En nuestros artículos anteriores sobre el dominio de la precisión, hablamos del GNSS, de sus fuentes de error y de cómo el RTK las mitiga suponiendo que la base y el vehículo están lo suficientemente cerca como para que los errores atmosféricos se eliminen mediante cálculos de doble diferencia. Sin embargo, las capas atmosféricas suelen ser heterogéneas, por lo que es posible que este método no elimine por completo los errores, reduciendo la precisión.
Qué es la ionosfera y cómo afecta al GNSS
La ionosfera es un componente crucial de la atmósfera superior de la Tierra, situada aproximadamente entre 50 y 1.000 kilómetros por encima de la superficie terrestre.
La radiación solar incide sobre las partículas de esta capa de la atmósfera, lo que provoca la presencia de electrones libres e iones (átomos que han ganado o perdido electrones). El grado de ionización varía con la altitud, la actividad solar y la hora del día.
Las auroras polares son una consecuencia visible de esta ionización de la atmósfera superior. En lo que respecta a las comunicaciones por radiofrecuencia, y en particular a la transmisión de señales GNSS, estas partículas cargadas crean retrasos en las señales a su paso por la ionosfera. Y como el GNSS se basa fundamentalmente en poder tener en cuenta el tiempo que tardan las señales en viajar, estos retrasos tienen un gran impacto en la precisión del GNSS.
En caso de gran actividad solar, el impacto puede ser aún mayor: el centelleo ionosférico puede degradar las señales de forma que queden inutilizadas para la navegación. Las tormentas solares también pueden provocar fallos permanentes o temporales en las infraestructuras. He aquí algunos ejemplos:
- Marzo de 1989: se produjeron importantes cortes de electricidad tras una tormenta solar.
- Julio de 2000: cortes de radio y fallo de los satélites
- Febrero de 2022: 40 satélites Starlink son destruidos por una tormenta solar
Ciclos y periodicidad de la ionosfera
El nivel de carga de la ionosfera presenta patrones periódicos influidos por la actividad solar, las variaciones estacionales y los cambios diarios.
Ciclos solares
El ciclo solar se refiere al ciclo de aproximadamente 11 años de cambios en la actividad del Sol. Este ciclo está marcado por el aumento y la disminución del número de manchas solares en la superficie del Sol. Las manchas solares son fenómenos temporales en el Sol que aparecen como puntos oscuros y están asociados a una intensa actividad magnética.
El ciclo solar puede dividirse en dos fases principales: mínimo y máximo solar. Durante el mínimo solar, el Sol tiene menos manchas solares y su actividad general es relativamente baja. A medida que el ciclo avanza hacia el máximo solar, el número de manchas solares aumenta, al igual que la actividad solar.
Durante los periodos de gran actividad solar, la ionosfera experimenta un aumento de la densidad de electrones, lo que amplifica el efecto de retardo ionosférico en las señales GNSS.
Desde 2020, la actividad solar ha ido en aumento, con una actividad elevada registrada desde la segunda mitad de 2022 y un pico previsto para 2025. Esta elevada actividad reduce el rendimiento general del GNSS y dificulta la adquisición de la fijación RTK.
Ciclos estacionales
Los cambios estacionales desempeñan un papel crucial en el comportamiento de la ionosfera. En las latitudes septentrionales, los meses de primavera y otoño suelen registrar niveles de ionización más altos debido al aumento de la radiación solar, mientras que los meses de verano e invierno experimentan una ionización más baja.
Estas variaciones estacionales afectan de forma diferente a las señales GNSS, contribuyendo a la variabilidad general de la precisión del posicionamiento.
Variaciones diarias
Las variaciones diarias de la ionosfera están influidas por la rotación de la Tierra y la posición del sol. A medida que la Tierra gira, las diferentes regiones experimentan distintos niveles de ionización. En el siguiente gráfico, TECU significa Unidad de Contenido Total de Electrones, que caracteriza la actividad de la ionosfera y también se relaciona con el retardo adicional que experimentan las señales.
Ubicación
Además de las variaciones cíclicas, estacionales y diarias mencionadas, la posición en la Tierra tiene un gran impacto en la actividad ionosférica. La actividad ionosférica media es mayor alrededor del ecuador geomagnético.
Ejemplos típicos de una actividad ionosférica diaria en dos fechas
Impacto de los errores atmosféricos en RTK: estado de la técnica
Dependiendo de la tecnología utilizada en el receptor GNSS, los efectos de los errores atmosféricos varían.
Los receptores RTK de nivel básico no suelen hacer frente a este impacto y pueden experimentar una menor tasa de fijación RTK o mayores tiempos de convergencia.
Los receptores GNSS de grado superior (geodésicos) o los motores de postprocesamiento pueden incorporar un cierto nivel de mitigación ion osférica que puede basarse en dos técnicas principales:
- Combinación de medidas específica denominada Iono Free, también denominada L3 en algunas publicaciones científicas.
- Estimación de errores ionosféricos mediante el uso de estados dedicados en el filtro de navegación
Ambos métodos tienen pros y contras, pero suelen conllevar un ruido y/o un tiempo de convergencia significativamente mayores.
Mitigue estos efectos con la tecnología Ionoshield
Para ayudar mejor a nuestros clientes, hemos desarrollado para Qinertia 4 una tecnología innovadora para corregir el efecto de la alta actividad ionosférica: Ionoshield.
Ionoshield aprovecha toda la potencia de PPK para proporcionar soluciones fiables de fijación RTK centimétrica incluso en condiciones GNSS difíciles y alta actividad ionosférica. Ionoshield es un algoritmo de mitigación de errores atmosféricos. Utiliza las observaciones en la base y en el rover para determinar los errores introducidos por la ionosfera y la troposfera.
Utiliza todas las frecuencias y constelaciones disponibles para estimar los errores atmosféricos y compensarlos. Una estrategia inteligente minimiza el tiempo de convergencia, mientras que el procesamiento de avance/retroceso/fusión completa el proceso para conseguir un tiempo de convergencia cero, incluso en condiciones difíciles.
Por último, el Ionoshield se acopla con el algoritmo RAIM integrado para detectar y excluir cualquier satélite defectuoso debido a problemas ionosféricos como el centelleo.
Con este enfoque, el Ionoshield ofrece ventajas significativas:
- Capacidad inigualable para alcanzar fijos RTK y exhibir precisión centimétrica
- Sin ruido añadido, a diferencia de otras técnicas de procesamiento iono, como la combinación ionofree.
- Aprovecha al máximo los modernos receptores multifrecuencia para aumentar la precisión y robustez utilizando constelaciones completas de tres frecuencias PPK
- Funciona incluso en aplicaciones terrestres (entornos urbanos ligeros y medios).
Para facilitar al máximo el uso de Ionoshield, Qinertia también integra una opción de selección automática. Esta opción automática evalúa la actividad ionosférica antes de seleccionar el modo de procesamiento: PPK de base única, Ionoshield PPK o VBS. Para los usuarios avanzados, también es posible seleccionar manualmente el modo de procesamiento.
Aunque Ionoshield ofrece enormes ventajas, existen algunos requisitos previos:
- Al menos un receptor GNSS de doble frecuencia (L1/L2 preferentemente) que se da por supuesto en todos los productos SBG Systems . Ionoshield también aprovecha al máximo la disponibilidad de un receptor GNSS de triple banda (L1/L2/L5) para una mayor precisión!
- Registros de duraciones y cielo abierto: Ionoshield puede converger rápidamente. Sin embargo, en condiciones extremas donde la actividad ionosférica es alta, con grandes diferencias entre los errores observados por la base y el rover ; Ionoshield puede necesitar más tiempo de convergencia.
Si está interesado en probar cómo Ionoshield mejora sus datos, contacto nosotros.