Instituto Politécnico Nacional
Sección de Estudios de Posgrado e Investigación
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Estudio de la ionosfera basado en
datos GNSS para el territorio nacional
Presenta: M. en C. Víctor José Gatica Acevedo
Dirección del trabajo de Tesis: Dr. Carlos Javier Sosa Paz/Dra. Maria Sergeeva
Ciudad de México, a 4 de Octubre de 2021
Agenda
• GNSS, Ionosfera, Clima Espacial
• Afectación de la ionosfera al GNSS
• Objetivo General
• Metodología (TGA)
• Estación de referencia GNSS IPN1
• Resultados
• Conclusiones
• Aprobación del trabajo
• Agradecimientos
2
Sistemas Globales de Navegación por Satélite
(GNSS)
www.gps.gov
http://en.beidou.gov.cn
www.glonass-iac.ru
www.esa.int/.../Galileo
Crédito: Sanz et al., 2013
3
Principios de funcionamiento de GNSS
Crédito: Kaplan,2006
4
Ionosfera
La ionosfera es una región de la alta atmósfera. Empieza desde las alturas 50-80 km encima de la tierra
(dependiendo del punto de observación) y se extiende hasta magnetósfera terrestre.
El aire en esta región está ionizado. Están presentes grandes cantidades de electrones libres dentro de los
límites de 103 - 106 por 1 cm3.
La presencia de electrones libres permite la reflexión de las ondas de radio en la ionosfera.
Las ondas de radio pueden propagarse a distancias muy largas por medio de las reflexiones entre las capas de
la ionosfera y la superficie terrestre.
Conocer el estado actual de la ionosfera es una de las tareas
más importantes para el funcionamiento seguro y confiable de
diversos sistemas de base tecnológica.
La característica principal de la ionosfera es la concentración
de electrones con referencia a la altitud respecto a la
superficie de la tierra.
Se usan diferentes parámetros ionosféricos que sirven para
estimar esta concentración y sus cambios tanto regulares
(sistemáticos) como irregulares (perturbaciones).
5
Retardo Ionosférico
Contenido Total de Electrones
GNSS
Capa infinitesimalmente delgada
IPP
η
Rx
Ionosfera
E
Re
𝑰=
𝟒𝟎. 𝟑
𝒔𝑻𝑬𝑪
𝒇𝟐
6
Cortesía de SIMuRG (simurg.iszf.irk.ru)
7
Clima Espacial
Conjunto de fenómenos en el espacio cercano a la Tierra.
Las condiciones en el Sol, viento solar y medio interplanetario, magnetosfera e ionosfera forman parte
de este concepto.
Los fenómenos de Clima Espacial provocan cambios en el estado de la ionosfera terrestre. En su turno,
estos cambios pueden afectar la operación de sistemas de telecomunicaciones, sistemas de
navegación, radares, las redes de distribución de energía eléctrica, los conductos de gas y petróleo, la
capacidad de servicio de los satélites, sistemas de posicionamiento global, sistemas de control,
ordenadores, sistemas de comunicación por radio con barcos, aviones, etc.
8
Ejemplos de afectaciones provocadas por cambios en la ionosfera
1) Entre de octubre y noviembre del año 2003 pasaron
una serie de eventos muy intensos de Clima Espacial.
Estos afectaron seriamente a las señales GPS durante
horas. Tuvo consecuencias significativas en las
operaciones del sector aéreo.
3) En septiembre de 2017 pasaron varios fenómenos
naturales que impactaron sobre México. Para dar un
ejemplo, las radiocomunicaciones de los equipos de
atención de emergencias en el impacto del huracán Katia
sobre la zona del Golfo de México y el Caribe.
Crédito: Gonzalez-Esparza et al., 2018
9
Objetivo del trabajo
Estudiar los cambios en la ionosfera sobre el territorio nacional que pueden afectar
la operación de los sistemas con base en datos GNSS.
Tareas:
1. Con los datos de la estación de referencia GNSS instalada en el IPN desarrollar un estudio del estado de la
ionosfera local a partir de datos registrados durante 2015-2017;
2. A partir de los datos TEC calculados en SCIESMEX/LANCE para diferentes ubicaciones en México, identificar las
variaciones sistemáticas de la ionosfera sobre el territorio nacional;
3. Identificar variaciones específicas del TEC sobre México durante perturbaciones de Clima Espacial;
4. Estimar el potencial de uso de datos GNSS locales para la vigilancia de la ionosfera sobre México para las tareas
aplicables dentro del mismo sistema GNSS y otros sistemas tecnológicos.
10
Métodos de investigación
Novedad Científica
El diagnóstico del estado de la ionosfera se
puede realizar analizando datos de diferentes
instrumentos basados tanto en tierra como de
base espacial, por ejemplo:
Los estudios ionosféricos en el sector norteamericano
dentro de las latitudes 15°N-40°N son limitados.
- con datos del sondeo ionosférico vertical y
oblicuo/inclinado (ionosondas),
A veces, resulta complicado la identificación de una
perturbación en la ionosfera sin conocer las variaciones
regulares de los parámetros ionosféricos.
- datos de radares,
- datos de satélites en
(especialmente bajas),
diferentes
órbitas
- datos de riómetros,
- métodos de tomografía ionosférica,
- medios ópticos como all-sky imagers,
- estudios de TEC derivados de datos crudos de
la señal GNSS,
Los trabajos realizados sobre esta región se enfocaron en
periodos perturbados.
Este trabajo contribuye en:
o Solventar la falta de información respecto a las
variaciones regulares.
o Identificar
rasgos
específicos
del
comportamiento de la ionosfera durante
perturbaciones de Clima Espacial.
- modelado
11
Teoría General de Sistemas
“Sistema es un conjunto de unidades recíprocamente relacionadas.”
(Bertalanffy, 1950)
Pensamiento de sistemas duros: Los sistemas duros son típicamente los
encontrados en las ciencias físicas y a los cuales se puede aplicar satisfactoriamente
las técnicas tradicionales del método científico y del paradigma de ciencia.
12
Metodología de Jenkins
Aplicación de la metodología de Jenkins
al trabajo de tesis
13
Estación de referencia GNSS IPN1
14
Instalación
15
Calibración de la estación de referencia IPN1
Coordenadas de IPN1
Latitud
geográfica
19.4990° N
Latitud
geomagnética
28.24° N
Longitud
geográfica
99.13384° O
Longitud
geomagnética
29.26° O
Altitud
2.24474 km
Línea base=58 km
∆𝒓𝑺
Estación de referencia
(Coordenadas de antena
definidas con exactitud)
ෝ𝑟𝑆
𝝆
𝒓𝒓𝒖
ෝ𝑢𝑆
𝝆
Receptor usuario
(Coordenadas de antena a
calcular)
Línea
base
𝒓𝒓𝒖 = 𝒓𝒓 − 𝒓𝒖
𝒓𝒓
𝒓𝒖
Hacia el centro de
la Tierra
Crédito: Sanz et al., 2013
16
TEC, TECU
TEC, TECU
Dst, nT
Distancia de separación= 65.5 km
17
Resultados del análisis
I. Variaciones sistemáticas
-
Variación diurna
Variación día-a-día
Variación de temporada
Variación anual
Variación del ciclo solar
Variaciones de largo plazo
Variación con el ciclo solar:
Crédito: www.solarmonitor.org
18
TEC, TECU
Variaciones del ciclo solar, variaciones durante un año
CAYA
TEC, TECU
IPN1
(2016)
Ene.
Feb.
Mar.
Abr.
May.
Jun.
Jul.
Ago.
Sep.
Oct.
Nov.
Dic.
19
Hora del máximo diurno
TEC, TECU
IPN1 (2016)
En los trabajos de [Anderson 1973, Klobuchar
1983, Afraimovich 2006] describen que para
algunas regiones el máximo diurno del TEC se
presenta aproximadamente al mediodía local, con
una tendencia a presentarse en horas posteriores
de la tarde.
20
Anomalía del invierno
CAYA
Hora del máximo diurno: aspectos particulares durante diferentes temporadas, años, ciclos solares
ID
Estación
IPN1
May
Jun
Jul
Ago
Sep
Oct
Nov
Dic
14
12
12
14
14
14
14
14
16
16
12
14
CNC0
14
14
14
14
14
14
14
14
12
14
14
14
TNTB
14
14
14
14
14
16
16
14
16
16
14
12
MBIG
14
14
14
14
16
16
16
14
16
14
14
12
TEC, TECU
Abr
TEC, TECU
Mar
TEC, TECU
Feb
TEC, TECU
Ene
Ejemplo para el 2016
22
TEC, TECU
TEC, TECU
Dst, nT
Dst, nT
Variaciones diurnas: aspectos particulares – manifestación del segundo máximo diurno
23
Número días en los cuales se presentaron incrementos nocturnos del TEC en el centro de México (UCOE)
Mes
2015
(% de días)
2016
(% de días)
2017
(% de días)
Enero
Febrero
Marzo
Abril
Mayo
Junio
Julio
Agosto
Septiembre
Octubre
Noviembre
Diciembre
42
46
55
67
61
47
48
61
47
52
37
74
74
69
87
63
52
43
13
55
70
87
97
93
93
89
58
63
65
20
32
58
70
97
30
10
53
67
57
Estación del
año
Invierno
Primavera
Verano
Otoño
Invierno
Promedio anual
24
II. Variaciones de TEC durante periodos perturbados (tormentas
geomagnéticas)
Se seleccionaron dos periodos para el analisis.
(a) alta actividad solar.
De acuerdo con los resultados de trabajos anteriores,
los incrementos del TEC de corto plazo que se
presentan durante horas diurnas tienen una
dependencia longitudinal.
el sector de Norteamérica es propicio a apariciones
frecuentes de estos aumentos.
Sojka et al., 2012 confirmaron este comportamiento con
para Millstone Hill.
Para comprobar esta afirmación para latitudes bajas, se
analizó el mismo evento que analizaron Sojka et al. para
un conjunto de estaciones ubicadas en el hemisferio
norte incluyendo a México.
25
Dst, nT
TEC, TECU
TEC, TECU
TEC, TECU
TEC, TECU
Millstone
Eglin
México
Puerto Rico
26
Chilton
Chilton
TEC, TECU
TEC, TECU
(a) baja actividad solar.
México
TEC, TECU
TEC, TECU
México
27
TEC, TECU
TEC, TECU
TEC, TECU
TNTB
SABY
TEC, TECU
(a) Comparación de datos locales y
globales (misma resolución de
tiempo)
MCIG
PEIG
Dst, nT
III. Importancia de la
vigilancia local (regional)
2015
28
21/Jun
22/Jun
23/Jun
24/Jun
25/Jun
26/Jun
27/Jun
(b) Correlación entre las series de
TEC con base de datos locales en
puntos alejados del centro de país
(estación básica de GIM)
Año 2015
r
Año 2016
r
Enero
0.882
Enero
0.549
Febrero
0.898
Febrero
0.76
Marzo
0.882
Marzo
0.796
Junio
0.817
Septiembre
0.837
Diciembre
0.757
Octubre
0.123
Noviembre
0.346
Noviembre
0.368
Diciembre
0.294
29
Conclusiones.
Se estudiaron los cambios en la ionosfera sobre el territorio nacional que pueden afectar el funcionamiento de los
sistemas basados en las señales GNSS.
Para lograr este objetivo aplicamos la metodología de Jenkins.
Los siguientes resultados fueron obtenidos en este trabajo:
1. Se confirmó la función de la estación de referencia IPN1 como fuente puntual de datos y para el desarrollo de
análisis de las variaciones del estado ionosférico en el centro del país. Se formó una base de datos de esta
estación desde 2015 hasta el presente.
Los resultados con base en los datos de IPN1 fueron confirmados con datos regionales calculados en LANCE y
con datos globales.
2. Se identificaron las variaciones sistemáticas principales de TEC sobre México:
(a) Variación diurna: el valor máximo diurno de TEC se manifiesta generalmente a las 14 LT (20 UT) en
la mayor parte del país. La probabilidad de aparición de un segundo máximo en las horas nocturnas es alta y
depende del año y el mes particular, al mismo tiempo no depende de las condiciones geomagnéticas.
(b) Variación de temporada: se evidenciaron las excepciones respecto a la hora del máximo diurno
principal del TEC, las cuales están en función de la temporada del año y de la ubicación del punto de observación.
(c) Variación anual se caracteriza por la presencia de 2 máximos y 2 mínimos de TEC y la “anomalía de
invierno”.
3. Se identificaron las variaciones específicas: se confirmo que las perturbaciones positivas de TEC “de
corto plazo” son características para la región durante tormentas geomagnéticas de diferente intensidad.
30
4. Los estudios realizados muestran la importancia de vigilancia de TEC con datos locales. se destaca el potencial del
uso de los datos GNSS locales para realizar tareas de vigilancia y estimación del estado ionosférico en el territorio
nacional, dirigido a su aplicación en los esquemas de corrección del retardo ionosférico empleados en el GNSS, así
como en otros sistemas tecnológicos vulnerables a los cambios en la ionosfera.
Los resultados obtenidos en este trabajo buscan a cubrir parcialmente la descripción de las variaciones de diferente
clase que se presentan en la ionosfera sobre el territorio nacional.
Son resultados novedosos y han sido aprobados a nivel nacional e internacional, así como en publicaciones en artículos
científicos.
Como parte de las trabajos de vigilancia del Clima Espacial por parte LANCE, al autor participa en la realización del
reporte semanal de la ionosfera sobre México a partir de la metodología presentada en este trabajo.
Los resultados de los experimentos desarrollados en este trabajo, así como los análisis de estos, son relevantes para la
ampliación del conocimiento referente al comportamiento ionosférico a nivel regional/local en México.
Así también, son de utilidad para su implementación en los sistemas que a futuro sean desarrollados y que su
funcionamiento dependa de la información del estado presente de la ionosfera. Por ejemplo, los sistemas y/o
aplicaciones basadas en GNSS podría aprovechar los resultados expuestos en el presente trabajo para implementar de
esquemas de corrección del retardo ionosférico.
31
Aprobación de trabajo.
• V.J. Gatica-Acevedo, M. Sánchez-Meraz, C. Sosa-Paz, Estudio del contenido total de electrones (TEC) sobre el territorio mexicano, Científica 2015, 19,
ISSN 1665-0654, 2015.
• V.J. Gatica-Acevedo, M. Sánchez-Meraz, C. Sosa-Paz, Total Electron Content evaluation for the development of a mexican ionospheric monitoring
system. “The 29th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS+ 2016)”, Oregon, Portland,
EE.UU., Septiembre 2016.
• M.A. Sergeeva, O.A. Maltseva, J.-A. Gonzalez-Esparza, V. De la Luz, P. Corona-Romero, J.C. Mejia-Ambriz, L.X. Gonzalez, V.J. Gatica-Acevedo, E.
Romero-Hernandez, M. Rodriguez-Martinez, E. Aguilar-Rodriguez, Сomportamiento del TEC en la región norteamericana de latitudes bajas. El
congreso nacional “La Reunión Anual de la Unión Geofísica Mexicana 2017 (RAUGM)”, Puerto Vallarta, Mexico, octubre 2017.
• V.J. Gatica-Acevedo, M. Sánchez-Meraz, Propuesta de un sistema de monitoreo GNSS para México, capítulo del libro “Investigación de la ionosfera a
latitudes bajas e intermedias de Mexico”, editado por la Escuela Nacional de Estudios Superiores, Unidad Morelia, UNAM, pp. 29-45, 2017.
• M.A. Sergeeva, O.A. Maltseva, J.-A. Gonzalez-Esparza, J.C. Mejia-Ambriz, V. De la Luz, P. Corona-Romero, L.X. Gonzalez, V.J. Gatica-Acevedo, E.
Romero-Hernandez, M. Rodriguez-Martinez, E. Aguilar-Rodriguez, TEC behavior over the Mexican region, Annals of Geophysics, 61, 1, 2018, doi:
10.4401/ag-7.
• El congreso internacional “COLAGE XI - Eleventh Latin American Conference on Space Geophysics” Buenos Aires, Argentina, abril 2018. El trabajo
presentado: V. Gatica-Acevedo, M. Sergeeva, O. Maltseva, J.-A. Gonzalez-Esparza, M. Sánchez-Meraz, Analysis of systematic ionosphere variations
over Mexico based on GPS data.
• M.A. Sergeeva, J.A. Gonzalez-Esparza, D.V. Blagoveshchensky, O.A. Maltseva, A.G. Chernov, P. Corona-Romero, V. De la Luz, J.C. Mejia-Ambriz,
L.X. Gonzalez, E. Romero-Hernandez, M. Rodriguez-Martinez, E. Aguilar-Rodriguez, E. Andrade, P. Villanueva, V.J. Gatica-Acevedo, “First
observations of oblique ionospheric sounding chirp signal in Mexico”, Results in Physics March 2019, Pages 1002-1003.
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Agradecimientos.
Los valores de TEC (que compartió LANCE para esta tesis) fueron obtenidos en LANCE a partir de
observaciones de las redes GPS del Servicio Sismológico Nacional (SSN), SSN-TLALOCNet y TLALOCNet del
Servicio de Geodesia Satelital (SGS). Agradecemos al personal del SSN y del SGS por el mantenimiento de
estaciones, la adquisición de datos y el soporte de IT de estas redes. Las operaciones de las redes GPS TLALOCNet
y SSN-TLALOCNet y GAGE en México han sido apoyadas por del National Science Foundation y National
Aeronautics and Space Administration bajo los proyectos EAR-1338091 y EAR-1724794 ejecutados por UNAVCO
Inc., los proyectos CONACyT 253760, 256012 y 005955 y los proyectos UNAM-PAPIIT IN109315-3 y IN104818-3 de
E. Cabral-Cano y el proyecto UNAM-PAPIIT IN111509 de R. Pérez.
El autor expresa su gratitud a los servicios del IGS por poner a disposición los archivos IONEX a través de
la plataforma web (www.igs.org). Los datos OMNI del índice Dst y del índice F10.7 fueron obtenidos de la interfaz
web GSFC/SPDF OMNIWeb http://omniweb.gsfc.nasa.gov. El autor expresa su agradecimiento a Ilya Zhivetiev
miembro del Institute of Cosmophysical Research and Radio Wave Propagation FEB RAS por proveer el método
“tec-suite” implementado en software, así como también a Yury Yasyukevich y Anna Mylnikova miembros del Institute
of Solar–Terrestrial Physics SB RAS por poner a disposión el método “TayAbsTEC” implementado en software
disponibles en la página web http://www.gnss-lab.org. El autor expresa su gratitud al grupo de Astronomía y
Geomática (gAGE) de la Universidad Politécnica de Cataluña por poner a disposición el software “gLAB” desarrollado
bajo el contrato de la Agencia Espacial Europea (ESA) y disponible en la página web https://gage.upc.edu.
Expreso un gran agradecimiento al M. en C. Miguel Sánchez Meraz, investigador del departamento de la
Maestría en Ciencias en Ingeniería de Telecomunicaciones de la ESIME-IPN, por sus comentarios y disposición de
recursos en este trabajo, especialmente por el equipamiento de la estación de referencia IPN1.
El autor expresa su agradecimiento al Dr. Juán Américo González Esparza, jefe del Laboratorio Nacional
de Clima Espacial (LANCE) del Instituto de Geofísica Unidad Morelia de la Universidad Nacional Autónoma de
México (UNAM), por el apoyo y recursos brindados desde el LANCE para el desarrollo de este trabajo.
Expreso mi agradecimiento al Ing. Luis Salazar Tlaczani y al Dr. Enrique Cabral Cano del Instituto de
Geofísica de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), por el apoyo brindado en la monumentación e
instalación de la estación de referencia GNSS IPN1 en la ESIME Zacatenco.
Expreso mi agradecimiento al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT), por la beca otorgada
para realizar mis estudios de posgrado. Esta beca fue otorgada gracias al programa de posgrado en Ingeniería en
Sistemas de la SEPI-ESIME-Zacatenco, al cual estoy plenamente agradecido por formar parte del programa.
33
!Agradezco su atención!
34