1. 导语

北京时间2024年5月10-12日，地磁发生强烈扰动，共有18小时Kp指数达到最强的红色警报等级（Kp=9），21小时达到大地磁暴水平（Kp=7,8），如图1所示。地磁暴期间太阳活动爆发第25太阳活动周以来的最大级别耀斑（X8.7级），我国大部分地区出现电离层扰动，短波通信和导航定位受到不同程度的影响。

图1 3小时地磁Kp指数变化（来源：空间环境预报中心）

2. 团队工作

地磁暴发生期间，同济大学GNSS团队充分发挥专业优势，积极开展电离层TEC及闪烁监测、定位风险预警工作，并通过团队主导建设的iGMAS同济大学分析中心及创新研究与应用中心对外发布相关科学数据产品。

图2展示了5月10-12日同济大学iGMAS构建的全球电离层VTEC模型。由图2（a）可见，自5月10日18时，30°W至180°W间的VTEC变化剧烈，电子含量明显增加，与地磁暴活动时段对应。于5月11日12时，全球VTEC开始逐渐减小，太阳活动趋向平静。

图2(a) 5月10日全球VTEC分布

图2(b) 5月11日全球VTEC分布

TEC变化率指数（ROTI）可有效反应中小尺度电离层不规则体引起的扰动/闪烁现象。同济大学iGMAS长期利用IGS测站多系统GNSS观测数据对全球电离层穿刺点处ROTI进行监测，图3展示了5月10-11日全球电离层穿刺点每小时累积ROTI的分布及量级。结果表明，5月10日18时至5月11日18时，高纬度地区电离层ROTI响应剧烈，电离层扰动程度较高且较为频繁。

图3(a) 5月10日全球ROTI每小时累积观测

图3(b) 5月11日全球ROTI每小时累积观测

图4进一步统计了5月7-12日全球电离层ROTI指数每小时累积观测的95%分位值，与平静日期（5月7-9日)相比，地磁暴期间该分位值多次达到1 TECu/min以上，持续时长超过7个小时，而在平静时期，该分位值仅在0.1 TECu/min上下波动。

图4 2024年5月7-12日全球电离层ROTI每小时累积观测95%分位值

在顾及电离层不规则结构空间相关性和变异性的基础上，同济大学GNSS团队使用对数正态克里金方法进行全球电离层ROTI指数建模，实现全球电离层扰动可视化成图及动态监测分析，如图5所示。通常来说，中纬度地区极少受到电离层扰动影响，但监测结果表明，此次地磁暴事件中，高纬度地区的电离层不规则体向中纬度地区拓展，造成了部分中纬度地区电离层活跃，如图5（b）所示，我国中部地区上空电离层在5月11日16至22时（GPST）出现明显的扰动现象。

图5(a) 5月10日全球电离层ROTI模型可视化

图5(b) 5月11日全球电离层ROTI模型可视化

基于所构建的ROTI格网模型，同济大学GNSS团队提出，在地表任意已知点处，根据星历文件即可模拟该点对GNSS卫星的可视和跟踪情况，进而获取该观测链路上电离层活跃情况，并投影至地表，从而对该地面点的潜在定位风险做出评估与预警，如图6所示。对地面规则格网点处进行风险评估，进而得地磁暴期间的定位风险态势如图7所示。所构建的风险态势图与电离层扰动变化在时空上具有一致性，对于导航定位应用具有重要意义。

图6基于ROTI模型的定位风险评估示意图

图7(a) 5月10日电离层扰动影响下的GNSS定位风险态势图

图7(b) 5月11日电离层扰动影响下的GNSS定位风险态势图

同济大学GNSS团队主导建设的iGMAS同济大学分析中心及创新研究与应用中心致力于GNSS运行状况和主要性能指标监测和评估，并生成高精度精密星历、卫星钟差、地球定向参数和全球电离层模型等科学数据产品（产品下载链接https://igmas.tongji.edu.cn/）。其中，基于电离层ROTI指数构建的全球电离层ROTI格网模型已实现工程化应用，并作为常态化电离层不规则体/闪烁科学数据产品提供访问与下载服务。相关工作已发表在China Satellite Navigation Conference (CSNC 2024)（https://doi.org/10.1007/978-981-99-6944-9_19）和GPS Solutions（https://doi.org/10.1007/s10291-024-01648-0）。