Почему ионосфера возмущена?

Коллеги, совсем недавно у GNSS-приемников EFT M4 (T) была обновлена прошивка до версии 6.23. В числе основных характеристик - технология IonoGuard, благодаря которой улучшена работа приемника в условиях возмущенной ионосферы. Суть данной технологии заключается в значительном снижении влияния ионосферных задержек на точность позиционирования прибора.

Что представляет собой возмущенная ионосфера? Нашли интересную статью об актуальности использования технологии IonoGuard от Trimble. Уверены, что информация будет полезной.  

Trimble IonoGuard™: защита RTK GNSS от ионосферных возмущений

Обзор Trimble IonoGuard

Пик солнечной активности наступает каждые 11 лет, следующий максимум прогнозируется уже совсем скоро - в 2025 году. Данный факт напрямую влияет на задержки и стабильность сигналов GNSS и может негативно сказаться на точности позиционирования. В статье описывается то, как технология Trimble Ionoguard ™ смягчает возможные негативные последствия в приемниках с поддержкой технологии ProPoint GNSS. 

Введение в Trimble IonoGuard

Пользователи высокоточной GNSS, работающие в экваториальных и высокоширотных регионах, знакомы с ухудшением сигнала местоположения из-за возмущений в ионосфере. Последний солнечный цикл, пик которого пришелся на 2014 год, был относительно мягким. Понимая, что последующие циклы могут быть не такими умеренными или географически ограниченными, Trimble заблаговременно приступила к сбору данных и разработке технологий для обеспечения максимальной производительности в любых условиях. Результатом стала уникальная технология Trimble IonoGuard.

Рассмотрим, как ионосфера влияет на позиционирование GNSS и как применение технологии Trimble IonoGuard оптимизирует точность, доступность и целостность сигнала в полевых условиях.

Что такое ионосферные помехи и как они влияют на GNSS?

Солнечный цикл

Солнечные пятна - это временные области на солнце, вызванные активным магнитным потоком, уменьшающим конвекцию. Чем больше солнечных пятен, тем больше областей с магнитной активностью. Данные области могут выбрасывать частицы, которые усиливают солнечный ветер и могут быть унесены на Землю. По мере попадания большего количества частиц на Землю, слой атмосферы, известный как ионосфера, становится более заряженным, соответственно задержка сигнала GNSS увеличивается. Магнитное поле Солнца меняется раз в 11 лет и активность солнечных пятен напрямую связана с 11-летним циклом. Спрогнозировать величину солнечного цикла достаточно сложно. Ранние модели NOAA упоминали о том, что максимум  2025-го года будет аналогичен предыдущему циклу. Однако новые модели и измерения указывают на то, что он будет более похож на солнечный цикл 2002 года.

Ионосфера

Ионосфера - это ионизированный слой верхних слоев атмосферы, содержащий большое количество электрически заряженных атомов и молекул, которые вызывают задержку проходящих через нее сигналов GNSS. Ионосфера меняется с течением времени, при этом между ночью и днем, когда присутствует источник солнечной энергии, существуют значительные отличия. Воздействие на радиоволны зависит от частоты. Задержка обратно пропорциональна квадрату частоты, в результате L1 (на более высокой частоте) имеет меньшую задержку, чем L2. Общим показателем, описывающим ионосферу, является TEC – это общее количество электронов, интегрированных между двумя точками, например, от приемника до спутника по прямой. Единицы измерения представляют собой электроны на метр в квадрате, с учетом частоты сигнала эти данные могут быть преобразованы в эквивалентную задержку сигнала.

Задержка в ионосфере не является фиксированной величиной, она меняется в зависимости от времени суток, года и местоположения. Угол места между приемником и спутником также влияет на величину задержки. Сигнал с большой высоты проходит кратчайший путь через ионосферный слой атмосферы, поскольку этот путь перпендикулярен ионосфере. Сигнал с низкой высоты будет проходить через ионосферу под углом и, следовательно, будет иметь гораздо большую задержку. В отсутствие геомагнитной бури ионосфера коррелирует с солнечной активностью, и, следовательно, пик задержки приходится на начало дня, ночью задержка меньше.

Экваториальные эффекты

В вечерние часы в районе геомагнитного экватора в ионосфере поднимается плазма. Это может привести к нестабильности в ионосфере и вызвать ее мерцание. При данном эффекте на сигналы GNSS влияют различные электронные плотности в ионосфере, что может привести к очень быстрому изменению фазы и амплитуды, как следствие к плохому отслеживанию, полной потере синхронизации или сбоям в цикле несущей фазы. В случае возникновения  нестабильности она ограничена определенными областями или пузырьками ионосферы. Таким образом, может быть затронуто множество спутников. К примеру, в Южной Америке, мерцание возникает через час или два после захода солнца и  длится в среднем 4-5 часов.

Полярные эффекты

Солнечные пятна могут выбрасывать вещества с солнца со скоростью от нескольких 100 до нескольких 1000 км / с. Подобное явление называется выбросом корональной массы. Если материал выбрасывается по траектории, направленной к Земле,требуется несколько дней, чтобы ее достичь. Из-за магнитного поля Земли он может перемещаться к полюсам, оказывая значительное воздействие на ионосферу на любом полюсе. Иногда это явление можно наблюдать в виде Северного сияния, называемого «aurora borealis» или «aurora australis». Несмотря на то, что в полярном регионе могут происходить потеря блокировки и циклические сбои, данные исследований обычно показывают менее сильные амплитудные мерцания по сравнению с экваториальными регионами.

Глобальные последствия

Хотя наиболее заметные возмущения возникают вокруг геомагнитного экватора и северных широт, по мере приближения солнечного цикла к максимуму мы наблюдаем увеличение ионосферной задержки измерений по всему миру. Несмотря на то, что двух- и трехчастотные методы используются для смягчения этих воздействий (за счет использования комбинации без ионосферных помех) шум при измерениях и определении местоположения может увеличиваться. Учитывая большую вероятность того, что сильные солнечные бури могут вызвать сбои в работе в средних широтах, ионосферная защита стала важнейшим требованием к современным приемникам GNSS. 

Источник - https://oemgnss.trimble.com/en/technologies/ionoguard/trimble-ionoguard-protecting-from-disturbances