W naszych poprzednich artykułach z serii Mastering Accuracy omówiliśmy GNSS, jego źródła błędów i sposób, w jaki RTK je minimalizuje, zakładając, że baza i rover znajdują się wystarczająco blisko, aby błędy atmosferyczne mogły zostać usunięte za pomocą obliczeń różnic podwójnych. Jednak warstwy atmosferyczne są często niejednorodne, więc ta metoda może nie w pełni eliminować błędy, co prowadzi do zmniejszenia dokładności.
Czym jest jonosfera i jak wpływa na GNSS
Jonosfera jest kluczowym składnikiem górnej atmosfery Ziemi, znajdującym się w przybliżeniu od 50 do 1000 kilometrów nad powierzchnią Ziemi.
Promieniowanie słoneczne uderza w cząsteczki w tej warstwie atmosfery, powodując obecność wolnych elektronów i jonów (atomy, które zyskały lub straciły elektrony). Stopień jonizacji zmienia się wraz z wysokością, aktywnością słoneczną i porą dnia.
Polarne zorze są widocznym skutkiem jonizacji górnej atmosfery. W odniesieniu do komunikacji radiowej, a w szczególności transmisji sygnałów GNSS, te naładowane cząstki powodują opóźnienia sygnałów podczas ich przechodzenia przez jonosferę. A ponieważ GNSS zasadniczo opiera się na możliwości uwzględnienia czasu potrzebnego na przesyłanie sygnałów, opóźnienia te mają duży wpływ na dokładność GNSS.
W przypadku wysokiej aktywności słonecznej wpływ może być jeszcze bardziej dotkliwy: scyntylacje jonosferyczne mogą pogorszyć jakość sygnałów do tego stopnia, że staną się one bezużyteczne dla nawigacji. Burze słoneczne mogą również powodować trwałe lub tymczasowe awarie infrastruktury. Oto kilka przykładów:
- Marzec 1989: po burzy słonecznej zaobserwowano poważne awarie zasilania elektrycznego
- Lipiec 2000: przerwy w łączności radiowej i awarie satelitów
- Luty 2022: 40 satelitów Starlink zostało zniszczonych przez burzę słoneczną
Cykle i periodyczność jonosfery
Poziom naładowania jonosfery wykazuje okresowe wzorce, na które wpływa aktywność słoneczna, zmiany sezonowe i zmiany dobowe.
Cykle słoneczne
Cykl słoneczny odnosi się do trwającego około 11 lat cyklu zmian aktywności Słońca. Cykl ten charakteryzuje się wzrostem i spadkiem liczby plam słonecznych na powierzchni Słońca. Plamy słoneczne są tymczasowymi zjawiskami na Słońcu, które pojawiają się jako ciemne plamy i są związane z intensywną aktywnością magnetyczną.
Cykl słoneczny można podzielić na dwie główne fazy: minimum słoneczne i maksimum słoneczne. Podczas minimum słonecznego Słońce ma mniej plam słonecznych, a jego ogólna aktywność jest stosunkowo niska. W miarę jak cykl zbliża się do maksimum słonecznego, liczba plam słonecznych wzrasta, wraz ze wzrostem aktywności słonecznej.
W okresach wysokiej aktywności słonecznej jonosfera doświadcza zwiększonej gęstości elektronów, co wzmacnia wpływ opóźnienia jonosferycznego na sygnały GNSS.
Od 2020 roku aktywność słoneczna wzrasta, przy czym wysoka aktywność jest rejestrowana od drugiej połowy 2022 roku; a szczyt spodziewany jest w 2025 roku. Ta wysoka aktywność prowadzi do ogólnie gorszej wydajności GNSS i utrudnia uzyskanie poprawki RTK.
Cykle sezonowe
Zmiany sezonowe odgrywają kluczową rolę w zachowaniu jonosfery. Na północnych szerokościach geograficznych w miesiącach wiosennych i jesiennych obserwuje się na ogół wyższy poziom jonizacji ze względu na zwiększone promieniowanie słoneczne, natomiast w miesiącach letnich i zimowych obserwuje się niższą jonizację.
Te sezonowe zmiany wpływają w różny sposób na sygnały GNSS, przyczyniając się do ogólnej zmienności dokładności pozycjonowania.
Zmiany dobowe
Na zmiany dobowe w jonosferze wpływają obrót Ziemi i położenie Słońca. Wraz z obrotem Ziemi różne regiony doświadczają różnych poziomów jonizacji. Na poniższym wykresie TECU oznacza Total Electron Content Unit, który charakteryzuje aktywność jonosfery, a także odnosi się do dodatkowego opóźnienia doświadczanego przez sygnały.
Lokalizacja
Oprócz wspomnianych powyżej cyklicznych, sezonowych i dobowych zmian, położenie na Ziemi ma duży wpływ na aktywność jonosferyczną. Średnia aktywność jonosferyczna jest wyższa w okolicach równika geomagnetycznego.
Typowe przykłady dziennej aktywności jonosferycznej w dwóch terminach
Wpływ błędów atmosferycznych na RTK: aktualny stan wiedzy
W zależności od technologii zastosowanej w odbiorniku GNSS, efekty błędów atmosferycznych są różne.
Podstawowe odbiorniki RTK zazwyczaj nie radzą sobie z tym wpływem i mogą doświadczać niższej częstotliwości ustalania pozycji RTK lub dłuższego czasu konwergencji.
Wyższej klasy (geodezyjne) odbiorniki GNSS lub silniki post-processingu mogą zawierać pewien poziom mitygacji jonosferycznej, która może być oparta na dwóch głównych technikach:
- Specyficzna kombinacja pomiarów zwana Iono Free, w niektórych publikacjach naukowych określana również jako L3.
- Szacowanie błędów jonosferycznych za pomocą dedykowanych stanów w filtrze nawigacyjnym
Obie metody mają swoje zalety i wady, ale zwykle wiążą się ze znacznie większym szumem i/lub czasem konwergencji.
Minimalizuj te efekty 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 osiągnięcia poprawki RTK i wykazania centymetrowej dokładności
- Brak dodatkowych szumów w przeciwieństwie do innych technik przetwarzania jonosferycznego, takich jak kombinacja ionofree
- Pełne wykorzystanie nowoczesnych, wieloczęstotliwościowych odbiorników w celu zwiększenia precyzji i niezawodności przy użyciu trzech częstotliwości pełnych konstelacji PPK
- Działa nawet w zastosowaniach lądowych (lekkie i średnie środowiska miejskie).
Aby Ionoshield był jak najłatwiejszy w użyciu, Qinertia integruje również opcję automatycznego wyboru. Ta automatyczna opcja ocenia aktywność jonosferyczną przed wybraniem trybu przetwarzania: pojedyncza baza PPK, Ionoshield PPK lub VBS. Dla zaawansowanych użytkowników możliwe jest również ręczne wybranie trybu przetwarzania.
Chociaż Ionoshield oferuje ogromne korzyści, istnieją pewne wymagania wstępne:
– Co najmniej dwuczęstotliwościowy odbiornik GNSS (preferowane L1/L2), co jest standardem we wszystkich produktach SBG Systems. Ionoshield w pełni wykorzystuje również dostępność trzyzakresowego (L1/L2/L5) odbiornika GNSS dla zwiększenia dokładności!
– Czas trwania logów i otwarte niebo: Ionoshield może szybko zbiegać się. Jednak w ekstremalnych warunkach, gdy aktywność jonosferyczna jest wysoka, z dużymi różnicami między błędami obserwowanymi przez stację bazową i rover; Ionoshield może potrzebować dłuższego czasu konwergencji.
Jeśli jesteś zainteresowany przetestowaniem, jak Ionoshield poprawia Twoje dane, skontaktuj się z nami.
