GNSS-based global ionospheric maps : real-time combination, time resolution and applications on space weather monitoring
Authors:   , Liu Qi 
Published: October 2023

The research of this paper-based dissertation is focused on the Global Ionospheric Maps (GIMs) based on Global Navigation Satellite System (GNSS) including real-time combination, validation, time resolution and applications. The novelty of these works can be summarized as follows:

The first contribution is to connect GIM assessment methods in post-processing and real-time mode including Jason-altimeter Vertical Total Electron Content (VTEC) assessment, GNSS differences of Slant Total Electron Content (dSTEC) assessment and real-time dSTEC (RT-dSTEC) assessment. With the RT-dSTEC assessment, we can assess the accuracy and calculate the weight of different real-time GIMs for combination in real-time mode. The Jason-altimeter VTEC assessment and dSTEC assessment can be used for evaluating GIMs over oceans and continental regions, respectively. In addition, the accurate GIMs shown in the GIM assessment methods can be regarded as reliable representations of global VTEC.

The second contribution is to apply the RT-dSTEC assessment in real-time mode for the combination of different International GNSS Service (IGS) real-time GIMs. The IGS combined real-time GIM is generated to provide robust ionospheric corrections for real-time GNSS positioning and reliable global VTEC distribution for earth observations. The current status of IGS real-time GIMs from different centers is summarized and compared. The Jason-altimeter VTEC assessment and dSTEC assessment in post-processing mode are used for the validation of IGS real-time GIMs. The sensibility of real-time weighting technique by RT-dSTEC assessment is also verified.

The third contribution is to investigate the influence of temporal resolution on the performance of GIMs. The variation of ionosphere is typically assumed as linear between two consecutive GIM TEC maps in a sun-fixed reference frame for up to few hours. However, the variation of ionospheric TEC is irregular due to the occurrence of space weather events. One and a half solar cycle of the IGS GIM with higher time resolution and accuracy (the UPC-IonSAT Quarter-of-an-hour time resolution Rapid GIM, UQRG) has been taken as a baseline to downsample them to all possible sub-daily temporal resolutions. The performance of the resulting GIMs has been evaluated taking into account the geographical position, solar and geomagnetic activity by Jason-altimeter VTEC assessment and dSTEC assessment.

The fourth contribution is to propose a new way of estimating the spatial and temporal components of the VTEC gradient. The determination of ionospheric perturbation degrees can be helpful for guaranteeing the safety level of Satellite-Based Augmentation System (SBAS) and Ground-Based Augmentation System (GBAS) services. In order to estimate the spatial and temporal components of the VTEC gradient on a global scale, the accurate UQRG is selected. The VTEC gradient indices derived from UQRG GIMs (VgUG) allow users to obtain full (non-relative) values of
TEC spatial gradients and temporal variations separately. The Regional VTEC spatial Gradient indices, based on UQRG (RVGU) and the Regional Ionospheric Disturbance index based on UQRG (RIDU), are proposed to estimate the regional ionospheric perturbation degree over selected regions. In addition, the spatial and temporal components of VTEC gradient at grid points of UQRG on a global scale are also introduced.

The fifth contribution is to define a new ionospheric storm scale. The ionospheric response to high geomagnetic activity, ionospheric storm, can enlarge GNSS positioning errors by the increase of ionospheric electron density and disable high-frequency communications by the decrease of ionospheric electron density. To characterize the ionospheric state on a global scale, reliable global VTEC distribution is essential. According to previous studies, UQRG is one of the most accurate GIM. In this regard, the new Ionospheric storm Scale based on UQRG, IsUG, is proposed.

La investigación de esta tesis doctoral se centra en los Mapas Ionosféricos Globales (GIMs) basados en el Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS), incluyendo la combinación en tiempo real, la validación, la resolución temporal y su aplicación. La novedad de los trabajos presentados puede resumirse como sigue: La primera contribución consiste en conectar los métodos de evaluación de los GIM en modo de posprocesamiento y en tiempo real, incluyendo la evaluación VTEC gracias a las medidas de los altímetros Jason, la evaluación del contenido total de electrones diferencial (dSTEC) y la evaluación dSTEC en tiempo real (RT-dSTEC). Con la evaluación RT-dSTEC, podemos evaluar la precisión y calcular el peso de diferentes GIM en tiempo real para su combinación también en tiempo real. La evaluación VTEC del altímetro Jason y la evaluación dSTEC pueden utilizarse para evaluar los GIM sobre los océanos y las regiones continentales, respectivamente. Además, los GIM precisos mostrados en los métodos de evaluación de GIM pueden considerarse como representaciones fiables del contenido total de electrones vertical global (VTEC). La segunda contribución consiste en aplicar la evaluación RT-dSTEC en tiempo real para la combinación de diferentes GIM del Servicio Internacional GNSS (IGS), todo ello en tiempo real. El GIM IGS combinado resultante proporciona correcciones ionosféricas robustas para el posicionamiento GNSS en tiempo real y una distribución global de VTEC fiable para las observaciones terrestres. Se resume y compara el estado actual de los GIM en tiempo real de diferentes centros IGS. La evaluación de VTEC respecto de los altímetros Jason y la evaluación de dSTEC en modo de posprocesamiento también se utilizan para la validación de los GIM en tiempo real del IGS. Y se verifica la sensibilidad de la técnica de ponderación en tiempo real mediante la evaluación RT-dSTEC. La tercera contribución consiste en proponer una nueva forma de estimar las componentes espaciales y temporales del gradiente VTEC. La determinación de los grados de perturbación ionosférica puede ser útil para garantizar el nivel de seguridad de los servicios del Sistema de Aumento Basado en Satélites (SBAS) y del Sistema de Aumento Basado en Tierra (GBAS). Para estimar los componentes espaciales y temporales del gradiente de VTEC a escala global, se selecciona el GIM UQRG debido a su exactitud y resolución temporal. Los índices de gradiente VTEC derivados de los GIM de UQRG (VgUG) permiten a los usuarios obtener valores completos (no relativos) de gradientes espaciales de VTEC y de las variaciones temporales por separado. Los índices de gradiente espacial VTEC regional, basados en UQRG (RVGU) y el índice de perturbación ionosférica regional basado en UQRG (RIDU), se proponen para estimar el grado de perturbación ionosférica regional sobre zonas de interés. Además también se introducen los componentes espaciales y temporales del gradiente VTEC en los puntos de la cuadrícula con valores proporcionados por UQRG a escala global. La cuarta contribución consiste en definir una nueva escala de tormentas ionosféricas. La respuesta ionosférica a la alta actividad geomagnética, la tormenta ionosférica, puede aumentar los errores de posicionamiento del GNSS por el aumento de la densidad de electrones ionosféricos e inhabilitar las comunicaciones de alta frecuencia por la disminución y en general rápida variación de la densidad de electrones ionosféricos. Para caracterizar el estado de la ionosfera a escala global, es esencial contar con una distribución global fiable de VTEC. Según estudios anteriores, el UQRG es uno de los GIM más precisos. En este sentido se propone la nueva Escala de tormentas ionosféricas basada en UQRG, IsUG.