Nei nostri precedenti articoli su Mastering Accuracy, abbiamo discusso del GNSS, delle sue fonti di errore e di come l'RTK le mitighi presupponendo che la base e il rover siano sufficientemente vicini affinché gli errori atmosferici vengano rimossi tramite calcoli a doppia differenza. Tuttavia, gli strati atmosferici sono spesso eterogenei, quindi questo metodo potrebbe non eliminare completamente gli errori, portando a una riduzione della precisione.
Cos'è la ionosfera e come influisce sul GNSS
La ionosfera è una componente cruciale dell'alta atmosfera terrestre, situata approssimativamente tra i 50 e i 1.000 chilometri sopra la superficie terrestre.
La radiazione solare colpisce le particelle in questo strato atmosferico, determinando la presenza di elettroni liberi e ioni (atomi che hanno acquisito o perso elettroni). Il grado di ionizzazione varia con l'altitudine, l'attività solare e l'ora del giorno.
Le aurore polari sono una conseguenza visibile di questa ionizzazione dell'alta atmosfera. Per quanto riguarda la comunicazione RF, e in particolare la trasmissione dei segnali GNSS, queste particelle cariche creano ritardi sui segnali mentre attraversano la ionosfera. E poiché il GNSS si basa fondamentalmente sulla capacità di tenere conto del tempo impiegato dai segnali per viaggiare, questi ritardi hanno un impatto importante sulla precisione del GNSS.
In caso di elevata attività solare, l'impatto può essere ancora più impegnativo: la scintillazione ionosferica può degradare i segnali in modo tale da renderli inutilizzabili per la navigazione. Le tempeste solari possono anche causare guasti permanenti o temporanei alle infrastrutture. Ecco alcuni esempi:
- Marzo 1989: importanti interruzioni di corrente elettrica sono state osservate a seguito di una tempesta solare
- Luglio 2000: blackout radio e guasto dei satelliti
- Febbraio 2022: 40 satelliti Starlink sono stati distrutti da una tempesta solare
Cicli e periodicità della ionosfera
Il livello di carica della ionosfera mostra schemi periodici influenzati dall'attività solare, dalle variazioni stagionali e dai cambiamenti quotidiani.
Cicli solari
Il ciclo solare si riferisce al ciclo di circa 11 anni di cambiamenti nell'attività del Sole. Questo ciclo è caratterizzato dall'aumento e dalla diminuzione del numero di macchie solari sulla superficie del Sole. Le macchie solari sono fenomeni temporanei sul Sole che appaiono come macchie scure e sono associate a un'intensa attività magnetica.
Il ciclo solare può essere suddiviso in due fasi principali: minimo solare e massimo solare. Durante il minimo solare, il Sole ha meno macchie solari e la sua attività complessiva è relativamente bassa. Man mano che il ciclo progredisce verso il massimo solare, il numero di macchie solari aumenta, insieme a una maggiore attività solare.
Durante i periodi di elevata attività solare, la ionosfera sperimenta una maggiore densità di elettroni, amplificando l'effetto di ritardo ionosferico sui segnali GNSS.
Dal 2020 l'attività solare è in aumento, con un'elevata attività registrata dalla seconda metà del 2022; e un picco previsto nel 2025. Questa elevata attività porta a prestazioni GNSS complessivamente inferiori e rende più difficile l'acquisizione della correzione RTK.
Cicli stagionali
I cambiamenti stagionali svolgono un ruolo cruciale nel comportamento ionosferico. Alle latitudini settentrionali, i mesi primaverili e autunnali sono generalmente caratterizzati da livelli di ionizzazione più elevati a causa dell'aumento della radiazione solare, mentre i mesi estivi e invernali registrano una ionizzazione inferiore.
Queste variazioni stagionali influenzano i segnali GNSS in modo diverso, contribuendo alla variabilità complessiva della precisione del posizionamento.
Variazioni giornaliere
Le variazioni giornaliere nella ionosfera sono influenzate dalla rotazione terrestre e dalla posizione del sole. Con la rotazione della Terra, diverse regioni sperimentano diversi livelli di ionizzazione. Nel grafico sottostante, TECU sta per Total Electron Content Unit, che caratterizza l'attività della ionosfera e si riferisce anche al ritardo aggiuntivo subito dai segnali.
Posizione
Oltre alle variazioni cicliche, stagionali e giornaliere sopra menzionate, la posizione sulla Terra ha un grande impatto sull'attività ionosferica. L'attività ionosferica media è più alta intorno all'equatore geomagnetico.
Esempi tipici dell'attività ionosferica giornaliera in due date
Impatto degli errori atmosferici sull'RTK: stato dell'arte
A seconda della tecnologia utilizzata sul ricevitore GNSS, gli effetti degli errori atmosferici variano.
I ricevitori RTK entry level di solito non gestiscono bene questo impatto e possono sperimentare una frequenza di fix RTK inferiore o tempi di convergenza più lunghi.
I ricevitori GNSS di grado superiore (geodetico) o i motori di post-elaborazione possono includere un certo livello di mitigazione ionosferica, che può essere basata su due tecniche principali:
- Combinazione di misurazioni specifica denominata Iono Free, nota anche come L3 in alcune pubblicazioni scientifiche.
- Stima degli errori ionosferici mediante l'utilizzo di stati dedicati nel filtro di navigazione
Entrambi i metodi hanno pro e contro, ma di solito comportano un rumore significativamente più elevato e/o un tempo di convergenza maggiore.
Mitigare questi effetti con la tecnologia Ionoshield
Per supportare al meglio i nostri clienti, abbiamo sviluppato per Qinertia 4 una tecnologia innovativa per correggere l'effetto dell'elevata attività ionosferica: Ionoshield.
Ionoshield sfrutta tutta la potenza del PPK per fornire soluzioni RTK fix centimetriche affidabili anche in condizioni GNSS difficili e in presenza di elevata attività ionosferica. Ionoshield è un algoritmo di mitigazione degli errori atmosferici. Utilizza le osservazioni sulla base e sul rover per determinare gli errori introdotti dalla ionosfera e dalla troposfera.
Utilizza tutte le frequenze e le costellazioni disponibili per stimare gli errori atmosferici e compensarli. Una strategia intelligente minimizza il tempo di convergenza mentre l'elaborazione forward / backward / merge completa il processo per mirare a un tempo di convergenza pari a zero, anche in condizioni difficili.
Infine, Ionoshield si accoppia con l'algoritmo RAIM integrato per rilevare ed escludere qualsiasi satellite difettoso a causa di problemi ionosferici come la scintillazione.
Con questo approccio Ionoshield offre vantaggi significativi:
- Capacità senza pari di raggiungere la correzione RTK ed esibire un'accuratezza centimetrica
- Nessun rumore aggiunto, a differenza di altre tecniche di elaborazione ionosferica come la combinazione iono-free
- Sfrutta appieno i moderni ricevitori multifrequenza per aumentare la precisione e la robustezza utilizzando PPK a costellazioni complete a tre frequenze
- Funziona anche in applicazioni terrestri (ambienti urbani da leggeri a medi).
Per rendere Ionoshield il più semplice possibile da usare, Qinertia integra anche un'opzione di selezione automatica. Questa opzione automatica valuta l'attività ionosferica prima di selezionare la modalità di elaborazione: PPK a base singola, PPK Ionoshield o VBS. Per gli utenti avanzati, è anche possibile selezionare manualmente la modalità di elaborazione.
Sebbene Ionoshield offra enormi vantaggi, ci sono alcuni prerequisiti:
– Almeno un ricevitore GNSS a doppia frequenza (L1/L2 preferibile), caratteristica presente in tutti i prodotti SBG Systems. Ionoshield sfrutta appieno anche la disponibilità di un ricevitore GNSS a tripla banda (L1/L2/L5) per una maggiore precisione!
– Durata dei log e cielo aperto: Ionoshield può convergere rapidamente. Tuttavia, in condizioni estreme in cui l'attività ionosferica è elevata, con grandi differenze tra gli errori osservati dalla base e dal rover, Ionoshield potrebbe richiedere tempi di convergenza più lunghi.
Se siete interessati a testare come Ionoshield migliora i vostri dati, contattateci.
