电离层闪烁监测与 IONO+ 抗闪烁技术：从 S4 指数到实测验证

摘要

电离层闪烁是 GNSS 定位中最难预测的误差源之一：太阳活动带来的电离层电子密度波动，会让信号的相位与振幅发生失真，温和时使定位精度下降数米，严重时造成周跳甚至完全失锁。本文说明闪烁的成因、发生时地与观测指数（S4 与 σφ），并解析 Septentrio IONO+ 技术如何识别受闪烁影响的信号、在接收机内部估算电离层延迟，从位置解算中将受污染的信号剔除，从而在闪烁期间保持跟踪与定位精度。

关键词：电离层闪烁、IONO+、S4 指数、相位闪烁指数、抗闪烁、周跳、RTK 参考站、Septentrio

一、电离层、闪烁和卫星信号

来自GNSS卫星的信号传播20,000 km到达地球，大部分行程基本上畅通无阻。然而，在地球大气层中，尤其是电离层（地球上方100至1000 km之间的带电层）中，GNSS信号发生折射和衍射，可导致信号延迟和失真。

顾名思义，电离层包含带电荷或被电离的粒子，这是与太阳发射的高能粒子相互作用的结果。这些电离粒子平稳或均匀分布时，GNSS接收机可以根据模型计算它们对卫星信号的影响。当电离层出现不规则状况时，问题出现了。这些不规则状况为电离层电子密度的局部波动，可使GNSS信号的相位和振幅失真，产生称为闪烁的波动。电离层闪烁 (IS) 通常用两个指数来表示：

• S4：振幅闪烁指数；
• σφ：相位闪烁指数。

图1 电离层闪烁的振幅闪烁指数（S4）与相位闪烁指数（σφ）随时间变化：S4>0.6 表示强振幅闪烁，σφ>0.3 表示相位闪烁。图片来源：Septentrio

二、闪烁发生在何处

闪烁事件在地磁赤道附近区域发生的最多、最密集，南极和北极也会发生，但是程度较小。与其他自然现象类似，它们的出现是不可预测的，西欧和美国的中纬度地区也曾报道过闪烁事件。

图2 全球高 S4 闪烁事件的分布：赤道附近区域最密集，中高纬度明显减弱。（数据来源：Inside GNSS）图片来源：Septentrio

三、闪烁发生在何时：太阳活动周期与日变化

太阳运动用太阳黑子数量来衡量，大量记录资料证明存在11年的周期性。太阳活动高峰期的特征是频繁的太阳耀斑，一阵阵释放出强大的高能质子和X射线。这些粒子然后与地球大气层相互作用，使接近太阳活动高峰期的年份闪烁事件增加。闪烁事件还在每天的历程中表现出变化，日落促使电离层活动急剧增加，可持续数小时之久。

图3 2011 年 3 月 26 日巴西（南纬 22°）PolaRxS 接收机连续 24 小时观测的 S4 闪烁指数：日落之后闪烁活动明显增强。图片来源：Septentrio

闪烁事件还在每天的历程中表现出变化，日落促使电离层活动急剧增加，可持续数小时之久。

四、闪烁对 GNSS 定位意味着什么

GPS或者更普遍的GNSS（全球导航卫星系统）接收机利用环绕地球轨道飞行的卫星发送的信号计算它们的位置。太阳活动的增加会产生所谓的电离层闪烁事件，降低卫星信号的质量。对于标准型GNSS接收机，温和的闪烁可使位置精度降低数米。更严重的闪烁可造成周跳，极端情况下，可导致信号锁完全缺失。这些时候，即便正常的无线电通信也会被闪烁严重干扰。因此，无论您在巴西从事精准农业，在阿拉斯加进行石油勘探，还是在新加坡经营大型建设项目，最好确保您的精准GNSS系统具有电离层稳健性。

五、磨砺我们的 IONO+ 算法

巴西是一个经常被闪烁困扰的国家，作为在这个国家参与各种项目的直接成果，Septentrio开发出IONO+技术。采用IONO+技术的Septentrio接收机，能够在阻扰标准型接收机的条件下持续跟踪信号。它还使Septentrio接收机能够识别闪烁事件，限制它们可能对位置精度产生的任何不利影响。上图表示的是静态接收机在闪烁期间计算的高度：IONO+算法正确识别受闪烁影响的信号，将其从位置计算中去除。

图4 静态 PolaRxS 接收机在闪烁期间计算的高度对比：蓝色为标准定位解，绿色为采用抗闪烁算法后的定位解。（数据来源：CIGALA 项目，巴西）图片来源：Septentrio

IONO+技术的目的是减轻正常活动和闪烁的电离层的不利影响。采用标准RTK定位技术时，通常需要参考站网络，对电离层延迟进行插补，在流动站对它们进行补偿。采用IONO+技术时，电离层延迟在内部估算，不需要参考站网络。一个基线达40 km的参考站就足够，如果电离层处于平静状态，基线甚至可达80 km。

六、IONO+ 与常规 RTK 的电离层处理差异

对比项	常规 RTK 定位	采用 IONO+ 的 Septentrio 接收机
电离层延迟处理	依赖参考站网络插补，在流动站进行补偿	在接收机内部实时估算
参考站网络	通常需要	不需要
参考站基线长度	受电离层活动限制	基线达 40 km 即可；电离层平静时可达 80 km
闪烁期间的表现	温和闪烁使精度下降数米，严重时周跳甚至失锁	识别受闪烁影响的信号并从位置计算中去除，持续跟踪信号

七、常见问题（FAQ）

什么是电离层闪烁？

电离层中的带电粒子在太阳高能粒子作用下出现电子密度的局部波动，使 GNSS 信号的相位和振幅失真，产生称为闪烁的波动。通常用两个指数描述：S4 为振幅闪烁指数，σφ 为相位闪烁指数。

闪烁主要发生在哪里、什么时候？

地磁赤道附近区域发生得最多、最密集，南极和北极也会发生，但程度较小；中纬度地区（如西欧和美国）也曾有报道。时间上，闪烁随太阳黑子数量的 11 年周期起伏，太阳活动高峰期更加频繁，同时还有明显的日变化——日落会促使电离层活动急剧增加，并可持续数小时。

电离层闪烁对 GNSS 定位有什么影响？

对标准型 GNSS 接收机，温和的闪烁可使位置精度降低数米；更严重的闪烁会造成周跳，极端情况下导致信号锁完全缺失，此时连正常的无线电通信也会受到严重干扰。

IONO+ 需要参考站网络吗？

不需要。采用标准 RTK 定位技术时，通常需要参考站网络对电离层延迟进行插补并在流动站补偿；采用 IONO+ 技术时，电离层延迟在接收机内部估算，一个基线达 40 km 的参考站就足够，电离层平静时基线甚至可达 80 km。

IONO+ 与 AIM+、RAIM+ 是替代关系吗？

不是，它们针对不同的误差来源与失效模式：IONO+ 处理电离层闪烁带来的信号失真与周跳，AIM+ 在射频前端抑制干扰与欺骗，RAIM+ 在测量层评估一致性、保障解算完整性。对电离层活跃地区的高精度应用，通常需要同时具备这些能力。

哪些应用最需要电离层稳健性？

电离层活跃地区的精准农业、石油勘探、大型建设项目等对连续高精度定位要求高的场景。如原文所述，无论您在巴西从事精准农业、在阿拉斯加进行石油勘探，还是在新加坡经营大型建设项目，都应确保精准 GNSS 系统具备电离层稳健性。

八、相关 Septentrio 产品与方案

IONO+ 是 Septentrio 接收机的固有能力，随固件一同提供。以下 Septentrio 产品线可按应用场景选型：

• Septentrio mosaic-X5 —— 多频多星座高精度模组，适合集成到对电离层稳健性有要求的终端设备；
• Septentrio Mosaic-G5 系列（P1 / P3 / P3H / T / P6 / P8） —— 覆盖从低成本单频到多频 RTK 的模组与板卡；
• AsteRx 系列 —— 面向工业与自动化场景的多频板卡与接收机；
• PolaRx5 系列 —— 面向科学观测与监测网络的高精度接收机，适合电离层与形变监测类应用。

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参考资料与出处说明

作者：管理员

发布日期：2026年9月24日

内容来源：Septentrio 技术文章《电离层闪烁监测 IONO+》（中文本地化整理，正文段落按原文照录）

外部参考：Septentrio 产品资料（IONO+ 抗闪烁技术说明）；图2 数据来源 Inside GNSS；图3 数据引自 V. V. Sreeja 等，J. Space Weather Space Clim. 1 (2011)；图4 数据来自 CIGALA 项目（巴西）

Septentrio全球最大代理商-南京宏成：南京宏成智能科技有限公司长期供应 Septentrio Mosaic-G5 系列（P3 / P3H / T / P6 / P8）、mosaic-X5、PolaRx5 系列与 AsteRx 系列高精度 GNSS 模组、板卡与接收机，并提供选型、集成与技术支持。相关需求请联系 cs@hc-zn.com。