同济大学提出紧凑型电离层模型提升多GNSS定位速度

2026年7月15日，同济大学测绘与地理信息学院研究团队在《卫星导航》期刊发表研究成果，提出一种紧凑型电离层梯度（IG）模型，用于优化多星座全球导航卫星系统（GNSS）的实时精密定位（RTK）与网络实时动态定位（NRTK）。该模型通过统一描述区域电离层变化，有效缓解长基线（超过30公里）下因电离层延迟导致的模糊度解算缓慢问题，为高精度定位提供更高效的技术路径。

传统电离层加权（IW）模型对每对可见卫星独立估计双差电离层延迟参数，随着卫星星座和频点数量增加，未知数迅速膨胀，削弱了函数模型稳定性。新提出的IG模型以电离层穿刺点（IPPs）为基础，用一组有限系数表征区域电离层变化，所有可见卫星共享同一组参数，避免了卫星对间的冗余建模。在第二阶实现中，每个观测时段仅需六个水平方向系数即可描述垂直总电子含量（VTEC）的空间变化，相较传统方法在16颗卫星、两星座配置下，离子层参数从14个降至6个，降幅达57%。

研究团队基于2025年5月1日至8日间采集的10个低纬与中纬度测站多频观测数据进行验证，测试期间太阳活动稳定，地磁活动处于低至中等水平。采用卡尔曼滤波联合估计IG系数与载波相位模糊度、对流层延迟等参数，通过重复两小时重初始化实验对比IG与IW模型性能。结果显示，IG模型在低仰角卫星上残差略大，但平均标准差仍控制在4厘米以内，满足工程应用要求。

在NRTK处理中，窄巷浮点模糊度精度提升12.1%，平均收敛时间由26.4秒缩短至9.9秒，模糊度固定成功率从95.6%升至98.2%；在RTK测试中，首次固定时间（TTFF）由10.4秒降至7.4秒，固定成功率从96.2%提高到98.6%。三维定位误差（北、东、天向）均值分别从2.8cm、3.2cm、4.3cm改善至2.4cm、2.8cm、3.9cm，整体定位可靠性与响应速度明显增强。

模型核心优势：参数压缩与物理一致性并存

IG模型的核心价值在于其“一源共用”机制——所有可见卫星不再各自独立建模电离层影响，而是共同参与对区域电离层变化的统一描述。这种设计不仅大幅降低参数量，还增强了模型的物理可解释性，使电离层行为与空间分布特征保持一致。相比传统方法中因卫星对过多而引入的噪声与不确定性，IG模型在保持主干空间结构的同时，提升了浮点模糊度精度，从而加速可靠固定过程。

值得注意的是，该模型并非适用于所有极端环境。对于强局部扰动、高度非线性或突发性空间天气事件（如太阳耀斑引发的电离层暴），尤其在参考站稀疏或卫星仰角较低的情况下，残差可能增大。因此，研究团队强调，该方法应作为高效基础模型使用，而非完全替代灵活的自适应建模策略，未来需结合动态调整机制进一步优化鲁棒性。

应用场景拓展：从测绘到自动驾驶的全链条支持

该技术对多GNSS高精度服务提供商具有直接意义。通过减少需广播的电离层参数数量，可降低通信带宽压力，加快网络初始化速度，提升服务可用性。这对于依赖快速启动的实时厘米级定位应用尤为重要，包括大型工程测量、地质形变监测、智慧农业中的自动导航播种机、建筑工地自动化设备调度，以及车联网和自动驾驶平台的高精地图构建与路径跟踪。

随着北斗三号、GPS III、Galileo、GLONASS等多系统融合趋势深化，未来还将接入更多频点与卫星。现有模型在参数规模上的瓶颈日益突出，而IG模型的紧凑特性使其具备良好的可扩展性，有助于实现多星座、多频点处理的规模化部署，降低算法复杂度与计算资源消耗。

中国产业链关注点：国产化算法与硬件适配建议

对中国从事高精度定位设备研发、制造与集成的企业而言，该模型提供了关键算法参考。在选型时，应优先考虑支持多频多星座联合解算、具备动态参数估计能力的接收机模块，尤其是已集成卡尔曼滤波框架且可灵活配置电离层建模方式的方案。当前主流的RTK板卡（如华测导航、南方测绘、中海达等）若能引入此类紧凑模型，有望在不更换硬件的前提下提升定位性能。

在维护与运维层面，建议用户关注设备固件更新频率，确保算法版本与Zui新研究成果同步。同时，对于部署于偏远地区或信号遮挡严重的场景，应加强参考站布局规划，避免因站点稀疏导致模型失准。此外，该研究获得国家自然科学基金、教育部前沿计划及上海市产学研协同项目资助，表明其技术路线已获科研体系认可，具备向行业标准转化的潜力。