Actividad ionosférica: Comprender los errores y las condiciones ionosféricas

6 de noviembre de 2023

Introducción al GNSS

Tanto si está de excursión por la naturaleza como conduciendo por una concurrida calle de la ciudad, el GNSS es un compañero fiable que le guía con la máxima precisión. Aunque se ve fuertemente afectado por la actividad ionosférica.

El Sistema Mundial de Navegación por Satélite (GNSS) es una constelación de satélites que emiten señales desde el espacio y transmiten datos de posicionamiento y temporización a los receptores GNSS. Agricultura, cartografía, transporte, navegación: la tecnología GNSS tiene una amplia gama de aplicaciones en todos los sectores y en la vida cotidiana.

Algunos de los sistemas GNSS operativos más destacados son:

  • El Sistema de Posicionamiento Global o GPS, desarrollado por el Departamento de Defensa de Estados Unidos, es una red de satélites que orbitan alrededor de la Tierra. En la actualidad hay 30 satélites GPS operativos. Estos satélites transmiten continuamente señales que contienen información sobre su ubicación exacta y la hora.
  • Global Navigation Satellite Systems o GLONASS es un sistema de navegación por satélite desarrollado por Rusia. El sistema tenía una constelación inicial de 24 satélites.
  • Galileo es el Sistema Mundial de Navegación por Satélite de la Unión Europea. Su objetivo es proporcionar un sistema de posicionamiento independiente para Europa y otras regiones.
  • El Sistema de Navegación por Satélite BeiDou o BDS es el GNSS chino. Inicialmente ofrecía cobertura regional, pero con la finalización de la constelación BeiDou-3, ahora presta servicios de navegación global.

 

Errores atmosféricos

Una de las fuentes más significativas de errores en el posicionamiento GNSS puede atribuirse a la atmósfera. Dado que los satélites y los receptores de la señal GNSS están situados a gran distancia, la señal GNSS recorre miles de kilómetros entre el satélite y el receptor. Durante este viaje, la señal atraviesa capas atmosféricas.

La ionosfera es la capa de la atmósfera situada entre 50 y 1000 km por encima de la Tierra. Esta capa exterior de la Tierra contiene partículas cargadas eléctricamente llamadas iones. Afectan significativamente a la transmisión de la señal GNSS causando su distorsión y retraso.

Como los errores atmosféricos son difíciles de predecir debido a su naturaleza cambiante, es difícil determinar su impacto preciso en las posiciones calculadas.

Los retrasos causados por la actividad ionosférica pueden variar en función de:

  • La hora del día
  • La estación del año
  • Situación geográfica
  • La actividad solar

Líneas de base

Los errores atmosféricos también dependen de la distancia entre la estación base de referencia y el receptor del rover. La distancia entre la estación base y el rover se conoce como línea de base. Si no se tienen en cuenta los errores de la línea de base, se producen errores de posicionamiento significativos, especialmente en aplicaciones con líneas de base largas.

La estación base se instala en una ubicación conocida con precisión. Estima los errores del GNSS y envía continuamente correcciones al receptor del rover.

El receptor del rover utiliza estos datos para corregir todos los errores y calcular la posición exacta. Esto funciona bien cuando la estación base y el rover están cerca.

Sabemos que cuando se colocan varios receptores uno al lado del otro en una zona abierta, tienden a tener errores similares. Tanto la estación base como los receptores del rover experimentan el mismo retardo debido a la ionosfera y, por tanto, tienen errores idénticos. Esto se conoce como error GNSS estándar.

Gracias a esta característica única, podemos calcular con mayor precisión la distancia relativa entre los receptores. Esto facilita que los sistemas corrijan los errores atmosféricos.

¿Por qué interesa ahora la línea de base larga?

Cuando la línea de base es larga, la actividad ionosférica introduce discrepancias significativas entre la estación base y el rover. A medida que aumenta la actividad solar, aumentan las fluctuaciones de la ionosfera.

Cada once años, el campo magnético del Sol se invierte por completo.

Esto conduce a un aumento de la actividad solar (pico entre 2023 y 2025). Muchos paquetes de software de corrección modernos ofrecen soluciones para tener en cuenta la larga línea de base y la actividad solar.

¿Cómo pueden los usuarios de GNSS minimizar el impacto del aumento de la actividad ionosférica?

Reducir el impacto del aumento de la actividad ionosférica en las operaciones GNSS:

  • Asegúrese de que sus sensores GNSS disponen del software más actualizado para obtener el mejor rendimiento en el seguimiento y posicionamiento con GNSS.
  • Utiliza varios sistemas GNSS como GPS, GLONASS, Galileo y Baidu, si son accesibles. Esto aumenta el número de observaciones utilizadas para el posicionamiento y aporta una gama más amplia de señales GNSS rastreadas. Más datos conducen a una mayor fiabilidad.
  • En tareas de alta precisión cartografía , realizar dos o más mediciones en momentos diferentes y en condiciones ionosféricas variables.
  • Compruebe la influencia actual de la ionosfera en su zona utilizando varios proveedores de servicios de corrección GNSS.
  • Elija un método de corrección GNSS que se ajuste a sus necesidades.

Correcciones de errores GNSS - RTK vs PPK

Imagine un mundo en el que todo fuera perfecto: sin errores de los dispositivos que reciben las señales, sin problemas de los satélites y sin perturbaciones de la atmósfera. En este mundo ideal, el GNSS podría localizar lugares con una precisión increíble.

Pero, en realidad, pueden producirse errores. Hay una forma de reducir estos errores. Esto es lo que hacen varios GPS diferenciales, o DGPS. DGPS funciona utilizando información de múltiples receptores para estimar los errores y los elimina.

Lasaplicaciones, como cartografía, requieren una mayor precisión. Esto depende de la tecnología y de las capacidades de corrección del receptor.

Se pueden aplicar varios métodos de corrección para tratar el error del lado del receptor.

  • Cinemática en tiempo real (RTK)
  • Cinemática postprocesada (PPK)

Actividad ionosférica

Correcciones RTK

RTK utiliza un punto de referencia, como una estación base, que está cerca del dispositivo GPS del que queremos conocer la ubicación (llamado rover).

Sabiendo dónde está la estación base y utilizando algoritmos, RTK puede librarse de los errores que comparten tanto la estación base como el rover. Estos errores pueden proceder de los satélites y/o de la atmósfera.

Para corregir los errores de la atmósfera, el rover y la estación base tienen que enfrentarse a los mismos errores. Por eso tienen que estar cerca el uno del otro.

Gracias al RTK, el GPS puede tener una precisión de hasta 1 centímetro. Este método RTK es muy eficaz para obtener soluciones GPS precisas, especialmente para terrenos cartografía.

Correcciones PPK

PPK permite un posprocesamiento preciso de los datos GNSS para mejorar la calidad de la información de localización. Es especialmente valioso en escenarios con condiciones de señal GNSS difíciles, ya que proporciona resultados más fiables y precisos.

Se utiliza ampliamente en aplicaciones como cartografía con drones, levantamientos geodésicos y gestión de activos.

Ahora la gran pregunta es qué método de corrección es el mejor. Esto depende de una serie de factores como la ubicación, la longitud de la línea de base, la actividad ionosférica, los requisitos de precisión, la fiabilidad y el presupuesto.

Métodos de corrección de errores GNSS RTK y PPK

Comparemos dos de los métodos de corrección más populares:

Criterios RTK PPK
Corrección de datos Proporciona una corrección en tiempo real de los datos de localización recogidos. Recoge primero todos los datos de localización y los corrige fuera del sitio.
Tratamiento posterior No requiere postprocesado de los datos y, por tanto, no es necesario emplear un software de postprocesado. Requiere software especializado.
Intensidad de la señal entre la estación base y el rover Debe haber una conexión constante entre la estación base y el receptor del rover. La pérdida de señal conlleva la pérdida de datos y, por tanto, introduce más errores. No requiere una gran intensidad de señal entre la estación base y el receptor del rover.
 Entorno de trabajo Funciona mejor en condiciones de cielo abierto, cuando no hay obstáculos como árboles, edificios y montañas. Cuando hay cosas que bloquean las señales GNSS, es difícil mantener una precisión fiable. Mantiene la precisión a nivel decimétrico incluso en lugares con obstáculos (túneles, puentes, valles). Esto es posible utilizando artefactos algorítmicos como el procesamiento Backward-Forward.
Líneas de base  Funciona para líneas de base de hasta 30 km. Evalúa y compensa los errores ionosféricos en caso de líneas de base más largas.
 Recuperación de registros dañados N/A Se puede recuperar un registro dañado afectado por una fuerte actividad solar mediante el uso de "línea de base larga a posteriori"
 Actividad solar No tiene en cuenta la actividad solar al calcular los datos. Tiene en cuenta la actividad solar para decidir entre los modos de línea de base Larga y Corta.

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