Contributions to real-time monitoring of the ionosphere using GNSS signals

Abstract

(English) This document presents the collection of four manuscripts published during my Doctoral academic formation, which main goal has been the real-time implementation of tools to monitor the ionosphere using Global Navigation Satellite System (GNSS) signals. Despite the fact that there is a vast literature on ionospheric modelling, the state-of-the-art becomes narrow when referring to real-time developments, especially fulfilling precise requirements on accuracy, performance, coverage, and confidence in the generated products. The main contribution of this work to the scientific community is the deployment of ionospheric-related products to monitor in real-time the state of the ionosphere. The first and second publications targeted the implementation of a novel strategy based on a definition of a GNSS Solar Flare (SF) monitor to automatically confirm Solar Flare Effects (Sfe) in geomagnetism. In the first scientific article, it is inspected the methodology used to fine-tune (adapt) a SF monitor, working with an eleven years period of data to statistically correlate detected SF using GNSS signals with respect to SFe. The results demonstrated that the proposed GNSS Solar Flare monitor can confirm Sfe events when traditional Sfe detectors are not able to respond categorically. The second publication details the methodological approach for defining the proposed GNSS Solar Flare monitor, focusing on the theoretical formulation of the Slant Total Electron Content (STEC) obtained. The third contribution used GNSS signals to detect the presence of Medium Scale Travelling Ionospheric Disturbance (MSTID) within a network of permanent GNSS stations that provide the high-accuracy positioning service known as Network-Real-Time Kinematics (NRTK). The effects of a MSTID are characterized in terms of fluctuations in the electron density in the iono- sphere, experienced differently by each one of the GNSS stations used as reference receivers within the NRTK, and resulting in a degradation of the positioning of any user of the service. The MSTIDidx index is proposed to warn users of the presence of a MSTID, implementing a novel methodology for assessing the errors in positioning based on fixing carrier-phase ambiguities in undifferenced measurements. The adoption of the proposed MSTIDidx index proves to be efficient to reduce the errors on the user positioning by excluding measurements polluted by the MSTID effects, reaching accuracy levels within the overall network similar to the ones achieved by users located close to reference stations (and therefore, less affected by MSTID effects). The fourth publication is the core of my doctoral thesis and presents the real-time implemen- tation of a model to generate ionospheric corrections suitable to fulfill the Galileo HAS. The analyzed ionospheric correction system is based on the Fast Precise Point Positioning (FPPP) technique, in which it is highlighted the benefits of integer ambiguity resolution to obtain unambiguous carrier phase measurements as input to compute the FPPP ionospheric model. Additionally, this contribution underlines the benefit of the implemented strategy, in terms of the geometric model used by the ionospheric modelling and the dataset implemented. In terms of assessing the errors of the FPPP ionospheric corrections, the 99% of the Global Positioning System (GPS) and Galileo errors in well-sounded areas and in mid-latitude stations are below one total electron content unit, which is in line according to the required ionospheric accuracy for the Galileo HAS. Furthermore, alongside the ionospheric corrections, it is presented some additional products generated by the FPPP Central Processing Facility (CPF), produced in real-time and with accuracy levels suitable to any HAS application.

(Español) Este documento se centra en la implementación de herramientas para monitorizar la ionosfera terrestre por medio del uso de señales GNSS. Si bien se puede encontrar una literatura bastante amplia sobre el modelado de la ionosfera, son reducidos los trabajos relacionados con aplicaciones en tiempo real, particularmente si se busca cumplir con requerimientos específicos vinculados con la precisión, el rendimiento, el cubrimiento y la certidumbre de los productos generados. La principal contribución de esta tesis doctoral es la generación en tiempo real de productos para monitorizar el estado de la ionosfera.

Las primeras dos publicaciones se centran en el desarrollo de una nueva metodología fundamentada en un detector de Fulguraciones Solares (SF) basado en mediciones GNSS para la confirmación de los efectos de un SF (SFe) detectados por sensores geomagnéticos. En el primer artículo, se expone el procedimiento para el diseño y ajuste del detector GNSS de SF (GNSS-SF), empleando para ello un periodo de once años de datos con los cuales correlacionar estadísticamente SF detectados por medio del detector GNSS y los eventos SFe detectados en magnetismo. Los resultados demuestran que el detector GNSS-SF es capaz de confirmar eventos SFe cuando estos últimos no son categóricamente validados por los instrumentos magnéticos. La segunda publicación detalla el enfoque metodológico desarrollado para definir el detector GNSS-SF que se propone en el artículo.

La tercera publicación emplea señales GNSS para detectar la presencia de perturbaciones de escala media que se desplazan en la ionosfera (MSTID) en una red de estaciones GNSS fijas que brindan servicios de posicionamiento muy preciso (NRTK). Los efectos de una MSTID pueden ser caracterizados por medio de la fluctuación en el contenido electrónico de la ionosfera, experimentado de manera diferente por cada una de las estaciones GNSS usadas como referencia dentro del servicio NRTK, ocasionando una degradación en el posicionamiento de cualquier usuario del servicio. Se propone entonces el índice MSTIDidx con el objetivo de advertir a los usuarios NRTK de la presencia de efectos ocasionados por MSTID, implementando para ello una metodología basada en la determinación de ambigüedades en observaciones sin diferenciar, basadas en la fase de la portadora de la señal GNSS. Los resultados tras la implementación del índice MSTIDidx demuestran ser eficientes en términos de reducir los errores en el posicionamiento de los usuarios, descartando observaciones GNSS afectadas por los efectos de MSTID.

La cuarta publicación presenta el contenido central de mi tesis doctoral, fundamentado en la implementación en tiempo real de un sistema de correcciones para la ionosfera basado en la técnica de posicionamiento preciso rápido (FPPP), adecuado para satisfacer los requerimientos HAS del sistema de navegación por satélite Galileo. El sistema de correcciones ionosféricas expuesto destaca las características de la técnica FPPP, tales como la fijación entera de las ambigüedades en la fase de la portadora de la señal GNSS para obtener mediciones sin ambigüedad, de manera que puedan servir como dato de entrada para la generación de las correcciones ionosféricas obtenidas por el modelo FPPP. Adicionalmente, este artículo resalta las características tanto del modelo geométrico implementado como del conjunto de datos usado. En términos de evaluar los errores de las correcciones generadas, el 99% los errores en GPS y Galileo están por debajo de 1 TECU, en zonas de notable densidad de estaciones GNSS localizadas en media latitud. Estos resultados corresponden con los requerimientos exigidos por el servicio HAS de Galileo para correcciones de ionósfera. Adicionalmente, se presentan algunos productos adicionales generados por la misma Unidad de Procesamiento de Central (CPF) que genera las correcciones ionósfericas, calculados en tiempo real y con niveles de precisión apropiados para cualquier aplicación HAS.