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Impacto de las tormentas geomagnéticas en el servicio GNSS V.J. Gatica Acevedo, M. Sánchez Meraz INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

radiofrecuencia, sistemas de transmisión eléctrica, solo por mencionar algunos, sufren afectaciones en su desempeño al presentarse situaciones alta variabilidad ionosférica. Los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS) ven afectado su desempeño por el contenido total de electrones (TEC) presente entre la trayectoria de la señal transmitida desde la constelación de satélites hacia los usuarios en tierra [2]. La principal afectación en los GNSS ocasionado por la ionosfera, se refleja en el grado de precisión la posición calculada por los receptores. Cuando ocurren eventos de tormenta geomagnética, se incrementa de manera extraordinaria el TEC, afectando la precisión de la posición calculada mediante GNSS, e inclusive, pueden presentarse fallas en el servicio de posicionamiento [4]. Analizar eventos extraordinarios como son las tormentas geomagnéticas y buscar el desarrollo de sistemas que las prevengan, es uno de los objetivos de este trabajo. Se muestran registros del TEC de los meses en que se presentaron tormentas geomagnéticas entre los años 2014 y 2015. Una evaluación del impacto de las tormentas solares sobre el servicio de posicionamiento GNSS también se presenta al final de este trabajo.

Resumen—. Este trabajo presenta una evaluación del contenido total de electrones (TEC) sobre el territorio mexicano cuando bajo las condiciones de tormentas geomagnéticas. El TEC es el parámetro que cuantifica el estado de la ionósfera terrestre, afectando la propagación de las señales de electromagnéticas que la atraviesan. Las tormentas geomagnéticas ocasionadas por la alta actividad solar impactan en la ionosfera ocasionando una alta variabilidad en el contenido electrónico. Una alta variabilidad puede afectar el desempeño de varios sistemas de base tecnológica, como son las comunicaciones satelitales. Los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS) son afectados por estos fenómenos, y ejemplos de esta afectación registrados dentro del territorio nacional son presentados en este trabajo. Palabras Clave— GNSS, Contenido Total de Electrones, ionósfera, tormenta geomagnética Abstract— This work presents an assessment of the total electron content (TEC) under conditions of geomagnetic storms over the Mexican territory. TEC is one the parameters that quantifies the status of the earth's ionosphere, which has effects on the propagation of electromagnetic signals in this medium. Geomagnetic storms caused by high solar activity impact the ionosphere produce high variability in the electronic content. A high variability of the ionosphere affects the performance of various technology-based systems, such as satellite communications. Global Navigation Satellite Systems (GNSS) are affected by these events and examples of this issues registered in the national territory are presented in this paper. Keywords— GNSS, Total Electron Content, geomagnetic storm

II. PRINCIPIO DE POSICIONAMIENTO MEDIANTE GNSS Y EL ERROR POR RETARDO IONOSFÉRICO

El principio para el cálculo de la posición por medio GNSS se realiza a partir de medir el tiempo de propagación de la señal, buscando determinar la distancia entre un satélite y un receptor [3]. Los satélites GNSS contienen un reloj atómico el cual establece la marca temporal de emisión de las señales, y un receptor contiene un reloj generalmente de cuarzo (menos preciso) el cual mide el tiempo de llegada de la señal GNSS. Un receptor necesita medir la distancia de cuatros satélites GNSS para poder resolver las ecuaciones que determinan su posición, mediante el principio de triangulación [2]. Sin embargo, debido a la falta de sincronización de los relojes entre el satélite y el receptor, así como a los efectos externos que retrasan a la señal, la distancia satélite-receptor no es exacta. Debido a esta inexactitud, el término que indica la distancia entre satélite-receptor, se le denomina como seudodistancia o seudorango R, empleándose generalmente la siguiente expresión matemática para describirla [2]:

Ionosphere,

I. INTRODUCCIÓN

L

a ionosfera terrestre es una región de la atmosfera con alta presencia de electrones libres y átomos ionizados, producto de la radiación UV proveniente del Sol. El Sol tiene un ciclo de 11 años, en el cual fenómenos como las erupciones solares, eyecciones de masa coronal y la emisión de protones solares tienden a incrementarse provocando una alta variabilidad en la ionosfera [1]. La variabilidad ionosférica se refleja en cambios de la densidad de electrones a diferentes altitudes, lo cual afecta la propagación de señales radioeléctricas [2]. Varios sistemas de base tecnológica como las comunicaciones satelitales, sistemas terrestres de

(

R = ρ + c ⋅ dt

M. en C. Víctor José Gatica Acevedo, estudiante de Doctorado en el Instituto Politécnico Nacional, ESIME Zac. email:[email protected] M. en C. Miguel Sánchez Meraz, Instituto Politécnico Nacional, ESIME-Zac, email: [email protected]

México D.F., 19 al 23 de octubre 2015

1

sat

)

− dt Rx + d tropo + d iono + ε

(1)

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R 1i , j = ρ

i j

(

+ c ⋅ dt

R 2i , j = ρ

i j

i

(

)+ d − dt ) + d

− dt

+ c ⋅ dt

i

i trop 1 j

j

j

+ d

i trop 2 j

i iono 1 j

i + d iono

+ ε

2 j

+ε

(3)

La diferencia entre los rangos de código medidos en distintas frecuencias, RI=R1-R2, nos permite calcular el STEC empleando la siguiente expresión [7]: STEC

 VTEC = TEC ⋅ cos  arcsin 

En donde ρ es la distancia geométrica entre un satélite GNSS y el receptor, dtsat y dtRx representan los retardos en la generación de la señal GNSS tanto para el satélite y receptor respectivamente, dttrop y dtiono representan los retardos atribuidos a la troposfera e ionosfera respectivamente. El término ε hace referencia a los errores de multitrayectoria y otros errores remanentes [2]. La Figura 1 ejemplifica de manera visual la intervención de cada uno de los efectos que definen al seudorango. Respecto a la afectación ionosférica, cuando una señal en la banda L (1-2 GHz) atraviesa esta región su velocidad de propagación es afectada debido a la iteración de las ondas de radio con el plasma ionosférico [3] [4]. El grado de retardo ionosférico en señales GNSS (diono) es proporcional a la integral de la densidad de electrones (ne) a lo largo de la trayectoria de la señal satélite-receptor. La siguiente expresión matemática muestra la relación del retardo ionosférico y el TEC [6]: 40 . 3 f 2

Rx ( x , y , z )

∫n

ds =

e Satélite ( x , y , z )

40 . 3 STEC f 2

(4)

 R e ⋅ cos( θ )       Re + h 

(5)

En donde Re es el radio de la Tierra (6371.2 km), h es la altura de la ionosfera respecto a la superficie terrestre (350 km), y θ corresponde al ángulo de elevación entre satélite-receptor dado en grados. Alrededor del planeta varias agencias investigan el clima espacial utilizando receptores GNSS a través del monitoreo continuo de la ionósfera. A partir del proceso de monitoreo, se generan archivos estandarizados conocidos como RINEX (de las siglas en inglés Receiver INdependent Exchange) los cuales proporcionan observaciones de rango de código y fase de las señales GNSS [10]. En México se encuentran instalados receptores GNSS pertenecientes a la red de monitoreo CORS (de sus siglas en inglés, Continuously Operating Reference Station) gestionada por Administración Nacional de Océano y Atmósfera (NOAA, de sus siglas en inglés) [15]. La Figura 2 muestra la distribución de los receptores GNSS instalados en México, en donde solo hay 22 receptores de los más 1900 receptores que componen a la CORS. Para procesar los archivos RINEX se empleó la herramienta informática “gLAB”, la cual es de uso libre y fue desarrollada por el grupo de investigación de Astronomía y Geomántica (gAGE) de la Universidad Politécnica de Catalunya [16]. Posterior al procesamiento de los RINEX, se emplearon las ecuaciones (4) y (5) se utilizaron para calcular el VTEC a partir de los receptores GNSS instalados dentro del territorio mexicano.

(2)

La integral sobre la densidad de electrones ne, está definida sobre la trayectoria satélite-receptor. La variable f indica la frecuencia de la portadora con la que se está realizando la medición. El término STEC, se refiere al valor del TEC considerando la trayectoria con la que se está realizando la medición, es decir, en trayectoria oblicua (slant, término del idioma inglés). El TEC se mide en TECU, equivalente a 1x1016 electrones/m2, y 1 TECU corresponde a un rango de error igual a 16.2 cm para la señal L1 de GPS [9]. III. MEDICION DEL TEC Generalmente se emplean receptores GNSS multifrecuencia para utilizar la combinación lineal de las observaciones registradas en distintas frecuencias portadoras para obtener el TEC. La combinación lineal de las observaciones consiste en separar los términos que son afectados en función de la frecuencia de la señal, quedando los términos del retardo en cada una de las portadoras [2] [4]. Esta técnica se utiliza empleando las señales L1 y L2 emitidas por el GPS, en donde se mide las señales de rango de código: México D.F., 19 al 23 de octubre 2015

40 . 3 ( f L21 − f L22 ) ( R1 − R 2 ) f L21 f L22

Se realiza una compensación geométrica del STEC, con el objetivo de obtener el TEC proyectado de forma tangencial respecto a la capa ionosférica. A esta proyección se le denomina contenido total de electrones vertical (VTEC), y con ello el TEC observado en el punto de máxima concentración dentro de la trayectoria satélite GNSS y receptor, obteniendo el VTEC mediante la siguiente función de mapeo [8] [9]:

Figura 1.-Principio de posicionamiento y errores implícitos en la seudorango.

d iono ≈

=

2

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ARTÍCULO No. TEL20 ARTÍCULO ACEPTADO POR REFEREO Figura 2. Mapa de receptores GNSS instalados en México disponibles a través de la CORS.

registró una tormenta geomagnética, la Figura 3 muestra los valores del índice Kp de ese día. En la gráfica del TEC se apreciar un valor máximo de 54 TECU para el día 16 Junio, y el 17 de Marzo el valor de TEC se eleva radicalmente a 80 TECU. De la Figura 5 b) se aprecia que los días posteriores al 25 de Marzo, se reportan valores máximos de TEC superiores a los 80 TECU. Los eventos de tormenta geomagnética se repiten de manera continua a lo largo de varios días, inclusive un par de semanas. Finalmente la gráfica del TEC mostrada en la Figura 5 c), presenta el comportamiento del contenido electrónico registrado durante el mes de Junio de 2015. De acuerdo con el índice Kp reportado en la Figura 4, el día 23 de Junio se registró alta actividad geomagnética. En la gráfica del TEC se aprecia la ausencia de valores registrados para aquellos instantes en que se presentó la tormenta geomagnética. Perdidas en el enlace de seguimiento de los satélites, centelleo ionosférico (variaciones de la amplitud y fase de las señales RF) son consecuencias de este tipo de fenómenos. Además, el receptor se encuentra cercana al ecuador geomagnético, la cual es una región en donde se presenta una alta actividad ionosférica, y esta actividad se incrementa debido a las tormentas geomagnéticas.

IV. TEC REGISTRADO DURANTE EVENTOS DE TORMENTAS GEOMAGNETICAS Una tormenta geomagnética es una perturbación temporal de la magnetosfera terrestre. Asociada a una eyección de masa coronal (CME), un agujero en la corona o una llamarada solar, es una onda de choque de viento solar que llega 52 horas después del suceso [13] [14]. De acuerdo con el Marshall Space Flight Center (MSFC), el máximo registrado de alta actividad solar correspondió al año 2013, posterior a este año comienza la etapa de decrecimiento del ciclo solar. En este apartado, se muestra el comportamiento del TEC registrado para aquellos días en que se reportaron tormentas geomagnéticas entre 2014 y 2015. Se utilizaron los valores de seudorango registrados por el receptor GNSS instalado en Oaxaca (Latitud: 17.078333°N, Longitud: 96.716667°W). Un indicador empleado para reportar la actividad geomagnética terrestre es el índice K. Este es un indicador cuasi-logarítmico con resolución temporal de 3 horas, el cual mide la actividad magnética relativa a una curva tomando como referencia días de baja actividad para un sitio en específico de observación. Fue presentado por primera vez por J. Bartels en 1938, consta de un solo dígito del 0 al 9 para cada intervalo de 3 horas del día en tiempo universal (UT). El índice planetario de 3 horas denominado índice Kp es el promedio de los índices K reportados por 13 observatorios geomagnéticos entre 44 grados y 60 grados de latitud geomagnética norte o sur. La Figura 3 y Figura 4 ejemplifican mediante las gráficas, el comportamiento del índice Kp para los días en que se presentaron tormentas geomagnéticas, es decir, cuando se rebasa el valor de umbral Kp=4. La Figura 5, muestra los resultados del TEC medido para aquellos meses en que se presentaron tormentas geomagnéticas. La Figura 5 a) muestra el comportamiento del TEC correspondiente al mes de Octubre del 2014, siendo este uno de los meses en que se registró alta actividad solar para ese año. Lamentablemente no se cuenta con un gráfico que reporte el índice Kp para el mes de Octubre de ese año, sin embrago se pueden consultar los registros en formato ASCII que almacena la NOAA y pone a disposición a través de la internet. Entre los días 1 y 4 de Octubre se pueden apreciar cambios repentinos en la magnitud del TEC (90 TECU) registrado, mientras que en días posteriores el TEC tiende a mostrar un comportamiento regular. Valores de 90 TECU representan errores del orden de 15 metros para posicionamiento mediante GNSS. Respecto al comportamiento del TEC para este mismo mes se aprecia también cambios con tendencia creciente lineal del TEC entre los días 6 y 10, posteriormente se aprecia una etapa de decaimiento con tendencia lineal hasta el día 13 de Octubre. Valores de TEC con amplitud máxima entre 60 y 70 TECU son característicos en la región en donde se ubica el receptor, de acuerdo con estudios realizados con anterioridad. En la Figura 5 b) se muestra la variación del TEC registrada durante el mes de Marzo de 2015 para la región de Oaxaca. De acuerdo con reportes del índice Kp, el 17 de Marzo de 2015 se México D.F., 19 al 23 de octubre 2015

Figura 3. Índice Kp reportado entre los días 16 a 19 de Marzo de 2015.

3

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b)

Figura 4. Índice Kp reportado entre los días 21 a 24 de Junio de 2015. TEC MEDIDO EN EL MES DE OCTUBRE DE 2014 100

90

80

70

TECU

60

50

40

30

20

10

0 30

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15 16 Día

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

a) TEC MEDIDO DURANTE EL MES DE MARZO DE 2015 90

80

70

60

TECU

50

40

30

20

10

0 30

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15 16 Día

17

18

19

20

21

b) TEC MEDIDO DURANTE EL MES DE JUNIO DE 2015 80

México D.F., 19 al 23 de octubre 2015 70

60

50

4

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V. EFECTOS DEL ERROR IONOSFERICO EN EL CALCULO DE POSICIONAMIENTO GNSS

VI. CONCLUSIONES Este trabajo presenta los resultados de un estudio del TEC medido a través de receptores GNSS sobre el territorio Mexicano. Estas mediciones se realizaron para aquellos días en que se presentaron eventos de tormentas geomagnéticas. Existe una relativa cercanía de México al ecuador geomagnético, es decir que se encuentra en una región de alta concentración de electrones y alta actividad ionosférica. Varios textos señalan que esta región de alta concentración electrónica está delimitada entre las latitudes ±15° respecto al ecuador geomagnético. Sin embargo, México se encuentra al borde de esta región, y durante eventos solares esto puede representar en serios problemas de desempeño de ciertos sistemas de base tecnológica. Por esta razón resulta importante desarrollar sistemas de monitoreo del estado de la ionosfera, para detectar y prevenir afectaciones durante eventos solares extraordinarios. Los resultados de este trabajo resaltan esta necesidad dentro de la República Mexicana, debido al número de aplicaciones basadas en GNSS que actualmente se utilizan.

La Figura 6 muestra diferentes casos en cómo afecta la aplicación de las correcciones del retardo ionosférico al cálculo de la posición. Se seleccionó los datos registrados para el día 22 de Junio del 2015 (día de alta actividad solar señalado anteriormente). La Figura 6 a) muestra que al no utilizar algún método de corrección del retardo ionosférico, la componente de altitud resulta gravemente afectada. Errores en la componente de altitud mayores a 4 metros no son permitidos en operaciones de aproximación vertical basadas en GNSS dentro de la navegación aérea (OACI Doc. 9849, 2005). La corrección del error ionosférico a través de un modelo debido a la ionosfera se muestra en la Figura 6 b). De las gráficas se aprecia el impacto que tiene la aplicación de la corrección del retardo ionosférico para la componente de altitud. Se aprecia que los niveles de error sobre la componente de altitud no superan los 5 metros de error, manteniéndose el error por encima del valor de 1 metro de error. Con este experimento se demuestra la relevancia que tiene la corrección del retardo ionosférico, así como la generación de técnicas de corrección. Las aplicaciones GNSS basadas en receptores presentan deficiencias en la corrección del retardo, y estas pueden ser críticas durante eventos de tormentas geomagnéticas.

VII. AGRADECIMIENTOS Este trabajo se realizó con el apoyo del Instituto Politécnico Nacional. También se extiende el agradecimiento a las agencias NOAA e IGS por colocar a disposición los datos empleados para realizar este trabajo. Se agradece al grupo de investigación de Astronomía y Geomántica (gAGE) de la Universidad Politécnica de Catalunya por el desarrollo de la herramienta informática gLAB.

VIII. REFERENCIAS [1] Hargreaves, J.K.: 1992, The Solar-Terrestrial Environment, Cambridge Atmospheric And Space Science Series, Cambridge University Press, p. 420. [2] J. Sanz Subirana, J.M.J.Z.& M.H.-P., 2013. → Gnss Data Processing Volumen I: Fundamentals and Algorithms, ESA, the Netherlands.

a)

[3] Dyrud, L. et al., 2007. I m gps. , pp.1–19. [4] Brunini, Claudio Meza, Amalia Azpilicueta: 2004, A New Ionosphere Monitoring Technology Based on GPS, Astrophysics and Space Science. [5] Hernández-Pajares, M. et al., 2009. The IGS VTEC maps: A reliable source of ionospheric information since 1998. Journal of Geodesy, 83, pp.263–275. [6] Mauricio Gende, Elsa Mohino Harris, Claudio Brunini, Sandro M. Radicella, Miguel Herraiz, “Ionospheric biases corrections for coordinates derived from GPS sinlge point positioning” Annals of Geophysics Vol.48 N.3 June 2005.

b) Figura 6. Impacto del error ionosférico sobre el posicionamiento mediante GNSS

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[7] Mannucci, a. J. et al., 1998. A global mapping technique for GPS-derived ionospheric total electron content measurements. Radio Science, 33(3), p.565. [8] Klobuchar, J., 1987. Ionospheric Time-Delay Algorithm for Single-Frequency GPS Users. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, AES-23(3), pp.325–331. [9] Todorova, S. et al., 2003. Regional Ionosphere Modelling With Gps and Comparison With Other Techniques. Proceedings of the Symposium “Modern Technologies, Education and Professional Practice [10] Gurtner, W. & Estey, L., 2007. RINEX The Receiver Independent Exchange Format. , (June). [13] Humphreys, Todd., 2009 GNSS and Ionospheric Scintillation How to Survive the Next Solar Maximum, Inside GNSS, pp. 22-30 [14] Anderson, D., and Fuller-Rowell, T., 1999. The ionosphere. Space Environment Topics, Boulder CO. [15] http://geodesy.noaa.gov/CORS/ [16] http://www.gage.es/

IX. BIOGRAFÍA Víctor José Gatica Acevedo, Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica en 2006, y Maestro en Ciencias en Ingeniería de Telecomunicaciones en 2012 por el Instituto Politécnico Nacional. Actualmente, se encuentra realizando estudios de Doctorado en Ingeniería de Sistemas en la Sección de Estudios de Posgrado de la ESIME-Zacatenco del IPN. Las principales líneas de investigación y trabajo están en el área de los sistemas de navegación basados en satélite (GNSS), sistemas de navegación aérea y en sistemas de telecomunicaciones. Miguel Sánchez Meraz es Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica es Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica (96) y posee una maestría en Ingeniería de Sistemas (98), ambos grados por el Instituto Politécnico Nacional de México. Actualmente es profesor titular del Departamento de Telecomunicaciones de la ESIME IPN y sus intereses incluyen sistemas de comunicación móvil e inalámbrica, sistemas de transmisión, comunicaciones de banda ancha, sistemas de navegación satelital y procesamiento de señales en telecomunicaciones. Ha dirigido proyectos de investigación y desarrollo tecnológico en las áreas mencionadas y posee una patente en el área de procesamiento de señales.

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