Em nossos artigos anteriores sobre Domínio da Precisão, discutimos o GNSS, suas fontes de erro e como o RTK os mitiga, assumindo que a base e o rover estão próximos o suficiente para que os erros atmosféricos sejam removidos por meio de cálculos de dupla diferença. No entanto, as camadas atmosféricas são frequentemente heterogêneas, portanto, esse método pode não eliminar totalmente os erros, levando a uma precisão reduzida.
O que é a ionosfera e como ela impacta o GNSS?
A ionosfera é um componente crucial da atmosfera superior da Terra, situada aproximadamente de 50 a 1.000 quilômetros acima da superfície da Terra.
A radiação solar atinge partículas nesta camada da atmosfera, resultando na presença de elétrons e íons livres (aátomos que ganharam ou perderam elétrons). O grau de ionização varia com a altitude, a atividade solar e a hora do dia.
Auroras polares são uma consequência visível dessa ionização da alta atmosfera. No que diz respeito à comunicação por RF e, em particular, à transmissão de sinais GNSS, essas partículas carregadas criam atrasos nos sinais à medida que passam pela ionosfera. E como o GNSS depende fundamentalmente da capacidade de levar em conta o tempo de deslocamento dos sinais, esses atrasos têm um grande impacto na precisão do GNSS.
Em caso de alta atividade solar, o impacto pode ser ainda mais desafiador: a cintilação ionosférica pode degradar os sinais de forma que se tornem inutilizáveis para a navegação. As tempestades solares também podem causar falhas permanentes ou temporárias na infraestrutura. Aqui estão alguns exemplos:
- Março de 1989: grandes falhas de energia elétrica foram observadas após uma tempestade solar
- Julho de 2000: interrupções de rádio e falha de satélites
- Fevereiro de 2022: 40 satélites Starlink foram destruídos por uma tempestade solar
Ciclos e periodicidade da ionosfera
O nível de carga da ionosfera exibe padrões periódicos influenciados pela atividade solar, variações sazonais e mudanças diárias.
Ciclos solares
O ciclo solar refere-se ao ciclo de aproximadamente 11 anos de mudanças na atividade do Sol. Este ciclo é marcado pelo aumento e diminuição do número de manchas solares na superfície do Sol. As manchas solares são fenômenos temporários no Sol que aparecem como manchas escuras e estão associadas a uma intensa atividade magnética.
O ciclo solar pode ser dividido em duas fases principais: mínimo solar e máximo solar. Durante o mínimo solar, o Sol tem menos manchas solares e sua atividade geral é relativamente baixa. À medida que o ciclo avança em direção ao máximo solar, o número de manchas solares aumenta, juntamente com o aumento da atividade solar.
Durante períodos de alta atividade solar, a ionosfera experimenta um aumento na densidade de elétrons, amplificando o efeito de atraso ionosférico nos sinais GNSS.
Desde 2020, a atividade solar tem aumentado, com uma alta atividade registrada desde o segundo semestre de 2022; e um pico esperado em 2025. Essa alta atividade leva a um desempenho geral mais fraco do GNSS e torna a correção RTK mais difícil de adquirir.
Ciclos sazonais
As mudanças sazonais desempenham um papel crucial no comportamento da ionosfera. Nas latitudes do norte, os meses de primavera e outono geralmente apresentam níveis mais altos de ionização devido ao aumento da radiação solar, enquanto os meses de verão e inverno apresentam menor ionização.
Essas variações sazonais impactam os sinais GNSS de forma diferente, contribuindo para a variabilidade geral na precisão do posicionamento.
Variações diárias
As variações diárias na ionosfera são influenciadas pela rotação da Terra e pela posição do sol. À medida que a Terra gira, diferentes regiões experimentam diferentes níveis de ionização. No gráfico abaixo, TECU significa Total Electron Content Unit, que caracteriza a atividade da ionosfera e também se relaciona com o atraso Extra experimentado pelos sinais.
Localização
Além das variações cíclicas, sazonais e diárias mencionadas acima, a posição na Terra tem um grande impacto na atividade ionosférica. A atividade ionosférica média é maior ao redor do equador geomagnético.
Exemplos típicos da atividade ionosférica diária em duas datas
Impacto dos erros atmosféricos no RTK: estado da arte
Dependendo da tecnologia utilizada no receptor GNSS, os efeitos dos erros atmosféricos variam.
Os receptores RTK de nível básico geralmente não lidam bem com esse impacto e podem experimentar uma taxa de correção RTK mais baixa ou tempos de convergência mais longos.
Receptores GNSS de nível superior (geodésico) ou mecanismos de pós-processamento podem incorporar um certo nível de mitigação ionosférica, que pode ser baseada em duas técnicas principais:
- Combinação de medição específica chamada Iono Free, também referida como L3 em algumas publicações científicas.
- Estimando erros ionosféricos usando estados dedicados no filtro de navegação
Ambos os métodos têm prós e contras, mas geralmente vêm com um ruído significativamente maior e/ou tempo de convergência.
Mitigue esses efeitos com a tecnologia Ionoshield
Para melhor atender nossos clientes, desenvolvemos para o Qinertia 4 uma tecnologia inovadora para corrigir o efeito da alta atividade ionosférica: Ionoshield.
O Ionoshield aproveita toda a potência do PPK para fornecer soluções de correção RTK centimétricas confiáveis, mesmo em condições GNSS difíceis e alta atividade ionosférica. O Ionoshield é um algoritmo de mitigação de erros atmosféricos. Ele usa as observações na base e no rover para determinar os erros introduzidos pela ionosfera e troposfera.
Ele usa todas as frequências e constelações disponíveis para estimar os erros atmosféricos e compensá-los. Uma estratégia inteligente minimiza o tempo de convergência, enquanto o processamento forward / backward / merge completa o processo para atingir um tempo de convergência zero, mesmo em condições desafiadoras.
Finalmente, o Ionoshield se acopla ao algoritmo RAIM incorporado para detectar e excluir qualquer satélite defeituoso devido a problemas ionosféricos, como cintilação.
Com esta abordagem, o Ionoshield oferece benefícios significativos:
- Capacidade incomparável de alcançar correção RTK e exibir precisão centimétrica
- Sem ruído adicionado, ao contrário de outras técnicas de processamento ionosférico, como a combinação iono-free
- Aproveita ao máximo os modernos receptores de múltiplas frequências para aumentar a precisão e a robustez usando PPK de constelações completas de três frequências
- Funciona mesmo em aplicações terrestres (ambientes urbanos de leves a médios).
Para tornar o Ionoshield o mais fácil de usar possível, o Qinertia também integra uma opção de seleção automática. Esta opção automática avalia a atividade ionosférica antes de selecionar o modo de processamento: PPK de base única, PPK Ionoshield ou VBS. Para usuários avançados, também é possível selecionar manualmente o modo de processamento.
Embora o Ionoshield ofereça enormes benefícios, existem alguns pré-requisitos:
– Pelo menos um receptor GNSS de dupla frequência (L1/L2 preferencial) que é um dado em todos os produtos SBG Systems. O Ionoshield também aproveita ao máximo a disponibilidade de um receptor GNSS de banda tripla (L1/L2/L5) para maior precisão!
– Durações de logs e céu aberto: o Ionoshield pode convergir rapidamente. No entanto, em condições extremas onde a atividade ionosférica é alta, com grandes diferenças entre os erros observados pela base e o rover; O Ionoshield pode precisar de um tempo de convergência maior.
Se você estiver interessado em testar como o Ionoshield melhora seus dados, entre em contato conosco.