Global ionospheric maps : estimation and assessment in post-processing and real-time

Abstract

The research of this paper-based dissertation is focused on Global Ionospheric Maps (GIM) generation and assessment. In summary, the novelty and thematic unity in this works relies on four different but complementary topics: 1. Defining a systematic procedure to validate and quantify the quality of GIMs based on independent data sources or techniques. 2. Applying this methodology to not only the GIMs computed at UPC, but also to most of the currently open accessible GIMs inside the scientific community. 3.Including newly available Global Navigation Satellite Systems (GNSS) data to the processing of UPC's GIMs. 4. Assessment and distribution also of real-time GIMs. More in detail, my first contribution has been to the definition of a complete GIM validation procedure. This procedure is based on two methods: direct VTEC (Vertical Total Electron Content) altimeter and GNSS difference of slant TEC (Total Electron Content), both of them giving complementary information of the GIM performance. The main advantage of using satellite altimeter data is the fact that we are using a truly independent information source with regard to the input data used for GIM generation. This allows assessing the TEC from a entirely different point-of-view, fully different and independent to any error that may affect GNSS systems and its processing. The second technique, relies on using the same type of input data but in this case from permanent GNSS stations not participating in the GIM generation. The main advantages of this second technique is twofold: first, it allows to asses the GIMs on land; and second its a low latency direct assessment of the GIM, given a more direct information about the processing and interpolation done with the GNSS input data. Afterwards, a second contribution has been to use the previously defined methodology to validate all the GIMs generated by the International GNSS Service (IGS) Associated Analysis Centers (IAAC), and some other candidates to join them, for a more than a full solar cycle (starting from end of 2001 to beginning of 2017). As a side result, it is also demonstrated that while the time interval of the GIM has little influence on its overall quality, the interpolation technique used by the IAACs has an important role. Finally, this work also lead to the acceptance of the previously mentioned IAAC candidates since it demonstrated the good quality of their GIMs. Another contribution has been, as part of the European GRC project, improving the currently in production UPC's TOMION (TOMographic IONospheric) software used to generate the UQRG (UPC's rapid GIM) map. The software input source data was restricted to GPS L1 and L2. Now it allows processing all current frequencies available for GPS, Galileo and Beidou. This software has been internally tested for some specific days with the previously explained altimeter method giving results with improved quality for specific combinations of GNSS systems and frequencies. Using this work flow but focused on single frequency processing, a last article was published analysing the ionospheric footprint of the solar eclipse over North America during 2017. Finally, another contribution has been to improve the data acquisition and distribution system for the real-time GIM generation processing chain. Furthermore, as part of UPC contribution to the Real Time Ionospheric Monitoring Working Group (RTIM-WG) of the International Association of Geodesy (IAG) and following the previously explained methodology, an assessment of the GIMs generated by the members of this sub-commission have been performed. As a result of all these efforts, UPC has been leading inside the IGS frame, and made a first implementation, of a new real-time combined map.

La recerca realitzada en aquesta tesis en format compendi d’articles esta enfocada en la generació i validació de mapes ionosfèrics globals (GIM, del angles Global Ionospheric Maps). En resum, la novetat i unitat temàtica d’aquesta tesis esta basada en quatre temes diferents però complementaris: • Definició d’un procediment sistemàtic per validar i quantificar la qualitat dels GIMs basada en fonts de dades o tècniques independents. • Aplicar aquesta metodologia no nomes als GIMs generats a UPC, sinó també a la resta de GIMs d’accés obert actualment existent dintre la comunitat científica internacional. • Incloure en el processat per generar els GIMs de UPC dades de les noves constel·lacions GNSS (del angles Global Navigation Satellite Systems) disponibles. • Validació i distribució també dels GIMs en temps real. Com a conseqüència, també s’ha aconseguit generar un primer GIM combinat en temps real. Mes en detall, la meva primera contribució va ser definir un procediment complet de validació de GIM. Aquest procediment esta basat en dos mètodes: obtenció directa del contingut vertical total d’electrons (VTEC, del angles, Vertical Total Electron Content) a partir de dades d’altimetria i per diferencies del contingut total d’electrons (TEC, del angles Total Electron Content) inclinat de dades GNSS. Els dos donen informació complementaria de la qualitat dels GIM. L’avantatge principal d’utilitzar dades de satèl·lits altimètrics es que es una font de dades completament diferent de les que s’utilitzen per la generació dels GIMs. Aquest fet ens permet verificar el TEC des d’una perspectiva diferent, plenament independent de qualsevol font d’error que pugui afectar al propi sistema GNSS o el seu processat. El segon mètode, es basa en la mateix tipus de dades que s’utilitzen pel càlcul dels GIM però en aquest cas amb dades d’estacions permanent GNSS no involucrades en la generació dels GIMs a avaluar. L’avantatge principal d’aquest segon mètodes es doble: primer, permet avaluar el GIM sobre els continents; i segon, permet fer la anàlisis directa de baixa latència del GIM, a mes a mes donant informació directa sobre el processat i la interpolació aplicada sobre les dades GNSS. Seguidament, la meva segona contribució va ser utilitzar la metodologia prèviament definida per validar tots els GIM generats per part dels centres d’anàlisis associats al Servei Internacional de GNSS (IGS, del angles International GNSS Service) i altres centres candidats a unir-se a IGS, per mes d’un cicle solar (des de finals del 2001 fins al inici del 2017). Com a resultat secundari, també va permetre demostrar que per una banda l’interval temporal dels GIM te poca influencia sobre la seva qualitat global, però per altra banda la tècnica d’interpolació emprada per part dels centres te un impacte molt important. Finalment, aquest article va portar a l’admissió d’aquests candidats prèviament mencionats a centres d’anàlisis associats a IGS donat que es va demostrar la bona qualitat dels seus GIMs. Una altra contribució important va ser, com a part del projecte europeu GRC, millorar el software TOMION (TOMographic IONospheric) de UPC, actualment en producció generant el GIM UQRG (GIM ràpid de UPC). Aquest software nomes permetia utilitzar dades de GPS L1 i L2. Les millores realitzades durant aquesta tesis permeten processar totes les freqüències actualment existent de GPS, Galileo i Beidou. El software ha estat internament validat per certs dies específics amb el mètode explicat prèviament d’altimetria millorant els resultats en comparació a la versió anterior per certes combinacions de constel·lacions GNSS i freqüències. Utilitzant aquesta nova metodologia de processat aplicada a una sola freqüència, un últim article va ser publicat analitzant l’empremta ionosfèrica de l’eclipsi solar sobre Amèrica del nord durant el 2017. Finalment, una altre contribució va ser millorar el mètode d’adquisició i distribució del sistema de processat del GIM en temps real. Es mes, com a part de la contribució de la UPC, es va realitzar una validació dels GIMs generats pels participants del grup de treball de monitorització en temps real de la ionosfera (RTIM-WG, del angles Real Time Ionospheric Monitoring Working Group) de l’Associació Internacional de Geodèsia (IAG, del angles International Association of Geodesy) seguint la metodologia anteriorment citada. Com a resultat d’aquestes tasques la UPC ha liderat i mplementat un nou mapa combinat en temps real, en el marc de IGS.