Koniec z migotaniem sygnału GNSS?
Technologia globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS) na dobre zagościła w naszej codziennej rzeczywistości. Systemy te nieustannie komunikują się z naszymi smartfonami, urządzeniami monitorującymi aktywność, samochodami i komputerami, pomagając nam określić lokalizację i najkrótszą trasę, znaleźć najbliższą restaurację czy stację benzynową, a także dokładniej przewidywać występowanie opadów. Mniej osób orientuje się jednak, że technologia ta pozwala też śledzić położenie kontenerów lub przesyłek podczas transportu, a sieci komórkowe wykorzystują czas GPS do synchronizacji swoich stacji bazowych.
Pokonanie barier dla sygnału radiowego
Mimo że sygnały GNSS umożliwiają sprawne działanie wielu elementów naszego świata, o których czasami nie mamy pojęcia, są coraz bardziej narażone na zakłócenia. Sygnały GNSS to fale radiowe nadawane z satelitów umieszczonych na orbicie Ziemi na wysokości 20 000 kilometrów. Zanim jednak przesyłane sygnały dotrą do powierzchni Ziemi, są już bardzo słabe, w związku z czym uczeni dążą do opracowania bardziej czułych odbiorników, zdolnych do ich wychwytywania. W ramach finansowanego z działań „Maria Skłodowska-Curie” projektu NAVSCIN trwają prace nad ulepszeniem strategii mających na celu rozwiązanie występującego powszechnie problemu z odbieraniem sygnałów GNSS, który wynika ze zjawiska scyntylacji. „Większość ludzi zna je z obserwacji gwiazd, które widziane poprzez warstwę atmosfery zdają się migać. W określonych warunkach, ściśle związanych z aktywnością Słońca i polem magnetycznym Ziemi, fale radiowe przecinające jonosferę mogą być poważnie zakłócane. Niewielkie zmiany gęstości i składu plazmy zawierającej swobodne elektrony, obecnej w zjonizowanej górnej warstwie atmosfery powodują nagłe i silne wahania amplitudy i fazy sygnału”, tłumaczy koordynator projektu Adrià Rovira García. „Jednak aby móc uniknąć niepożądanych skutków turbulencji w jonosferze, należy najpierw zrozumieć ich naturę”, dodaje Rovira García. W tym celu badacz przeprowadził analizę statystyczną występowania scyntylacji pod kątem częstotliwości, nasilenia i położenia geograficznego. Uzyskane wyniki posłużyły mu następnie jako dane wejściowe do zdefiniowania procedury wykrywania oddziaływania scyntylacji na sygnały GNSS, czyli problemu związanego z przeskokami fazy (ang. cycle slip) w pomiarach GNSS. „Wykrywanie i naprawa przeskoków fazy to duże wyzwanie: zwykle są one niewielkie (mniej więcej 20 cm) i mogą pojawić się jednocześnie w przypadku różnych satelitów”, zaznacza Rovira García.
Odbiorniki GNSS odporne na scyntylacje
Badacz opracował ulepszoną metodologię oceny różnych modeli niwelowania zakłóceń sygnałów GNSS spowodowanych oddziaływaniem jonosfery. Główną zaletą nowej metody jest wykorzystanie technik geodezyjnych i standardowych odbiorników geodezyjnych, które są ogólnodostępne i próbkują sygnały GNSS co sekundę. Inaczej jest w przypadku zwykłych odbiorników, które eliminują sygnały o niskiej częstotliwości przy użyciu technik ślepego przetwarzania sygnału wymagających co najmniej 50 próbek na sekundę. „Przekształcenie dowolnego standardowego odbiornika w stację monitorowania migotania to przełomowe osiągnięcie, które zmienia nasze dotychczasowe rozumienie scyntylacji”, twierdzi Rovira García. Pomiar wpływu zaburzeń w jonosferze na sygnał GNSS to nie lada wyzwanie. W ramach projektu NAVSCIN udało się jednak wykazać, że po naprawie lub złagodzeniu skutków scyntylacji dokładność oznaczania położenia i pomiaru czasu zwiększa się skokowo. Wyniki projektu zostały udostępnione w jedenastu artykułach opublikowanych w recenzowanych czasopismach, a także zaprezentowane na pięciu międzynarodowych konferencjach. „Nasze badania stanowią ważny krok na drodze do udoskonalenia pracy ponad ośmiu miliardów urządzeń korzystających z GNSS i używanych obecnie na całym świecie”, z dumą dodaje Rovira García.
Słowa kluczowe
NAVSCIN, GNSS, scyntylacje, odbiornik, jonosfera, przeskoki fazy, sygnał
