Corrección ionosférica de observaciones GNSS para zonas de latitud geomagnética baja apoyada en la observación de señales VLF

Resumen

Resumen Esta investigación, busca generar un aporte en el conocimiento de la ionósfera colombiana, entendiendo que la localización de Colombia dentro de la zona de anomalía ecuatorial, hace que se presenten dificultades en el desarrollo de actividades que involucran el uso de ondas electromagnéticas y tecnologías satelitales. La propagación de radio señales en esta región, se ve afectada por su interacción con la ionosfera sin poder corregir plenamente estos efectos debido a que los modelos existentes para esto, no dan respuesta adecuada a los diferentes fenómenos que alteran su comportamiento de manera aleatoria y prácticamente impredecible. En el trabajo se desarrolla una revisión de la teoría relacionada con la ionosfera terrestre, su composición, los factores que la alteran y las particularidades de la zona de anomalía ecuatorial, con el fin de presentar el contexto de la dificultad que implica el modelado de la ionosfera y la corrección de sus efectos en la señal GNSS y en otras señales afectadas, además de presentar las bases científicas de los principios de propagación de ondas electromagnéticas en la atmósfera, para dar comprensión de los principios utilizados posteriormente en los desarrollos experimentales. Se hace una revisión de los modelos y de las técnicas más comúnmente empleados en el estudio del comportamiento de la ionosfera ecuatorial, especialmente en lo que se refiere a la determinación del contenido de electrones. Se ha estudiado las ventajas e inconveniente de estos modelos, su eficacia, sus aciertos y desaciertos. Como resultado se ha encontrado que los modelos actualmente en uso, tanto los físicos como los empíricos, no representan una solución suficientemente óptima y definitiva. Esto se debe a que los complejos fenómenos físico – químico que producen en la zona de la ionosferica ecuatorial, como respuesta a las alteraciones, muchas de ellas imprevisibles, de la actividad del sol y su acoplamiento con el campo magnético terrestre, se resisten a ser modelados de forma minuciosa. Esta necesidad de una mejor comprensión y posterior modelado de los fenómenos que ocurren la ionosfera ecuatorial requiere de datos de calidad, obtenidos con diferentes instrumentos y con suficiente distribución espacial. Esta es la razón que justifica la propuesta que se hace en este proyecto. Con el fin de plantear una plataforma de estudio de la ionosfera colombiana, se presentan tres fuentes de datos. La primera consiste en una red de estaciones GNSS distribuidas en la región de tal forma que nos permita calcular el TEC en tiempo ‘casi’ real mediante la aplicación a sus datos del modelo de capa simple y la combinación libre de geometría (CLG). Para ello utilizamos todas las estaciones disponibles en las redes a nivel continental, tratando con ello de conseguir la cobertura más densa y completa de la zona de estudio. La segunda se plantea desde la construcción de un monitor de señales VLF (Very Low Frequency), que a partir del seguimiento de señales en el rango de los 15 a los 60 kHz provenientes de estaciones transmisoras de bases militares distribuidas por el mundo, permite calcular la altura de la capa D de la ionosfera y la densidad de electrones a dicha altura, usando los modelos de (R. M. Davis & Berry, 1977; Ferguson, 1998; Poulsen, William L., Inan Umran S., 1993; Thomson, 1993) . Esto permite no solo conocer las características de la ionosfera en su parte más baja, sino también el comportamiento de la ionosfera y la actividad solar, siendo especialmente útil en periodos de máxima actividad solar y tormentas solares, generando datos en tiempo real, de la ocurrencia de un fenómeno súbito de naturaleza solar o que afecta de manera instantánea a la ionosfera, permitiendo generar alertas de tormenta solar y boletines de posibles eyecciones de masa coronaria en tiempo prácticamente real. Este desarrollo se completó y se verifico su funcionamiento a lo largo de más de 2 años seguidos. Hacia la parte final se plantea el desarrollo de una ionosonda digital, mediante un componente de tecnología de punta denominado USRP, que permite la generación y análisis en un amplio rengo de frecuencia, que combinado con otros componentes y herramientas de software desarrolladas, permite hacer un barrido en frecuencia a partir de la transmisión- recepción de respuestas que finalmente genera una serie de datos para la construcción de un ionograma, con una altura alcanzable hasta de 700 Km de caracterización de las capas superiores de la ionosfera. El prototipo desarrollado del instrumento tiene una resolución de 5 Km, que puede llegar a mejorarse a partir de la modificación de la configuración del barrido de frecuencia y su procesamiento, aprovechando las capacidades de la tecnología base USRP. En la parte final se plantea la integración de los datos resultantes de los dos instrumentos y los mapas TEC, como fuente de caracterización de la ionosfera en la zona de anomalía ecuatorial, en particular para el territorio colombiano y como solución al problema de corrección de las señales GNSS en esta zona.