Em nossos artigos anteriores sobre Mastering Accuracy, discutimos o GNSS, suas fontes de erro e como o RTK os atenua presumindo que a base e o rover estão próximos o suficiente para que os erros atmosféricos sejam removidos por meio de cálculos de dupla diferença. No entanto, as camadas atmosféricas costumam ser heterogêneas, de modo que esse método pode não eliminar totalmente os erros, levando a uma precisão reduzida.
O que é a ionosfera e como ela afeta o GNSS
A ionosfera é um componente crucial da atmosfera superior da Terra, situada aproximadamente de 50 a 1.000 quilômetros acima da superfície da Terra.
A radiação solar atinge as partículas nessa camada da atmosfera, resultando na presença de elétrons livres e íons (átomos que ganharam ou perderam elétrons). O grau de ionização varia de acordo com a altitude, a atividade solar e a hora do dia.
As auroras polares são uma consequência visível dessa ionização da atmosfera superior. Com relação à comunicação de RF e, em particular, à transmissão de sinais GNSS, essas partículas carregadas criam atrasos nos sinais à medida que eles passam pela ionosfera. E como o GNSS depende fundamentalmente da capacidade de levar em conta o tempo de deslocamento dos sinais, esses atrasos têm um grande impacto na precisão do GNSS.
Em caso de alta atividade solar, o impacto pode ser ainda mais desafiador: a cintilação ionosférica pode degradar os sinais de forma que eles se tornem inutilizáveis para a navegação. As tempestades solares também podem causar falhas permanentes ou temporárias na infraestrutura. Aqui estão alguns exemplos:
- Março de 1989: grandes falhas de energia elétrica foram observadas após uma tempestade solar
- Julho de 2000: apagões de rádio e falhas nos satélites
- Fevereiro de 2022: 40 satélites Starlink foram destruídos por uma tempestade solar
Ciclos e periodicidade da ionosfera
O nível de carga da ionosfera apresenta padrões periódicos influenciados pela atividade solar, variações sazonais e mudanças diárias.
Ciclos solares
O ciclo solar refere-se ao ciclo de aproximadamente 11 anos de mudanças na atividade do Sol. Esse ciclo é marcado pelo aumento e diminuição do número de manchas solares na superfície do Sol. As manchas solares são fenômenos temporários no Sol que aparecem como pontos escuros e estão associados à intensa atividade magnética.
O ciclo solar pode ser dividido em duas fases principais: mínimo solar e máximo solar. Durante o mínimo solar, o Sol tem menos manchas solares e sua atividade geral é relativamente baixa. À medida que o ciclo avança em direção ao máximo solar, o número de manchas solares aumenta, juntamente com o aumento da atividade solar.
Durante os períodos de alta atividade solar, a ionosfera sofre um aumento na densidade de elétrons, ampliando o efeito de atraso ionosférico nos sinais GNSS.
Desde 2020, a atividade solar vem aumentando, com uma alta atividade registrada desde o segundo semestre de 2022 e um pico esperado para 2025. Essa alta atividade leva a um desempenho GNSS globalmente pior e torna a aquisição da correção RTK mais difícil.
Ciclos sazonais
As mudanças sazonais desempenham um papel fundamental no comportamento da ionosfera. Nas latitudes ao norte, os meses de primavera e outono geralmente registram níveis de ionização mais altos devido ao aumento da radiação solar, enquanto os meses de verão e inverno registram ionização mais baixa.
Essas variações sazonais afetam os sinais GNSS de forma diferente, contribuindo para a variabilidade geral na precisão do posicionamento.
Variações diárias
As variações diárias na ionosfera são influenciadas pela rotação da Terra e pela posição do sol. À medida que a Terra gira, diferentes regiões experimentam níveis variados de ionização. No gráfico abaixo, TECU significa Total Electron Content Unit (Unidade de conteúdo total de elétrons), que caracteriza a atividade da ionosfera e também está relacionada ao atraso extra sofrido pelos sinais.
Localização
Além das variações cíclicas, sazonais e diárias mencionadas acima, a posição na Terra tem um grande impacto sobre a atividade ionosférica. A atividade ionosférica média é maior ao redor do equador geomagnético.
Exemplos típicos de uma atividade ionosférica diária em duas datas
Impacto dos erros atmosféricos no RTK: estado da arte
Dependendo da tecnologia usada no receptor GNSS, os efeitos dos erros atmosféricos variam.
Os receptores RTK de nível básico geralmente não lidam bem com esse impacto e podem ter uma taxa de fixação de RTK mais baixa ou tempos de convergência mais altos.
Os receptores GNSS de nível superior (geodésico) ou os mecanismos de pós-processamento podem incorporar um determinado nível de atenuação ionosférica que pode ser baseado em duas técnicas principais:
- Combinação de medição específica chamada Iono Free, também conhecida como L3 em algumas publicações científicas.
- Estimativa de erros ionosféricos usando estados dedicados no filtro de navegação
Ambos os métodos têm prós e contras, mas geralmente apresentam um ruído e/ou tempo de convergência significativamente maiores.
Reduza esses efeitos com a tecnologia Ionoshield
Para oferecer o melhor suporte aos nossos clientes, desenvolvemos para o Qinertia 4 uma tecnologia inovadora para corrigir o efeito da alta atividade ionosférica: Ionoshield.
O Ionoshield aproveita toda a potência do PPK para fornecer soluções de correção RTK centimétricas confiáveis, mesmo em condições difíceis de GNSS e alta atividade ionosférica. O Ionoshield é um algoritmo de atenuação de erros atmosféricos. Ele usa as observações na base e no rover para determinar os erros introduzidos pela ionosfera e pela troposfera.
Ele usa todas as frequências e constelações disponíveis para estimar os erros atmosféricos e compensá-los. Uma estratégia inteligente minimiza o tempo de convergência, enquanto o processamento de avanço/retrocesso/mistura conclui o processo para atingir um tempo de convergência zero, mesmo em condições desafiadoras.
Por fim, o Ionoshield se une ao algoritmo RAIM incorporado para detectar e excluir qualquer satélite defeituoso devido a problemas ionosféricos, como cintilação.
Com essa abordagem, o Ionoshield produz benefícios significativos:
- Capacidade inigualável de alcançar a fixação RTK e apresentar precisão centimétrica
- Nenhum ruído adicional, ao contrário de outras técnicas de processamento de íons, como a combinação livre de íons
- Aproveita ao máximo os modernos receptores de múltiplas frequências para aumentar a precisão e a robustez usando constelações completas de três frequências PPK
- Funciona mesmo em aplicações terrestres (ambientes urbanos leves a médios).
Para tornar o Ionoshield o mais fácil de usar possível, a Qinertia também integra uma opção de seleção automática. Essa opção automática avalia a atividade ionosférica antes de selecionar o modo de processamento: PPK de base única, PPK Ionoshield ou VBS. Para usuários avançados, também é possível selecionar manualmente o modo de processamento.
Embora o Ionoshield ofereça enormes benefícios, há alguns pré-requisitos:
- Pelo menos um receptor GNSS de frequência dupla (preferencialmente L1/L2), o que é um dado adquirido em todos os produtos SBG Systems . O Ionoshield também aproveita ao máximo a disponibilidade de um receptor GNSS de banda tripla (L1/L2/L5) para aumentar a precisão!
- Registros de duração e céu aberto: O Ionoshield pode convergir rapidamente. No entanto, em condições extremas em que a atividade ionosférica é alta, com grandes diferenças entre os erros observados pela base e pelo rover, o Ionoshield pode precisar de um tempo de convergência maior.
Se estiver interessado em testar como o Ionoshield melhora seus dados, entre em contato conosco.