En nuestros artículos anteriores de «Dominando la precisión», analizamos el GNSS, sus fuentes de error y cómo el RTK las mitiga asumiendo que la estación base y el receptor móvil (rover) están lo suficientemente cerca como para eliminar los errores atmosféricos mediante cálculos de doble diferencia. Sin embargo, las capas atmosféricas suelen ser heterogéneas, por lo que este método puede no eliminar por completo los errores, lo que reduce 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 los 50 y los 1.000 kilómetros por encima de la superficie terrestre.
La radiación solar impacta en las partículas de esta capa atmosférica, lo que da lugar a la presencia de electrones libres eiones (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 alta atmósfera. En lo que respecta a la comunicación por radiofrecuencia (RF) y, en particular, a la transmisión de señales GNSS, estas partículas cargadas generan retrasos en las señales a su paso por la ionosfera. Dado que el GNSS depende fundamentalmente de la capacidad de tener en cuenta el tiempo de propagación de las señales, estos retrasos tienen un impacto importante en la precisión del GNSS.
En caso de alta actividad solar, el impacto puede ser aún más complejo: el centelleo ionosférico puede degradar las señales hasta el punto de hacerlas inutilizables para la navegación. Las tormentas solares también pueden causar fallos permanentes o temporales en las infraestructuras. He aquí algunos ejemplos:
- Marzo de 1989: Se observaron importantes fallos en el suministro eléctrico tras una tormenta solar
- Julio de 2000: Apagones de radio y fallos en satélites
- Febrero de 2022: 40 satélites Starlink fueron destruidos por una tormenta solar
Ciclos y periodicidad de la ionosfera
El nivel de carga de la ionosfera muestra patrones periódicos influenciados 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 asociadas con una intensa actividad magnética.
El ciclo solar se puede dividir en dos fases principales: mínimo solar 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, aumenta el número de manchas solares junto con una mayor actividad solar.
Durante los periodos de alta actividad solar, la ionosfera experimenta un aumento en la densidad de electrones, lo que amplifica el efecto del retraso ionosférico en las señales GNSS.
Desde 2020, la actividad solar ha ido en aumento, registrándose una alta actividad desde la segunda mitad de 2022 y esperándose un pico para 2025. Esta alta actividad provoca un empeoramiento general del rendimiento del GNSS y dificulta la obtención de la solución fija RTK.
Ciclos estacionales
Los cambios estacionales desempeñan un papel crucial en el comportamiento ionosférico. En las latitudes del norte, los meses de primavera y otoño suelen registrar mayores niveles de ionización debido al aumento de la radiación solar, mientras que los meses de verano e invierno experimentan una menor ionización.
Estas variaciones estacionales afectan a las señales GNSS de diferentes maneras, lo que contribuye a la variabilidad general de la precisión del posicionamiento.
Variaciones diarias
Las variaciones diarias en la ionosfera están influenciadas 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 gráfico siguiente, TECU significa Unidad de Contenido Total de Electrones (Total Electron Content Unit), que caracteriza la actividad de la ionosfera y también está relacionada con el Extra retraso experimentado por las señales.
Ubicación
Además de las variaciones cíclicas, estacionales y diarias mencionadas anteriormente, 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 actividad ionosférica diaria en dos fechas
Impacto de los errores atmosféricos en el RTK: estado del arte
Dependiendo de la tecnología utilizada en el receptor GNSS, los efectos de los errores atmosféricos varían.
Los receptores RTK de nivel de entrada suelen no gestionar adecuadamente este impacto y pueden experimentar una menor tasa de corrección RTK o mayores tiempos de convergencia.
Los receptores GNSS de mayor categoría (geodésicos) o los motores de postprocesamiento pueden incorporar un cierto nivel de mitigación ionosférica que puede basarse en dos técnicas principales:
- Combinación de medidas específica denominada Iono Free, también conocida como L3 en algunas publicaciones científicas.
- Estimación de los errores ionosféricos mediante estados dedicados en el filtro de navegación
Ambos métodos tienen ventajas y desventajas, pero por lo general conllevan un ruido significativamente mayor y/o un tiempo de convergencia más largo.
Mitigue estos efectos con la tecnología Ionoshield
Para ofrecer el mejor soporte 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 RTK centimétricas fiables, incluso en condiciones GNSS difíciles y con alta actividad ionosférica. Ionoshield es un algoritmo de mitigación de errores atmosféricos. Utiliza las observaciones de la base y del 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 lograr un tiempo de convergencia nulo, incluso en condiciones difíciles.
Finalmente, Ionoshield se acopla con el algoritmo RAIM integrado para detectar y excluir cualquier satélite defectuoso debido a problemas ionosféricos como la centelleo.
Con este enfoque, Ionoshield ofrece beneficios significativos:
- Capacidad inigualable para alcanzar la corrección RTK y mostrar precisión centimétrica
- Sin ruido añadido a diferencia de otras técnicas de procesamiento ionosférico como la combinación libre de ionos
- Aprovecha al máximo los receptores multifrecuencia modernos para aumentar la precisión y la solidez utilizando PPK de constelaciones completas en tres frecuencias
- Funciona incluso en aplicaciones terrestres (entornos urbanos de ligeros a moderados).
Para que Ionoshield sea lo más fácil de usar posible, Qinertia también integra una opción de selección automática. Esta opción automática evalúa la actividad ionosférica antes de seleccionar el modo de procesamiento: PPK de estación base única, PPK con Ionoshield o VBS. Para 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 (se prefiere L1/L2), lo cual es evidente en todos los productos de SBG Systems. ¡Ionoshield también aprovecha al máximo la disponibilidad de un receptor GNSS de triple banda (L1/L2/L5) para una mayor precisión!
– Duración de los registros 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 un tiempo de convergencia más largo.
Si está interesado en probar cómo Ionoshield mejora sus datos, póngase en contacto con nosotros.
