In unseren vorherigen Artikeln zur "Mastering Accuracy" haben wir GNSS, seine Fehlerquellen und die Art und Weise, wie RTK diese reduziert, erörtert, indem wir davon ausgehen, dass sich Basis und Rover nahe genug beieinander befinden, damit atmosphärische Fehler durch Doppeldifferenzberechnungen beseitigt werden können. Da die atmosphärischen Schichten jedoch oft heterogen sind, kann diese Methode Fehler möglicherweise nicht vollständig beseitigen, was zu einer geringeren Genauigkeit führt.
Was ist die Ionosphäre und wie beeinflusst sie GNSS?
Die Ionosphäre ist eine entscheidende Komponente der oberen Erdatmosphäre, die sich etwa 50 bis 1.000 Kilometer über der Erdoberfläche befindet.
Sonnenstrahlung trifft auf Teilchen in dieser Atmosphärenschicht, was zum Vorhandensein freier Elektronen und Ionen führt (Atome, die Elektronen gewonnen oder verloren haben). Der Grad der Ionisierung variiert mit der Höhe, der Sonnenaktivität und der Tageszeit.
Polarlichter sind eine sichtbare Folge dieser Ionisierung der oberen Atmosphäre. In Bezug auf die HF-Kommunikation und insbesondere die Übertragung von GNSS-Signalen verursachen diese geladenen Teilchen Verzögerungen der Signale, wenn sie die Ionosphäre durchdringen. Da GNSS im Wesentlichen darauf beruht, dass die Zeit, die die Signale zum Durchlaufen benötigen, berücksichtigt werden kann, haben diese Verzögerungen einen großen Einfluss auf die GNSS-Genauigkeit.
Bei hoher Sonnenaktivität können die Auswirkungen noch gravierender sein: Ionosphärische Szintillation kann Signale so stark beeinträchtigen, dass sie für die Navigation unbrauchbar werden. Sonnenstürme können auch zu dauerhaften oder vorübergehenden Ausfällen der Infrastruktur führen. Hier sind einige Beispiele:
- März 1989: Nach einem Sonnensturm wurden größere Stromausfälle beobachtet
- Juli 2000: Funkausfälle und Satellitenausfälle
- Februar 2022: 40 Starlink-Satelliten wurden durch einen Sonnensturm zerstört
Ionosphärenzyklen und Periodizität
Der Ladungszustand der Ionosphäre weist periodische Muster auf, die von der Sonnenaktivität, saisonalen Schwankungen und täglichen Veränderungen beeinflusst werden.
Sonnenzyklen
Der Sonnenzyklus bezieht sich auf den etwa 11-jährigen Zyklus von Veränderungen in der Sonnenaktivität. Dieser Zyklus ist durch das Zu- und Abnehmen der Anzahl von Sonnenflecken auf der Sonnenoberfläche gekennzeichnet. Sonnenflecken sind temporäre Phänomene auf der Sonne, die als dunkle Flecken erscheinen und mit intensiver magnetischer Aktivität verbunden sind.
Der Sonnenzyklus lässt sich in zwei Hauptphasen unterteilen: solares Minimum und solares Maximum. Während des solaren Minimums hat die Sonne weniger Sonnenflecken und ihre Gesamtaktivität ist relativ gering. Wenn der Zyklus auf das solare Maximum zusteuert, nimmt die Anzahl der Sonnenflecken zusammen mit der erhöhten Sonnenaktivität zu.
In Zeiten hoher solarer Aktivität erfährt die Ionosphäre eine erhöhte Elektronendichte, wodurch der ionosphärische Verzögerungseffekt auf GNSS-Signale verstärkt wird.
Seit 2020 hat die Sonnenaktivität zugenommen, wobei seit der zweiten Hälfte des Jahres 2022 eine hohe Aktivität registriert wurde und ein Höhepunkt im Jahr 2025 erwartet wird. Diese hohe Aktivität führt insgesamt zu einer schlechteren GNSS-Leistung und erschwert die RTK-Fixierung.
Saisonale Zyklen
Saisonale Veränderungen spielen eine entscheidende Rolle im Verhalten der Ionosphäre. In nördlichen Breitengraden sind in den Frühlings- und Herbstmonaten im Allgemeinen höhere Ionisierungsgrade aufgrund erhöhter Sonneneinstrahlung zu beobachten, während in den Sommer- und Wintermonaten eine geringere Ionisierung auftritt.
Diese saisonalen Schwankungen wirken sich unterschiedlich auf die GNSS-Signale aus und tragen zur Gesamtvariabilität der Positionsgenauigkeit bei.
Tägliche Schwankungen
Tägliche Schwankungen in der Ionosphäre werden durch die Erdrotation und die Position der Sonne beeinflusst. Während sich die Erde dreht, erfahren verschiedene Regionen unterschiedliche Ionisierungsgrade. In der folgenden Grafik steht TECU für Total Electron Content Unit, die die Aktivität der Ionosphäre charakterisiert und sich auch auf die zusätzliche Verzögerung bezieht, die die Signale erfahren.
Standort
Zusätzlich zu den oben genannten zyklischen, saisonalen und täglichen Schwankungen hat die Position auf der Erde einen großen Einfluss auf die ionosphärische Aktivität. Die durchschnittliche ionosphärische Aktivität ist in der Nähe des geomagnetischen Äquators höher.
Typische Beispiele für eine tägliche ionosphärische Aktivität an zwei verschiedenen Tagen
Auswirkungen atmosphärischer Fehler auf RTK: Stand der Technik
Je nach der im GNSS-Empfänger verwendeten Technologie variieren die Auswirkungen atmosphärischer Fehler.
RTK-Empfänger der Einstiegsklasse können diese Auswirkungen in der Regel nicht wirklich bewältigen und weisen möglicherweise eine geringere RTK-Fixrate oder höhere Konvergenzzeiten auf.
Hochwertigere (geodätische) GNSS-Empfänger oder Post-Processing-Engines können eine gewisse ionosphärische Fehlerreduzierung beinhalten, die auf zwei Haupttechniken basieren kann:
- Eine spezielle Messkombination, genannt Iono Free, in einigen wissenschaftlichen Veröffentlichungen auch als L3 bezeichnet.
- Schätzung ionosphärischer Fehler durch Verwendung dedizierter Zustände im Navigationsfilter
Beide Methoden haben Vor- und Nachteile, sind aber in der Regel mit einem deutlich höheren Rauschen und/oder einer längeren Konvergenzzeit verbunden.
Abschwächung dieser Effekte mit der Ionoshield-Technologie
Um unsere Kunden bestmöglich zu unterstützen, haben wir für Qinertia 4 eine bahnbrechende Technologie entwickelt, um die Auswirkungen der hohen ionosphärischen Aktivität zu korrigieren: Ionoshield.
Ionoshield nutzt die volle Leistung von PPK, um auch unter schwierigen GNSS-Bedingungen und hoher ionosphärischer Aktivität zuverlässige zentimetergenaue RTK-Fix-Lösungen zu liefern. Ionoshield ist ein Algorithmus zur Reduzierung atmosphärischer Fehler. Er verwendet die Beobachtungen auf der Basis und auf dem Rover, um die durch die Ionosphäre und die Troposphäre verursachten Fehler zu bestimmen.
Er nutzt alle verfügbaren Frequenzen und Konstellationen, um die atmosphärischen Fehler zu schätzen und zu kompensieren. Eine intelligente Strategie minimiert die Konvergenzzeit, während die Vorwärts-/Rückwärts-/Merge-Verarbeitung den Prozess abschließt, um eine Konvergenzzeit von Null zu erreichen, selbst unter schwierigen Bedingungen.
Schließlich ist Ionoshield mit dem eingebetteten RAIM-Algorithmus gekoppelt, um fehlerhafte Satelliten aufgrund ionosphärischer Probleme wie z. B. Szintillation zu erkennen und auszuschließen.
Mit diesem Ansatz bietet Ionoshield erhebliche Vorteile:
- Unübertroffene Fähigkeit, einen RTK-Fix zu erreichen und eine zentimetergenaue Genauigkeit aufzuweisen
- Kein zusätzliches Rauschen im Gegensatz zu anderen Iono-Verarbeitungstechniken wie der Ionofree-Kombination
- Nutzt die Vorteile moderner Multifrequenzempfänger voll aus, um Präzision und Robustheit durch die Verwendung von drei Frequenzen und vollständigen Konstellationen PPK zu erhöhen.
- Funktioniert auch in Landanwendungen (leichte bis mittlere städtische Umgebungen).
Um die Verwendung von Ionoshield so einfach wie möglich zu gestalten, integriert Qinertia auch eine automatische Auswahloption. Diese automatische Option beurteilt die ionosphärische Aktivität, bevor sie den Verarbeitungsmodus auswählt: Single Base PPK, Ionoshield PPK oder VBS. Für fortgeschrittene Benutzer ist es auch möglich, den Verarbeitungsmodus manuell auszuwählen.
Obwohl Ionoshield enorme Vorteile bietet, gibt es einige Voraussetzungen:
– Mindestens ein Dualfrequenz-GNSS-Empfänger (L1/L2 bevorzugt), was bei allen SBG Systems-Produkten gegeben ist. Ionoshield nutzt auch die Verfügbarkeit eines Dreiband-GNSS-Empfängers (L1/L2/L5) voll aus, um die Genauigkeit zu erhöhen!
– Protokolldauer und freie Sicht zum Himmel: Ionoshield kann schnell konvergieren. Unter extremen Bedingungen, in denen die ionosphärische Aktivität hoch ist und große Unterschiede zwischen den von der Basis und dem Rover beobachteten Fehlern bestehen, benötigt Ionoshield jedoch möglicherweise eine längere Konvergenzzeit.
Wenn Sie daran interessiert sind zu testen, wie Ionoshield Ihre Daten verbessert, kontaktieren Sie uns.