In unseren vorangegangenen Artikeln über die Beherrschung der Genauigkeit haben wir GNSS, seine Fehlerquellen und deren Abschwächung durch RTK erörtert, indem wir davon ausgingen, dass die Basis und der Rover nahe genug beieinander liegen, um atmosphärische Fehler durch Doppeldifferenzberechnungen zu beseitigen. Die atmosphärischen Schichten sind jedoch häufig heterogen, so dass diese Methode Fehler möglicherweise nicht vollständig beseitigt, was zu einer geringeren Genauigkeit führt.
Was ist die Ionosphäre und wie wirkt sie sich auf GNSS aus?
Die Ionosphäre ist ein wichtiger Bestandteil der oberen Erdatmosphäre und befindet sich in einer Höhe von 50 bis 1.000 Kilometern über der Erdoberfläche.
Die Sonneneinstrahlung trifft auf Teilchen in dieser Atmosphärenschicht, wodurch freie Elektronen und Ionen (Atome, die Elektronen gewonnen oder verloren haben) entstehen. Der Grad der Ionisierung variiert mit der Höhe, der Sonnenaktivität und der Tageszeit.
Polarlichter sind eine sichtbare Folge dieser Ionisierung der oberen Atmosphäre. Bei der HF-Kommunikation und insbesondere bei der Übertragung von GNSS-Signalen führen diese geladenen Teilchen zu Verzögerungen bei den Signalen, wenn sie die Ionosphäre durchqueren. Und da GNSS im Wesentlichen auf der Berücksichtigung der Signallaufzeit beruht, haben diese Verzögerungen erhebliche Auswirkungen auf die GNSS-Genauigkeit.
Bei hoher Sonnenaktivität können die Auswirkungen noch gravierender sein: Ionosphärenszintillation kann Signale so beeinträchtigen, dass sie für die Navigation unbrauchbar werden. Sonnenstürme können auch zu dauerhaften oder vorübergehenden Ausfällen von Infrastrukturen führen. Hier sind einige Beispiele:
- März 1989: Nach einem Sonnensturm kommt es zu größeren Stromausfällen
- Juli 2000: Funkausfälle und Satellitenausfall
- Februar 2022: 40 Starlink-Satelliten werden durch einen Sonnensturm zerstört
Ionosphärenzyklen und Periodizität
Das Ladungsniveau der Ionosphäre weist periodische Muster auf, die von der Sonnenaktivität, den jahreszeitlichen Schwankungen und den täglichen Veränderungen beeinflusst werden.
Sonnenzyklen
Als Sonnenzyklus bezeichnet man den etwa 11-jährigen Zyklus der Veränderungen der Sonnenaktivität. Dieser Zyklus ist gekennzeichnet durch das Zu- und Abnehmen der Anzahl der Sonnenflecken auf der Sonnenoberfläche. Sonnenflecken sind vorübergehende Phänomene auf der Sonne, die als dunkle Flecken erscheinen und mit intensiver magnetischer Aktivität verbunden sind.
Der Sonnenzyklus lässt sich in zwei Hauptphasen unterteilen: Sonnenminimum und Sonnenmaximum. Während des solaren Minimums hat die Sonne weniger Sonnenflecken und ihre Gesamtaktivität ist relativ gering. Mit dem Fortschreiten des Zyklus in Richtung Sonnenmaximum nimmt die Zahl der Sonnenflecken zu und die Sonnenaktivität steigt an.
In Zeiten hoher Sonnenaktivität weist die Ionosphäre eine erhöhte Elektronendichte auf, wodurch sich der ionosphärische Verzögerungseffekt auf GNSS-Signale verstärkt.
Seit 2020 hat die Sonnenaktivität zugenommen, wobei in der zweiten Hälfte des Jahres 2022 eine hohe Aktivität registriert wurde und für 2025 ein Höhepunkt erwartet wird. Diese hohe Aktivität führt zu einer insgesamt schlechteren GNSS-Leistung und macht die Erfassung von RTK-Fixierungen schwieriger.
Jahreszeitliche Zyklen
Saisonale Veränderungen spielen eine entscheidende Rolle für das Verhalten der Ionosphäre. In nördlichen Breitengraden weisen die Frühlings- und Herbstmonate aufgrund erhöhter Sonneneinstrahlung im Allgemeinen höhere Ionisierungswerte auf, während die Sommer- und Wintermonate eine geringere Ionisierung aufweisen.
Diese jahreszeitlichen Schwankungen wirken sich unterschiedlich auf die GNSS-Signale aus und tragen zur allgemeinen Variabilität der Positionsgenauigkeit bei.
Tägliche Schwankungen
Die täglichen Schwankungen in der Ionosphäre werden durch die Erdrotation und den Stand der Sonne beeinflusst. Während sich die Erde dreht, sind verschiedene Regionen unterschiedlich stark ionisiert. In der Abbildung unten steht TECU für Total Electron Content Unit (Einheit des Gesamtelektronengehalts), die die Aktivität der Ionosphäre charakterisiert und auch mit der zusätzlichen Verzögerung der Signale in Zusammenhang steht.
Standort
Neben den oben erwähnten zyklischen, saisonalen und täglichen Schwankungen hat auch die Position auf der Erde einen großen Einfluss auf die ionosphärische Aktivität. Die durchschnittliche ionosphärische Aktivität ist in der Nähe des geomagnetischen Äquators höher.
Typische Beispiele für eine tägliche ionosphärische Aktivität an zwei Tagen
Auswirkungen atmosphärischer Fehler auf RTK: Stand der Technik
Je nach der im GNSS-Empfänger verwendeten Technologie wirken sich atmosphärische Fehler unterschiedlich aus.
RTK-Empfänger der Einstiegsklasse sind in der Regel nicht wirklich in der Lage, diese Auswirkungen zu bewältigen, und es kann zu einer geringeren RTK-Fixrate oder längeren Konvergenzzeiten kommen.
Höherwertige (geodätische) GNSS-Empfänger oder Post-Processing-Engines können ein gewisses Maß an ionosphärischer Abschwächung enthalten, die auf zwei Haupttechniken beruhen kann:
- Spezifische Messkombination namens Iono Free, in einigen wissenschaftlichen Veröffentlichungen auch als L3 bezeichnet.
- Schätzung von Ionosphärenfehlern durch die Verwendung spezieller Zustände im Navigationsfilter
Beide Methoden haben Vor- und Nachteile, sind aber in der Regel mit einem deutlich höheren Rauschen und/oder einer längeren Konvergenzzeit verbunden.
Mildern Sie diese Auswirkungen mit der Ionoshield-Technologie
Um unsere Kunden bestmöglich zu unterstützen, haben wir für Qinertia 4 eine bahnbrechende Technologie entwickelt, die die Auswirkungen der hohen Ionosphärenaktivität korrigiert: Ionoshield.
Ionoshield nutzt die volle Leistungsfähigkeit von PPK, um selbst unter schwierigen GNSS-Bedingungen und bei hoher Ionosphärenaktivität zuverlässige zentimetrische RTK-Fix-Lösungen zu liefern. Ionoshield ist ein Algorithmus zur Abschwächung atmosphärischer Fehler. Er nutzt die Beobachtungen auf der Basis und auf dem Rover, um die durch die Ionosphäre und die Troposphäre verursachten Fehler zu bestimmen.
Er nutzt alle verfügbaren Frequenzen und Konstellationen, um die atmosphärischen Fehler zu schätzen und zu kompensieren. Eine intelligente Strategie minimiert die Konvergenzzeit, während die Vorwärts-/Rückwärts-/Merge-Verarbeitung den Prozess vervollständigt, um eine Konvergenzzeit von Null anzustreben, selbst unter schwierigen Bedingungen.
Schließlich wird Ionoshield mit dem eingebetteten RAIM-Algorithmus gekoppelt, um fehlerhafte Satelliten aufgrund ionosphärischer Probleme wie Szintillation zu erkennen und auszuschließen.
Mit diesem Ansatz bietet Ionoshield erhebliche Vorteile:
- Unerreichte Fähigkeit, RTK-Fix zu erreichen und zentimetergenau zu sein
- Kein zusätzliches Rauschen im Gegensatz zu anderen Iono-Verarbeitungstechniken wie der ionofreien Kombination
- Nutzt die Vorteile moderner Multifrequenz-Empfänger zur Erhöhung der Präzision und Robustheit unter Verwendung von drei Frequenzen in voller Konstellation PPK
- Funktioniert auch bei Landanwendungen (leichte bis mittlere städtische Umgebungen).
Um die Nutzung von Ionoshield so einfach wie möglich zu gestalten, hat Qinertia auch eine automatische Auswahloption integriert. Diese automatische Option bewertet die ionosphärische Aktivität, bevor der Verarbeitungsmodus ausgewählt wird: Single Base PPK, Ionoshield PPK oder VBS. Für fortgeschrittene Benutzer ist es auch möglich, den Verarbeitungsmodus manuell auszuwählen.
Obwohl Ionoshield enorme Vorteile bietet, gibt es einige Voraussetzungen:
- Mindestens ein Zweifrequenz-GNSS-Empfänger (L1/L2 bevorzugt), der bei allen Produkten SBG Systems vorausgesetzt wird. Ionoshield nutzt auch die Vorteile eines Dreifachband-GNSS-Empfängers (L1/L2/L5), um die Genauigkeit zu erhöhen!
- Aufzeichnung von Zeiträumen und offenem Himmel: Ionoshield kann schnell konvergieren. Unter extremen Bedingungen mit hoher Ionosphärenaktivität und großen Unterschieden zwischen den von der Basis und dem Rover beobachteten Fehlern kann Ionoshield jedoch eine längere Konvergenzzeit benötigen.
Wenn Sie testen möchten, wie Ionoshield Ihre Daten verbessert, kontaktieren Sie uns.