W naszych poprzednich artykułach z serii „Mastering Accuracy” omówiliśmy system GNSS, źródła jego błędów oraz sposób, w jaki technologia RTK je niweluje, zakładając, że stacja bazowa i odbiornik ruchomy (rover) znajdują się na tyle blisko, iż błędy atmosferyczne mogą zostać usunięte za pomocą obliczeń metodą podwójnych różnic. Warstwy atmosfery są jednak często niejednorodne, przez co metoda ta może nie wyeliminować błędów całkowicie, co prowadzi do spadku dokładności.
Czym jest jonosfera i jak wpływa na GNSS
Jonosfera stanowi kluczowy element górnych warstw atmosfery ziemskiej i znajduje się na wysokości od około 50 do 1 000 kilometrów nad powierzchnią Ziemi.
Promieniowanie słoneczne uderza w cząsteczki w tej warstwie atmosfery, co powoduje obecność wolnych elektronów i jonów (atomów, które zyskały lub utraciły elektrony). Stopień jonizacji zmienia się w zależności od wysokości, aktywności słonecznej i pory dnia.
Zorze polarne są widocznym skutkiem jonizacji górnych warstw atmosfery. W odniesieniu do komunikacji radiowej, a w szczególności transmisji sygnałów GNSS, te naładowane cząstki powodują opóźnienia sygnałów podczas ich przechodzenia przez jonosferę. Ponieważ GNSS opiera się w swojej zasadzie działania na możliwości uwzględnienia czasu podróży sygnałów, opóźnienia te mają ogromny wpływ na dokładność GNSS.
W przypadku wysokiej aktywności słonecznej skutki mogą być jeszcze poważniejsze: migotanie jonosferyczne może pogorszyć jakość sygnałów do tego stopnia, że staną się one bezużyteczne do celów nawigacyjnych. Burze słoneczne mogą również powodować trwałe lub tymczasowe awarie infrastruktury. Oto kilka przykładów:
- Marzec 1989 r.: w następstwie burzy słonecznej odnotowano poważne awarie w dostawach energii elektrycznej
- Lipiec 2000 r.: przerwy w nadawaniu programów radiowych i awarie satelitów
- Luty 2022 r.: 40 satelitów Starlink uległo zniszczeniu w wyniku burzy słonecznej
Cykle jonosferyczne i okresowość
Poziom naładowania jonosfery wykazuje cykliczne wzorce, na które wpływają aktywność słoneczna, zmiany sezonowe oraz wahania dobowe.
Cykle słoneczne
Cykl słoneczny to trwający około 11 lat cykl zmian aktywności Słońca. Cechą charakterystyczną tego cyklu są wahania liczby plam słonecznych na powierzchni Słońca. Plamy słoneczne to przejściowe zjawiska na Słońcu, które objawiają się w postaci ciemnych plam i wiążą się z intensywną aktywnością magnetyczną.
Cykl słoneczny można podzielić na dwie główne fazy: minimum słoneczne i maksimum słoneczne. W czasie minimum słonecznego Słońce ma mniej plam, a jego ogólna aktywność jest stosunkowo niska. W miarę postępu cyklu w kierunku maksimum słonecznego liczba plam słonecznych rośnie, czemu towarzyszy wzmożona aktywność słoneczna.
W okresach dużej aktywności słonecznej w jonosferze wzrasta gęstość elektronów, co potęguje efekt opóźnienia jonosferycznego w odniesieniu do sygnałów GNSS.
Od 2020 roku aktywność słoneczna stale rośnie, przy czym wysoki poziom aktywności odnotowywano od drugiej połowy 2022 roku, a jej szczyt przypada na rok 2025. Wysoka aktywność prowadzi do ogólnego pogorszenia wydajności GNSS i utrudnia uzyskanie poprawki RTK fix.
Cykle sezonowe
Zmiany pór roku odgrywają kluczową rolę w zachowaniu jonosfery. Na północnych szerokościach geograficznych w miesiącach wiosennych i jesiennych obserwuje się zazwyczaj wyższy poziom jonizacji spowodowany zwiększonym promieniowaniem słonecznym, natomiast w miesiącach letnich i zimowych poziom ten jest niższy.
Te wahania sezonowe wpływają na sygnały GNSS w różny sposób, przyczyniając się do ogólnej zmienności dokładności pozycjonowania.
Wahania dzienne
Na codzienne zmiany w jonosferze wpływają obrót Ziemi oraz położenie Słońca. W miarę obrotu Ziemi w różnych regionach występują różne poziomy jonizacji. Na poniższym wykresie skrót TECU oznacza jednostkę całkowitej zawartości elektronów (Total Electron Content Unit), która charakteryzuje aktywność jonosfery, a także odnosi się do dodatkowego opóźnienia, z jakim napotykają sygnały.
Lokalizacja
Oprócz wyżej wymienionych zmian cyklicznych, sezonowych i dobowych, duży wpływ na aktywność jonosferyczną ma położenie na Ziemi. Średnia aktywność jonosferyczna jest wyższa w okolicy równika geomagnetycznego.
Typowe przykłady dziennej aktywności jonosferycznej w dwóch terminach
Wpływ błędów atmosferycznych na system RTK: aktualny stan wiedzy
W zależności od technologii zastosowanej w odbiorniku GNSS, wpływ błędów atmosferycznych bywa różny.
Podstawowe odbiorniki RTK zazwyczaj nie radzą sobie zbyt dobrze z tym obciążeniem i mogą charakteryzować się niższą częstotliwością ustalania pozycji RTK lub dłuższym czasem konwergencji.
Odbiorniki GNSS wyższej klasy (geodezyjne) lub silniki post-processingowe mogą zawierać pewien poziom mitigations (redukcji) efektów jonosferycznych, które mogą opierać się na dwóch głównych technikach:
- Specyficzna kombinacja pomiarów o nazwie Iono Free, określana w niektórych publikacjach naukowych również jako L3.
- Oszacowanie błędów jonosferycznych przy użyciu stanów dedykowanych w filtrze nawigacyjnym
Obie metody mają swoje zalety i wady, ale zazwyczaj wiążą się ze znacznie wyższym poziomem szumów i/lub dłuższym czasem zbieżności.
Zmniejsz te skutki dzięki technologii Ionoshield
Aby jak najlepiej wspierać naszych klientów, opracowaliśmy dla Qinertia 4 przełomową technologię korygującą wpływ wysokiej aktywności jonosferycznej: Ionoshield.
Ionoshield wykorzystuje pełną moc PPK, aby zapewnić niezawodne rozwiązania RTK fix z centymetrową dokładnością, nawet w trudnych warunkach GNSS i przy wysokiej aktywności jonosferycznej. Ionoshield to algorytm łagodzenia błędów atmosferycznych. Wykorzystuje on obserwacje ze stacji bazowej i odbiornika ruchomego (rover) do określania błędów wprowadzanych przez jonosferę i troposferę.
Wykorzystuje wszystkie dostępne częstotliwości i konstelacje do oszacowania błędów atmosferycznych i ich kompensacji. Inteligentna strategia minimalizuje czas konwergencji, podczas gdy przetwarzanie forward / backward / merge uzupełnia proces, aby osiągnąć zerowy czas konwergencji, nawet w trudnych warunkach.
Wreszcie, Ionoshield współpracuje z wbudowanym algorytmem RAIM w celu wykrycia i wykluczenia każdego wadliwego satelity spowodowanego problemami jonosferycznymi, takimi jak scyntylacja.
Dzięki temu podejściu Ionoshield przynosi znaczące korzyści:
- Niezrównana zdolność do uzyskania pozycji RTK i zapewnienia dokładności rzędu centymetrów
- Brak dodanego szumu w przeciwieństwie do innych technik przetwarzania jonosferycznego, takich jak kombinacja bezjonosferyczna
- W pełni wykorzystuje możliwości nowoczesnych odbiorników wieloczęstotliwościowych w celu zwiększenia precyzji i niezawodności dzięki zastosowaniu pełnych konstelacji PPK opartych na trzech częstotliwościach
- Sprawdza się nawet w zastosowaniach lądowych (w środowiskach miejskich o niewielkim lub średnim natężeniu ruchu).
Aby korzystanie z Ionoshield było jak najprostsze, Qinertia zawiera również opcję automatycznego wyboru. Ta opcja automatyczna ocenia aktywność jonosferyczną przed wybraniem trybu przetwarzania: PPK z pojedynczą stacją bazową, PPK z Ionoshield lub VBS. Dla zaawansowanych użytkowników istnieje również możliwość ręcznego wyboru trybu przetwarzania.
Chociaż Ionoshield oferuje ogromne korzyści, istnieje kilka warunków wstępnych:
– Co najmniej dwuczęstotliwościowy odbiornik GNSS (najlepiej L1/L2), co jest standardem we wszystkich produktach SBG Systems. Ionoshield w pełni wykorzystuje również dostępność trzypasmowego (L1/L2/L5) odbiornika GNSS w celu zwiększenia dokładności!
– Czas trwania logów i otwarte niebo: Ionoshield potrafi szybko dokonać zbieżności. Jednak w skrajnych warunkach, gdy aktywność jonosferyczna jest wysoka, z dużymi różnicami między błędami obserwowanymi przez stację bazową a łazik, Ionoshield może potrzebować dłuższego czasu konwergencji.
Jeśli jesteś zainteresowany przetestowaniem, jak Ionoshield usprawnia Twoje dane, skontaktuj się z nami.
