Nei nostri precedenti articoli di Mastering Accuracy, abbiamo discusso del GNSS, delle sue fonti di errore e di come l'RTK le mitighi assumendo che la base e il rover siano abbastanza 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 ridotta precisione.
Cos'è la ionosfera e come influisce sul GNSS
La ionosfera è una componente fondamentale dell'alta atmosfera terrestre, situata a un'altezza compresa approssimativamente tra i 50 e i 1.000 chilometri dalla 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 le comunicazioni in radiofrequenza 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 di propagazione dei segnali, questi ritardi hanno un impatto importante sulla precisione del GNSS.
In caso di elevata attività solare, le conseguenze possono essere ancora più gravi: la scintillazione ionosferica può deteriorare i segnali al punto da renderli inutilizzabili per la navigazione. Le tempeste solari possono inoltre causare guasti permanenti o temporanei alle infrastrutture. Ecco alcuni esempi:
- Marzo 1989: in seguito a una tempesta solare si sono verificate gravi interruzioni dell'energia elettrica
- Luglio 2000: interruzioni delle trasmissioni radio e guasti ai satelliti
- Febbraio 2022: 40 satelliti Starlink sono stati distrutti da una tempesta solare
Cicli e periodicità della ionosfera
Il livello di carica della ionosfera presenta andamenti periodici influenzati dall'attività solare, dalle variazioni stagionali e dalle variazioni giornaliere.
Cicli solari
Il ciclo solare indica il ciclo di circa 11 anni caratterizzato da variazioni nell'attività solare. Questo ciclo è caratterizzato dall'aumento e dalla diminuzione del numero di macchie solari sulla superficie del Sole. Le macchie solari sono fenomeni temporanei che si manifestano sul Sole sotto forma di 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 presenta un minor numero di macchie solari e la sua attività complessiva è relativamente bassa. Con il progredire del ciclo 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 del ritardo ionosferico sui segnali GNSS.
Dal 2020 l'attività solare è in aumento, con un'alta attività registrata dalla seconda metà del 2022 e un picco previsto per il 2025. Questa elevata attività porta a prestazioni GNSS complessivamente inferiori e rende più difficile ottenere la correzione RTK.
Cicli stagionali
I cambiamenti stagionali svolgono un ruolo fondamentale nel comportamento della ionosfera. Alle latitudini settentrionali, nei mesi primaverili e autunnali si registrano generalmente livelli di ionizzazione più elevati a causa dell'aumento della radiazione solare, mentre nei mesi estivi e invernali l'ionizzazione è più bassa.
Queste variazioni stagionali influiscono sui segnali GNSS in modo diverso, contribuendo alla variabilità complessiva della precisione di posizionamento.
Variazioni giornaliere
Le variazioni giornaliere della ionosfera sono influenzate dalla rotazione terrestre e dalla posizione del Sole. Man mano che la Terra ruota, le diverse regioni registrano livelli di ionizzazione variabili. Nel grafico sottostante, l’acronimo TECU sta per “Total Electron Content Unit” (unità di contenuto elettronico totale), che caratterizza l’attività della ionosfera ed è anche correlata al ritardo aggiuntivo subito dai segnali.
Ubicazione
Oltre alle variazioni cicliche, stagionali e giornaliere sopra menzionate, la posizione sulla Terra ha un forte impatto sull’attività ionosferica. L’attività ionosferica media è più elevata in prossimità dell’equatore geomagnetico.
Esempi tipici dell'attività ionosferica giornaliera in due date diverse
L'impatto degli errori atmosferici sul sistema RTK: lo stato dell'arte
A seconda della tecnologia utilizzata sul ricevitore GNSS, gli effetti degli errori atmosferici variano.
I ricevitori RTK di fascia bassa solitamente non riescono a gestire adeguatamente questo impatto e possono presentare una minore frequenza di acquisizione RTK o tempi di convergenza più lunghi.
I ricevitori GNSS di grado superiore (geodetico) o i motori di post-elaborazione possono integrare un determinato livello di mitigazione ionosferica che può basarsi su due tecniche principali:
- Combinazione specifica di misurazioni denominata “Iono Free”, indicata anche come “L3” in alcune pubblicazioni scientifiche.
- Stima degli errori ionosferici mediante l'utilizzo di stati dedicati nel filtro di navigazione
Entrambi i metodi presentano vantaggi e svantaggi, ma di solito comportano un rumore e/o un tempo di convergenza significativamente superiori.
Attenua 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 ottenere una posizione RTK e garantire una precisione centimetrica
- Nessun rumore aggiunto a differenza di altre tecniche di elaborazione ionosferica come la combinazione ionofree
- Sfrutta appieno i moderni ricevitori multifrequenza per aumentare la precisione e la robustezza utilizzando costellazioni complete a tre frequenze in modalità PPK
- Funziona anche in applicazioni terrestri (ambienti urbani da leggeri a medi).
Per rendere Ionoshield il più semplice possibile da utilizzare, 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, Ionoshield PPK o VBS. Per gli utenti esperti, è anche possibile selezionare manualmente la modalità di elaborazione.
Sebbene Ionoshield offra enormi vantaggi, vi sono alcuni prerequisiti:
– Almeno un ricevitore GNSS a doppia frequenza (preferibilmente L1/L2), che è scontato su tutti i prodotti SBG Systems. Ionoshield sfrutta inoltre appieno 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 ampie differenze tra gli errori osservati dalla base e dal ricevitore mobile (rover), Ionoshield potrebbe richiedere un tempo di convergenza maggiore.
Se sei interessato a testare come Ionoshield migliora i tuoi dati, contattaci.
