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La actividad solar alcanza su punto máximo cada 11 años, y en 2025 experimentaremos un nuevo máximo. Este fenómeno, evidenciado por el centelleo ionosférico, afecta negativamente al posicionamiento GNSS RTK, especialmente en términos de precisión y productividad. En este artículo, se revisa el impacto del ciclo solar y el centelleo ionosférico en los usuarios y fabricantes de GNSS. Además, se presentan los desarrollos y la tecnología de GEOCOM para mitigar estos efectos en el posicionamiento satelital.
El posicionamiento GNSS de alta precisión en regiones ecuatoriales y en altas latitudes, está afecto a degradaciones de posición y precisión debido a perturbaciones en la ionosfera, siendo estas últimas generadas por los ciclos solares. Durante el 2014, experimentamos el último ciclo solar, el cual en su máxima intensidad, no tuvo una incidencia importante sobre el posicionamiento GNSS RTK. A diferencia del ciclo solar del 2014, el ciclo solar en desarrollo ya está afectando considerablemente la productividad y precisión del posicionamiento GNSS RTK.
Esta situación es crítica considerando que el máximo de este ciclo se espera para el 2025. Por esta razón, GEOCOM, con el respaldo de la tecnología de Trimble, se embarcó en un proyecto de investigación y desarrollo a principios del ciclo solar actual para asegurar que los receptores GNSS de Trimble sigan proporcionando precisión y confiabilidad bajo estas complejas condiciones. Para contextualizar los trabajos desarrollados por GEOCOM, a continuación se presentarán algunos conceptos relacionados a como la ionósfera afecta el posicionamiento GNSS y cómo se está utilizando hoy en día la tecnología de GEOCOM en terreno para optimizar la precisión, disponibilidad e integridad del posicionamiento GNSS RTK.
Para entender las perturbaciones ionosféricas es necesario conocer algunas definiciones relacionadas a estas, entre las cuales encontramos:
Ciclo Solar, principales características
Las manchas solares son áreas temporales en el sol causadas por el flujo magnético activo que reduce la convección. Mientras más manchas solares existan, más áreas con actividad magnética son generadas. Estas áreas pueden expulsar partículas que se suman al viento solar, pudiendo llegar a la Tierra. A medida que más partículas impactan la Tierra, la capa de la atmósfera conocida como ionósfera se carga más, resultando un retraso de la señal GNSS. Por otro lado, el campo magnético generado por el sol se invierte una vez cada 11 años y la actividad de las manchas solares está correlacionada con este ciclo, siendo difícil su predicción.
Ionósfera
La ionósfera es una capa ionizada de la atmósfera superior que tiene un gran número de átomos y moléculas cargados eléctricamente, lo que causa un retraso en las señales GNSS que la atraviesan. Por su parte, la ionósfera varía con el tiempo, con diferencias significativas entre el día y la noche, cuando la fuente de energía solar está presente. Por otro lado, el impacto en las ondas de radio depende de la frecuencia. Además, el retraso es inversamente proporcional al cuadrado de la frecuencia, como resultado, L1 (frecuencia más alta) tiene menos retraso que L2. Un indicador común que describe la ionósfera es el TEC (contenido total de electrones). Este es el número total de electrones integrados entre dos puntos, por ejemplo, desde el receptor hasta el satélite en línea recta.
El retraso a través de la ionósfera no es fijo y cambiará en función de la hora del día, el año y la ubicación. El ángulo de elevación entre el receptor y el satélite también impacta la magnitud del retraso. Una señal de alta elevación tomará la ruta más corta a través de la capa ionosférica de la atmósfera, ya que la ruta es perpendicular a la ionósfera. Una señal de baja elevación pasará a través de la ionósfera en un ángulo y, por lo tanto, experimentará un retraso mucho mayor.
Efectos Ecuatoriales
Durante las horas de la tarde alrededor del ecuador geomagnético, el plasma se eleva en la ionósfera. Esto puede llevar a inestabilidad dentro de la ionósfera y ocasionar centelleo. Este es un efecto donde las señales GNSS son impactadas por densidades de electrones variables en la ionósfera, lo que puede dar como resultado cambios muy rápidos de fase y amplitud, llevando a un rastreo deficiente, pérdida completa del rastreo y/o saltos de ciclo. Cuando ocurre la inestabilidad, puede estar limitada a ciertas regiones o burbujas de la ionósfera y, por lo tanto, solo un subconjunto de satélites puede verse afectado. En Sudamérica, y en particular en minería, el centelleo ocurre una o dos horas después del atardecer y generalmente dura de 4 a 5 horas. También sigue un ciclo anual con la mayoría de las perturbaciones entre septiembre y marzo, donde su mayor impacto depende del máximo del ciclo solar
Efectos Globales
Aunque las perturbaciones más importantes ocurren alrededor del ecuador y en latitudes próximas al polo, también se ha observado un aumento en la medición del retraso ionosférico globalmente a medida que nos acercamos al máximo del ciclo solar. Aunque se utilizan técnicas de frecuencia doble y triple para mitigar estos efectos mediante una combinación libre de ionósfera, esto también aumenta el ruido de medición y de posición. Con la probabilidad de grandes tormentas solares se pueden generar interrupciones en las operaciones de latitudes medias, por lo tanto, la protección ionosférica se ha convertido en un requisito para los receptores GNSS.
Impacto en el funcionamiento GNSS RTK
Como se mencionó anteriormente, la perturbación ionosférica puede llevar a un rastreo deficiente de señales y en algunos casos a una pérdida completa del rastreo de satélites GNSS. Las perturbaciones también pueden ser localizadas, ocasionando dificultades para los algoritmos RTK cuando las mediciones de base y móvil están afectadas de manera diferente. En nuestro país, principalmente la minería es la industria que experimenta mayormente estas interrupciones, debido a la necesidad de obtener posicionamiento centimétrico en sus operaciones. Por lo tanto, existe una pérdida de productividad en sus operaciones.
Durante los últimos tres máximos del ciclo solar, los usuarios de GNSS han experimentado problemas con el posicionamiento GNSS RTK. Cada ciclo ha resultado en una investigación y desarrollo enfocados para mejorar el rastreo y los algoritmos de procesamiento de los receptores. Con el número de usuarios de GNSS duplicándose en cada ciclo, se han realizado esfuerzos significativos para asegurar que la tecnología funcione de manera óptima para minimizar las interrupciones durante los futuros ciclos.
Herramienta en Línea de Planificación GNSS
Durante los máximos de actividad solar, donde ciertas partes de la ionósfera están excitadas, ocurrirán mayores retrasos de señal. Aunque la actividad ionosférica puede ocurrir típicamente en momentos clave del día, como el mediodía o el atardecer, ese no siempre es el caso. Trimble ha establecido una red global de medición ionosférica, que a través de la herramienta en línea GNSS Planning permite a los usuarios planificar con anticipación y evitar trabajar durante tiempos donde hay una mayor probabilidad de perturbación (Figura 1)
Recolección de datos
Para idear métodos efectivos de mitigación ionosférica en los receptores GNSS RTK, los ingenieros de GEOCOM y TRIMBLE han recopilado datos en áreas donde el problema del centelleo es críticos. Estos datos proporcionaron la base para el desarrollo de I+D. Así, las técnicas de procesamiento de señales y los algoritmos RTK se afinan usando datos reproducidos. Luego, el firmware actualizado se carga en los receptores en el sitio para una evaluación en tiempo real.
Tecnología para mitigar efectos ionosféricos
Las funciones de mitigación ionosférica han sido incluidas y mejoradas en los receptores Trimble durante los últimos tres ciclos solares. Para asegurar la preparación para los máximos solares actuales y futuros, el ejercicio de recolección de datos se aprovechó para desarrollar la tecnología de última generación para mitigar efectos ionosféricos.
Mitigación del Procesamiento de Señales
Durante las tormentas ionosféricas, puede haber diferencias significativas dependientes de la frecuencia en el retraso de fase. Por lo tanto, es importante que el receptor no dependa de una sola frecuencia para operar. El procesamiento de señales GNSS de Trimble ha sido actualizado para rastrear señales independientemente. Así, considerando que los algoritmos RTK dependen de las mediciones de fase portadora de todas las frecuencias. Durante eventos ionosféricos extremos, el receptor puede perder el rastreo de la portadora por breves períodos, a menudo solo por unos pocos segundos. Las mejoras en el algoritmo de seguimiento de fase con la tecnología propuesta por Trimble han reducido el tiempo necesario para recuperar el seguimiento de la fase portadora y minimizar las posibles perturbaciones. ProPoint también es clave en las señales rastreadas, es decir, puede operar con cualquier combinación de mediciones de frecuencia triple, doble o simple.
Mitigación RTK de Trimble ProPoint
La tecnología de mitigación de actividad ionosférica ha sido integrada estrechamente en el motor RTK Trimble ProPoint. Se logra un rendimiento óptimo cuando la tecnología está habilitada tanto en los receptores base como en los móviles. Con esta tecnología habilitada en la estación base, la información ionosférica de cada satélite se transmite a través de los protocolos CMRx o RTCM-MSM a los receptores móviles, los cuales utilizan esta información junto con sus propias mediciones ionosféricas para optimizar las posiciones calculadas.
Si la tecnología de mitigación no está habilitada en el receptor base, entonces un móvil analizará los mensajes base estándar y determinará si son necesarios ajustes ionosféricos. Estos ajustes se utilizan luego para mejorar el rendimiento de posicionamiento. Este método no es tan riguroso como tener la información ionosférica más detallada enviada desde la base, pero puede ayudar cuando se usa un receptor base de un tercero.
Desarrollos impulsados por GEOCOM
Con la introducción de esta tecnología, se ha añadido un sistema adicional de semáforo a la interfaz web del receptor. Un icono verde, amarillo, naranja o rojo indica el nivel de perturbación ionosférica que la estación base RTK está experimentando en cada satélite. El receptor móvil muestra esta misma información utilizando los mensajes base recibidos (Figura 2).
Así, si los mensajes de mitigación no se están recibiendo desde la base, entonces los símbolos circulares son reemplazados por cuadrados y se indica la actividad ionosférica de la base calculada por el móvil. También está disponible un historial de actividad ionosférica de la base en la interfaz web de la base (Figura 3)
Figura 3. analizador de espectros WEBui
Todos los datos ionosféricos se registran en los archivos de datos brutos estándar Trimble T04, lo que puede ayudar a los equipos de soporte de GEOCOM a diagnosticar más a fondo los problemas (Figura 4)
Figura 4. Herramienta Trimble Tools para el análisis de archivos T04
Las estaciones base y los receptores móviles que operan continuamente en regiones con altos niveles de perturbación ionosférica han estado funcionando con la mitigación habilitada. Durante los eventos de tormentas solares, la mejora en la precisión posicional es particularmente evidente. La línea azul representa el error de posicionamiento horizontal en metros para el firmware que funciona con la tecnología habilitada. La línea naranja un posicionamiento RTK clásico y la línea verde la solución de Xfill (Figura 5)
Figura 5. Desplazamiento horizontal mejorado gracias a Ionoguard y el sistema de mitigación desarrollado por I+D GEOCOM
Resultados similares se consiguen en términos de precisión vertical (FIGURA 6). Esto demuestran que durante una alta actividad ionosférica, la mitigación asegura que no solo la precisión centimétrica esté continuamente disponible, sino que también esté a un nivel aceptable para aplicaciones de minería, construcción, agricultura y geoespaciales
Figura 6. Desplazamiento horizontal mejorado gracias a Ionoguard y el sistema de mitigación desarrollado por I+D GEOCOM
En regiones ecuatoriales y de latitudes altas, las perturbaciones ionosféricas son comunes, con actividad máxima durante las tormentas solares y los máximos del ciclo de 11 años. Las industrias con altos costos operativos como la minería requieren precisión a nivel de centímetros las 24 horas del día.
Desafortunadamente, el posicionamiento GNSS RTK de alta precisión es el más afectado por estas perturbaciones y con el aumento de la actividad solar, el problema podría volverse más complejo. Utilizando una red global de estaciones GNSS, la herramienta de planificación GNSS de Trimble permite a los usuarios identificar y planificar alrededor de la alta actividad ionosférica.
A su vez GEOCOM ha tomado más medidas para asegurar la precisión y disponibilidad GNSS de sus clientes a través del desarrollo de la tecnología de mitigación. La información diagnóstica que indica el nivel real de ionósfera en cada satélite junto con datos históricos se presenta en una interfaz gráfica web amigable para el usuario. La tecnología de mitigación en operación en todo el mundo ya ha mostrado mejoras significativas en el rendimiento de posicionamiento durante los períodos de alta actividad ionosférica. Los usuarios pueden sentirse confiados de que el rendimiento superior de sus receptores ProPoint ha sido mejorado aún más con la adición de la tecnología de mitigación ionosférica.
I+D GEOCOM por el desarrollo del sistema de mitigación de centelleo ionosférico.
