Anomalías espacio-temporales de la ionosfera y su repercusión en las comunicaciones satelitales
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Magdaleno Torras, Sergio
2015-A
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Introducción
Una de las principales fuentes de error en el posicionamiento GNSS es la ionosfera.
Esta capa de la atmósfera presenta un comportamiento dinámico que unido a las
anomalías espaciales y temporales que en ella se generan, conduce a la necesidad de
desarrollar nuevas técnicas para su modelización. En este sentido, la comunidad
científica ha creado modelos globales de ionosfera (e.g., el modelo Internacional de
Referencia Ionosférica, IRI, o el modelo NeQuick) que proporcionan el comportamiento
dinámico de la ionosfera. Sin embargo, estos modelos presentan limitaciones al
intentar reproducir ciertas anomalías.
Este trabajo se centra en alcanzar los siguientes objetivos generales:
• Revisar y analizar las anomalías ionosféricas que más afectan a los
sistemas GNSS.
• Proporcionar un mayor conocimiento del impacto de estas anomalías.
Se han identificado la anomalía ecuatorial, el incremento pre-inversión y las
burbujas de plasma ecuatorial como las anomalías ionosféricas que más impactan en
la señal GNSS. Para estudiar dichas anomalías, se han analizado tres características
ionosféricas más importantes para el desarrollo de los modelos ionosféricos y
relacionadas con estas anomalías.
• la altura a la que se localiza la máxima densidad electrónica, hmF2
• la altura de escala equivalente, m H
• y los descensos producidos en el contenido total de electrones, TEC
Objetivos
En este trabajo se ha dividido en dos estudios. El primero se centra en las
características ionosféricas hmF2 y m H , donde se han fijado los siguientes objetivos:
1. Evaluar las limitaciones de las predicciones de hmF2 del IRI.
2. Caracterizar el comportamiento de hmF2 y m H .
3. Proporcionar dos modelos globales de predicción de hmF2 y m H para
todos los rangos de latitud.
El segundo estudio se centra en el análisis de las burbujas ionosféricas
utilizando observaciones del contenido total de electrones. Para este estudio se han
definido los siguientes objetivos:
1. Proporcionar una nueva técnica para detectar y caracterizar las burbujas
ionosféricas a partir de datos GNSS.
2. Proporcionar una caracterización global de las burbujas ionosféricas.
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Datos y metodología
1. Modelos hmF2 y Hm
El primer estudio ha sido evaluar el comportamiento de hmF2 en condiciones
tranquilas y para diferentes niveles de actividad solar del ciclo 23 y analizar la bondad
del modelado del actual IRI en relación con el comportamiento de hmF2 observado
experimentalmente así como proponer un modelo global para hmF2 y m H . Para ello se
ha utilizado:
1. datos de hmF2 obtenidos directamente de los perfiles de densidad electrónica
(Huang and Reinisch, 1996a; Reinisch et al., 2004).
2. la técnica del perfil promedio (Huang and Reinisch, 1996a, 1996b) que
proporciona el comportamiento tranquilo de la parte inferior de la ionosfera en
lugar del comportamiento promedio de una única característica.
Los datos seleccionados cubren las diferentes estaciones del año y los diferentes
niveles de actividad solar. Por otro lado, se han obtenido los valores que proporciona el
modelo IRI (Bilitza y Reinisch, 2008) para las estaciones y el periodo analizado. Estos
valores se han comparado con los valores obtenidos experimentalmente para evaluar
la bondad de las predicciones del IRI. Para ello se ha calculado el porcentaje de la
desviación de los valores estimado en relación con los valores experimentales.
Primero, se ha desarrollado un modelo empírico de hmF2 en función del tiempo
y de la actividad solar para tres estaciones localizadas a distintos rangos de latitud.
Estos modelos locales han sido comparados con las predicciones proporcionadas por
el IRI. A partir de estos resultados, se ha desarrollado un modelo global de hmF2 y
m H para condiciones tranquilas.
Por último, se ha utilizado el error cuadrático medio para evaluar la bondad del
ajuste de los modelos de hmF2 y m H y la mejora que proporciona el modelo de hmF2
respecto al modelo IRI.
2. Burbujas ionosféricas
Se ha diseñado una técnica que, a partir de los arcos de TEC calculados en una
estación, indica si alguna de las líneas de vista ha atravesado una EPB y proporciona
información sobre el descenso de TEC debido al efecto de la EPB, la hora de inicio y
final y la profundidad máxima de este descenso frente al valor esperado. Dicho valor
esperado es simulado como una regresión lineal entre los valores de TEC al comienzo
y al final de la burbuja. Esta técnica se basa en el análisis de las variaciones de la
pendiente y la varianza de los valores del sTEC. Esta técnica ha sido implementada en
la aplicación Java Ionospheric Bubble Seeker (IBS) la cual permite, de forma sencilla,
la configuración de los parámetros de detección (e.g., ángulo de elevación y tiempo de
muestreo de los datos) así como el análisis masivo de datos, y proporciona resultados
gráficos de cada análisis de detección y estadísticas globales del análisis por estación.
Primero, se ha utilizado esta aplicación para analizar y caracterizar las burbujas
ionosféricas en la zona Sudamericana. Para ello, se han seleccionado observaciones
GNSS en formato RINEX procedentes de 15 estaciones IGS. Se ha utilizado la técnica
desarrollada por Brunini and Azpilicueta (2009) para estimar los valores de sTEC a
partir de las observaciones. Los datos han sido seleccionados para estudiar las
burbujas ionosféricas en condiciones de alta (años 2000 y 2001), media (años 2005 y
2006) y baja (año 2008) actividad solar. También se han calculado las predicciones del
IRI para las densidades electrónicas máximas de las capas E y F, NmE y NmF2 , y la
deriva vertical de la zona ecuatorial para todo el periodo de estudio.
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Se ha realizado un segundo estudio utilizando la misma aplicación para realizar
un análisis global del comportamiento de las burbujas ionosféricas. Para este estudio
se han seleccionado datos procedentes de 17 estaciones IGS distribuidas entre -21º y
+33º de latitud magnética y -156º y +147º de longitud geográfica. En este estudio se
han utilizados datos medidos durante los años 2000 y 2001 correspondientes a alta
actividad solar.
Resultados
1. Modelos hmF2 y Hm
El análisis de las predicciones de hmF2 del IRI ha mostrado que éste representa
bastante bien la variación diaria, estacional y con la actividad solar de hmF2 . Se ha
obtenido que, para latitudes medias, las predicciones del IRI presentan una deviación
del 10% la mayoría del tiempo. Sin embargo, para altas y bajas latitudes, el IRI
presenta desviaciones de hasta el 40%. Estas desviaciones en altas latitudes son
debidas a que el IRI es un modelo para latitudes no aurorales. Por otro lado, las
discrepancias encontradas en bajas latitudes se han observado durante el fuerte
aumento de hmF2 antes de la salida y después de la puesta de Sol.
Para el análisis de hmF2 , se generaron tres modelos locales basados en un
análisis de Fourier de hmF2 para tres estaciones localizadas en cada uno de los
rangos de latitud analizados previamente con el IRI. El modelo para las latitudes
medias no presenta una mejora significativa con respecto al IRI. Sin embargo, los
modelos para altas y bajas latitudes reproducen las pequeñas estructuras mejor que
el IRI. La comparación del error cuadrático medio, RMSE, del IRI y los modelos
generados para cada año y para todo el periodo estudiado ha mostrado que los
modelos empíricos ajustan mejor a los datos experimentales de hmF2 que el modelo
IRI.
La generación de los modelos globales de hmF2 y m H se ha basado en el análisis
de armónicos esféricos. Este modelo reproduce las variaciones diurnas y estacionales
de hmF2 mediante funciones de Fourier dependientes de la actividad solar,
caracterizada por el número de manchas solares promedio anual, Rz12 . Para ello se
ha utilizado una técnica de análisis de armónicos esféricos:
/ ( ) (cos ) { ( )cos( ) ( )sin( )}
N n
m m m
n n n
n 0m 0
hmF2 Hm t P θ g t mλ h t mλ
= =
=ΣΣ × +
donde θ y λ corresponden a la colatitud y la longitud, respectivamente, t es el
tiempo, mn
P son los polinomios de Legendre de grado n y orden m , y ( ) m
n g t y ( ) m
n h t
son los coeficientes de Gauss.
La comparación entre las estimaciones del modelo global de hmF2 propuesto y
el IRI con las observaciones experimentales ha mostrado que el modelo propuesto
mejora las estimaciones del IRI en un 10%. Sin embargo, la comparación por latitudes
ha revelado que el modelo de armónicos esféricos presenta una mejora, en promedio,
del 10%, en altas latitudes y del 25% para bajas latitudes.
El modelo global de m H se ha evaluado mediante el RMSE, mostrando una
desviación del 10-15% respecto a las medidas observadas. Estas prestaciones del
modelo de m H son muy razonables para su potencial uso por parte de la comunidad
científica.
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2. Burbujas ionosféricas
El análisis de las burbujas ionosféricas en la región de Suramérica ha corroborado
que éstas presentan un máximo de ocurrencia después de la puesta del Sol. Además,
se ha analizado el comportamiento mensual mostrando un máximo de ocurrencia en
los equinoccios, una ocurrencia moderada entre los meses de Octubre a Febrero y una
baja ocurrencia entre los meses de Mayo y Agosto. El análisis del comportamiento de
la dependencia de las burbujas con el flujo solar, F10.7, ha mostrado un incremento
del número de burbujas al crecer el flujo solar. Este comportamiento se ha comparado
con los resultados obtenidos en estudios previos que habían utilizado técnicas
diferentes. La comparación señala un comportamiento similar (Burke et al. 2004;
Gentile el at., 2006a, 2006b; Stolle et al., 2006; Nishioka et al., 2008).
El análisis entre la deriva vertical y la formación de las burbujas ionosféricas
muestra una gran correlación, observándose que el aumento de la deriva vertical del
TEC produce una mayor probabilidad de la formación de la inestabilidad de Rayleigh-
Taylor, uno de los participantes de la producción de burbujas. De igual modo, el
aumento del ratio NmF2 / NmE , incrementa la probabilidad de formación de las
burbujas. Este análisis también muestra una correlación entre el ratio NmF2 / NmE y
el tamaño de la burbuja y la duración del descenso del TEC.
En el análisis global de las burbujas ionosféricas se han realizado tres estudios
diferentes.
El primero de ellos ha sido analizar el comportamiento latitudinal de las
burbujas. Para ello se han seleccionado datos procedentes de estaciones situadas en
un mismo rango de longitud y diferentes latitudes. Este análisis ha mostrado que la
formación de burbujas presenta un comportamiento gaussiano con el máximo en el
ecuador magnético y una sigma de 9.5º.
El segundo estudio ha analizado el comportamiento de las burbujas ionosféricas
con la longitud y se ha comparado con los resultados obtenidos en otros estudios
utilizando diferentes técnicas. En este análisis se ha evaluado la ocurrencia de las
burbujas y se ha puesto de relieve un mayor número de sucesos en los sectores
Americano y Atlántico.
El último estudio ha analizado la variación estacional de las burbujas en
diferentes rangos de longitud. Este análisis ha mostrado que el comportamiento
estacional de las EPBs presenta un comportamiento diferente según la longitud. De
esta forma se ha observado que todos los sectores presentan una máxima ocurrencia
de EPBs durante los equinoccios, sin embargo, según el rango de longitud, es posible
encontrar EPBs durante los meses de Noviembre a Febrero, (sectores americano y
atlántico), o durante todo el año (sector africano). Estos resultados están en línea con
los obtenidos en otros estudios (Burke et al., 2004; Gentile et al., 2006a and 2006b)
con datos in-situ medidos con DMSP y ROCSAT-1.
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Conclusiones
A continuación se resumen las conclusiones que se han extraído de cada uno de los
estudios realizados.
Primero, se presentan las conclusiones extraídas del estudio de hmF2 y m H :
• Las predicciones del IRI se desvían un 10% respecto a los datos observado
en latitudes medias. Estas discrepancias llegan al 40% para altas y bajas
latitudes debido a:
o IRI no es un modelo auroral
o A bajas latitudes el IRI no representa el incremento de hmF2 en el
amanecer y el atardecer.
• Se ha generado un modelo local basado en un análisis de Fourier el cual:
o en altas y bajas latitudes reproduce los incrementos de hmF2 mejor
que el IRI
o en latitudes medias presenta una pequeña mejora respecto al IRI.
• Se ha generado dos modelos globales para hmF2 y m H basado en una
técnica de armónicos esféricos, donde los coeficientes de Gauss son
función del tiempo y de la actividad solar Rz12.
• El modelo empírico de hmF2 mejora las predicciones del IRI un 25% para
bajas latitudes y un 10% para altas latitudes. La mejoría global respecto a
las predicciones del IRI es del 10%
• El modelo empírico de m H se desvía un 10-15% respecto a las
observaciones experimentales.
Por último, las conclusiones que se han extraído para el estudio de las burbujas
ecuatoriales son:
• Se ha desarrollado una técnica de post-procesado para detectar y
caracterizar las burbujas a partir de datos GNSS y se ha implementado en
una aplicación Java.
• Esta aplicación proporciona: el número de burbujas detectadas, sus
principales características (profundidad y duración) y resultados
estadísticos (distribución diurna y estacional, etc.).
• El análisis espacial ha mostrado que el número de burbujas es mayor
cerca del ecuador magnético.
• El análisis temporal ha señalado que las burbujas se encuentran de 19:00
a 2:00. Además, se han detectado comportamientos estacionales diferentes
dependiendo de la longitud.