Satelliitinpaikannus korjauspalvelu
07
heinä

Miten ilmakehän häiriöt vaikuttavat GNSS-mittaukseen?

Posted on by Geotrim

Ilmakehän häiriöt vaikuttavat GNSS-mittaukseen hidastamalla ja taivuttamalla satelliittisignaalia sen kulkiessa ionosfäärin ja troposfäärin läpi. Tämä aiheuttaa etäisyysvirheen, joka voi vääristää sijaintimääritystä senttimetreistä useisiin metreihin riippuen olosuhteista ja käytetystä korjausmenetelmästä. Alla käymme läpi, mistä kerrosten vaikutukset johtuvat ja miten ne voidaan kompensoida.

Mitä ilmakehän kerroksia GNSS-signaali läpäisee?

GNSS-signaali läpäisee matkallaan satelliitilta vastaanottimelle kaksi merkittävää ilmakehän kerrosta: ionosfäärin ja troposfäärin. Molemmat kerrokset hidastavat ja taivuttavat signaalia, mutta eri fysikaalisista syistä. Nämä vaikutukset ovat satelliittimittauksen suurimpia virhelähteitä, kun käytetään yksittäistä vastaanotinta ilman korjausdataa.

Ionosfääri sijaitsee noin 60–1 000 kilometrin korkeudella ja koostuu auringon säteilyn ionisoimista kaasumolekyyleistä. Troposfääri puolestaan on alailmakehän kerros maanpinnasta noin 12 kilometrin korkeuteen. Signaali kulkee ensin ionosfäärin läpi ja sen jälkeen troposfäärin ennen kuin se saavuttaa maanpinnalla olevan GNSS-vastaanottimen.

Miten ionosfääri vääristää GNSS-mittaustuloksia?

Ionosfääri vääristää GNSS-mittaustuloksia muuttamalla signaalin etenemisnopeutta. Ionisoitunut kaasu hidastaa koodivaiheen mittausta ja nopeuttaa kantoaaltomittausta, mikä synnyttää vastakkaismerkkiset mutta yhtä suuret virheet. Käytännössä tämä näkyy etäisyysvirheenä, joka voi yksitaajuisella vastaanottimella olla useita metrejä.

Ionosfäärin vaikutuksen suuruus riippuu elektronitiheydestä, jota kuvataan TEC-arvolla (Total Electron Content). Mitä suurempi TEC, sitä enemmän signaali viivästyy. Kaksitaajuiset GNSS-vastaanottimet pystyvät mittaamaan signaalin kahdella eri taajuudella ja laskemaan ionosfäärikorjauksen suoraan, koska ionosfäärin vaikutus on taajuusriippuvainen. Yksitaajuiset laitteet tukeutuvat matemaattisiin ionosfäärimalleihin, jotka eivät aina tavoita todellista tilannetta riittävän tarkasti.

Ionosfäärin häiriöt voivat myös aiheuttaa signaalin katkeamisia eli ns. cycle slippejä kantoaaltomittauksessa, mikä vaikeuttaa RTK-mittauksen alustusta ja voi pakottaa vastaanottimen hakemaan kiinteän ratkaisun uudelleen.

Miksi troposfääri aiheuttaa eri virheen kuin ionosfääri?

Troposfääri aiheuttaa eri virheen kuin ionosfääri, koska sen vaikutus ei ole taajuusriippuvainen. Tämä tarkoittaa, että kaksitaajuinen vastaanotin ei pysty eliminoimaan troposfäärivirhettä samalla tavalla kuin ionosfäärivirheen. Troposfäärinen viivästys syntyy ilman kuivasta kaasumassasta sekä vesihöyrystä, ja nämä kaksi komponenttia käyttäytyvät eri tavoin.

Kuiva komponentti on suhteellisen vakaa ja ennustettavissa ilmanpaineen ja lämpötilan perusteella. Kostea komponentti eli vesihöyryn aiheuttama viivästys on sen sijaan ajallisesti ja paikallisesti vaihteleva, mikä tekee siitä vaikeammin mallinnettavan. Suomen olosuhteissa kostean komponentin vaihtelu on erityisen merkittävää keväisin ja syksyisin, kun lämpötilaerot ja kosteuden vaihtelut ovat suuria.

Troposfäärivirhe on tyypillisesti muutamia senttimetrejä pystysuunnassa, mutta matalilla satelliittielevaatiokulmilla se voi kasvaa huomattavasti. Tästä syystä GNSS-mittauksessa suositellaan käyttämään vain riittävän korkealla taivaalla olevia satelliitteja.

Milloin ilmakehän häiriöt ovat pahimmillaan GNSS-mittauksessa?

Ilmakehän häiriöt ovat pahimmillaan aurinkoaktiivisuuden huippuaikoina, voimakkaiden aurinkomyrskyjen yhteydessä sekä trooppisella alueella lähellä magneettista päiväntasaajaa. Suomessa ionosfäärihäiriöt ovat voimakkaimpia auringonpilkkujakson huippuvuosina ja geomagneettisten myrskyjen aikana, joita esiintyy ennakoimattomasti.

Vuorokaudenajalla on myös merkitystä. Ionosfäärin elektronipitoisuus on yleensä suurimmillaan iltapäivällä ja pienimmillään yöllä. Kesällä auringon pitkä paistaminen Suomessa pitää ionosfäärin aktiivisempana kuin talvella.

Troposfäärihäiriöt puolestaan pahenevat voimakkaiden säänmuutosten yhteydessä: ukkosmyrskyt, nopeat kylmät rintamat ja suuret lämpötilainversiot voivat kasvattaa troposfääristä johtuvaa virhettä merkittävästi. Mittaajan kannattaa olla erityisen tarkkana silloin, kun sää vaihtelee nopeasti ja satelliittisignaalin laatu näyttää heikolta vastaanottimen diagnostiikassa.

Miten VRS-verkko kompensoi ilmakehän mittausvirheet?

VRS-verkko kompensoi ilmakehän mittausvirheet laskemalla korjausmallin useiden tukiasemien havaintojen perusteella ja toimittamalla sen reaaliaikaisesti mittaajalle. Kun useampi tukiasema havaitsee saman ilmakehän tilan samanaikaisesti, verkko pystyy mallintamaan sekä ionosfääri- että troposfäärivirheen alueellisesti ja luomaan virtuaalisen tukiaseman juuri mittaajan sijaintiin.

Trimnet VRS hyödyntää tätä VRS-menetelmää koko Suomen alueella. Lähes 130 tukiaseman verkko tarjoaa tiheän havaintopisteiden verkoston, joka mahdollistaa tarkan alueellisen ilmakehämallin muodostamisen. Tämä on erityisen hyödyllistä Suomen vaihtelevissa sääolosuhteissa, joissa paikallinen troposfäärinen kosteus voi vaihdella lyhyellä matkalla.

Käytännössä mittaaja saa VRS-korjauksen suoraan GNSS-vastaanottimeensa tiedonsiirtoyhteydellä, eikä erillisiä fyysisiä tukiasemia tarvita maastossa. RTK-mittauksessa tämä mahdollistaa senttimetriluokan tarkkuuden reaaliaikaisesti. Ilman verkkokorjausta sama mittaus yksittäisellä vastaanottimella altistuisi koko ionosfääri- ja troposfäärivirheelle ilman mahdollisuutta eliminoida sitä laskennallisesti.

Jos haluat tietää lisää Trimnet VRS -palvelusta tai sen soveltuvuudesta omaan käyttökohteeseesi, ota yhteyttä Geotrimiin yhteydenottolomakkeen kautta.

Aiheeseen liittyvät artikkelit