Construindo redundância e resiliência contra cintilação

Os sinais GNSS são transmitidos por satélites e viajam milhares de quilômetros através da atmosfera da Terra para chegar ao equipamento do usuário. Enquanto viajam, esses sinais podem ser afetados pela atividade ionosférica, ou cintilação, e causar erros de posicionamento ou falha total dos sistemas de posicionamento. Como os agricultores podem construir o seu sistema de forma a resistirem a essa interferência e continuarem a funcionar?

Abaixo explicaremos o que é a ionosfera, como ela afeta os sinais GNSS e o que os usuários podem fazer para fortalecer os seus sistemas contra erros de posicionamento causados pela cintilação.  

Como a ionosfera impacta o GNSS

A ionosfera é uma camada da atmosfera encontrada entre 50 a 1.000 quilômetros acima da superfície da Terra. Existem altas concentrações de íons e elétrons livres nessa camada que reagem à radiação solar.

Quando há períodos de alta atividade solar, como numa explosão solar, a densidade da ionosfera muda e flutua temporariamente. Essas flutuações podem ocorrer em uma região ampla ou em uma área pequena de 100 quilômetros. Mudanças na densidade da ionosfera como essas atrasam os sinais GNSS, de modo que demoram mais para chegar ao equipamento do usuário ou podem sobrecarregar completamente os sinais de forma que não possam mais ser utilizáveis.

Mudanças na densidade da ionosfera, chamadas cintilação, são imprevisíveis. A cintilação pode ocorrer em todo o mundo, mas é frequentemente concentrada ao longo do equador geomagnético em áreas como a América do Sul e Sudeste Asiático, ou em altas latitudes.

A cintilação pode ocorrer diariamente, frequentemente à noite, e também aumenta durante os equinócios de primavera e outono. Estas mudanças também estão ligadas aos próprios ciclos do Sol que ocorrem a cada 11 anos – à medida que entramos no ciclo solar 25, vemos um aumento da atividade solar que resulta numa cintilação mais forte e mais frequente. Independentemente da causa, os usuários mundiais de GNSS relatam desafios crescentes de posicionamento resultantes da cintilação ionosférica.  

Como pode ser a cintilação

Os sinais de satélite viajam através da ionosfera até antenas na Terra. Quando a cintilação está presente, os receptores GNSS podem ter recepção intermitente de sinais, perda de precisão resultando em saltos de posição e indisponibilidade geral de posicionamento.

Quando as operações dependem do posicionamento GNSS, a cintilação pode resultar em atrasos significativos no trabalho, riscos significativos e tempo de inatividade.

Para operações que devem continuar 24 horas por dia, 7 dias por semana, 365 dias por ano, ou operar em períodos em que a cintilação é mais frequente, os efeitos de interferência podem causar grandes erros de posicionamento, como os vistos no gráfico acima.  

Impactos da cintilação na agricultura

As aplicações de agricultura de precisão dependem do posicionamento GNSS para maximizar rendimentos, recursos e insumos. Os insumos específicos das culturas, como sementes, fertilizantes ou produtos agroquímicos, podem ser colocados em locais específicos para eficiência ideal e um menor impacto ambiental. Quando o GNSS é interrompido por cintilação – um evento frequente em fazendas no Brasil, por exemplo – as operações são interrompidas aguardando a retomada de alta precisão e posicionamento confiável, causando tempos de inatividade dispendiosos e uso ineficiente de recursos. Num setor que é sazonal e tem janelas de tempo muito limitadas para cada parte do ciclo de vida agrícola, isso pode ser altamente prejudicial. Como resultado, as operações agrícolas em regiões com elevada cintilação tendem a utilizar uma solução PPP, uma vez que normalmente tem um desempenho melhor do que o RTK durante a cintilação, como pode ser visto no gráfico acima. 

Diminuindo o impacto da cintilação e da ionosfera

Embora existam diferentes métodos para reduzir o impacto dos erros ionosféricos, aproveitar uma combinação de diferentes soluções cria o sistema mais redundante.

• Correções de posicionamento de pontos precisos: As correções PPP (como TerraStar-C PRO) estão disponíveis globalmente e não requerem infraestrutura de estação base local. Em vez disso, as correções de satélite são geradas a partir de uma rede de estações de referência globais e transmitidas ao receptor móvel do usuário através de satélites geoestacionários ou da Internet, sendo que o receptor utiliza medições multifrequenciais para observar e remover diretamente erros ionosféricos. 
  
  É por isso que o PPP tende a ter um desempenho melhor que o RTK durante a cintilação, como o desempenho visto no gráfico anterior. O RTK baseia-se em suposições de erros identificados na área entre o receptor do rover e as estações base, e essas suposições tornam-se não confiáveis para a cintilação. O PPP requer “tempo de convergência” para estabelecer conexões de rede e aplicar correções à solução de posicionamento, mas novos avanços estão reduzindo o tempo de convergência e ao mesmo tempo fornecendo precisão no nível RTK. 
• Sinais e frequências adicionais: Quando você usa tecnologias de posicionamento compatíveis com múltiplas constelações e múltiplas frequências de sinal, seu sistema se torna compatível com todos os sinais possíveis disponíveis. Com mais sinais, o seu sistema é capaz de identificar se e quando a cintilação está ocorrendo e fica fortalecido contra a intensa atividade ionosférica.  
• Programação alternativa: Embora as tempestades solares nem sempre sejam previsíveis, as ocorrências regulares de cintilação são. Ela pode ocorrer à noite e aumenta durante os equinócios de primavera e outono. Planejar as operações com antecedência para evitar tempos de alta cintilação é um método para diminuir os impactos da atividade ionosférica. Veja a ferramenta de previsão para ajudar no planejamento.

À medida que a ionosfera se torna mais ativa no ciclo solar 25, é vital compreender esses efeitos para mitigar o impacto nas aplicações e nos usuários finais. Existem muitos recursos disponíveis para aprender sobre cintilação, outros efeitos que causam erros de posicionamento e como construir resiliência do sistema contra eles. 

Continue aprendendo sobre o clima espacial e seu impacto no GNSS neste webinar da divisão de Autonomy and Positioning da Hexagon e Inside GNSS.