Em nossos artigos anteriores da série Mastering Accuracy, discutimos o GNSS, suas fontes de erro e como o RTK as mitiga assumindo 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, portanto, esse método pode não eliminar totalmente os erros, resultando em menor precisão.
O que é a ionosfera e como ela impacta o GNSS
A ionosfera é um componente essencial da atmosfera superior da Terra, situada a uma altitude de aproximadamente 50 a 1.000 quilômetros acima da superfície terrestre.
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 alta atmosfera. Em relação à comunicação por RF e, em particular, à transmissão de sinais GNSS, essas partículas carregadas criam atrasos nos sinais à medida que passam pela ionosfera. E como o GNSS depende fundamentalmente da capacidade de levar em conta o tempo de viagem dos sinais, esses atrasos têm um impacto importante na precisão do GNSS.
Em caso de alta atividade solar, o impacto pode ser ainda mais grave: a cintilação ionosférica pode degradar os sinais a ponto de torná-los inutilizáveis para a navegação. As tempestades solares também podem causar falhas permanentes ou temporárias na infraestrutura. Aqui estão alguns exemplos:
- Março de 1989: foram observadas grandes falhas no fornecimento de energia elétrica após uma tempestade solar
- Julho de 2000: interrupções nas transmissões 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 variações na atividade solar. Esse ciclo é marcado pelo aumento e pela diminuição do número de manchas solares na superfície do Sol. As manchas solares são fenômenos temporários que ocorrem no Sol, apresentando-se como manchas escuras e estão associadas a intensa atividade magnética.
O ciclo solar pode ser dividido em duas fases principais: mínimo solar e máximo solar. Durante o mínimo solar, o Sol apresenta 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 uma atividade solar intensificada.
Durante períodos de alta atividade solar, a ionosfera apresenta maior densidade de elétrons, amplificando o efeito de atraso ionosférico nos sinais GNSS.
Desde 2020, a atividade solar tem aumentado, com alta atividade registrada desde o segundo semestre de 2022 e um pico previsto para 2025. Essa alta atividade leva a um desempenho geral inferior do GNSS e torna a obtenção do fix RTK mais desafiadora.
Ciclos sazonais
As mudanças sazonais desempenham um papel crucial no comportamento da ionosfera. Nas latitudes setentrionais, os meses da primavera e do outono geralmente apresentam níveis mais elevados de ionização devido ao aumento da radiação solar, enquanto os meses do verão e do inverno apresentam níveis mais baixos de ionização.
Essas variações sazonais impactam os sinais GNSS de diferentes maneiras, 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 apresentam níveis variáveis de ionização. No gráfico abaixo, TECU significa “Unidade de Conteúdo Total de Elétrons”, que caracteriza a atividade da ionosfera e também está relacionada ao atraso adicional sofrido pelos sinais.
Localização
Além das variações cíclicas, sazonais e diárias mencionadas acima, a localização na Terra exerce grande influência sobre a atividade ionosférica. A atividade ionosférica média é mais elevada na região do equador geomagnético.
Exemplos típicos da atividade ionosférica diária em duas datas
O impacto dos erros atmosféricos no RTK: o estado da arte
Dependendo da tecnologia utilizada no receptor GNSS, os efeitos dos erros atmosféricos variam.
Os receptores RTK básicos geralmente não conseguem lidar bem com esse impacto e podem apresentar uma taxa de fixação RTK mais baixa ou tempos de convergência mais longos.
Receptores GNSS de maior precisão (geodésicos) ou motores de pós-processamento podem incorporar um certo nível de mitigação ionosférica, que pode se basear em duas técnicas principais:
- Combinação específica de medições denominada “Iono Free”, também conhecida como “L3” em algumas publicações científicas.
- Estimativa de erros ionosféricos por meio do uso de estados dedicados no filtro de navegação
Ambos os métodos têm prós e contras, mas geralmente resultam em um ruído significativamente maior e/ou tempo de convergência mais longo.
Minimize esses efeitos com a tecnologia Ionoshield
Para melhor apoiar nossos clientes, desenvolvemos para o Qinertia 4 uma tecnologia inovadora para corrigir o efeito da alta atividade ionosférica: Ionoshield.
O Ionoshield aproveita todo o poder do PPK para fornecer soluções RTK fix centimétricas confiáveis, mesmo em condições GNSS difíceis e alta atividade ionosférica. O Ionoshield é um algoritmo de mitigação de erros atmosféricos. Ele utiliza as observações na base e no rover para determinar os erros introduzidos pela ionosfera e pela troposfera.
Ele utiliza 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 forward / backward / merge completa o processo para atingir um tempo de convergência zero, mesmo em condições desafiadoras.
Finalmente, o Ionoshield se acopla ao algoritmo RAIM embarcado para detectar e excluir qualquer satélite defeituoso devido a problemas ionosféricos, como cintilação.
Com esta abordagem, o Ionoshield oferece benefícios significativos:
- Capacidade inigualável de obter uma posição RTK e apresentar precisão centimétrica
- Sem adição de ruído, ao contrário de outras técnicas de processamento ionosférico, como a combinação livre de ionosfera.
- Aproveita ao máximo os modernos receptores multifrequência para aumentar a precisão e a robustez, utilizando constelações completas de três frequências em PPK
- Funciona até mesmo em aplicações em terra (ambientes urbanos leves a médios).
Para tornar o Ionoshield o mais fácil de usar possível, o Qinertia também integra uma opção de seleção automática. Esta opção automática avalia a atividade ionosférica antes de selecionar o modo de processamento: PPK de base única, Ionoshield PPK ou VBS. Para usuários avançados, também é possível selecionar manualmente o modo de processamento.
Embora o Ionoshield ofereça enormes benefícios, existem alguns pré-requisitos:
– Pelo menos um receptor GNSS de dupla frequência (L1/L2 preferencialmente), o que é garantido em todos os produtos da SBG Systems. O Ionoshield também aproveita ao máximo a disponibilidade de um receptor GNSS de banda tripla (L1/L2/L5) para maior precisão!
– Durações de registro e céu aberto: O Ionoshield pode convergir rapidamente. No entanto, em condições extremas onde 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 você tiver interesse em testar como o Ionoshield melhora seus dados, entre em contato conosco.
