บทสรุปการวิจัย: ผลกระทบของบรรยากาศต่อ GNSS
รูปภาพ: buradaki/iStock/Getty Images Plus/Getty Images
นักวิจัย GNSS นำเสนอเอกสารหลายร้อยฉบับในการประชุม GNSS+ ของ Institute of Navigation (ION) ปี 2022 ซึ่งจัดขึ้นในวันที่ 19–23 กันยายนในเดนเวอร์ โคโลราโด และที่อื่นๆ เอกสาร 5 ฉบับต่อไปนี้มุ่งเน้นไปที่ผลกระทบของบรรยากาศบนสัญญาณ GNSS เอกสารมีอยู่ที่ www.ion.org/publications/browse.cfm
การแก้ไขข้อผิดพลาดที่เป็นประกาย
การบรรเทาผลกระทบจากประกายแสงที่ละติจูดต่ำเป็นเรื่องที่ซับซ้อน: ต้องรวบรวมข้อมูลการทดลองหลายประเภท ต้องพัฒนาแบบจำลองที่เหมือนจริง และที่สำคัญที่สุดคือ ต้องมีดัชนีและการแจ้งเตือนตามเวลาจริงที่เป็นประโยชน์
ผู้เขียนแนะนำต้นแบบตามสิทธิบัตรของ SpacEarth Technology เพื่อจัดการกับการตรวจจับและบรรเทาข้อผิดพลาดที่เรืองแสงวาบ โดยรองรับบริการบนพื้นฐาน GNSS ที่มีความแม่นยำที่ละติจูดต่ำในทุกฤดูกาลและสภาพอากาศในอวกาศ สิทธิบัตรเกี่ยวข้องกับวิธีการหาปริมาณอิเลคตรอนทั้งหมด (TEC) และการพยากรณ์เชิงประจักษ์แบบประกายระยิบระยับ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการพยากรณ์ระยะสั้น (วินาทีถึงนาที) ผลลัพธ์ของวิธีการนี้จำเป็นสำหรับป้อนอัลกอริธึมการลดผลกระทบที่มุ่งปรับปรุงความแม่นยำของเทคนิคการระบุตำแหน่งที่แม่นยำของ GNSS (RTK, NRTK และ PPP) ภายใต้สภาวะที่รุนแรงของไอโอโนสเฟียร์
เครื่องต้นแบบได้รับการออกแบบด้วย Central Elaborating Facility ซึ่งรวบรวมข้อมูลที่ได้รับจากเครือข่ายของสถานีตรวจสอบ GNSS ที่ตรวจจับเหตุการณ์ที่เรืองแสงวาบและออกอากาศพารามิเตอร์ที่มองเห็นได้ ผู้ใช้ที่มีอุปกรณ์ลดค่าโรเวอร์สามารถใช้พารามิเตอร์จากสิ่งอำนวยความสะดวกส่วนกลางสำหรับการลดข้อผิดพลาดที่วาบหวิวได้
Vincenzo Romano, INGV และ SpaceEarth Technology; เคลาดิโอ เซซาโรนี่, ไอเอ็นจีวี ; Luca Spogli, Alessandro Fiorini, INGV และ SpaceEarth Technology; มาร์โก ฟีร์มี, กีเตอร์ ; Lorenzo Benvenuto, Gter และมหาวิทยาลัยเจนัว; ติเซียโน่ คอสโซ่, กีเตอร์ ; มาร์ซิน กเซเซียค, SRC/PAS; เจา ฟรานซิสโก กาเลร่า โมนิโก้, อิตาโล่ ทสึชิย่า, ยูเนสโก ; กาเบรียล โอลิเวร่า, มาร์กอส กัวดาลินี่ ; “การบรรเทาผลกระทบจากแสงสะท้อนจากไอโอโนสเฟียร์ที่ละติจูดต่ำเพื่อปรับปรุงคุณภาพการนำทาง”
วงแหวนแห่งไฟผู้พิทักษ์
โดยทั่วไป ภัยธรรมชาติจะปล่อยพลังงานสู่ชั้นบรรยากาศของโลกในรูปของคลื่นความโน้มถ่วงแบบอะคูสติก ซึ่งแผ่ขยายไปถึงชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ สามารถตรวจจับการรบกวนไอโอโนสเฟียร์ขณะเดินทาง (TIDs) ที่เกิดขึ้นได้โดยใช้สัญญาณ GNSS ผ่านการคำนวณปริมาณอิเล็กตรอนทั้งหมดในตัว (TEC) ตามแนวสายตาระหว่างเครื่องรับ GNSS และดาวเทียม การกระจายตัวรับสัญญาณ GNSS บนพื้นโลกอย่างต่อเนื่องติดตามกลุ่มดาว GNSS หลายกลุ่มอย่างต่อเนื่อง (GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou และอื่น ๆ ) ให้การครอบคลุมเชิงพื้นที่และเวลาที่ยอดเยี่ยมทั่วโลก รวมถึงในพื้นที่ที่มีการครอบคลุมที่จำกัดโดยระบบเตือนภัยที่มีอยู่
ผู้เขียนนำเสนอเครือข่ายข้อมูลภัยพิบัติและการแจ้งเตือนภัยพิบัติตามเวลาจริงบนบรรยากาศชั้นบน (GNSS-based GNSS) อิงจากข้อมูล GNSS แบบความถี่คู่จากเครือข่าย Global Differential GPS (GDGPS) ของ Jet Propulsion Laboratory สถาปัตยกรรม GUARDIAN คำนวณอนุกรมเวลา TEC ที่ลาดเอียงในเวลาใกล้เคียงเรียลไทม์
ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของเครือข่าย GDGPS สถานี 78 แห่งรอบวงแหวนไฟแปซิฟิกจะตรวจสอบกลุ่มดาว GNSS สี่กลุ่ม ได้แก่ GPS, Galileo, GLONASS และ BeiDou สลิปรอบจะได้รับการแก้ไขและอนุกรมเวลาจะถูกกรอง ทั้งตามเวลาจริง สตรีมข้อมูลที่ได้จะถูกส่งออกไปยังเว็บไซต์สาธารณะที่ใช้งานง่าย ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อสาธารณะทั่วไปและชุมชนวิทยาศาสตร์
GUARDIAN ปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่ภูมิภาคแปซิฟิก อย่างไรก็ตาม สถาปัตยกรรมสามารถขยายให้ครอบคลุมทั่วโลกได้อย่างง่ายดาย
Léo Martire, S. Krishnamoorthy, LJ Romans, B. Szilágyi, P. Vergados, AW Moore, A. Komjáthy, YE Bar-Sever, AB Craddock, NASA Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology; “GUARDIAN: ระบบตรวจสอบ Ionospheric ใกล้เวลาจริงสำหรับการเตือนล่วงหน้าเกี่ยวกับอันตรายทางธรรมชาติ”
การรบกวนการบินพลเรือน
ผู้เขียนจัดทำแบบสำรวจเกี่ยวกับสถาปัตยกรรมเครื่องรับ GNSS โดยเน้นที่เทคนิคการติดตามพาหะแบบใหม่เพื่อลดผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ของแสงวาบจากไอโอโนสเฟียร์ในบริบทของการบินพลเรือน การสำรวจเสริมด้วยผลลัพธ์ที่รวบรวมจากการจำลองเกี่ยวกับผลกระทบของการเรืองแสงวาบในบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ในสถาปัตยกรรมเครื่องรับแบบเดิม มีการทบทวนเทคนิคการบรรเทาผลกระทบจากประกายไฟ ซึ่งครอบคลุม “กลุ่มเทคนิค” หลายกลุ่ม โดยเน้นถึงศักยภาพในการปรับปรุงประสิทธิภาพ ตลอดจนข้อบกพร่องและความท้าทายในการนำไปใช้
แคมเปญจำลองกึ่งวิเคราะห์ดำเนินการสำหรับการมอดูเลตต่างๆ: L1, L5 สำหรับ GPS และ E1, E5a สำหรับกาลิเลโอ ที่นี่ ประสิทธิภาพของเครื่องรับมาตรฐานที่ติดตามชุด GPS และดาวเทียมกาลิเลโอที่ได้รับผลกระทบจากการเรืองแสงวาบด้วยไอโอโนสเฟียร์จะได้รับการวิเคราะห์เพื่อระบุช่องโหว่ที่มีอยู่จากผลกระทบนี้
ผลการจำลองแสดงให้เห็นว่าแสงวาบในบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์มีส่วนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงขนาดใหญ่ของอัตราส่วนพาหะต่อสัญญาณรบกวน ซึ่งในทางกลับกันสามารถรับผิดชอบต่อการสูญเสียการล็อคและการแปรผันของเฟสขนาดใหญ่ การเพิ่มเฟส RMSE และในบางกรณีนำไปสู่การเลื่อนวงจรของการประมาณเฟส . ดังนั้น โซลูชันที่นำมาใช้จะต้องมีความทนทานในการส่งสัญญาณความผันผวนของกำลังไฟฟ้าและการเกิดวงจรสลิปและสามารถรักษาเฟสล็อคได้
อันโตนิโอ เนกรินโญ่, GMV-PT Peter Boto, GMV-PT Martha Cueto, GMV-ES Michael Mabilleau, USPA Claudia Paparini, USPA Ettore Canestri, USPA; “แบบสำรวจเทคนิคการประมวลผลสัญญาณสำหรับ GNSS Ionospheric Scintillation Mitigation”
วิเคราะห์ข้อมูลการปะทุของตองกา
ภัยธรรมชาติที่รุนแรง เช่น การระเบิดของภูเขาไฟ สามารถสร้างคลื่นความดันที่มองเห็นได้ในชั้นบรรยากาศ และกระตุ้นการตอบสนองของคลื่นไอโอโนสเฟียร์ที่สังเกตได้ ซึ่งสามารถเดินทางได้หลายร้อยกิโลเมตรในชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ คลื่นอะคูสติกและคลื่นแรงโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นสามารถทำให้เกิดการรบกวนและการแปรผันของ TEC ionospheric ได้ TEC กำหนดความล่าช้าของ GNSS ionospheric และอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการระบุตำแหน่งอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของแอปพลิเคชันที่ใช้ GNSS
นักวิจัยประมวลผลข้อมูล GNSS ที่รวบรวมจากเครือข่ายสถานีอ้างอิงตำแหน่งดาวเทียมฮ่องกงเพื่อวิเคราะห์กิจกรรมไอโอโนสเฟียร์และประสิทธิภาพการระบุตำแหน่งที่ตอบสนองต่อการปะทุของภูเขาไฟตองกาเมื่อวันที่ 15 มกราคม 2022 ในการตรวจจับและซ่อมแซมการกระโดดของวงจรลื่น นักวิจัยใช้อัตรา TEC และการผสมเชิงเส้นของ Melbourne Wubbena Wide Lane (MWWL) ตัวกรองความถี่ต่ำผ่าน Savitzky-Golay พร้อมหน้าต่างยุค 30 ถูกนำมาใช้เพื่อปรับปรุงความแม่นยำของ TEC
ทีมงานได้ตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของ TEC, Rate of TEC index (ROTI) และข้อผิดพลาดในการระบุตำแหน่งในทิศทางตะวันออก เหนือ และขึ้นบนหลังการแพร่กระจายของไอโอโนสเฟียร์ที่ผิดปกติไปยังฮ่องกงระหว่างเวลา 11:30 น. ถึง 14:30 น. ทีมงานพบว่าความผิดปกติของไอโอโนสเฟียร์สามารถสร้างการเปลี่ยนแปลงขนาดใหญ่ในพารามิเตอร์ทั้งสาม โดยสูงสุดได้ถึงสามเท่าของช่วงสงบ การวิจัยที่ทันท่วงทีของพวกเขาก่อให้เกิดความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับความสัมพันธ์ของกิจกรรมไอโอโนสเฟียร์ที่รุนแรงและพลวัตที่เกิดจากการระเบิดของภูเขาไฟ
Xiaojia Chang, Kai Guo, Zhipeng Wang, Kun Fang, Hongxia Wang, Beihang University; Hailong Chen, China Academy of Aerospace Electronics Technology; “ความผิดปกติของไอโอโนสเฟียร์และการตอบสนองต่อตำแหน่ง GNSS ต่อการปะทุของภูเขาไฟตองกาในเดือนมกราคม พ.ศ. 2565”
กล่องเครื่องมือสำหรับตรวจสอบเครือข่าย
กล่องเครื่องมือ MONITOR เป็นชุดเครื่องมือซอฟต์แวร์ที่เข้ารหัสด้วย Python เพื่อดำเนินการประมวลผลข้อมูลขนาดใหญ่โดยอัตโนมัติจากเครือข่าย Monitor ของ European Space Agency (ESA) เครือข่ายมอนิเตอร์มีจุดมุ่งหมายเพื่อเฝ้าติดตามเหตุการณ์การเรืองแสงวาบในชั้นไอโอโนสเฟียร์อย่างต่อเนื่องจากสถานีภาคพื้นดินหลายแห่งที่ตั้งอยู่อย่างมีกลยุทธ์ทั่วโลก รองรับพื้นที่เก็บข้อมูลที่มีการวัด GNSS จำนวนมากที่มีเหตุการณ์การเรืองแสงวาบเพื่อให้ผู้ใช้วิเคราะห์ข้อมูลการเรืองแสงวาบหรือเพื่อวัตถุประสงค์ในการวิจัย
บทความนี้แสดงศักยภาพของกล่องเครื่องมือ MONITOR ในการให้การเข้าถึงข้อมูลจำนวนมาก ซึ่งหากไม่มีการประมวลผลอย่างเป็นระบบ ก็ไร้ประโยชน์ในทางปฏิบัติ ซอฟต์แวร์ที่พัฒนาขึ้นใช้วิธีการรวบรวมข้อมูลและจัดเก็บไว้ในฐานข้อมูลท้องถิ่นเพื่อการเข้าถึงแบบออฟไลน์อย่างรวดเร็ว โดยจะตรวจจับการมีอยู่ของเหตุการณ์ประกายไฟตามเงื่อนไขและเกณฑ์ที่กำหนดโดยผู้ใช้ และระบุคุณสมบัติของมันในแง่ของระยะเวลา เวลาที่เกิด ความรุนแรง และตำแหน่งดาวเทียม โดยจะใช้เครื่องมือในการคำนวณสถิติที่เกี่ยวข้อง โดยให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับปรากฏการณ์การเรืองแสงวาบในชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์
Sergi Locubiche-Serra, Alejandro Pérez-Conesa, Diego Fraile-Parra, Gonzalo Seco-Granados, José A. López-Salcedo, มหาวิทยาลัยอิสระแห่งบาร์เซโลนา, IEEC-CERES; Juan M. Parro-Jiménez, Raúl Orús-Pérez, ESTEC, European Space Agency; “MONITORtoolbox — เครื่องมือซอฟต์แวร์สำหรับการวิเคราะห์ข้อมูลการสั่นไหวของไอโอโนสเฟียร์จากเครือข่าย ESA Monitor”
