离层分析中心产品纳入IGS服务框架，对产品成果的推广应用起到了积极作用。还在我国筹建了中国科学院IGS电离层分析中心（代号CAS）、国际GNSS服务组织实时分析中心（代号CAS），并牵头成立了IAG4.3分委会Geodetic Remote Sensing、国际DORIS服务组织NRT DORIS DATA工作组等，提供的相关服务产品的精度长期位居全球前列。

民航安全服务应用：民用航空主要关注空间大气的变化及状态监测。一方面，开展电磁环境监测，以保障通信服务的稳定；另一方面，开展电离层延迟修正及完好性监测，保障民航服务中定位的安全可靠。其中，课题组针对中国境内电离层变化特性，设计了SHAKING电离层模型，以提高北斗星基增强系统（BDSBAS）民用服务平台电离层安全服务的精度、可靠性、可用性和连续性, 提高飞机导航应用时GNSS定位的安全可靠。此外，课题组向国际民航组织（ICAO）全球空间天气中心（中国）提供电离层格网产品，用于监控电离层活动状态。

高精度定位应用：课题组开展面向大众消费级终端的GNSS实时精密点定位方法研究，提出一种智能手机的精密单点定位方法——Smart-PPP，基于安卓平台研发了Smart-PPP应用软件，支持包括华为、小米、OPPO等主流智能手机的高精度定位。依托BDSMART北斗精准智能定位服务平台，联合泰方团队开展Smart-PPP在中国及泰国地区的定位性能测试。结果表明，Smart-PPP显著优于智能手机自身的定位效果，能够辅助实现车道级的导航定位。

未来，课题组将通过卫星、互联网等多种方式，向用户播发全球、区域、局域多尺度电离层实时修正信息，可满足用户不同的定位精度需求，实现北斗系统定位性能的进一步优化提升；通过构建完善的多维度电离层实时监测方法，以资助的电离层精准监测技术为核心，助力北斗高精度定位技术的规模应用。

致谢：感谢国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项项目“基于北斗/Galileo/GPS的电离层关键参数实时精细探测、建模及产品国际推广”（项目编号：2017YFE0131400）的支持。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2024年8月刊。

专家简介

李子申：中国科学院空天信息创新研究院研究员，入选国家高层次领军人才，获国家优秀青年基金资助，曾获国家科技进步二等奖、北京市自然科学二等奖、中国发明专利优秀奖和湖北省自然科学一等奖等。

王宁波：中国科学院空天信息创新研究院副研究员，中国科学院青促会成员，IGS实时委员会副主席，曾获国际无线电科学联盟青年科学家奖、湖北省自然科学一等奖等。

刘昂：中国科学院空天信息创新研究院助理研究员，曾获北京市自然科学二等奖、中国科学院院长奖学金等。

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本文转载自“悦智网”，原标题《ARTEMIS：卫星导航电离层精准监测助力北斗高精度应用》。

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