En nuestros anteriores artículos de Mastering Accuracy, hablamos del GNSS, sus fuentes de error y cómo el RTK los mitiga asumiendo que la base y el rover están lo suficientemente cerca como para que los errores atmosféricos se eliminen mediante cálculos de doble diferencia. Sin embargo, las capas atmosféricas son a menudo heterogéneas, por lo que este método puede no eliminar completamente los errores, lo que lleva a una reducción de la precisión.
¿Qué es la ionosfera y cómo afecta al GNSS?
La ionosfera es un componente crucial de la atmósfera superior de la Tierra, situada aproximadamente entre 50 y 1.000 kilómetros por encima de la superficie terrestre.
La radiación solar golpea las partículas de esta capa atmosférica, lo que da lugar a la presencia de electrones e iones libres (átomos que han ganado o perdido electrones). El grado de ionización varía con la altitud, la actividad solar y la hora del día.
Las auroras polares son una consecuencia visible de esta ionización de la atmósfera superior. En lo que respecta a la comunicación por radiofrecuencia, y en particular a la transmisión de señales GNSS, estas partículas cargadas crean retrasos en las señales a su paso por la ionosfera. Y dado que el GNSS se basa fundamentalmente en poder tener en cuenta el tiempo que tardan las señales en viajar, estos retrasos tienen un impacto importante en la precisión del GNSS.
En caso de alta actividad solar, el impacto puede ser aún más desafiante: la centelleo ionosférico puede degradar las señales de tal manera que se vuelvan inutilizables para la navegación. Las tormentas solares también pueden causar fallos permanentes o temporales en la infraestructura. Aquí hay algunos ejemplos:
- Marzo de 1989: se observaron fallos importantes en el suministro eléctrico tras una tormenta solar
- Julio de 2000: apagones de radio y fallo de satélites
- Febrero de 2022: 40 satélites de Starlink fueron destruidos por una tormenta solar
Ciclos y periodicidad de la ionosfera
El nivel de carga de la ionosfera presenta patrones periódicos influidos por la actividad solar, las variaciones estacionales y los cambios diarios.
Ciclos solares
El ciclo solar se refiere al ciclo de aproximadamente 11 años de cambios en la actividad del Sol. Este ciclo está marcado por el aumento y la disminución del número de manchas solares en la superficie del Sol. Las manchas solares son fenómenos temporales del Sol que aparecen como manchas oscuras y están asociadas a una intensa actividad magnética.
El ciclo solar puede dividirse en dos fases principales: mínimo solar y máximo solar. Durante el mínimo solar, el Sol tiene menos manchas solares y su actividad general es relativamente baja. A medida que el ciclo avanza hacia el máximo solar, el número de manchas solares aumenta, junto con una mayor actividad solar.
Durante los periodos de alta actividad solar, la ionosfera experimenta una mayor densidad de electrones, lo que amplifica el efecto de retardo ionosférico en las señales GNSS.
Desde 2020, la actividad solar ha ido en aumento, con una alta actividad registrada desde la segunda mitad de 2022; y un pico previsto en 2025. Esta alta actividad conduce a un rendimiento general más pobre del GNSS y hace que la fijación RTK sea más difícil de adquirir.
Ciclos estacionales
Los cambios estacionales desempeñan un papel crucial en el comportamiento ionosférico. En las latitudes del norte, los meses de primavera y otoño suelen registrar niveles de ionización más altos debido al aumento de la radiación solar, mientras que los meses de verano e invierno experimentan una menor ionización.
Estas variaciones estacionales impactan de forma diferente en las señales GNSS, contribuyendo a la variabilidad general en la precisión del posicionamiento.
Variaciones diarias
Las variaciones diarias en la ionosfera están influenciadas por la rotación de la Tierra y la posición del sol. A medida que la Tierra gira, diferentes regiones experimentan distintos niveles de ionización. En el siguiente gráfico, TECU significa Unidad de Contenido Electrónico Total, que caracteriza la actividad de la ionosfera y también se relaciona con el retardo adicional que experimentan las señales.
Ubicación
Además de las variaciones cíclicas, estacionales y diarias mencionadas anteriormente, la posición en la Tierra tiene un gran impacto en la actividad ionosférica. La actividad ionosférica media es mayor alrededor del ecuador geomagnético.
Ejemplos típicos de actividad ionosférica diaria en dos fechas
Impacto de los errores atmosféricos en RTK: estado del arte
Dependiendo de la tecnología utilizada en el receptor GNSS, los efectos de los errores atmosféricos varían.
Los receptores RTK básicos no suelen hacer frente a este impacto y pueden experimentar una menor tasa de corrección RTK o mayores tiempos de convergencia.
Los receptores GNSS de grado superior (geodésico) o los motores de post-procesamiento pueden incorporar un cierto nivel de mitigación ionosférica que puede basarse en dos técnicas principales:
- Combinación de medición específica llamada Iono Free, también conocida como L3 en algunas publicaciones científicas.
- Estimación de errores ionosféricos mediante el uso de estados dedicados en el filtro de navegación
Ambos métodos tienen pros y contras, pero normalmente conllevan un ruido significativamente mayor y/o un tiempo de convergencia más largo.
Mitigue estos efectos con la tecnología Ionoshield
Para dar el mejor soporte a nuestros clientes, hemos desarrollado para Qinertia 4 una tecnología innovadora para corregir el efecto de la alta actividad ionosférica: Ionoshield.
Ionoshield aprovecha toda la potencia del PPK para proporcionar soluciones de fijación RTK centimétricas fiables incluso en condiciones GNSS difíciles y con alta actividad ionosférica. Ionoshield es un algoritmo de mitigación de errores atmosféricos. Utiliza las observaciones en la base y en el rover para determinar los errores introducidos por la ionosfera y la troposfera.
Utiliza todas las frecuencias y constelaciones disponibles para estimar los errores atmosféricos y compensarlos. Una estrategia inteligente minimiza el tiempo de convergencia, mientras que el procesamiento hacia adelante / hacia atrás / fusión completa el proceso para apuntar a un tiempo de convergencia cero, incluso en condiciones difíciles.
Finalmente, Ionoshield se acopla con el algoritmo RAIM integrado para detectar y excluir cualquier satélite defectuoso debido a problemas ionosféricos como la centelleo.
Con este enfoque, Ionoshield ofrece importantes beneficios:
- Capacidad inigualable para alcanzar la corrección RTK y mostrar una precisión centimétrica
- Sin ruido añadido, a diferencia de otras técnicas de procesamiento ionosférico, como la combinación iono-libre
- Aprovecha al máximo los modernos receptores multifrecuencia para aumentar la precisión y la robustez utilizando PPK de constelaciones completas de tres frecuencias
- Funciona incluso en aplicaciones terrestres (entornos urbanos ligeros a medios).
Para que Ionoshield sea lo más fácil de usar posible, Qinertia también integra una opción de selección automática. Esta opción automática evalúa la actividad ionosférica antes de seleccionar el modo de procesamiento: PPK de base única, PPK de Ionoshield o VBS. Para los usuarios avanzados, también es posible seleccionar manualmente el modo de procesamiento.
Aunque Ionoshield ofrece enormes beneficios, existen algunos requisitos previos:
– Al menos un receptor GNSS de doble frecuencia (se prefiere L1/L2), lo que es un hecho en todos los productos de SBG Systems. ¡Ionoshield también aprovecha al máximo la disponibilidad de un receptor GNSS de triple banda (L1/L2/L5) para una mayor precisión!
– Duraciones de los registros y cielo abierto: Ionoshield puede converger rápidamente. Sin embargo, en condiciones extremas en las que la actividad ionosférica es alta, con grandes diferencias entre los errores observados por la base y el rover; Ionoshield puede necesitar un tiempo de convergencia más largo.
Si está interesado en probar cómo Ionoshield mejora sus datos, póngase en contacto con nosotros.