Farming Through the Noise of Ionospheric Activity in Mid-West Brazil

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Ionospheric interference of GNSS positioning can happen anytime and anywhere. For farmers working along the equator, ionospheric activity happens more frequently than anywhere else in the world. These unpredictable events disrupt GNSS signals, degrading the quality of your position, and reducing your working hours. 

There are GNSS corrections options available to farmers like SBAS, PPP, and RTK that enable positioning accuracy for precision applications and help build varying levels of resiliency to ionospheric interference. However, interference affects these services as well. So how do we build positioning infrastructure to best weather the ionospheric storm?  

This article examines the impact of ionospheric activity on your GNSS position and your RTK corrections. We include a case study from Brazil on how different correction services performed during ionospheric interference. 

Ionospheric Activity and its Effect on GNSS Positioning

The ionosphere is a layer of atmosphere between 501000 kilometers above the Earth filled with electrically charged ions. As these ions move, the atmospheric layer changes density and affects the satellite signal as it travels toward Earth. This effect is called scintillation and causes positioning errors. (We explain some of these positioning errors in our Introduction to GNSS on-demand webinars) 

Ionospheric scintillation impacts the quality of satellite signals by modulating the signal’s power and carrier phaseIf these changes occur rapidly, they can cause errors in the receiver’s position calculations. For technology relying on carrier phascalculations, ionospheric scintillation can drastically alter positioning accuracy. To make things more challenging, ionospheric activity is often unpredictable, and undetectable in real-time performance statistics. 

In our post on how RTK systems work, we explain how both the rover and base station rely on carrier phase measurements to determine positioning and resolve ambiguities. This system assumes the rover and base station are within a similar region, say within a 20-30 kilometer baseline distance, and would experience the same atmospheric activity. As the baseline distance increases, the less applicable the RTK corrections are for the rover’s immediate atmospheric environment.

Ionospheric events can cause such a change in the atmospheric conditions that the RTK corrections may not be enough to adequately remove ionospheric errors over longer baselines. In many cases where high accuracy is required, severe ionospheric scintillation will render the farmer’s RTK-based precision farming system useless until the level of scintillation has decreased. This time period can often last several hours. 

In contrast, PPP positioning estimates the ionospheric errors at the receiver’s location. Because PPP does not rely on corrections from from a local base station, users are not limited by a baseline distance. The immediate ionospheric environment is accounted for in PPP, and the position accuracy is less sensitive to the impact of atmospheric activity.

To achieve a PPP position, corrections reduce GNSS error sources and enable the receiver to locally estimate any remaining errors. (We explain how PPP and other correction services work in detail in this on-demand webinar)Correction services such as NovAtel’s TerraStar-C PRO (TSC PRO) generate global corrections and deliver them to the receiver to achieve centimeter-level accuracy.  

Case Study: Ionospheric Activity in Brazil

The following example illustrates the impact of ionospheric activity in mid-west Brazilcomparing a standard RTK position solution and a TSC PRO PPP position solution. This region produces nearly half of all soybeans, corn, rice, and beans in Brazil; an impressive feat accomplished with the high productivity and efficiency of precision agriculture technology.  

Farmers in Brazil plant and harvest twice during the same agricultural year, so they rely on precision agriculture technology to quickly and accurately seed and harvest. It is normal for mid-west Brazil farms to work 24/7, through the night, and rely completely on GNSS positioning for autosteer and traffic control. This same region, however, experiences frequent and intense ionospheric interference and scintillation. Degraded performance and delays caused by these events negatively impact a mid-west Brazilian farm’s productivity.  

Ionosphere Performance for TerraStar-C PRO and RTK

The yellow line indicates RTK performance during ionospheric activity at 10 km away from base stations. 
The green line shows TSC PRO performance during the same ionospheric activity.

This 24-hour data collection captures the over-night impacts of ionospheric activityRTK position performance at 10 kilometers from the base is degraded for many hours, showing errors of up to 25 centimeters. In contrast, the receiver using TSC PRO corrections continues to experience centimeter-level accuracy, with shorter maximum deviations of up to 10 centimeters. This data set illustrates TerraStar-C PRO’s resiliency to ionospheric activity, allowing users to continue operations which would otherwise be degraded or even halted with other correction types. 

 Building Resiliency to Ionospheric Activity

In areas along the equator, like in mid-west Brazil, ionospheric conditions are an ongoing barrier to peak efficiency in farming. PPP correction services like TerraStar-C PRO provide a stable and high accuracy positioning solution across a farmer’s entire working area. Building a system more resilient to ionospheric activity means less downtime, more trust in your autosteering, and a more productive farming season. 

Read more on how farmers rely on TerraStar Correction Services
to improve Precision Agriculture Applications

 

Operações agrícolas sob interferencia ionosférica no Centro-Oeste brasileiro

Desenvolver um sistema mais resiliente à atividade ionosférica significa menos paradas, mais confiança no piloto automático e uma safra mais produtiva.

Operações agrícolas sob interferencia ionosférica no Centro-Oeste brasileiro

A interferência ionosférica no posicionamento por GNSS pode ocorrer a qualquer hora e em qualquer lugar. Para agricultores na região da linha do Equador, a atividade ionosférica ocorre com mais frequência do que em qualquer outro lugar no mundo. Esses eventos imprevisíveis perturbam os sinais de GNSS, degradando a qualidade do posicionamento e reduzindo suas horas de trabalho. 

Existem opções de correções de GNSS disponíveis para os agricultores, como SBAS, PPP e RTK, que aumentam a precisão de posicionamento para aplicações precisas de precisão e ajudam a criar diferentes níveis de resiliência para interferência ionosférica. Contudo, a interferência também afeta esses serviços. Portanto, como podemos desenvolver uma infraestrutura de posicionamento para enfrentar melhor a tempestade ionosférica?  

Este artigo examina o impacto da atividade ionosférica em sua posição de GNSS e nas correções RTK. Foi incluído um estudo de caso do Brasil sobre como diferentes serviços de correção tiveram desempenho durante interferência ionosférica. 

Atividade Ionosférica e seu Efeito no Posicionamento por GNSS 

A ionosfera é uma camada de atmosfera entre 50 e 1000 quilômetros acima da Terra, cheia de íons eletricamente carregados. À medida que esses íons se movem, a camada atmosférica muda de densidade e afeta o sinal de satélite que se desloca em direção à Terra. Esse efeito é denominado cintilação e causa erros de posicionamento. (Nós explicamos alguns desses erros de posicionamento em nossos webinários sob demanda de Introdução ao GNSS.)  

A cintilação ionosférica impacta a qualidade dos sinais de satélite, modulando a potência e a fase de portadora do sinal. Se essas mudanças ocorrerem rapidamente, podem causar erros nos cálculos de posição do receptor. Para tecnologias que dependem de cálculos de carrier phase, como os sistemas RTK, a cintilação ionosférica pode alterar drasticamente a precisão do posicionamento. Para aumentar o desafio, a atividade ionosférica com frequência é imprevisível e não é detectável em estatísticas de desempenho em tempo real. 

Em nossa publicação sobre como os sistemas RTK funcionam, nós explicamos como o rover (veículo) e a estação-base dependem de medições de carrier phase para determinar o posicionamento e resolver ambiguidades. Esse sistema pressupõe que o rover e a estação-base estão em uma região similar (por exemplo, uma distância de referência de 20-30 quilômetros) e experimentariam a mesma atividade atmosférica. À medida que a distância de referência aumenta, menos aplicáveis são as correções RTK para o ambiente atmosférico imediato do rover.

Os eventos ionosféricos podem causar uma mudança tão grande nas condições atmosféricas que as correções RTK podem não ser suficientes para remover de forma adequada os erros ionosféricos em distâncias maiores. Em muitos casos, quando é necessária alta precisão, uma cintilação ionosférica severa fará com que o sistema agrícola de precisão baseado em RTK seja inútil, até que o nível de cintilação diminua. Esse período de tempo com frequência pode durar várias horas. 

Em contraste, o posicionamento PPP – correção via satélite conhecida como “sinal pago” – estima os erros ionosféricos no local do receptor. Como o PPP não depende de correções de uma estação-base local, os usuários não ficam limitados por uma distância de referência. O ambiente ionosférico imediato é considerado em PPP e a precisão da posição é menos sensível ao impacto da atividade atmosférica.

Para alcançar uma posição de PPP, as correções reduzem as fontes de erros de GNSS e habilitam o receptor a estimar localmente quaisquer erros restantes. (Nós explicamos como o PPP e outros serviços de correção funcionam em detalhes neste webinário sob demanda.) Os serviços de correção como o TerraStar-C PRO (TSC PRO) da NovAtel geram correções globais e as entregam ao receptor para alcançar precisão em nível de centímetro.  

Estudo de Caso: Atividade Ionosférica no Brasil 

O exemplo a seguir ilustra o impacto de atividade ionosférica no centro-oeste do Brasil, comparando uma solução de posicionamento RTK padrão e uma solução de posicionamento PPP TSC PRO. Esta região produz quase a metade de toda a soja, milho, arroz e feijão no Brasil. Uma realização notável, concretizada com a alta produtividade e eficiência da tecnologia de agricultura de precisão. 

 Muitos agricultores no Brasil plantam e colhem duas safras no mesmo ano. Portanto, dependem de tecnologia de agricultura de precisão para semear e colher com rapidez e exatidão. Em época de plantio e colheita, é comum que as fazendas do centro-oeste brasileiro funcionem 24 horas por dia, 7 dias por semana, em todas as noites, e dependam totalmente do posicionamento por GNSS para piloto automático e controle de tráfego. Essa mesma região, contudo, experimenta interferência ionosférica e cintilação frequentes e intensas. A degradação do desempenho e os atrasos causados por esses eventos impactam negativamente a produtividade das fazendas do centro-oeste do Brasil. 

A linha amarela indica o desempenho de RTK durante atividade ionosférica a 10 km de distância das estações-base. A linha verde mostra o desempenho do TSC PRO durante a mesma atividade ionosférica.

A linha amarela indica o desempenho de RTK durante atividade ionosférica a 10 km de distância das estações-base.
A linha verde mostra o desempenho do TSC PRO durante a mesma atividade ionosférica.

Essa coleta de dados em 24 horas captura os impactos noturnos da atividade ionosférica. O desempenho da posição de RTK a 10 km da base é degradado por muitas horas, apresentando erros de até 25 centímetros. Em contraste, o receptor que usa correções TSC PRO continua a experimentar precisão em nível de centímetro, com desvios máximos mais curtos de até 10 centímetros. Este conjunto de dados ilustra a resiliência do TerraStar-C PRO à atividade ionosférica, permitindo que os usuários continuem a operação que, de outra forma, seria degradada ou até interrompida com outros tipos de correção.  

Desenvolvendo Resiliência à Atividade Ionosférica 

Nas áreas ao longo da linha do Equador, como no centro-oeste do Brasil, as condições ionosféricas são uma barreira constante para a eficiência máxima em agricultura. Os serviços de correção PPP, como o TerraStar-C PRO, fornecem uma solução de posicionamento estável e com alta precisão em toda a área de trabalho de um agricultor. Desenvolver um sistema mais resiliente à atividade ionosférica significa menos paradas, mais confiança no piloto automático e uma safra mais produtiva. 

Leia mais sobre como os agricultores confiam nos Serviços de Correção TerraStar para aprimorar aplicações de Agricultura de Precisão

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