Innovative contributions to ionospheric scintillation monitoring using GNSS observations

Abstract

(English) Ionospheric scintillation adversely impacts Global Navigation Satellite System (GNSS) receivers by inducing signal amplitude fading and rapid carrier phase variations, degrading positioning accuracy in regions with high ionospheric activity. Monitoring scintillation is essential for ensuring the reliability of GNSS applications, particularly in precise positioning.

Scintillation monitoring traditionally relies on two indices, the amplitude scintillation index $S_4$ and the phase scintillation index $\sigma_\varphi$, both typically derived from specialized GNSS receivers known as ionospheric scintillation monitoring receivers (ISMRs). However, the high cost of ISMRs limits their global deployment. Recently, geodetic receivers operating at 1 Hz have been proposed as alternatives for monitoring scintillation, benefiting from existing global GNSS networks.

Despite their potential, geodetic receivers face challenges in scintillation monitoring due to their less stable clocks, which contaminate monitoring results. A common method for addressing this is the use of rate of total electron content index (ROTI), which utilizes the geometry-free combination of dual-frequency signals (e.g., GPS L1 and L2) to eliminate the non-dispersive effects. Despite this, this classical ROTI still has drawbacks, such as the dependence on receiver-specific tracking strategies for L2 signal and the frequent cycle-slips (CSs) in L2 measurements, undermining reliable monitoring.

In recent years, the Geodetic Detrending (GD) technique has been developed to offer a promising solution by modelling individual GNSS carrier phase measurements to derive $\sigma_\varphi$ index from uncombined L1 signals. This technique achieves full consistency with ISMR results, offering a novel perspective on scintillation monitoring using geodetic receivers.

This research addresses key challenges in scintillation monitoring using GD as the primary methodology. First, a novel $\mathrm{ROTI_{L1}}$ index was introduced, calculated from uncombined L1 signals using GD. $\mathrm{ROTI_{L1}}$ exhibits minimal dependence on receiver models or tracking strategies, making it a robust candidate for consistent global scintillation monitoring. Analysis of data from 2020 established a minimum detectable scintillation threshold of 1.8 TECU/min for $\mathrm{ROTI_{L1}}$ over 60-s intervals with 1-Hz observations.

Second, low-cost receivers, such as the Septentrio Mosaic-X5 and UBLOX ZED-F9P, were evaluated for their feasibility in scintillation monitoring, addressing challenges in deploying geodetic-grade receivers in uncovered or high-risk regions. These devices, costing approximately less than one-tenth of geodetic receivers, demonstrated comparable performance using GD. Additionally, noise levels of these receivers were assessed, and thresholds for detecting scintillation using $S_4$ and $\sigma_\varphi$ indices were determined.

Third, the growing demand for time-sensitive GNSS applications requires real-time (RT) scintillation monitoring. To address this, the GD technique was extended for RT processing using RT satellite corrections and observations. A prototype RT GD framework was developed to deliver the scintillation indices in a global scale. Validation studies, including comparisons with post-processing results and data from a collocated ISMR, demonstrated its high reliability. The RT monitoring products of the $\sigma_\varphi$ index are now publicly accessible, making it valuable for both scientific research and industrial applications.

In conclusion, this research advances scintillation monitoring by offering a solution that is accurate, cost-effective, and capable of extensive coverage. These contributions have the potential to enhance GNSS performance under challenging ionospheric conditions.

(Català) El centelleig ionosfèric afecta negativament els receptors del Sistema Global de Navegació per Satèl·lit (GNSS), provocant atenuacions en l’amplitud del senyal i variacions ràpides en la fase de la portadora, cosa que redueix la precisió del posicionament en regions amb alta activitat ionosfèrica. La monitorització del centelleig és essencial per garantir la fiabilitat de les aplicacions GNSS, especialment en el posicionament precís.

Tradicionalment, la monitorització del centelleig es basa en dos índexs: l’índex de d’amplitud de centelleig ($S_4$) i l’índex de fase de centelleig ($\sigma_\varphi$), derivats generalment de receptors GNSS especialitzats coneguts com a receptors de monitorització de centelleig ionosfèric (ISMRs). No obstant això, el cost elevat dels ISMRs en limita el seu desplegament global. Recentment, s’han proposat receptors geodèsics que operen a 1 Hz com a alternatives, aprofitant les xarxes GNSS globals preexistents.

Tot i el seu potencial, els receptors geodèsics presenten reptes en la monitorització del centelleig a causa dels seus rellotges no estables, que contaminen els resultats. Un mètode per abordar aquest problema és l’índex de la taxa de contingut total d’electrons (ROTI), que combina senyals de doble freqüència (p. ex., GPS L1 i L2) per eliminar els efectes no dispersius. No obstant això, el ROTI clàssic té limitacions, com la dependència de l’estratègia de seguiment del senyal L2 i la freqüència dels salts de cicle (CSs), que en redueixen la fiabilitat.

En els darrers anys, s’ha desenvolupat la tècnica de Detrending Geodèsic (GD) com una solució prometedora. Modela mesures individuals de fase portadora GNSS i deriva l’índex $\sigma_\varphi$ a partir de senyals L1 no combinades, aconseguint plena consistència amb els resultats dels ISMRs i oferint una nova perspectiva per a la monitorització del centelleig amb receptors geodèsics.

Aquesta recerca aborda reptes clau en la monitorització del centelleig utilitzant GD com a metodologia principal. Primer, es va introduir un nou índex $\mathrm{ROTI_{L1}}$, calculat a partir de senyals L1 no combinades. $\mathrm{ROTI_{L1}}$ mostra una mínima dependència dels models de receptor o de les seves estratègies de seguiment del senyal, i és una opció robusta per a una monitorització global consistent. L’anàlisi de dades del 2020 va establir un llindar mínim de detecció de centelleig d’1.8 TECU/min en intervals de 60 segons amb observacions a 1 Hz.

Segon, es van avaluar receptors de baix cost, com Septentrio Mosaic-X5 i UBLOX ZED-F9P, per a la monitorització del centelleig, abordant les dificultats de desplegar receptors geodèsics en regions no cobertes o d’alt risc. Aquests dispositius, amb un cost aproximat de menys d’una desena part dels receptors geodèsics, van mostrar un rendiment comparable utilitzant GD. També es van avaluar els nivells de soroll i es van establir llindars per detectar centelleig amb els índexs $S_4$ i $\sigma_\varphi$.

Finalment, s’aborda la creixent demanda d’aplicacions GNSS per a la monitorització en temps real (RT) del centelleig. Es va adaptar la tècnica GD per al processament en RT amb correccions i observacions de satèl·lits en RT. Es va desenvolupar un prototip de GD en RT per oferir índexs de centelleig a escala global. Els estudis de validació van demostrar una alta fiabilitat. Els productes RT de l’índex $\sigma_\varphi$ són públicament accessibles, beneficiant tant la investigació científica com les aplicacions industrials.

En conclusió, aquesta recerca avança significativament en la monitorització del centelleig amb solucions precises, econòmiques i de cobertura àmplia, millorant el rendiment del GNSS en condicions ionosfèriques complexes.

(Español) El centelleo ionosférico afecta negativamente a los receptores del Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS), provocando atenuaciones en la amplitud de la señal y rápidas variaciones en la fase de la portadora, lo que reduce la precisión del posicionamiento en regiones con alta actividad ionosférica. La monitorización del centelleo es esencial para garantizar la fiabilidad de las aplicaciones GNSS, especialmente en el posicionamiento preciso.

Tradicionalmente, la monitorización del centelleo se basa en dos índices: el índice de amplitud de centelleo ($S_4$) y el índice de fase de centelleo ($\sigma_\varphi$), derivados generalmente de receptores GNSS especializados, conocidos como receptores de monitorización del centelleo ionosférico (ISMRs). Sin embargo, el alto coste de los ISMRs limita su despliegue global. Recientemente, se ha propuesto usar receptores geodésicos que operan a 1 Hz como alternativa, aprovechando las redes GNSS globales preexistentes.

A pesar de su potencial, los receptores geodésicos presentan desafíos en la monitorización del centelleo debido a sus relojes no estables, que contaminan los resultados. Un método común para abordar este problema es el índice de la tasa de contenido total de electrones (ROTI), que combina señales de doble frecuencia (p. ej., GPS L1 y L2) para eliminar efectos no dispersivos. Sin embargo, el ROTI clásico tiene limitaciones, como su dependencia en las estrategias de seguimiento específicas del receptor para L2 y la frecuente aparición de saltos de ciclo (CSs), lo que compromete su fiabilidad.

En los últimos años se ha desarrollado la técnica de Detrending Geodésico (GD) como solución prometedora. Modela mediciones individuales de fase portadora GNSS y deriva el índice $\sigma_\varphi$ a partir de señales L1 no combinadas, logrando plena consistencia con los resultados de ISMRs y proporcionando una nueva perspectiva para la monitorización del centelleo con receptores geodésicos.

Esta investigación aborda desafíos clave en la monitorización del centelleo utilizando GD como metodología principal. En primer lugar, se introdujo un nuevo índice $\mathrm{ROTI_{L1}}$, calculado a partir de señales L1 no combinadas. $\mathrm{ROTI_{L1}}$ muestra mínima dependencia de los modelos de receptor o estrategias de seguimiento, siendo una opción robusta para una monitorización global consistente. El análisis de datos de 2020 estableció un umbral mínimo de detección de centelleo de 1.8 TECU/min en intervalos de 60 segundos con observaciones a 1 Hz.

En segundo lugar, se evaluaron receptores de bajo coste, como Septentrio Mosaic-X5 y UBLOX ZED-F9P, para su viabilidad en la monitorización del centelleo, abordando las dificultades del despliegue de receptores geodésicos en regiones sin cobertura o de alto riesgo. Estos dispositivos, que cuestan aproximadamente menos de una décima parte de los receptores geodésicos, mostraron un rendimiento comparable utilizando GD. Además, se evaluaron los niveles de ruido y se determinaron umbrales para detectar centelleo con los índices $S_4$ y $\sigma_\varphi$.

En tercer lugar, se aborda la creciente demanda de aplicaciones GNSS para la monitorización del centelleo en tiempo real (RT). Para ello, se adaptó la técnica GD al procesamiento en RT con correcciones y observaciones de satélites en tiempo real. Se desarrolló un prototipo de marco GD en RT para ofrecer índices de centelleo a escala global. Los estudios de validación demostraron su alta fiabilidad. Los productos RT del índice $\sigma_\varphi$ están disponibles públicamente, beneficiando tanto a la investigación científica como a las aplicaciones industriales.

En conclusión, esta investigación avanza significativamente en la monitorización del centelleo ofreciendo una solución precisa, económica y de amplia cobertura, mejorando el rendimiento del GNSS en condiciones ionosféricas desafiantes.