El pasado 8 de abril del presente año, fuimos testigos de un evento astronómico extraordinario: un eclipse solar total. Desde la primaria, nuestro primer acercamiento a los eclipses solares fue probablemente a partir de la lectura del cuento “El día que amaneció dos veces” del libro de español en segundo año. Entonces, a partir de nuestra niñez, los profesores nos enseñaron que un eclipse solar es cuando la Luna tapa al Sol, lo que genera una sombra sobre la superficie terrestre, creando la noche durante el día. Las estrellas y algunos planetas son visibles por algunos minutos. Adelantándonos hasta el día del eclipse, cuando la Luna cubrió por completo el disco solar fue espectacular y logramos observar la capa más externa del Sol denominada corona. Los habitantes de Mazatlán, Sinaloa, México fueron los primeros observadores en ver el eclipse, y posteriormente la trayectoria de la sombra se deslizó hacia el Norte del continente americano para finalizar frente a las costas de Canadá. En la Figura 1 se observa la trayectoria del eclipse.
Un eclipse solar total es un acontecimiento astronómico poco frecuente y sirve como un experimento natural para explorar los efectos de los cambios transitorios en la radiación solar sobre nuestro planeta. Desde hace décadas, la comunidad científica ha estudiado el impacto de los eclipses solares en la ionosfera. Es importante mencionar que la ionosfera es una capa de la atmósfera y se extiende desde los 50 km de altura hasta más de 1000 km sobre la superficie terrestre (Hofmann-Wellenhof et al., 2012). Esta capa fue descubierta a principios del siglo XX, lo que derivó a una serie de aplicaciones tecnológicas relacionadas a la transmisión de señales y las radiocomunicaciones. La ionosfera está compuesta de partículas cargadas (iones y electrones) que se mueven libremente y es generada principalmente por la incidencia de la radiación solar (rayos ultravioleta extremos (UVE), rayos X). Por lo cual, esta capa es susceptible a cambios originados por las variaciones de la radiación solar. Entonces, existe una variación ionosférica inducida por los eclipses solares en dependencia latitudinal, es decir, el efecto de un eclipse solar en la ionosfera puede exhibir una variación en función de latitudes medias a altas o en latitudes ecuatoriales a bajas (Aa et al., 2024).
Entonces para qué nos sirve conocer la variación de la ionosfera durante los eclipses solares en el posicionamiento GNSS?. De mucho, recordemos que el principio del posicionamiento GNSS es la transmisión y recepción de señales electromagnéticas. El satélite GNSS transmite una señal que viaja a través de la atmósfera y es recibida por una antena comúnmente localizada en la superficie terrestre. Cuando la señal GNSS viaja a través de la atmósfera es alterada por la interacción con la troposfera y la ionosfera. Nos enfocaremos en la ionosfera. Debido a la naturaleza dispersiva de las cargas de la ionosfera, las señales se refractan o difractan, lo que afecta la velocidad, longitud de onda y dirección de las señales, causando errores de aproximadamente 30 metros en el posicionamiento (Teunissen y Montenbruck, 2017). La magnitud del retraso de la señal está en función del índice de refracción de la ionosfera en el camino de la señal y el índice de refracción está en función de la frecuencia de la señal y del contenido total de electrones (TEC, por sus siglas en inglés) en la trayectoria de la señal. Por lo tanto, la actividad ionosférica afecta negativamente al rendimiento de los receptores GNSS. El posicionamiento cinemático en tiempo real (RTK, por sus siglas en inglés) es el método con mayor afectación, principalmente cuando son sistemas de base-rover de una frecuencia, causando pérdidas en el seguimiento de la señal y un tiempo tardado en resolver ambigüedades fijas.
En aplicaciones de frecuencia única, los errores del rango ionosférico se pueden estimar hasta cierto punto utilizando valores de modelado, datos de monitoreo del TEC externo o la divergencia código-portadora. Para reducir completamente el error ionosférico en aplicaciones de alta precisión, se deben realizar mediciones de doble frecuencia. El error ionosférico de primer orden que corresponde al 99.9% del error se mitiga mediante una combinación lineal de mediciones de fase en ambas frecuencias. Aunque la mayoría de software de procesamiento de datos GNSS eliminan el primer orden, algunos términos de orden superior, permanecen en el error, aunque el error de segundo orden corresponde al 0.1% del error total, este debe considerarse en aplicaciones de alta precisión. El software PRIDE-PPPAR permite mitigar el error ionosférico de segundo orden.
Los eclipses solares reducen ligeramente el TEC y debemos recordar que esta reducción estará en función de la latitud donde ocurra el eclipse. Entonces, para analizar el efecto del eclipse solar sobre el posicionamiento GNSS, seleccionamos dos tipos de receptores GNSS: de grado geodésico y de bajo costo. En la Figura 2 y 3 se observan los dos tipos de receptores GNSS. El receptor de grado geodésico corresponde a la estación perteneciente a la Red Geodésica Nacional Activa (RGNA) del INEGI, es decir, la estación IDGO localizada en la ciudad de Durango. El receptor de bajo costo ZED-F9P conectado a la antena ANN-MB-00 (también de bajo costo). Este modelo de receptor de bajo costo de la empresa u-blox tiene la capacidad de registrar observaciones de doble frecuencia (L1 y L2) para las constelaciones GPS, GLONASS, Galileo y BeiDou. Sin embargo, debido a que el ZED-F9P no es compatible con la banda L2 de GPS del bloque IIR (6 satélites) y la señal B3I del bloque BDS-3 y solamente los satélites de órbita MEO pertenecientes al bloque BDS-2 transmiten B1I y B2I (3 satélites de BeiDou compatibles con señales de doble frecuencia), hacen que el receptor ZED-F9P sea susceptible a posibles interferencias o pérdidas en el seguimiento de la señal, y también un caso de estudio interesante para evaluar el rendimiento de este modelo durante eclipses solares totales. Para el caso del receptor de grado geodésico, este es compatible con las señales L1, L2 y L5 de GPS, L1, L2 y L3 de GLONASS, E1, E5a, E5b y E6 de Galileo, y B1I, B2I y B3I de BeiDou, entre otras. Ambos receptores GNSS estuvieron instrumentados sobre la umbra del eclipse, es decir, donde se formó la sombra de la luna y correspondía al 100% del ocultamiento del Sol. En esta zona (umbra) es donde se redujo la radiación solar (más que en la penumbra) y, por lo tanto, el TEC de la ionosfera presentó una disminución aproximada del 15% con respecto a un día anterior al eclipse. En la Figura 4 se ilustra el comportamiento del TEC durante el inicio y fin del eclipse. La línea color rojo corresponde al TEC del 7 de abril, y la de color verde durante el eclipse. Tal como lo esperaba, los valores del TEC disminuyeron durante el inicio del eclipse, llegando a un mínimo unos minutos después de la totalidad del eclipse. Si los lectores desean conocer más acerca de los eclipses solares y su impacto en la ionosfera, los invito a leer Aa et al. (2020, 2021, 2022, 2023, 2024a, 2024b) y Coster et al. (2017, 2024).
Ahora vayámonos a la evaluación del posicionamiento GNSS. Para esto, se procesaron las observaciones GNSS de 24 hrs correspondientes a tres días consecutivos de los receptores, tanto para el geodésico como el de bajo costo. Los tres días consecutivos corresponden a: un día antes del eclipse, el día del eclipse, un día después del eclipse. En la Figura 5 y 6 se ilustra el comportamiento de las coordenadas topocéntricas en las tres componentes para los días evaluados correspondiente a los receptores de grado geodésico y de bajo costo, respectivamente.
En las series de tiempo de las componentes Este y Norte del día 8 de abril se observa un pequeño salto al inicio y termino del eclipse, y en los otros días no. Lo que significa, que el efecto es debido a las alteraciones de la ionosfera durante el eclipse. Sin embargo, parece que la componente vertical no tiene un efecto o por lo menos no es notable en este análisis. Y calculando el error medio cuadrático a partir de las coordenadas de referencia para cada día podemos observar que no existe una alteración significativa en el posicionamiento GNSS durante el eclipse. Es decir, hay una diferencia de 4 mm que posiblemente fue ocasionada por los efectos del eclipse en las observaciones registradas por un receptor GNSS de grado geodésico. Por otro lado, en la Figura 6 se ilustran los 3 días estudiados correspondientes a las mediciones del receptor GNSS de bajo costo. Para este caso, es interesante entender que el ZED-F9P para algunos satélites solamente registra una frecuencia, además, la antena ANN-MB-00 no tiene parámetros de calibración. Entonces, se esperaba que existiera un mayor efecto del eclipse sobre este receptor. Para mi sorpresa, NO FUE ASÍ. Para el receptor de bajo costo únicamente la componente vertical fue la que mostró una ligera tendencia positiva de aproximadamente 2 cm y esto fue debido posiblemente a la falta de los parámetros de calibración de la antena durante el procesamiento de las observables GNSS. Los ligeros efectos en la componente vertical se localizan al inicio y termino del eclipse (ver líneas verticales de color rojo). Para este caso, las series de tiempo de los tres días presentaron un mayor nivel de ruido en referencia a las mostradas por el receptor de grado geodésico. Además, los errores medios cuadráticos 2D y 3D no presentaron una diferencia significativa con respecto al día anterior y posterior al eclipse. Entonces, los posibles efectos en la componente horizontal fueron absorbidos por el nivel de ruido de las series de tiempo y únicamente la componente vertical fue más susceptible a los efectos del eclipse sobre las observaciones GNSS.
El posicionamiento cinemático en tiempo real (RTK) es el más afectado durante los cambios bruscos en la ionosfera y no lo recomiendo aplicar, y aún menos cuando las observaciones GNSS de la estación de referencia y el rover son de una sola frecuencia. Además, el posicionamiento relativo no lo recomiendo debido a que los efectos del retraso de la señal en las mediciones de la estación base afecta también al posicionamiento final del rover. Recomiendo utilizar durante el procesamiento GNSS relativo archivos IONEX y DCB que contienen mapas del contenido total de electrones verticales de la ionosfera y valores de polarización de código diferencial de los satélites GNSS derivados de observaciones GNSS de doble frecuencia, respectivamente, o utilizar modelos globales de la ionosfera, como NeQuick, EGNOS y Klobuchar, sin embargo, este último no lo recomiendo cuando la actividad solar es alta. La mejor estrategia para eliminar los errores de los efectos ionosféricos sobre nuestras mediciones GNSS es a través de mediciones de doble frecuencia y aplicando la combinación lineal de preferencia de fase. Así que, para el próximo eclipse solar total del 30 de marzo de 2052, ya sabrás que hacer con tus mediciones GNSS, y si utilizas receptores de bajo costo, no te preocupes, tu precisión no se verá afectada más allá de los 5 cm.
Referencias visitadas:
Aa, E., Zhang, S. R., Erickson, P. J., Goncharenko, L. P., Coster, A. J., Jonah, O. F., … & Liu, L. (2020). Coordinated ground‐based and space‐borne observations of ionospheric response to the annular solar eclipse on 26 December 2019. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 125(11), e2020JA028296. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2020JA028296
Aa, E., Zhang, S. R., Shen, H., Liu, S., & Li, J. (2021). Local and conjugate ionospheric total electron content variation during the 21 June 2020 solar eclipse. Advances in Space Research, 68(8), 3435-3454. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0273117721004701
Aa, E., Zhang, S. R., Erickson, P. J., Wang, W., Coster, A. J., & Rideout, W. (2022). 3‐D regional ionosphere imaging and SED reconstruction with a new TEC‐based ionospheric data assimilation system (TIDAS). Space Weather, 20(4), e2022SW003055. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2022SW003055
Aa, E., Zhang, S. R., Erickson, P. J., Wang, W., & Coster, A. J. (2023). 3-D ionospheric electron density variations during the 2017 great American solar eclipse: A revisit. Atmosphere, 14(9), 1379. https://www.mdpi.com/2073-4433/14/9/1379
Aa, E., Zhang, S. R., Erickson, P. J., Wang, W., Coster, A. J., & Rideout, W. (2024a). 3‐D Ionospheric Imaging Over the South American Region With a New TEC‐Based Ionospheric Data Assimilation System (TIDAS‐SA). Space Weather, 22(2), e2023SW003792. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023SW003792
Aa, E., Coster, A. J., Zhang, S. R., Vierinen, J., Erickson, P. J., Goncharenko, L. P., & Rideout, W. (2024b). 2‐D total electron content and 3‐D ionospheric electron density variations during the 14 October 2023 annular solar eclipse. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 129(3), e2024JA032447. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2024JA032447
Coster, A. J., Goncharenko, L., Zhang, S. R., Erickson, P. J., Rideout, W., & Vierinen, J. (2017). GNSS observations of ionospheric variations during the 21 August 2017 solar eclipse. Geophysical Research Letters, 44(24), 12-041. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/2017GL075774
Coster, A., Aponte, N., SooHoo, J., Zhang, S. R., Goncharenko, L., Erickson, P., … & Huba, J. (2024, April). GNSS Observations of the 14 October 2023 Annular Solar Eclipse and the 8 April 2024 Total Solar Eclipse. In Proceedings of the ION 2024 Pacific PNT Meeting (pp. 36-45). https://www.ion.org/publications/abstract.cfm?articleID=19608
Hofmann-Wellenhof, B., Lichtenegger, H., & Collins, J. (2012). Global positioning system: theory and practice. Springer Science & Business Media. https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-7091-6199-9
Teunissen, P. J., & Montenbruck, O. (Eds.). (2017). Springer handbook of global navigation satellite systems (Vol. 10, pp. 978-3). Cham, Switzerland: Springer International Publishing. https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-319-42928-1
Hola René,
Muy interesante investigación. No cabe duda que monitorear la ionosfera es importante para todas las áreas que utilizan instrumentos que funcionan con ondas, tales como los satélites artificiales como los receptores y antenas GNSS.
Me pregunto si hay trabajos en el que se esté investigando qué tanto afecta a la mediciones de posicionamiento la intensa actividad solar que ha habido últimamente, por ejemplo la gran tormenta geomagnética que ocurrió hace algunas semanas que provocó que se observaran auroras a latitudes muy bajas. Estaría interesante saberlo.
Saludos y felicidades por tu blog
Ulises Reyes
Hola Ulises, muchas gracias por tu comentario.
Y si, hay una cantidad enorme de publicaciones donde evalúan el efecto de las tormentas solares en el posicionamiento GNSS, desde metros hasta centímetros en error, pero esto está en función de la latitud, la intensidad de la tormenta y el método de procesamiento, entre otros factores. Por ahora, no he visto ningún estudio sobre la tormenta del 10 de mayo y su efecto en los GNSS, pero estoy seguro de que próximamente sacaran alguno.
Saludos
Hola René, qué interesante investigación. Como siempre, mostrando temas y resultados muy interesantes.
Saludos
Hola Juan Luis
Muchas gracias por tu comentario.
Saludos