In unseren vorherigen Artikeln zum Thema „Mastering Accuracy“ haben wir uns mit GNSS, dessen Fehlerquellen und der Art und Weise beschäftigt, wie RTK diese kompensiert, indem es davon ausgeht, dass Basisstation und Rover nah genug beieinander liegen, um atmosphärische Fehler mittels Doppeldifferenzberechnungen herauszufiltern. Da atmosphärische Schichten jedoch häufig heterogen sind, beseitigt diese Methode Fehler möglicherweise nicht vollständig, was zu einer geringeren Genauigkeit führt.
Was ist die Ionosphäre und wie beeinflusst sie GNSS?
Die Ionosphäre ist ein wesentlicher Bestandteil der oberen Erdatmosphäre und erstreckt sich in einer Höhe von etwa 50 bis 1.000 Kilometern über der Erdoberfläche.
Die Sonnenstrahlung trifft auf Teilchen in dieser Atmosphärenschicht, wodurch freie Elektronen und Ionen (Atome, die Elektronen gewonnen oder verloren haben) entstehen. Der Ionisationsgrad variiert je nach Höhe, Sonnenaktivität und Tageszeit.
Polarlichter sind eine sichtbare Folge dieser Ionisation der oberen Atmosphäre. Was die HF-Kommunikation und insbesondere die Übertragung von GNSS-Signalen betrifft, so verursachen diese geladenen Teilchen Signalverzögerungen beim Passieren der Ionosphäre. Da GNSS im Wesentlichen darauf angewiesen ist, die Laufzeit der Signale zu berücksichtigen, haben diese Verzögerungen erhebliche Auswirkungen auf die GNSS-Genauigkeit.
Bei hoher Sonnenaktivität können die Auswirkungen sogar noch gravierender sein: Ionosphärische Szintillation kann Signale so stark beeinträchtigen, dass sie für die Navigation unbrauchbar werden. Sonnenstürme können zudem dauerhafte oder vorübergehende Ausfälle der Infrastruktur verursachen. Hier einige Beispiele:
- März 1989: Nach einem Sonnensturm kam es zu großflächigen Stromausfällen
- Juli 2000: Funkausfälle und Satellitenausfälle
- Februar 2022: 40 Starlink-Satelliten wurden durch einen Sonnensturm zerstört
Ionosphärenzyklen und Periodizität
Der Ladungszustand der Ionosphäre weist periodische Muster auf, die von der Sonnenaktivität, saisonalen Schwankungen und täglichen Veränderungen beeinflusst werden.
Sonnenzyklen
Der Sonnenzyklus bezeichnet den etwa elfjährigen Zyklus der Schwankungen in der Sonnenaktivität. Dieser Zyklus ist durch das Zu- und Abnehmen der Anzahl der Sonnenflecken auf der Sonnenoberfläche gekennzeichnet. Sonnenflecken sind vorübergehende Erscheinungen auf der Sonne, die als dunkle Flecken erscheinen und mit intensiver magnetischer Aktivität einhergehen.
Der Sonnenzyklus lässt sich in zwei Hauptphasen unterteilen: solares Minimum und solares Maximum. Während des solaren Minimums weist die Sonne weniger Sonnenflecken auf und ihre Gesamtaktivität ist relativ gering. Im Laufe des Zyklus hin zum solaren Maximum nimmt die Anzahl der Sonnenflecken zu und die Sonnenaktivität verstärkt sich.
In Phasen hoher Sonnenaktivität weist die Ionosphäre eine erhöhte Elektronendichte auf, wodurch sich der ionosphärische Verzögerungseffekt auf GNSS-Signale verstärkt.
Seit 2020 nimmt die Sonnenaktivität zu, wobei seit der zweiten Jahreshälfte 20 yüzyıl 2022 eine hohe Aktivität verzeichnet wurde und ein Höchststand für 2025 erwartet wird. Diese hohe Aktivität führt zu einer insgesamt schlechteren GNSS-Leistung und erschwert den Erhalt eines RTK-Fix.
Jahreszeitenzyklen
Jahreszeitliche Veränderungen spielen eine entscheidende Rolle für das Verhalten der Ionosphäre. In nördlichen Breiten weisen die Frühlings- und Herbstmonate aufgrund erhöhter Sonneneinstrahlung im Allgemeinen höhere Ionisationsniveaus auf, während die Sommer- und Wintermonate eine geringere Ionisation erfahren.
Diese saisonalen Schwankungen beeinflussen die GNSS-Signale unterschiedlich und tragen zur allgemeinen Variabilität der Positionierungsgenauigkeit bei.
Tägliche Schwankungen
Die täglichen Schwankungen in der Ionosphäre werden durch die Erdrotation und den Stand der Sonne beeinflusst. Während sich die Erde dreht, weisen verschiedene Regionen unterschiedliche Ionisationsgrade auf. In der folgenden Grafik steht „TECU“ für „Total Electron Content Unit“ (Gesamtelektronengehaltseinheit), ein Maß für die Ionosphärenaktivität, das auch mit der zusätzlichen Verzögerung der Signale zusammenhängt.
Standort
Neben den oben genannten zyklischen, saisonalen und täglichen Schwankungen hat auch die Position auf der Erde einen großen Einfluss auf die ionosphärische Aktivität. Die durchschnittliche ionosphärische Aktivität ist im Bereich des geomagnetischen Äquators höher.
Typische Beispiele für die tägliche ionosphärische Aktivität an zwei Tagen
Auswirkungen atmosphärischer Fehler auf RTK: aktueller Stand der Technik
Je nach der im GNSS-Empfänger verwendeten Technologie variieren die Auswirkungen atmosphärischer Fehler.
RTK-Empfänger der Einstiegsklasse kommen mit diesen Auswirkungen in der Regel nicht gut zurecht, was zu einer geringeren RTK-Fix-Rate oder längeren Konvergenzzeiten führen kann.
Höherwertige (geodätische) GNSS-Empfänger oder Post-Processing-Engines verfügen möglicherweise über ein gewisses Maß an ionosphärischer Kompensation, die auf zwei Haupttechniken basieren kann:
- Eine spezielle Messkombination namens „Iono Free“, die in einigen wissenschaftlichen Publikationen auch als „L3“ bezeichnet wird.
- Schätzung ionosphärischer Fehler unter Verwendung spezieller Zustände im Navigationsfilter
Beide Methoden haben Vor- und Nachteile, gehen jedoch in der Regel mit einem deutlich höheren Rauschen und/oder einer längeren Konvergenzzeit einher.
Mildern Sie diese Auswirkungen mit der Ionoshield-Technologie
Um unsere Kunden optimal zu unterstützen, haben wir für Qinertia 4 eine bahnbrechende Technologie entwickelt, um die Auswirkungen der hohen ionosphärischen Aktivität zu korrigieren: Ionoshield.
Ionoshield nutzt die volle Leistung von PPK, um zuverlässige zentimetergenaue RTK-Fix-Lösungen selbst unter schwierigen GNSS-Bedingungen und bei hoher ionosphärischer Aktivität zu liefern. Ionoshield ist ein Algorithmus zur Minderung atmosphärischer Fehler. Er nutzt die Beobachtungen an der Basisstation und am Rover, um die durch die Ionosphäre und Troposphäre verursachten Fehler zu bestimmen.
Er verwendet 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 abschließt, um eine Konvergenzzeit von Null anzustreben, selbst unter anspruchsvollen Bedingungen.
Schließlich koppelt sich Ionoshield mit dem integrierten RAIM-Algorithmus, um fehlerhafte Satelliten aufgrund ionosphärischer Probleme wie Szintillation zu erkennen und auszuschließen.
Mit diesem Ansatz bietet Ionoshield erhebliche Vorteile:
- Unübertroffene Fähigkeit, eine RTK-Position zu ermitteln und zentimetergenaue Genauigkeit zu erzielen
- Kein zusätzliches Rauschen im Gegensatz zu anderen Ionosphären-Verarbeitungstechniken wie der ionofreien Kombination.
- Nutzt die Vorteile moderner Mehrfrequenzempfänger voll aus, um die Genauigkeit und Robustheit durch den Einsatz von drei Frequenzen und vollständigen PPK-Konstellationen zu erhöhen
- Funktioniert sogar bei Anwendungen an Land (in leicht bis mittelschwer belasteten städtischen Umgebungen).
Um Ionoshield so einfach wie möglich zu handhaben, bietet Qinertia zudem eine automatische Auswahloption. Diese bewertet die ionosphärische Aktivität vor der Auswahl des Verarbeitungsmodus: Single-Base-PPK, Ionoshield-PPK oder VBS. Für fortgeschrittene Anwender ist auch die manuelle Auswahl des Verarbeitungsmodus möglich.
Obwohl Ionoshield enorme Vorteile bietet, gibt es einige Voraussetzungen:
– Mindestens ein Dualfrequenz-GNSS-Empfänger (L1/L2 bevorzugt), welcher bei allen SBG Systems Produkten ohnehin standardmäßig vorhanden ist. Ionoshield nutzt zudem die Verfügbarkeit eines Dreiband-GNSS-Empfängers (L1/L2/L5) für noch höhere Genauigkeit voll aus!
– Protokollierungsdauer und freie Sicht zum Himmel: Ionoshield kann schnell konvergieren. Unter extremen Bedingungen mit hoher ionosphärischer Aktivität 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.
