Trimble IonoGuard™: Ochrona RTK GNSS przed zakłóceniami jonosferycznymi

6 grudnia, 2023

Omówienie Trimble IonoGuard

Aktywność słoneczna osiąga szczyt co 11 lat, a następne maksimum przewidywane jest na 2025 rok. Ma to bezpośredni wpływ na opóźnienia i stabilność sygnałów GNSS i może mieć negatywny wpływ na precyzyjne pozycjonowanie. Niniejszy dokument określa wyzwania stojące przed użytkownikami i producentami GNSS oraz sposób, w jaki technologia Trimble IonoGuardTM łagodzi skutki tego zjawiska w odbiornikach obsługujących technologię ProPoint® GNSS.

Trimble IonoGuard Wprowadzenie

Użytkownicy precyzyjnych systemów GNSS działający w regionach równikowych i na dużych szerokościach geograficznych są zaznajomieni z degradacją pozycji spowodowaną zakłóceniami jonosferycznymi. Ostatni cykl słoneczny, który osiągnął szczyt w 2014 roku, był stosunkowo łagodny w porównaniu do ostatnich zapisów historycznych. Rozumiejąc, że kolejne cykle mogą nie być tak umiarkowane lub ograniczone geograficznie, firma Trimble rozpoczęła gromadzenie danych i opracowywanie ćwiczeń na początku obecnego cyklu, aby zapewnić, że sprzęt i oprogramowanie są gotowe do maksymalizacji wydajności klientów. Rezultatem jest technologia Trimble IonoGuard.

Przyjrzymy się, w jaki sposób jonosfera wpływa na pozycjonowanie GNSS i jak Trimble IonoGuard jest obecnie wykorzystywany w terenie w celu optymalizacji dokładności, dostępności i integralności w krytycznych zastosowaniach.

Czym są zakłócenia jonosferyczne i jak wpływają na GNSS?

Cykl słoneczny

Plamy słoneczne to tymczasowe obszary na Słońcu, spowodowane aktywnym strumieniem magnetycznym zmniejszającym konwekcję. Im więcej plam słonecznych, tym więcej obszarów o aktywności magnetycznej. Obszary te mogą wyrzucać cząstki, które dodają się do wiatru słonecznego i mogą być przenoszone na Ziemię. Gdy więcej cząstek uderza w Ziemię, warstwa atmosfery znana jako jonosfera staje się bardziej naładowana, a opóźnienie sygnału GNSS wynikające z jonosfery wzrasta. Pole magnetyczne Słońca zmienia się raz na 11 lat, a aktywność plam słonecznych jest skorelowana z tym 11-letnim cyklem. Trudno jest przewidzieć wielkość cyklu słonecznego. Wczesne modele przewidywały, że maksimum w 2025 roku będzie podobne do poprzedniego. Zobacz model NOAA poniżej. Jednak nowe modele i pomiary wskazują na cykl bardziej podobny do tego, który osiągnął maksimum około 2002 roku.

Jonosfera

Jonosfera to zjonizowana warstwa górnej atmosfery, która zawiera dużą liczbę naładowanych elektrycznie atomów i cząsteczek, co powoduje opóźnienie przechodzących przez nią sygnałów GNSS. Jonosfera zmienia się w czasie, ze znacznymi różnicami między nocą a dniem, gdy obecne jest źródło energii słonecznej. Wpływ na fale radiowe zależy od częstotliwości. Opóźnienie jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu częstotliwości, w wyniku czego L1 (przy wyższej częstotliwości) ma mniejsze opóźnienie niż L2. Powszechną miarą opisującą jonosferę jest TEC lub całkowita zawartość elektronów. Jest to całkowita liczba elektronów zintegrowanych między dwoma punktami, np. od odbiornika do satelity w linii prostej. Jednostkami są elektrony na metr kwadratowy; przy częstotliwości sygnału można to przeliczyć na równoważne opóźnienie sygnału.

Opóźnienie przez jonosferę nie jest stałe i zmienia się w zależności od pory dnia, roku i lokalizacji. Kąt nachylenia między odbiornikiem a satelitą również wpływa na wielkość opóźnienia. Sygnał nadawany na dużej wysokości pokonuje najkrótszą drogę przez warstwę jonosfery, ponieważ jest ona prostopadła do jonosfery. Sygnał o niskiej wysokości będzie przechodził przez jonosferę pod kątem, a tym samym doświadczy znacznie większego opóźnienia. W przypadku braku burzy geomagnetycznej jonosfera jest skorelowana z aktywnością słoneczną, a zatem szczytowe opóźnienie występuje wczesnym popołudniem, przy niższym opóźnieniu w nocy.

Efekty równikowe

W godzinach wieczornych wokół równika geomagnetycznego w jonosferze wzrasta plazma. Może to prowadzić do niestabilności jonosfery i skutkować scyntylacją. Jest to efekt, w którym na sygnały GNSS wpływają różne gęstości elektronów w jonosferze, co może skutkować bardzo szybką zmianą fazy i amplitudy, prowadząc do słabego śledzenia, całkowitej utraty blokady i / lub poślizgów cyklu fazy nośnej. Kiedy pojawia się niestabilność, może być ograniczona do pewnych regionów lub pęcherzyków jonosfery, a zatem może mieć wpływ tylko na podzbiór satelitów. W Ameryce Południowej, gdzie działa wielu naszych klientów z branży rolniczej i wydobywczej, scyntylacja występuje godzinę lub dwie po zachodzie słońca i zwykle trwa 4-5 godzin. Zjawisko to podlega również cyklowi rocznemu, przy czym większość zakłóceń występuje między wrześniem a marcem, a ich nasilenie zależy od 11-letniego cyklu słonecznego.

Efekty polarne

Plamy słoneczne mogą wyrzucać ze Słońca materiał, który porusza się z prędkością od kilku 100 km/s do kilku 1000 km/s. Zjawisko to nazywane jest koronalnym wyrzutem masy. Jeśli materiał jest wyrzucany z trajektorią związaną z Ziemią, dotarcie do Ziemi zajmuje zwykle kilka dni. Ze względu na ziemskie pole magnetyczne ma on tendencję do przemieszczania się w kierunku biegunów, gdzie może znacząco wpływać na jonosferę na każdym z nich. Oprócz wpływu na działanie GNSS, może to być czasami obserwowane jako zorza polarna (lub południowa), zjawisko określane jako aurora borealis (lub aurora australis). Podczas bardziej intensywnych burz zorza polarna może rozciągać się na kontynentalne Stany Zjednoczone, a wpływ na jonosferę może wpływać na sygnały GNSS na niższych szerokościach geograficznych.

 

Podczas gdy utrata blokady i poślizgi cykli mogą wystąpić w regionie polarnym, dane zazwyczaj wykazują mniej poważną scyntylację amplitudy w porównaniu z regionami równikowymi, z ograniczonymi poślizgami cykli i mniejszymi zakłóceniami.

Efekty globalne

Chociaż najbardziej zauważalne zakłócenia występują wokół równika geomagnetycznego i na północnych szerokościach geograficznych, zaobserwowaliśmy również wzrost opóźnień jonosferycznych na całym świecie w miarę zbliżania się do maksimum cyklu słonecznego. Podczas gdy techniki podwójnej i potrójnej częstotliwości są wykorzystywane do łagodzenia tych efektów poprzez użycie kombinacji wolnej od jonosfery, zwiększa to również szum pomiarowy i szum pozycji. Biorąc pod uwagę potencjał dużych burz słonecznych, które mogą powodować zakłócenia w operacjach na średnich szerokościach geograficznych, ochrona jonosferyczna stała się krytycznym globalnym wymogiem dla odbiorników GNSS.

 

Źródło: https://oemgnss.trimble.com/technologies/trimble-ionoguard-technology/