Skip to content

Contributions on the improvement, assessment and application of the global ionospheric VTEC maps computed with GPS data

Universitat Politècnica de Catalunya, December 2nd. 2005

Una de les fonts d’error més importants que pateixen els sistemes de navegació per satèl·lit (GNSS, Global Navigation Satelllite Systems) és la refracció de les senyals en travessar la Ionosfera, part de l’atmosfera aproximadament entre 50 km i 1300 km per sobre la superfície terrestre. Així doncs, per tal d’aconseguir un alt grau de precisió en el posicionament, amb errors subdecimètrics, es fa necessari un bon modelat d’aquest retard per tal d’eliminar els seus efectes en el senyal GNSS. En aquest marc de treball, l’1 de Juny del 1998 l’International GNSS Service (IGS) va iniciar el càlcul i validació de mapes ionosfèrics globals (GIMs) o mapes de contingut electrònic vertical (vTEC maps) per a la comunitat científica/tecnològica. S’ha de fer notar, que els GIMs són calculats diàriament, amb una resolució temporal de 2 hores i una resolució espacial de 5°x2.5° en temps local i latitud, per cinc centres de càlcul que són: University of Berne, CODE; Energy Mines and Resources, NRCAN; European Space Agency, ESA; Jet Propulsion Laboratory, JPL; Universitat Politècnica de Catalunya, UPC. Aquest mapes son posteriorment validats i combinats per produir un GIM oficial IGS.

En aquest context, en aquesta tesi s’aborden varis aspectes de la validació, computació i aplicació dels GIMs, que han estat separats en dues parts clarament diferenciades.

En la primera part s’han realitzat una sèrie de testos per calibrar l’error de qualsevol GIM obtenint una estadística sobre els 7 primers anys dels GIMs d’IGS, des del 1998 fins al 2005. Aquest testos es poden separar en dos tipus:

  • Testos que utilitzen les dades GPS, que són el test d’autoconsistència (self-consistency test), test de màxima elevació (Maximum elevation test) i el test de dobles diferències (∇ΔSTEC). Tots aquests testos tenen la particularitat que la seva referència és molt precisa, amb un error de pocs mil·límetres, però donen un error relatiu de la estimació del GIM.
  • Testos que utilitzen altres fonts de mesures ionosfèriques derivades de mesures de satèl·lits altimètrics com són el TOPEX/Poseidon i JASON-1. Aquests testos tenen la particularitat que ens proporcionen mesures directes del contingut electrònic ionosfèric sobre els oceans i mars que es poden utilitzar per calibrar els esquemes d’interpolació dels diferents centres.

Addicionalment, s’han aplicat el GIM calculats a l’UPC per estudiar l’efecte de la correcció de 2n ordre ionosfèric en la determinació de coordenades precises per GPS.

En la segona part, s’ha desenvolupat un nou algoritme d’interpolació de correccions ionosferiques, tant a nivell global, com són el GIMs, així com la seva aplicació en la navegació precisa en temps real. Aquesta tècnica d’interpolació, anomenada Kriging va ser desenvolupada als anys 50 en el camp de la geoestadística i el seu tret diferencial respecte altres interpoladors ionosfèrics és que té en compte la correlació espacial entre les dades que intervenen en el càlcul. Així doncs s’ha aplicat aquest algoritme a la computació diària de GIMs a l’UPC i se n’ha fet la seva posterior validació amb els testos desenvolupats a la primera part del treball.

Com a trets generals, es pot concloure que la precisió del GIMs calculats a IGS tenen un error d’entre el 15-25% en front del 40-60% que proporciona el model emès en la senyal GPS, model de Klobuchar. A més a mes, s’ha demostrat que la nova tècnica d’interpolació basada en kriging millora la precisió dels GIMs calculats a l’UPC, en mitja, un 3% - 35%, depenent del test aplicat, arribant a un maxim d’un 56% en el test de ∇ΔSTEC. S’ha de destacar que el nou algoritme a demostrat una gran robustesa en front de situacions adverses, com són dies amb gran activitat geomagnètica i zones amb alts gradients de contingut electrònic, com l’equador, on ha produït les majors millores.

El desenvolupament de la tesi ha donat lloc a 9 publicacions internacionals incloent-hi revistes JCR i 29 comunicacions a congressos internacionals.