これまでの「精度を極める（Mastering Accuracy）」の記事では、GNSSとその誤差要因について解説し、基地局と移動局が二重差分計算による大気誤差の除去が可能なほど十分に近接していると仮定することで、RTKがどのようにそれらの誤差を軽減するかを説明しました。しかし、大気層はしばしば不均質であるため、この方法では誤差を完全に排除できず、精度低下を招くことがあります。
電離層とは何か、そしてGNSSにどのような影響を与えるのか
電離層は、地球の上層大気における極めて重要な構成要素であり、地表からおよそ50～1,000キロメートルの高度に位置しています。
太陽放射がこの大気層内の粒子に当たり、その結果、自由電子やイオン（電子を1つ得たり失ったりした原子）が生じます。イオン化の程度は、高度、太陽活動、および時間帯によって異なります。
オーロラは、この超高層大気の電離を目に見える形で示した現象です。RF通信、特にGNSS信号の伝送に関して、これらの荷電粒子は電離層を通過する際に信号に遅延を生じさせます。GNSSは本質的に信号の伝播時間を正確に計測できることに依存しているため、この遅延はGNSSの精度に大きな影響を与えます。
太陽活動が活発な場合、その影響はさらに深刻になる可能性があります。電離層のシンチレーションにより、信号の品質が低下し、航法用として使用できなくなることがあります。また、太陽嵐はインフラに恒久的または一時的な障害を引き起こすこともあります。以下にいくつかの例を挙げます：
- 1989年3月：太陽嵐に続いて大規模な停電が発生した
- 2000年7月：無線通信の途絶、および衛星の故障
- 2022年2月：40機のスターリンク衛星が太陽嵐によって破壊された
電離層の周期と周期性
電離層の電荷レベルは、太陽活動、季節変動、および日周変動の影響を受けて、周期的なパターンを示す。
太陽活動周期
太陽活動周期とは、太陽の活動にみられる約11年周期の変動を指します。この周期は、太陽表面の黒点数の増減によって特徴づけられます。黒点とは、太陽表面に現れる一時的な現象で、暗い斑点として見え、激しい磁気活動と関連しています。
太陽活動周期は、太陽極小期と太陽極大期の2つの主要なフェーズに分けることができます。太陽極小期の間は、太陽の黒点が少なく、全体の活動は比較的低調です。周期が太陽極大期に向かって進むにつれて、黒点の数が増加し、それに伴って太陽活動も活発になります。
太陽活動が活発な時期には、電離層の電子密度が増加し、GNSS信号に対する電離層遅延の効果が拡大します。
2020年以降、太陽活動は活発化しており、2022年後半以降は高水準が記録され、2025年にはピークを迎えると予想されています。この活発な活動により、GNSS全体の性能が低下し、RTKの固定解の取得がより困難になります。
季節の移り変わり
季節の変化は、電離層の挙動に重要な役割を果たしています。北半球では、春と秋は太陽放射の増加により、一般的に電離度が高くなりますが、夏と冬は電離度が低くなります。
これらの季節的変動はGNSS信号にそれぞれ異なる影響を与え、測位精度の全体的な変動要因となります。
日ごとの変動
電離層の日ごとの変動は、地球の自転と太陽の位置の影響を受けます。地球が自転するにつれて、地域によって電離の程度が異なります。下のグラフにおいて、TECUは「総電子量単位（Total Electron Content Unit）」の略で、電離層の活動を表す指標であり、信号に生じる追加遅延とも関連しています。
場所
前述の周期的、季節的、および日ごとの変動に加え、地球上の位置も電離層の活動に大きな影響を及ぼします。電離層の活動は、地磁気赤道付近で平均的に高くなります。
2つの日付における日ごとの電離層活動の代表的な例
RTKに及ぼす大気誤差の影響：最新動向
GNSS受信機で使用されている技術によって、大気誤差の影響は異なります。
エントリーレベルのRTK受信機は、通常、この影響に十分に対応できず、RTK測位成功率が低下したり、収束時間が長くなったりする可能性があります。
高性能な（測地用）GNSSレシーバーまたは後処理エンジンには、以下の2つの主要な技術に基づく一定レベルの電離層低減機能が組み込まれている場合があります。
- 「Iono Free」と呼ばれる特定の測定組み合わせで、一部の科学論文では「L3」とも呼ばれている。
- ナビゲーションフィルタにおける専用状態を用いた電離層誤差の推定
どちらの方法にも長所と短所がありますが、通常は大幅に高いノイズや収束時間を伴います。
Ionoshieldテクノロジーでこれらの影響を軽減します
お客様を最大限にサポートするため、当社はQinertia 4向けに、高い電離層活動の影響を補正する画期的な技術「Ionoshield」を開発しました。
IonoshieldはPPKの全機能を活用し、困難なGNSS条件下や高い電離層活動下でも、信頼性の高いセンチメートル級RTK測位解を提供します。Ionoshieldは、大気誤差軽減アルゴリズムです。基地局と移動局での観測値を利用して、電離層および対流圏によって引き起こされる誤差を特定します。
利用可能なすべての周波数とコンステレーションを使用し、大気誤差を推定し、補償します。インテリジェントな戦略により収束時間を最小限に抑え、フォワード/バックワード/マージ処理がプロセスを完了させることで、困難な条件下でもゼロ収束時間を目標とします。
最後に、Ionoshieldは内蔵のRAIMアルゴリズムと連携し、シンチレーションなどの電離層の問題による故障した衛星を検出し、除外します。
このアプローチにより、Ionoshieldは以下の重要な利点をもたらします。
- RTK測位を達成し、センチメートル級の精度を実現する比類なき能力
- イオノフリー結合などの他の電離層処理技術とは異なり、ノイズの追加がありません。
- 最新の多周波数受信機を最大限に活用し、3つの周波数を用いたフルコンステレーションPPKにより、精度と堅牢性を向上させます。
- 陸上での使用（軽度から中程度の都市環境）でも効果を発揮します。
Ionoshieldをできる限り簡単にご利用いただけるよう、Qinertiaには自動選択オプションも統合されています。この自動オプションは、処理モード（シングルベースPPK、Ionoshield PPK、またはVBS）を選択する前に電離層の活動状況を評価します。上級ユーザー向けに、処理モードを手動で選択することも可能です。
Ionoshieldには絶大なメリットがある一方で、いくつかの前提条件があります：
– 最低でもデュアル周波数GNSS受信機（L1/L2推奨）が必要です。これはすべてのSBG Systems製品に標準装備されています。また、Ionoshieldはトリプルバンド（L1/L2/L5）GNSS受信機の可用性を最大限に活用し、精度をさらに高めます！
– ログの記録時間とオープンスカイ：Ionoshieldは急速に収束します。ただし、電離層の活動が活発で、基準局とローバーで観測される誤差に大きな差があるような極端な条件下では、Ionoshieldの収束により長い時間がかかる場合があります。
Ionoshieldがお手元のデータにどのように改善をもたらすか、ぜひテストでお確かめください。お問い合わせはこちらから。
