太阳风暴会干扰基于GPS的建筑测量。有什么解决办法？

太阳活动以11年为一个周期，目前我们正接近第25个太阳活动周期的峰值。这意味着太阳黑子数量增多，这些强烈的磁活动区域会产生太阳耀斑和日冕物质抛射（太阳向外喷射大量等离子体和磁场）。因此，世界上许多原本不常看到北极光的地方，突然间就能欣赏到这一绚丽多彩的自然奇观。

这一切和建筑施工有什么关系呢？不幸的是，恶劣的太阳天气也会对使用全球导航卫星系统（GNSS）信号的测量设备造成严重干扰。

“它往往会破坏 GPS 的性能，包括用于建筑和测量应用的 RTK（实时动态定位）性能，”美国科技公司 Trimble 的 GNSS 技术副总裁 Stuart Riley 说。

莱利说，当太阳的等离子体撞击电离层时，它通常会沿着南北极的磁力线运动。

通常情况下，太阳活动往往只会影响最北端的地区。但当太阳活动像现在这样强烈时，问题就会蔓延到北美、英国和欧洲。

随着太阳释放出更多等离子体，它会撞击地球电离层，导致 GNSS 信号延迟和快速衰减。

最近一次大型风暴发生在 5 月份，是由一个巨大的太阳黑子释放出的粒子引起的，是自 2003 年以来最强烈的一次。“我们看到加拿大北部以及更北的纬度地区都受到了显著影响，美国各地甚至旧金山湾区也受到了影响，这种情况极其罕见，”莱利说。

一台Trimble R750模块化GNSS接收机。（图片：Trimble）

“我们确实在斯堪的纳维亚半岛和北欧国家看到了一些问题，我们也看到了欧洲的一些活动，但那里的情况没有那么糟糕，尽管也出现了一些壮观的极光。”

“上次我们运气好，因为这次事件是在英国周五下班时发生的，大部分活动在周一就结束了。如果是在工作日的上班时间发生，那对运营的影响就会大得多。”

莱利表示，最大的挑战是信号衰减，这会影响设备定位能力。“信号衰减到一定程度，导致短时间内无法追踪设备，从而出现追踪问题。不过，这种情况在最近的风暴中并不常见。”他解释道。

“另一个影响是，测量卫星距离可能会受到影响。对于RTK技术，需要基站和流动站，我们对测量结果的相关性做了很多假设。当电离层活动剧烈时，基站和流动站的误差源之间就会出现一些不相关性。”

从建筑工人或测量员的角度来看，这意味着高度测量或水平位置可能会开始偏移，从而可能降低测量的准确性。

“情况可能非常严重——甚至会发展到无法再进行RTK（尽管只是短暂的）动作，”莱利说。

解决方案是什么？

莱利表示，这并非RTK时代出现的第一个太阳周期。RTK技术自20世纪90年代以来一直在发展，算法和硬件随着时间的推移不断改进，这意味着新系统的性能优于旧系统。

但这并不意味着新系统就能幸免。“不同的制造商会以不同的方式应对这些问题。但总的来说，位置稳定性下降对建筑工人来说是一个生产力问题，”莱利说道。

因此，为了将太阳活动极大期（太阳活动周期中太阳活动最活跃的时期）的干扰降到最低，相关工作已经进行了一段时间。根据美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 空间天气预报中心 (SWPC) 的说法，太阳活动极大期预计将在 2024 年末至 2026 年初之间到来。

“大约三年前，我们就知道这轮周期会升温。这是非常可预测的，”莱利说。

“我们知道，历史上在高峰期到来前两到三年，我们就开始发现一些问题，这些问题会在高峰期之后持续两到三年。因此，在一个11年的周期中，我们往往会在长达六年的时间里遇到一些小问题。一般来说，这些问题出现在更极端的地区——非常北的地区，我们会最先在这些地区发现问题。此外，赤道地区（例如巴西）也存在一些独特的问题，这些问题是火山活动的早期征兆。”

斯图尔特·莱利

大约三年前，莱利和他在天宝公司的同事们开始收集大量数据，他们在世界各地部署设备，并利用公司遍布全球的RTX网络站点的数据。他们还使用先进的射频（RF）记录技术来记录风暴，并将数据带回实验室进行研究，以找出保护信号的方法。

“如果我们能记录下一场风暴，我们就可以把它带回实验室，一遍又一遍地回放，并在非常低的层面上微调算法。这是我们上次所不具备的条件。”

所有这些数据收集和算法调整的成果是一款名为“ IonoGuard ”的新产品，它于去年底发布，并作为免费升级提供给所有使用Trimble支持服务的用户。“它逐颗卫星地监测测量数据，并尝试估算三个不同的电离层相关参数，”Riley解释道。

“由此，我们可以根据从这些参数中确定的每颗卫星的具体情况来调整定位引擎。你会发现，太阳风暴通常不会照亮整个天空，但总会有一些区域受到影响。有些卫星会受到严重影响，有些影响较小，有些则完全不受影响。通过评估每颗卫星的具体情况，我们可以更优化地配置定位引擎，从而获得更准确的卫星位置估计。”

当太阳活动特别强烈时，Trimble 设计的系统就会启动，补偿那些受到严重影响的区域，以保持测量结果更加准确。

“我们发现，在平静时期，这些探测器不会触发，但在太阳风暴期间，它们会开始触发，我们开始调整引擎，这时我们开始看到相当大的改进，”莱利说。

他说，IonoGuard 在最近的风暴中表现“非常好”，为了证明这一点，他公布了来自加拿大某地的数据，而此前该地的 RTK 曾出现过重大问题。

尽管莱利自称并非这方面的专家，但他预计未来还会出现更多风暴。“我们当然可以预料到会有更多风暴。它们的强度会和最近一次一样吗？有可能。强度可能会更高，也可能更低——这无法预测。下次风暴的影响范围可能会转移到其他地区。可能不是北美，而是欧洲或其他地方。”

针对未来风暴的建议

在为应对未来太阳风暴的影响做准备时，Riley 给 Trimble 技术用户的第一个建议是确保他们使用的是最新的固件，并且启用了 IonoGuard。

他补充道：“从RTK的角度来看，如果以往你一直在增加基线长度，那么现在应该重新考虑一下。如果在理想条件下，基站和流动站之间的距离可以维持在很远的范围内，那么现在应该考虑是否应该缩短这个距离。这取决于具体的作业情况。有些建筑工地只有几百米到几公里，而有些作业的范围可能达到几十公里。所以你需要审查这些因素以及你正在使用的技术，以确保所有需要的功能都已启用。”