Higher order ionospheric effects in GNSS positioning in the European region
- 1. University of Nottingham
- 2. Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Description
Abstract. After removal of the Selective Availability in 2000, the ionosphere became the dominant error source for Global Navigation Satellite Systems (GNSS), especially for the high-accuracy (cm-mm) demanding applications like the Precise Point Positioning (PPP) and Real Time Kinematic (RTK) positioning. The common practice of eliminating the ionospheric error, e.g. by the ionosphere free (IF) observable, which is a linear combination of observables on two frequencies such as GPS L1 and L2, accounts for about 99 % of the total ionospheric effect, known as the first order ionospheric effect (Ion1). The remaining 1 % residual range errors (RREs) in the IF observable are due to the higher – second and third, order ionospheric effects, Ion2 and Ion3, respectively. Both terms are related with the electron content along the signal path; moreover Ion2 term is associated with the influence of the geomagnetic field on the ionospheric refractive index and Ion3 with the ray bending effect of the ionosphere, which can cause significant deviation in the ray trajectory (due to strong electron density gradients in the ionosphere) such that the error contribution of Ion3 can exceed that of Ion2 (Kim and Tinin, 2007). The higher order error terms do not cancel out in the (first order) ionospherically corrected observable and as such, when not accounted for, they can degrade the accuracy of GNSS positioning, depending on the level of the solar activity and geomagnetic and ionospheric conditions (Hoque and Jakowski, 2007). Simulation results from early 1990s show that Ion2 and Ion3 would contribute to the ionospheric error budget by less than 1 % of the Ion1 term at GPS frequencies (Datta-Barua et al., 2008). Although the IF observable may provide sufficient accuracy for most GNSS applications, Ion2 and Ion3 need to be considered for higher accuracy demanding applications especially at times of higher solar activity. This paper investigates the higher order ionospheric effects (Ion2 and Ion3, however excluding the ray bending effects associated with Ion3) in the European region in the GNSS positioning considering the precise point positioning (PPP) method. For this purpose observations from four European stations were considered. These observations were taken in four time intervals corresponding to various geophysical conditions: the active and quiet periods of the solar cycle, 2001 and 2006, respectively, excluding the effects of disturbances in the geomagnetic field (i.e. geomagnetic storms), as well as the years of 2001 and 2003, this time including the impact of geomagnetic disturbances. The program RINEX_HO (Marques et al., 2011) was used to calculate the magnitudes of Ion2 and Ion3 on the range measurements as well as the total electron content (TEC) observed on each receiver-satellite link. The program also corrects the GPS observation files for Ion2 and Ion3; thereafter it is possible to perform PPP with both the original and corrected GPS observation files to analyze the impact of the higher order ionospheric error terms excluding the ray bending effect which may become significant especially at low elevation angles (Ioannides and Strangeways, 2002) on the estimated station coordinates.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
ملخص. بعد إزالة التوافر الانتقائي في عام 2000، أصبح الغلاف الأيوني مصدر الخطأ المهيمن للأنظمة العالمية لسواتل الملاحة (GNSS)، خاصة بالنسبة للتطبيقات عالية الدقة (سم - مم) مثل تحديد المواقع بدقة (PPP) وتحديد المواقع الحركية في الوقت الحقيقي (RTK). تمثل الممارسة الشائعة المتمثلة في القضاء على خطأ الغلاف الأيوني، على سبيل المثال عن طريق رصد الغلاف الأيوني الحر (IF)، وهو مزيج خطي من الملاحظات على ترددين مثل GPS L1 و L2، حوالي 99 ٪ من إجمالي تأثير الغلاف الأيوني، المعروف باسم تأثير الغلاف الأيوني من الدرجة الأولى (Ion1). ترجع أخطاء النطاق المتبقية بنسبة 1 ٪ المتبقية (RREs) في IF المرصودة إلى التأثيرات الأيونوسفيرية الأعلى – الثانية والثالثة، أيون 2 وأيون 3، على التوالي. يرتبط كلا المصطلحين بمحتوى الإلكترون على طول مسار الإشارة ؛ علاوة على ذلك، يرتبط مصطلح Ion2 بتأثير المجال المغناطيسي الأرضي على معامل انكسار الغلاف الأيوني و Ion3 بتأثير انحناء الأشعة للغلاف الأيوني، والذي يمكن أن يسبب انحرافًا كبيرًا في مسار الأشعة (بسبب تدرجات كثافة الإلكترون القوية في الغلاف الأيوني) بحيث يمكن أن تتجاوز مساهمة الخطأ في Ion3 مساهمة Ion2 (كيم وتينين، 2007). لا تلغى مصطلحات الخطأ ذات الترتيب الأعلى في الغلاف الأيوني (من الدرجة الأولى) التي يمكن ملاحظتها، وعلى هذا النحو، عندما لا يتم احتسابها، يمكن أن تقلل من دقة تحديد مواقع النظم العالمية لسواتل الملاحة، اعتمادًا على مستوى النشاط الشمسي والظروف المغناطيسية الأرضية والغلاف الأيوني (هوك وجاكوفسكي، 2007). تظهر نتائج المحاكاة من أوائل التسعينيات أن Ion2 و Ion3 سيساهمان في ميزانية خطأ الغلاف الأيوني بأقل من 1 ٪ من مصطلح Ion1 عند ترددات GPS (Datta - Barua et al.، 2008). على الرغم من أن IF يمكن ملاحظته قد يوفر دقة كافية لمعظم تطبيقات النظم العالمية لسواتل الملاحة، إلا أنه يجب النظر في Ion2 و Ion3 للحصول على تطبيقات تتطلب دقة أعلى خاصة في أوقات النشاط الشمسي العالي. تبحث هذه الورقة في تأثيرات الغلاف الأيوني الأعلى (Ion2 و Ion3، ولكن باستثناء تأثيرات انحناء الأشعة المرتبطة بـ Ion3) في المنطقة الأوروبية في تحديد مواقع النظم العالمية لسواتل الملاحة مع الأخذ في الاعتبار طريقة تحديد المواقع النقطية الدقيقة (PPP). ولهذا الغرض، تم النظر في الملاحظات الواردة من أربع محطات أوروبية. تم أخذ هذه الملاحظات على أربع فترات زمنية تتوافق مع الظروف الجيوفيزيائية المختلفة: الفترتان النشطة والهادئة للدورة الشمسية، 2001 و 2006، على التوالي، باستثناء آثار الاضطرابات في المجال الجيومغناطيسي (أي العواصف الجيومغناطيسية)، وكذلك عامي 2001 و 2003، وهذه المرة بما في ذلك تأثير الاضطرابات الجيومغناطيسية. تم استخدام برنامج RINEX_HO (ماركيز وآخرون، 2011) لحساب مقادير Ion2 و Ion3 على قياسات النطاق بالإضافة إلى إجمالي محتوى الإلكترون (TEC) المرصود على كل وصلة مستقبل- قمر صناعي. يقوم البرنامج أيضًا بتصحيح ملفات مراقبة نظام تحديد المواقع العالمي لـ Ion2 و Ion3 ؛ بعد ذلك من الممكن إجراء تعادل القوة الشرائية مع كل من ملفات مراقبة نظام تحديد المواقع العالمي الأصلية والمصححة لتحليل تأثير مصطلحات خطأ الغلاف الأيوني الأعلى مرتبة باستثناء تأثير انحناء الشعاع الذي قد يصبح كبيرًا خاصة عند زوايا الارتفاع المنخفض (Ioannides and Strangeways، 2002) على إحداثيات المحطة المقدرة.Translated Description (French)
Résumé. Après la suppression de la disponibilité sélective en 2000, l'ionosphère est devenue la source d'erreur dominante pour les systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS), en particulier pour les applications exigeantes de haute précision (cm-mm) comme le positionnement précis du point (PPP) et le positionnement cinématique en temps réel (RTK). La pratique courante consistant à éliminer l'erreur ionosphérique, par exemple par l'observable sans ionosphère (IF), qui est une combinaison linéaire d'observables sur deux fréquences telles que GPS L1 et L2, représente environ 99 % de l'effet ionosphérique total, connu sous le nom d'effet ionosphérique de premier ordre (Ion1). Les erreurs de gamme résiduelles (RRE) restantes de 1 % dans la FI observable sont dues aux effets ionosphériques d'ordre supérieur – deuxième et troisième, Ion2 et Ion3, respectivement. Les deux termes sont liés au contenu électronique le long du trajet du signal ; en outre, le terme Ion2 est associé à l'influence du champ géomagnétique sur l'indice de réfraction ionosphérique et Ion3 à l'effet de flexion des rayons de l'ionosphère, ce qui peut provoquer une déviation significative de la trajectoire des rayons (en raison de forts gradients de densité électronique dans l'ionosphère) de sorte que la contribution d'erreur de Ion3 peut dépasser celle de Ion2 (Kim et Tinin, 2007). Les termes d'erreur d'ordre supérieur ne s'annulent pas dans l'observable corrigé ionosphériquement (premier ordre) et, en tant que tels, lorsqu'ils ne sont pas pris en compte, ils peuvent dégrader la précision du positionnement GNSS, en fonction du niveau de l'activité solaire et des conditions géomagnétiques et ionosphériques (Hoque et Jakowski, 2007). Les résultats de simulation du début des années 1990 montrent que Ion2 et Ion3 contribueraient au budget d'erreur ionosphérique de moins de 1 % du terme Ion1 aux fréquences GPS (Datta-Barua et al., 2008). Bien que l'observable IF puisse fournir une précision suffisante pour la plupart des applications GNSS, Ion2 et Ion3 doivent être pris en compte pour des applications exigeantes de plus grande précision, en particulier en période d'activité solaire élevée. Cet article étudie les effets ionosphériques d'ordre supérieur (Ion2 et Ion3, mais en excluant les effets de flexion des rayons associés à Ion3) dans la région européenne dans le positionnement GNSS compte tenu de la méthode de positionnement ponctuel précis (PPP). À cette fin, les observations de quatre stations européennes ont été prises en compte. Ces observations ont été effectuées dans quatre intervalles de temps correspondant à différentes conditions géophysiques : les périodes actives et calmes du cycle solaire, 2001 et 2006, respectivement, en excluant les effets des perturbations du champ géomagnétique (c'est-à-dire les tempêtes géomagnétiques), ainsi que les années 2001 et 2003, cette fois en incluant l'impact des perturbations géomagnétiques. Le programme RINEX_HO (Marques et al., 2011) a été utilisé pour calculer les grandeurs de Ion2 et Ion3 sur les mesures de distance ainsi que la teneur totale en électrons (TEC) observée sur chaque liaison récepteur-satellite. Le programme corrige également les fichiers d'observation GPS pour Ion2 et Ion3 ; par la suite, il est possible d'effectuer un PPP avec les fichiers d'observation GPS d'origine et corrigés pour analyser l'impact des termes d'erreur ionosphérique d'ordre supérieur excluant l'effet de flexion des rayons qui peut devenir significatif en particulier aux angles de faible élévation (Ioannides et Strangeways, 2002) sur les coordonnées estimées de la station.Translated Description (Spanish)
Resumen. Después de la eliminación de la Disponibilidad Selectiva en 2000, la ionosfera se convirtió en la fuente de error dominante para los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS), especialmente para las aplicaciones exigentes de alta precisión (cm-mm) como el posicionamiento de punto preciso (PPP) y el posicionamiento cinemático en tiempo real (RTK). La práctica común de eliminar el error ionosférico, por ejemplo, mediante el observable libre de ionosfera (IF), que es una combinación lineal de observables en dos frecuencias como GPS L1 y L2, representa aproximadamente el 99 % del efecto ionosférico total, conocido como efecto ionosférico de primer orden (Ion1). Los errores de rango residual (RRE) restantes del 1 % en el IF observable se deben a los efectos ionosféricos de orden superior, segundo y tercero, Ion2 e Ion3, respectivamente. Ambos términos están relacionados con el contenido de electrones a lo largo de la trayectoria de la señal; además, el término Ion2 está asociado con la influencia del campo geomagnético en el índice de refracción ionosférico e Ion3 con el efecto de flexión de rayos de la ionosfera, que puede causar una desviación significativa en la trayectoria de los rayos (debido a los fuertes gradientes de densidad de electrones en la ionosfera) de modo que la contribución de error de Ion3 puede exceder la de Ion2 (Kim y Tinin, 2007). Los términos de error de orden superior no se cancelan en el observable corregido ionosféricamente (de primer orden) y, como tal, cuando no se tienen en cuenta, pueden degradar la precisión del posicionamiento GNSS, dependiendo del nivel de actividad solar y las condiciones geomagnéticas e ionosféricas (Hoque y Jakowski, 2007). Los resultados de la simulación de principios de la década de 1990 muestran que Ion2 e Ion3 contribuirían al presupuesto de error ionosférico en menos del 1 % del término Ion1 en frecuencias GPS (Datta-Barua et al., 2008). Aunque el IF observable puede proporcionar suficiente precisión para la mayoría de las aplicaciones GNSS, Ion2 e Ion3 deben considerarse para aplicaciones exigentes de mayor precisión, especialmente en momentos de mayor actividad solar. Este documento investiga los efectos ionosféricos de orden superior (Ion2 e Ion3, sin embargo, excluyendo los efectos de flexión de rayos asociados con Ion3) en la región europea en el posicionamiento GNSS considerando el método de posicionamiento preciso de puntos (PPP). Para ello se tuvieron en cuenta las observaciones de cuatro estaciones europeas. Estas observaciones se tomaron en cuatro intervalos de tiempo correspondientes a diversas condiciones geofísicas: los períodos activo y tranquilo del ciclo solar, 2001 y 2006, respectivamente, excluyendo los efectos de las perturbaciones en el campo geomagnético (es decir, tormentas geomagnéticas), así como los años de 2001 y 2003, esta vez incluyendo el impacto de las perturbaciones geomagnéticas. El programa RINEX_HO (Marques et al., 2011) se utilizó para calcular las magnitudes de Ion2 e Ion3 en las mediciones de rango, así como el contenido total de electrones (TEC) observado en cada enlace receptor-satélite. El programa también corrige los archivos de observación GPS para Ion2 e Ion3; a partir de entonces es posible realizar PPP con los archivos de observación GPS originales y corregidos para analizar el impacto de los términos de error ionosférico de orden superior excluyendo el efecto de flexión de rayos que puede llegar a ser significativo, especialmente en ángulos de baja elevación (Ioannides y Strangeways, 2002) en las coordenadas estimadas de la estación.Files
angeo-29-1383-2011.pdf.pdf
Files
(4.2 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:13bcbb99f93a1f17fbeb57914b28be14
|
4.2 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- التأثيرات الأيونوسفيرية عالية الترتيب في تحديد مواقع النظم العالمية لسواتل الملاحة في المنطقة الأوروبية
- Translated title (French)
- Effets ionosphériques d'ordre supérieur dans le positionnement GNSS dans la région européenne
- Translated title (Spanish)
- Efectos ionosféricos de orden superior en el posicionamiento GNSS en la región europea
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2022242915
- DOI
- 10.5194/angeo-29-1383-2011
References
- https://openalex.org/W1480147513
- https://openalex.org/W1536977492
- https://openalex.org/W1538176583
- https://openalex.org/W1558470758
- https://openalex.org/W1662712422
- https://openalex.org/W1673977746
- https://openalex.org/W1967622347
- https://openalex.org/W1969011984
- https://openalex.org/W1970288212
- https://openalex.org/W1978108609
- https://openalex.org/W1980942806
- https://openalex.org/W1981534292
- https://openalex.org/W1986964719
- https://openalex.org/W1989449095
- https://openalex.org/W1996389874
- https://openalex.org/W2026222636
- https://openalex.org/W2058160370
- https://openalex.org/W2058847050
- https://openalex.org/W2060939014
- https://openalex.org/W2061540046
- https://openalex.org/W2075097022
- https://openalex.org/W2076668783
- https://openalex.org/W2092464143
- https://openalex.org/W2118829393
- https://openalex.org/W2154630925