95 Spremljanje ionosferskih motenj nad Slovenijo s pomoč jo omrežja stalnih GNSS-postaj SIGNAL Sandi Berk * , Katja Bajec * in Dalibor Radovan * Povzetek V prispevku je predstavljeno spremljanje ionosferskih motenj nad ozemljem Slovenije, ki so predvsem posledica poveč ane Sonč eve aktivnosti ob približevanju vrhu 24. Sonč evega cikla. Uporabljeni so podatki omrežja stalnih GNSS-postaj SIGNAL. Obravnavani so vplivi ionosferskih motenj na določ anje položaja z GNSS in nač ini spremljanja le-teh s pomoč jo samih GNSS in spremljajoč e infrastrukture. Kot kazalnik ionosferskih motenj je uporabljen ionosferski indeks I95, ki temelji na modeliranju popravkov položaja, določ enega z GNSS. Namen analize je bil oceniti stopnjo ogroženosti lokacijskih storitev na območ ju Slovenije v obdobjih poveč ane Sonč eve aktivnosti Ključ ne besede: GNSS, indeks I95, ionosfera, lokacijska storitev, Sonč eve pege Key words: GNSS, I95 index, ionosphere, location-based service, sunspots Uvod Približuje se vrh 24. Sonč evega cikla – cikla, ki se ponovi vsakih enajst let. Za študije vplivov poveč ane Sonč eve aktivnosti na lokacijske storitve, ki temeljijo na satelitski tehnologiji, je to idealno obdobje. Poveč ana Sonč eva aktivnost se med drugim kaže v poveč anju števila in velikosti Sonč evih peg. Spremljajoč e dogodke lahko razdelimo v Sonč eve blišč e (angl. solar flare), Sonč eve radijske izbruhe (angl. solar radio burst), koronarne masne izbruhe (angl. coronal mass ejection), protonske nevihte (angl. proton storm) in Sonč ev veter (angl. solar wind). Uč inki teh dogodkov na Zemljo so različ ni – verjetnost, da se nek pojav širi ravno v njeni smeri je namreč relativno majhna (Štern in Bešter, 2012). Ena izmed posledic poveč ane Sonč eve aktivnosti na Zemlji je pojav magnetnih neviht (Č op in sod., 2008). Globalni navigacijski satelitski sistemi (v nadaljevanju: GNSS) – osnova za množico lokacijskih storitev – temeljijo na radijskih signalih, ki jih sateliti pošiljajo sprejemnikom na Zemlji. Vplivi poveč ane Sonč eve aktivnosti na kakovost lokacijskih storitev se odražajo predvsem kot (Skone, 2001): • motnje v ionosferi, ki so posledica magnetnih neviht in ki vplivajo na širjenje GNSS- signalov (tj. na njihovo hitrost in pot), ter • motnje zaradi radijskih izbruhov in njihovih vplivov na kakovost GNSS-signalov v obliki razmerja signal/šum (angl. signal-to-noise ratio – SNR). Motnje v ionosferi otežujejo njeno kakovostno modeliranje, kar se odraža predvsem v slabši natanč nosti in zanesljivosti določ anja položaja, poveč ani šum pa povzroč a slabši sprejem signalov in prav tako tako zmanjšuje zanesljivost lokacijskih storitev ali celo onemogoč a njihovo delovanje. Medtem ko so motnje zaradi radijskih izbruhov č asovno usklajene z dogodki na Soncu (z zamikom 8,3 minute), nastopijo motnje v ionosferi z zamiki, ki so odvisni od tipa dogodka na Soncu: od 15 minut do 6 ur za protonske nevihte, * Geodetski inštitut Slovenije, Jamova cesta 2, 1000 Ljubljana 96 pa tudi 3 do 4 dni za koronarne masne izbruhe in Sonč ev veter (Štern in Bešter, 2012). Dogodki različ nih tipov so več krat tudi soč asni, njihovi vplivi na Zemlji pa torej zaznani z različ nimi zakasnitvami. RTK-storitve temeljijo na tehnologiji, ki odpravi več ji del napak zaradi motenj v ionosferi, in sicer z njenim kakovostnim modeliranjem nad območ jem, na katerem se nahaja uporabnik storitev. Vendar pa lahko ionosferske motnje povzroč ijo težave pri navezavi na posamezno referenč no postajo, kot tudi pri omrežnih storitvah (Wanninger, 2004). Še več ja težava pa so ionosferske motnje – posebej nenadne – za enofrekvenč ne kodne GNSS-sprejemnike, kjer modeliranje ionosfere temelji na parametrih iz naviga- cijskega sporoč ila (npr. za Klobucharjev model). Ocenjeno je, da lahko s takim modelom odpravimo zgolj med 50 % in 60 % vplivov (Sterle in sod., 2012). V prispevku je predstavljena analiza ionosferskih motenj za območ je Slovenije, ki temelji na podatkih državnega omrežja stalnih GNSS-postaj SIGNAL, in sicer za preteklo poldrugo leto. Namen analize je bil oceniti stopnjo ogroženosti na GNSS temelječ ih lokacijskih storitev na območ ju Slovenije v obdobjih poveč ane Sonč eve aktivnosti. Cilj raziskovalnega projekta, v okviru katerega je bila analiza izvedena, je zasnova opozoril- nega sistema za uporabnike lokacijskih storitev (Štern in Bešter, 2012). Spremljanje vplivov Sonč evih aktivnosti na/z GNSS Ionosfera je danes največ ji vir napak pri določ itvi položaja z GNSS. Vpliv ionosfere na GNSS-signal je sorazmeren s številom prostih elektronov vzdolž poti širjenja signala (angl. total electron content – TEC). Obič ajno se upošteva stolpec s prerezom površine 1 m 2 ; v rabi je enota TECU – 1 TECU pomeni 10 16 elektronov na m 2 . Vpliv ionosfere na GNSS- signal se kaže v njegovi zakasnitvi, in sicer zaradi sprememb njegove hitrosti in poti. Po drugi strani se sami GNSS uvršč ajo med najbolj pomembne sisteme zaznavanja in spremljanja posledic dogodkov na Soncu – t. i. vesoljskega vremena. Karte VTEC (angl. vertical TEC), torej vrednosti TEC za navpič ne stolpce nad toč kami na Zemlji, so klasič ni proizvodi, ki jih nudi GNSS-tehnologija za globalno modeliranje ionosfere (Coster in Komjathy, 2008). Lokalno spremljanje ionosferskih motenj (angl. ionospheric disturbance) omogoč ajo lokalni GBAS – omrežja stalnih GNSS-postaj na Zemlji, ki v realnem č asu zagotavljajo popravke dobljenega položaja. Najbolj uporabljan kazalnik ionosferskih motenj je danes ionosferski indeks I95, ki temelji na modeliranju popravkov položaja, določ enega z GNSS. Uveden je bil leta 1998 in se je uveljavil posebej v aktivnih GNSS-omrežjih v Srednji Evropi (Wanninger, 2004). Z njim torej ne merimo samih fizikalnih parametrov ionosfere, ampak gre za indeks povpreč ne ionosferske aktivnosti na določ enem zemlje- pisnem območ ju, določ en za krajše č asovne intervale. Osnova za določ itev indeksa I95 so koeficienti modela, ki predstavljajo geometrijske popravke zaradi vpliva ionosfere, – po dva za vsak GNSS-signal za vsak satelit, in sicer v smereh jug-sever ( LAT I ∆ ) in zahod- vzhod ( LON I ∆ ). Ti koeficienti se določ ajo s kratkim č asovnim intervalom, tako da jih dobimo po nekaj sto na vsako uro. Ionosferski indeks temelji na teh koeficientih, pri č emer so informacije vsakega posameznega para združene v skalarno mero: 2 2 ∆ ∆ ∆ LON LAT I I I + = . Ionosferski indeks I95 je določ en kot vrednost, ki je 95-odstotkov ocenjenih ∆ I ne presega (angl. 95 % margin) – seveda znotraj izbranega (obič ajno urnega) č asovnega intervala 97 (Wanninger, 2004). Ionosferski indeks I95 sicer ni odvisen zgolj od razmer v ionosferi. Nanj vplivajo npr. tudi: • razdalje med referenč nimi GNSS-postajami v omrežju in • omejitev najmanjšega višinskega kota spremljanja satelitov (angl. elevation mask). Za obič ajno konfiguracijo omrežja z medsebojnimi razdaljami referenč nih GNSS-postaj med 50 in 80 km in za najmanjši višinski kot spremljanja satelitov, omejen na 10 loč nih stopinj, so tipič ne vrednosti ionosferskega indeksa (v [ppm] za L1) na območ ju Srednje Evrope (Wanninger, 2004): • 2 ali manj v č asu nizkih vrednosti VTEC in za normalne razmere, • 5 ali manj v č asu poveč anih vrednosti VTEC, vendar brez več jih ionosferskih motenj, • 10 in več v č asu intenzivnejših ionosferskih motenj. Spremljanje ionosferskega indeksa I95 za območ je Slovenije Za spremljanje ionosferskih motenj nad ozemljem Slovenije, ki so predvsem posledica poveč ane Sonč eve aktivnosti ob približevanju vrhu 24. Sonč evega cikla, je bila uporabljena infrastruktura državnega omrežja stalnih GNSS-postaj SIGNAL (GURS, 2012). Slika 1: Omrežje stalnih GNSS-postaj SIGNAL. Omrežje SIGNAL je postavila Geodetska uprava Republike Slovenije kot del temeljne državne geoinformacijske infrastrukture. Prva postaja omrežja (v Ljubljani) deluje od leta 2000, v sedanjem obsegu (15 postaj) pa deluje omrežje od leta 2006. Dodatnih 12 postaj je 98 v omrežje vključ enih z dogovori o sodelovanju s sosednjimi državami (slika 1). Z omrežjem upravlja Služba za GPS, ki deluje na Geodetskem inštitutu Slovenije. V zadnjem č asu je med lokacijskimi storitvami v realnem č asu, ki so na voljo le registriranim uporabnikom, največ povpraševanja po omrežnih RTK-storitvah, sledijo RTK-storitve z navezavo na posamezno referenč no postajo ter DGPS-storitve (Berk in sod., 2011). Od sredine leta 2011 deluje omrežje s podporo programske opreme Trimble VRS 3 Net, ki med drugim omogoč a tudi spremljanje ionosferske aktivnosti nad ozemljem Slovenije. Prvotno je bil indeks I95 mera za napovedovanje ionosferskih vplivov na določ anje položaja z navezavo na uporabniku najbližjo postajo omrežja (angl. single-baseline RTK). Kasneje je bila ista mera uvedena tudi za omrežne lokacijske storitve (kot so VRS, FKP, Mac), in sicer z uporabo: • IRIM (ionospheric residual integrity monitoring) ter • IRIU (ionospheric residual interpolation uncertainity). Prvi pristop temelji na neupoštevanju posamezne referenč ne postaje pri modeliranju ionosfere in primerjavi rezultatov interpolacije za njeno lokacijo z dejanskimi merjenji. Drugi pristop temelji na določ itvi negotovosti v omrežju modeliranih parametrov ionosfere – torej standardnih odklonov interpoliranih vrednosti. Oba pristopa sta bila uvedena tudi v programske rešitve Trimble Terrasat (Chen in sod., 2003). Glede na to, da sta v omrežju stalnih GNSS-postaj pri modeliranju popravkov ključ na dva vpliva: • vpliv geometrijske razporeditve satelitov in • vpliv ionosfere, sta v primeru programske opreme Trimble VRS 3 Net uporabljeni rešitvi (Trimble, 2010): • GRIM (geometric residual integrity monitoring) in že omenjeni • IRIM (ionospheric residual integrity monitoring). Loč eno ocenjena deleža obeh ključ nih vplivov omogoč ata določ itev vrednosti indeksa I95 ob eliminaciji vpliva geometrijske razporeditve satelitov. Referenč ne vrednosti indeksa I95, ki so označ ene na grafič nih prikazih programskega modula, so: • 2 … nizka vrednost (zelena barva), • 4 … srednja vrednost (rumena barva) in • 8 … visoka vrednost (rdeč a barva). V nadaljevanju je predstavljena analiza arhiviranih urnih vrednosti ionosferskega indeksa I95 za Slovenijo, in sicer za obdobje od julija 2011 do decembra 2012. Rezultati analize ionosferskega indeksa I95 (julij 2011 – december 2012) Absolutni urni maksimum – vrednost 21,8 – doseže indeks I95 v analiziranem obdobju na 16. november 2011. Vrednost 20 sicer preseže le trikrat; poleg že omenjenega datuma še na 18. avgust 2011 in 7. oktober 2011. Iz prikaza najvišjih zabeleženih urnih vrednosti indeksa I95 po dnevih (slika 2) je videti, da so vplivi poveč ane Sonč eve aktivnosti najbolj zaznavni med avgustom 2011 in decembrom 2011. Samo v tem obdobju so meseč na povpreč ja najvišjih zabeleženih dnevnih vrednosti indeksa I95 višja od 6 (slika 3). Podobno sledi iz ugotavljanja števila dni v mesecu, ko je bila najvišja zabeležena urna vrednost indeksa I95 višja od 8 (tj. visoka vrednost); v obdobju od avgusta 2011 do decembra 2011 je takšnih dni vsakič po več kot pet na mesec, med ostalimi meseci analiziranega obdobja pa to velja le še za marec 2012 (slika 4). Zanimivo je, da analiza mese vrednosti, ampak vseh 24- Praviloma so namreč izrazito pove dan. Iz prikaza dnevnih nihanj (urnih) vrednosti indeksa I95 po mesecih (slika 5) lahko vidimo, da se (č e sploh) pojavljajo povišane vrednost nekje sredi dneva. Ugotovljeni splošni trend pove mesecih, z najvišjimi vrednostmi okoli 12. ure po lokalnem objavljenimi rezultati raziskav za obmo splošni trend poveč anja vrednosti indeksa ne sovpada s pove ekstremnih urnih vrednosti preko dneva (npr. avgust 2011 Slika 3: Meseč na povpre najvišjih zabeleženih dnevnih vrednosti indeksa I95. Slika 4: Števila dni v mesecu, ko je bila najvišja zabeležena 99 pet na mesec, med ostalimi meseci analiziranega obdobja pa to velja le še za marec 2012 Zanimivo je, da analiza meseč nih povpreč ij indeksa I95 (ne zgolj najve -ih urnih vrednosti na dan) ne pove praktič no ni č izrazito poveč ane vrednosti kratkotrajne – obič ajno uro do dve na dan. Iz prikaza dnevnih nihanj (urnih) vrednosti indeksa I95 po mesecih (slika 5) lahko e sploh) pojavljajo povišane vrednosti indeksa I95 zgolj podnevi nekje sredi dneva. Ugotovljeni splošni trend poveč anja vrednosti indeksa I95 v zimskih mesecih, z najvišjimi vrednostmi okoli 12. ure po lokalnem č asu (slika 5), se ujema z že objavljenimi rezultati raziskav za območ je Srednje Evrope (Wanninger, 2004). Vendar pa č anja vrednosti indeksa ne sovpada s poveč anjem števila posameznih res ekstremnih urnih vrednosti preko dneva (npr. avgust 2011 – december 2011). č na povpreč ja vrednosti indeksa I95 in meseč na povpre najvišjih zabeleženih dnevnih vrednosti indeksa I95. Slika 4: Števila dni v mesecu, ko je bila najvišja zabeležena urna vrednost indeksa I95 višja od 8. pet na mesec, med ostalimi meseci analiziranega obdobja pa to velja le še za marec 2012 ij indeksa I95 (ne zgolj največ jih dnevnih č no nič esar (slika 3). obič ajno uro do dve na dan. Iz prikaza dnevnih nihanj (urnih) vrednosti indeksa I95 po mesecih (slika 5) lahko i indeksa I95 zgolj podnevi – najvišje anja vrednosti indeksa I95 v zimskih č asu (slika 5), se ujema z že e Srednje Evrope (Wanninger, 2004). Vendar pa anjem števila posameznih res december 2011). č na povpreč ja najvišjih zabeleženih dnevnih vrednosti indeksa I95. Slika 4: Števila dni v mesecu, ko je bila najvišja zabeležena Slika 2: Najvišje zabeležene urne vrednosti indeksa I95 za Slovenijo po dnevih. 100 101 Slika 5: Dnevna nihanja urnih vrednosti indeksa I95, prikazana po mesecih. 102 V obravnavanih 16-ih mesecih (tj. 488 dneh), za katere so podatki o indeksu I95 popolni (slika 4), je bila za 61 dni najvišja zabeležena urna vrednost indeksa višja od 8. Težave pri lokacijskih storitvah zaradi visoke vrednosti indeksa I95 bi torej lahko (vsaj glede na merila proizvajalca programske opreme) v krajših č asovnih intervalih nastopile v 12,5 % dni oziroma v povpreč ju vsak osmi dan. V najbolj aktivnem mesecu (tj. september 2011) je bilo takšnih dni 9, kar je 30 % vseh dni v mesecu. Zaključ ek Predstavljena je analiza ionosferskih motenj nad ozemljem Slovenije, ki so predvsem posledica poveč ane Sonč eve aktivnosti ob približevanju vrhu 24. Sonč evega cikla. Analizirani so podatkih državnega omrežja stalnih GNSS-postaj SIGNAL, in sicer za drugo polovico leta 2011 in skoraj celotno leto 2012. Kot kazalnik ionosferskih motenj je uporabljen ionosferski indeks I95, ki temelji na modeliranju popravkov položaja, določ enega z GNSS. Namen analize je bil oceniti stopnjo ogroženosti lokacijskih storitev na območ ju Slovenije v obdobjih poveč ane Sonč eve aktivnosti. V obravnavanem obdobju so visoke vrednosti indeksa I95 (vrednosti nad 8) v krajših č asovnih intervalih zabeležene v 12,5 % vseh dni oziroma v povpreč ju vsak osmi dan. Najbolj aktiven mesec je bil september 2011, ko je bilo takšnih dni kar 30 %. Največ dni z zabeleženimi visokimi urnimi vrednostmi indeksa I95 je bilo v obdobju od avgusta 2011 do decembra 2011. Zahvala Prispevek je nastal v okviru temeljnega raziskovalnega projekta Določ itev in ocena vplivov izrednih Sonč evih aktivnosti na satelitsko določ anje lokacije (J2-3625), katerega naroč nik je Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije. Literatura Berk, S., Bajec, K., Kozmus Trajkovski, K., Stopar, B. (2011). Status of the SIGNAL Positioning Service and Transformation between the Local and ETRS89 Coordinates in Slovenia. 2. CROPOS konferencija. Zagreb, Hrvaška, 8. april 2011. Zbornik radova, str. 73–82. Državna geodetska uprava, Zagreb. Chen, X., Landau, H.,Vollath, U. (2003). New Tools for Network RTK Integrity Monitoring. 16th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation. Portland, Oregon, 9.–12. september 2003. Proceedings of ION GPS/GNSS 2003, str. 1355– 1360. The Institute of Navigation, Manassas, Virginija. Coster, A., Komjathy, A. (2008). Space Weather and the Global Positioning System. Space Weather, 6, S06D04. DOI: 10.1029/2008SW000400. Č op, R., Bilc, A., Beguš, S., Fefer, D., Radovan, D. (2008). Magnetne nevihte in njihov vpliv na navigacijo. Raziskave s področ ja geodezije in geofizike 2007. 13. strokovno sreč anje Slovenskega združenja za geodezijo in geofiziko. Ljubljana, 17. januar 2008. Zbornik predavanj, str. 71–80. Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Ljubljana. GURS (2012). Omrežje SIGNAL. Služba za GPS. Geodetska uprava Republike Slovenije, Ljubljana. http://www.gu-signal.si/ (dostop 28. 12. 2012). Skone, S. H. (2001). The Impact of Magnetic Storms on GPS Receiver Performance. Journal of Geodesy, 75 (9–10), 457–468. DOI: 10.1007/S001900100198. 103 Sterle, O., Pavlovč ič Prešeren, P., Stopar, B. (2012). Vplivi dogajanj na Soncu na določ itev položaja z enofrekvenč nimi kodnimi GNSS-instrumenti: priprava na vrh 24. Sonč evega cikla. Raziskave s področ ja geodezije in geofizike 2011. 17. strokovno sreč anje Slovenskega združenja za geodezijo in geofiziko. Ljubljana, 26. januar 2012. Zbornik predavanj, str. 79–90. Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Ljubljana. Štern, A., Bešter, J. (2012). Zasnova opozorilnega sistema na odstopanje storitev GNSS. 21. mednarodna Elektrotehniška in rač unalniška konferenca ERK 2012. Portorož, 17.–19. september 2012. Zbornik IEEE, reg. 8, zv. A, str. 57–60. Slovenska sekcija IEEE, Ljubljana. Trimble (2010). Trimble VRS 3 Net App. Technical Notes. Trimble Navigation Ltd. Wanninger, L. (2004). Ionospheric Disturbance Indices for RTK and Network RTK Positioning. 17th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation. Long Beach, Kalifornija, 21.–24. september 2004. Proceedings of ION GNSS 2004, str. 2849– 2854. The Institute of Navigation, Manassas, Virginija.