Co to jest aktywność jonosferyczna?
Jonosfera stanowi część atmosfery ziemskiej i rozciąga się na wysokościach od 50 do 1000 km nad powierzchnią Ziemi. Warstwa ta zawiera wolne elektrony, zwłaszcza w paśmie od 250 do 400 km, które mogą niekorzystnie wpływać na działanie odbiorników GNSS.
Obecnie znajdujemy się w okresie wzmożonej aktywności jonosfery. W rezultacie możemy spodziewać się częstszych i większych niekorzystnych skutków dla śledzenia i pozycjonowania GNSS w określonych porach i w określonych środowiskach.
Na aktywność jonosferyczną wpływ mają okresowe cykle aktywności słonecznej, nachylenie/orbita Ziemi (wpływ roczny), rotacja Ziemi (wpływ dzienny), a także interakcja z ziemskim polem magnetycznym. Zwiększona aktywność jonosferyczna jest skorelowana z następującymi czynnikami:
- Aktywność plam słonecznych: zwiększona aktywność plam słonecznych, która jest związana z 11-letnim cyklem słonecznym. Liczbę plam słonecznych można monitorować na stronach internetowych, takich jak Centrum Prognoz Pogody Kosmicznej NOAA (NOAA Space Weather Prediction Center). Poniższy wykres ilustruje zmierzoną (czarna linia) i przewidywaną (czerwona linia) aktywność plam słonecznych dla bieżącego, 25 cyklu słonecznego.
Rysunek 1 U.S. Department of Commerce, NOAA, & SWPC, 2022
- Burze słoneczne: zwiększone prawdopodobieństwo burz i rozbłysków słonecznych (potężne rozbłyski słoneczne klasy X) oraz koronalnych wyrzutów masy (CME od ang. Coronal Mass Ejection). Satelity monitorują powierzchnię Słońca skierowaną w stronę Ziemi i dostarczają wczesne ostrzeżenia o emisjach wymierzonych w Ziemię.
- Lokalizacja: najwyższą aktywność jonosferyczną obserwuje się ±20 stopni wokół równika geomagnetycznego a, w mniejszym stopniu, w regionach występowania zorzy polarnej (biegunowych).
Rysunek 2 Przykład rozkładu negatywnego wpływu jonosfery na dzień 27.01.2023 g. 13:00
- Wahania sezonowe: zwiększoną aktywność jonosfery obserwuje się podczas równonocy wiosennej i jesiennej.
- Zmiany dzienne: maksymalne negatywne efekty jonosferyczne w Polsce występują w okolicach godzin południowych.
Rysunek 3 Jonosfera I95 na dzień 23.01.2023 (źródło: http://system.asgeupos.pl/MemberPages/Ionosphere.aspx)
Jaki wpływ ma jonosfera na odbiorniki GNSS?
Gdy sygnał GNSS przechodzi przez naładowane cząstki w jonosferze, doznaje on znacznego opóźnienia. Wielkość opóźnienia jonosferycznego jest funkcją współczynnika załamania jonosfery na ścieżce sygnału GNSS. Współczynnik załamania jonosferycznego jest natomiast funkcją częstotliwości sygnału i całkowitej koncentracji elektronów (TEC od ang. Total Electron Content) w ścieżce sygnału. TEC będzie się różnić w zależności od szerokości geograficznej odbiornika, pory dnia, pory roku i poziomu aktywności słonecznej, jak opisano powyżej.
Ponadto scyntylacja jonosferyczna powoduje szybką czasową fluktuację zarówno amplitudy, jak i fazy sygnału GNSS, spowodowaną lokalnymi nieregularnościami gęstości elektronowej. Te nieregularności mogą powodować zarówno refrakcję, jak i dyfrakcję sygnałów GNSS.
Obecny wzrost aktywności jonosferycznej ma dwa główne efekty:
- Najbardziej znaczącym efektem jest scyntylacja, która może uniemożliwić lub pogorszyć śledzenie satelitów. Jej skutkiem jest zmniejszenie liczby użytecznych satelitów GNSS i czasami zmniejszenie siły sygnału w paśmie komunikacyjnym L, co powoduje przerywany odbiór poprawek. Liczba satelitów, których to dotyczy, zależy od wielkości obszaru scyntylacji, pozycji użytkownika i lokalizacji satelitów. Zmniejszenie liczby użytecznych sygnałów GNSS wydłuży czasy inicjalizacji/konwergencji PPP i RTK oraz zmniejszy dokładność pozycji we wszystkich trybach pozycjonowania.
- Zwiększone i gwałtowne zmiany opóźnienia jonosferycznego wpływają na rozwiązania do pozycjonowania o pojedynczej częstotliwości, w tym różnicowy GNSS (DGNSS), SBAS i SPP. Ogólnym skutkiem jest znaczny wzrost błędu pozycjonowania.
W jaki sposób mogę złagodzić skutki?
Poniższe działania są zalecane, aby pomóc złagodzić wpływ na twoją działalność:
- Upewnij się, że jesteś zarejestrowany, aby otrzymywać e-maile z ostrzeżeniami od Pomocy Technicznej TerraStar. Uważnie monitoruj wiadomości e-mail pod kątem ostrzeżeń o aktywności pogodowej w kosmosie. Istotnym ryzykiem jest występowanie dużych rozbłysków klasy X oraz zdarzeń CME. Wiadomości e-mail z ostrzeżeniami są oparte na prognozach lub zdarzeniach i zawierają ostrzeżenie z wyprzedzeniem nawet do 30 godzin.
- Zmodernizuj swój odbiornik GNSS do wieloczęstotliwościowego (Multi-Frequency), aby usunąć błędy jonosferyczne. Szczególnie ważna jest możliwość śledzenia „trzecich” częstotliwości poszczególnych konstelacji satelitarnych.
- Zmodernizuj swój odbiornik GNSS o kolejne konstelacje satelitarne (GLONASS, BeiDou, Galileo), aby zwiększyć liczbę obserwacji dostępnych dla rozwiązania pozycjonującego i zwiększyć różnorodność śledzonych sygnałów.
- Zadbaj o aktualizację oprogramowania pomiarowego w swoim odbiorniku GNSS. Leica Geosystems regularnie dostarcza modernizowane algorytmy zapewniające najbardziej dokładne i wiarygodne wyznaczanie pozycji odbiornika.
- Zadbaj o odpowiednie poprawki ze stacji referencyjnych. Usługi korekcyjne Hexagon SmartNet dostarczają poprawki do wszystkich częstotliwości, wszystkich konstelacji satelitarnych. Sieć jest najgęstszą siecią stacji referencyjnych na terenie Polski, co daje znacznie krótsze wektory dla rozwiązań RTK i NRTK.
- Jeśli to możliwe, upewnij się, że maska śledzenia GNSS jest ustawiona na 10 stopni, ponieważ aktywność jonosferyczna ma największy wpływ na satelity znajdujące się najniżej na horyzoncie.
Chociaż te kroki mogą złagodzić niekorzystne skutki zwiększonej aktywności jonosferycznej, to jednak w niektórych ekstremalnych scenariuszach scyntylacyjnych musimy liczyć się ze znaczną degradacją lub nawet całkowitą utratą pozycjonowania GNSS.
W razie jakichkolwiek pytań prosimy o kontakt z naszym Działem Wsparcia Technicznego: pomoc@leica-geosystems.com
