Validation of the α

The α-μ model has become widely used in statistical analyses of radio channels, due to the flexibility provided by its two degrees of freedom. Among several applications, it has been used in the characterization of low-latitude amplitude scintillation, which frequently occurs during the nighttime of particular seasons of high solar flux years, affecting radio signals that propagate through the ionosphere. Depending on temporal and spatial distributions, ionospheric scintillation may cause availability and precision problems to users of global navigation satellite systems. The present work initially stresses the importance of the flexibility provided by α-μ model in comparison with the limitations of a single-parameter distribution for the representation of first-order statistics of amplitude scintillation. Next, it focuses on the statistical evaluation of the power spectral density of ionospheric amplitude scintillation. The formulation based on the α-μ model is developed and validated using experimental data obtained in São José dos Campos (23.1°S; 45.8°W; dip latitude 17.3°S), Brazil, located near the southern crest of the ionospheric equatorial ionization anomaly. These data were collected between December 2001 and January 2002, a period of high solar flux conditions. The results show that the proposed model fits power spectral densities estimated from field data quite well

Network-based ionospheric gradient monitoring to support ground based augmentation systems

The Ground Based Augmentation System (GBAS) is a local-area, airport-based augmentation of Global Navigation Satellite Systems (GNSSs) that provides precision approach guidance for aircraft. It enhances GNSS performance in terms of integrity, continuity, accuracy, and availability by providing differential corrections and integrity information to aircraft users. Differential corrections enable the aircraft to correct spatially correlated errors, improving its position estimation. Integrity parameters enable it to bound the residual position errors, ensuring safety of the operation. Additionally, a GBAS ground station continuously monitors and excludes the satellites affected by any system failure to guarantee the system integrity and safety. Among the error sources of GNSS positioning, the ionosphere is the largest and most unpredictable. Under abnormal ionospheric conditions, large ionospheric gradients may produce a significant difference between the ionospheric delay observed by the GBAS reference station and the aircraft on approach. Such a spatially decorrelated ionosphere could lead to hazardous unbounded position errors if undetected. Conventional GBAS solutions to mitigate this threat assume that the “worstcase" ionospheric gradient ever observed in the relevant region is always present, which is a very conservative assumption. This approach, which relies on the conservative ionospheric threat models derived for GBAS, maximizes integrity, often at the expense of availability and continuity, especially in geographic areas with highly active ionosphere. As opposed to assuming a permanent “worst-case” gradient, I propose the Network GBAS concept, in which several reference stations collaborate to monitor for actual ionospheric gradients. This concept consists of two main steps. First, the network detects the anomalous ionospheric gradients, estimates the gradient parameters, and transmits this information to the GBAS stations installed in its coverage area. Then, the GBAS stations replace the “worst-case” gradient used to mitigate the ionospheric threat in current algorithms with the gradient information provided by the network. This approach reduces conservatism and leads to an improvement of the system availability without compromising user integrity. This thesis validated the performance of the detection and estimation algorithms with simulated and real ionospheric gradients from two different locations known for their high levels of ionospheric activity. One location was Alaska, where the analyzed real anomalous gradients were small in size but fast-moving; the other location was Brazil, dominated by large-but-slow anomalous gradients. This analysis led to the adaptation of the algorithms to work in challenging scenarios. The evaluation of the Network-GBAS concept compared in simulations the availability of a Category I (CAT I) GBAS station at the Brazil location in two cases: assuming the conservative ionospheric threat model, and using the gradient information provided by the network. On a selected nominal day (i.e., with no significant ionospheric activity), availability improved from 79.5% to 94.6% during the nighttime. On a selected active day, availability improved from 68.7% to 89.5% during the nighttime. During daytime, availability achieved 100% on both days. Results demonstrate that the Network-GBAS concept can significantly enhance CAT I GBAS availability in active ionospheric regions without compromising user integrity. Furthermore, by incorporating the information provided by the network into existing solutions, the Network-GBAS is compatible with existing algorithms and hardware, and thus should be certifiable if adapted to the characteristics of each region where GBAS is fielded.El Sistema d'augmentació basat en terra (GBAS per les sigles en anglès) és un sistema d'àrea local que s'instal·la als aeroports. GBAS augmenta els senyals dels Sistemes de Navegació Globals per Satèl·lit (GNSSs) i proporciona a les aeronaus la informació necessària per fer aproximacions de precisió. El seu objectiu principal és millorar el rendiment de GNSS en termes d'integritat, continuïtat, exactitud i disponibilitat, mitjançant la transmissió de correccions diferencials i paràmetres d'integritat. Les correccions diferencials permeten a l'aeronau millorar la exactitud de la seva posició. Els paràmetres d'integritat permeten calcular límits per als errors residuals de la posició. Addicionalment, l'estació GBAS monitoritza i exclou els satèl·lits afectats per qualsevol tipus de fallida del sistema per tal de garantir la integritat i la seguretat dels usuaris. Entre les fonts d'error de GNSS, la ionosfera és la més important i més impredictible. En condicions ionosfèriques anormals, grans gradients ionosfèrics poden produir una diferència significativa entre l'error ionosfèric observat per l'estació GBAS i l'aeronau. Si aquesta diferència no es detecta i mitiga, pot provocar grans errors en la posició de l'aeronau. Les solucions GBAS convencionals per mitigar aquesta amenaça assumeixen que sempre és present el gradient ionosfèric més gran mai observat a la regió pertinent, la qual cosa constitueix una suposició molt conservadora. Aquest enfocament, basat en els models conservadors d'amenaça ionosfèrica derivats per a GBAS, maximitza la integritat, sovint a costa de la disponibilitat i la continuïtat del sistema, especialment en zones geogràfiques amb una ionosfera molt activa. Per solucionar aquest problema, aquesta tesi proposa el concepte de ¿Network-GBAS¿, en què diverses estacions de referència col·laboren per monitoritzar els gradients ionosfèrics. Aquest concepte consta de dos passos. Primer, la xarxa detecta els gradients ionosfèrics, estima els seus paràmetres i transmet aquesta informació a les estacions GBAS instal·lades a la seva zona de cobertura. Tot seguit, les estacions GBAS substitueixen el valor del gradient basat en el model d'amenaça per la informació del gradient proporcionada per la xarxa. Aquest enfocament redueix el conservadorisme i condueix a una millora de la disponibilitat del sistema sense comprometre la integritat de l’usuari. Aquesta tesi valida el rendiment dels algorismes de detecció i estimació amb gradients ionosfèrics simulats i reals de dos llocs diferents coneguts pels alts nivells d'activitat ionosfèrica. Un dels llocs és Alaska, on els gradients anòmals reals analitzats són de petit tamany, però es mouen a altes velocitats; l'altre lloc és Brasil, on els gradients característics són de grans dimensions, però lents. L'avaluació del concepte de ¿Network-GBAS¿ compara en simulacions la disponibilitat d'una estació GBAS de categoria I (CAT I) situada a la ubicació del Brasil en dos casos: assumint el model conservador d'amenaça ionosfèrica, i utilitzant la informació del gradient proporcionada per la xarxa. En un dia nominal, seleccionat per a aquest estudi, la disponibilitat del sistema va millorar del 79,5% al 94,6% durant la nit. En un dia actiu, la disponibilitat va millorar del 68,7% al 89,5% durant la nit. Durant el dia, la disponibilitat va assolir el 100% en tots dos dies. Els resultats demostren que el concepte de “Network-GBAS” millora significativament la disponibilitat d'una estació GBAS CAT I en regions ionosfèriques actives sense comprometre la integritat de l'usuari. A més, en incorporar la informació proporcionada per la xarxa en les solucions existents, el “Network-GBAS” és compatible amb els algorismes i el "hardware" existents, per la qual cosa seria certificable si s'adapta a les característiques de cada regió on s'instal·li GBASEl Sistema de Aumentación Basado en Tierra (GBAS por sus siglas en inglés) en un sistema de área local que se instala en los aeropuertos. GBAS aumenta las señales de los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSSs) y proporciona a las aeronaves la información necesaria para realizar aproximaciones de precisión. Su principal objetivo es mejorar el rendimiento de GNSS en términos de integridad, continuidad, exactitud y disponibilidad, mediante la transmisión de correcciones diferenciales y parámetros de integridad. Las correcciones diferenciales le permiten a la aeronave mejorar la exactitud de su posición. Los parámetros de integridad le permiten calcular límites para los errores residuales de posición. Adicionalmente, la estación GBAS monitoriza y excluye los satélites afectados por cualquier tipo de fallo en el sistema para garantizar la integridad y la seguridad de los usuarios. Entre las fuentes de error de GNSS, la ionosfera es la mayor y más impredecible. En condiciones ionosféricas anormales, los grandes gradientes ionosféricos pueden producir una diferencia significativa entre el error ionosférico observado por la estación GBAS y la aeronave. Si esta diferencia no se detecta y se mitiga, podría dar lugar a grandes errores en la posición de la aeronave. Las soluciones GBAS convencionales para mitigar esta amenaza asumen que el gradiente ionosférico más grande jamás observado en la región pertinente está siempre presente, lo cual es una suposición muy conservadora. Este enfoque, basado en los modelos conservadores de amenaza ionosférica derivados para GBAS, maximiza la integridad, a menudo a expensas de la disponibilidad y la continuidad del sistema, especialmente en zonas geográficas con una ionosfera muy activa. Para solucionar este problema, esta tesis propone el concepto de "Network-GBAS", en el que varias estaciones de referencia colaboran para monitorizar los gradientes ionosféricos. Este concepto consta de dos pasos. Primero, la red detecta los gradientes ionosféricos, estima sus parámetros y transmite esta información a las estaciones GBAS instaladas en su zona de cobertura. A continuación, las estaciones GBAS sustituyen el valor del gradiente basado en el modelo de amenaza por la información del gradiente proporcionada por la red. Este enfoque reduce el conservadurismo y conduce a una mejora de la disponibilidad del sistema sin comprometer la integridad del usuario. Esta tesis valida el rendimiento de los algoritmos de detección y estimación con gradientes ionosféricos simulados y reales de dos lugares diferentes conocidos por sus altos niveles de actividad ionosférica. Uno de los lugares es Alaska, en donde los gradientes anómalos reales analizados son de pequeño tamaño, pero se mueven a altas velocidades; el otro lugar es Brasil, en donde los gradientes característicos son de gran tamaño, pero lentos. La evaluación del concepto de “Network-GBAS" compara en simulaciones la disponibilidad de una estación GBAS de Categoría I (CAT I) situada en la ubicación de Brasil en dos casos: asumiendo el modelo conservador de amenaza ionosférica, y utilizando la información del gradiente proporcionada por la red. En un día nominal, seleccionado para este estudio, la disponibilidad del sistema mejoró del 79;5% al 94; 6% durante la noche. En un día activo, la disponibilidad mejoró del 68;7% al 89; 5% durante la noche. Durante el día, la disponibilidad alcanzó el 100% en ambos días. Los resultados demuestran que el concepto de “Network-GBAS" mejora significativamente la disponibilidad de una estación GBAS CAT I en regiones ionosféricas activas sin comprometer la integridad del usuario. Además, al incorporar la información proporcionada por la red en las soluciones existentes, el "Network-GBAS" es compatible con los algoritmos y el hardware existentes, por lo que sería certificable si se adapta a las características de cada región en la que se instale GBAS.Postprint (published version

Network-based ionospheric gradient monitoring to support ground based augmentation systems

The Ground Based Augmentation System (GBAS) is a local-area, airport-based augmentation of Global Navigation Satellite Systems (GNSSs) that provides precision approach guidance for aircraft. It enhances GNSS performance in terms of integrity, continuity, accuracy, and availability by providing differential corrections and integrity information to aircraft users. Differential corrections enable the aircraft to correct spatially correlated errors, improving its position estimation. Integrity parameters enable it to bound the residual position errors, ensuring safety of the operation. Additionally, a GBAS ground station continuously monitors and excludes the satellites affected by any system failure to guarantee the system integrity and safety. Among the error sources of GNSS positioning, the ionosphere is the largest and most unpredictable. Under abnormal ionospheric conditions, large ionospheric gradients may produce a significant difference between the ionospheric delay observed by the GBAS reference station and the aircraft on approach. Such a spatially decorrelated ionosphere could lead to hazardous unbounded position errors if undetected. Conventional GBAS solutions to mitigate this threat assume that the “worstcase" ionospheric gradient ever observed in the relevant region is always present, which is a very conservative assumption. This approach, which relies on the conservative ionospheric threat models derived for GBAS, maximizes integrity, often at the expense of availability and continuity, especially in geographic areas with highly active ionosphere. As opposed to assuming a permanent “worst-case” gradient, I propose the Network GBAS concept, in which several reference stations collaborate to monitor for actual ionospheric gradients. This concept consists of two main steps. First, the network detects the anomalous ionospheric gradients, estimates the gradient parameters, and transmits this information to the GBAS stations installed in its coverage area. Then, the GBAS stations replace the “worst-case” gradient used to mitigate the ionospheric threat in current algorithms with the gradient information provided by the network. This approach reduces conservatism and leads to an improvement of the system availability without compromising user integrity. This thesis validated the performance of the detection and estimation algorithms with simulated and real ionospheric gradients from two different locations known for their high levels of ionospheric activity. One location was Alaska, where the analyzed real anomalous gradients were small in size but fast-moving; the other location was Brazil, dominated by large-but-slow anomalous gradients. This analysis led to the adaptation of the algorithms to work in challenging scenarios. The evaluation of the Network-GBAS concept compared in simulations the availability of a Category I (CAT I) GBAS station at the Brazil location in two cases: assuming the conservative ionospheric threat model, and using the gradient information provided by the network. On a selected nominal day (i.e., with no significant ionospheric activity), availability improved from 79.5% to 94.6% during the nighttime. On a selected active day, availability improved from 68.7% to 89.5% during the nighttime. During daytime, availability achieved 100% on both days. Results demonstrate that the Network-GBAS concept can significantly enhance CAT I GBAS availability in active ionospheric regions without compromising user integrity. Furthermore, by incorporating the information provided by the network into existing solutions, the Network-GBAS is compatible with existing algorithms and hardware, and thus should be certifiable if adapted to the characteristics of each region where GBAS is fielded.El Sistema d'augmentació basat en terra (GBAS per les sigles en anglès) és un sistema d'àrea local que s'instal·la als aeroports. GBAS augmenta els senyals dels Sistemes de Navegació Globals per Satèl·lit (GNSSs) i proporciona a les aeronaus la informació necessària per fer aproximacions de precisió. El seu objectiu principal és millorar el rendiment de GNSS en termes d'integritat, continuïtat, exactitud i disponibilitat, mitjançant la transmissió de correccions diferencials i paràmetres d'integritat. Les correccions diferencials permeten a l'aeronau millorar la exactitud de la seva posició. Els paràmetres d'integritat permeten calcular límits per als errors residuals de la posició. Addicionalment, l'estació GBAS monitoritza i exclou els satèl·lits afectats per qualsevol tipus de fallida del sistema per tal de garantir la integritat i la seguretat dels usuaris. Entre les fonts d'error de GNSS, la ionosfera és la més important i més impredictible. En condicions ionosfèriques anormals, grans gradients ionosfèrics poden produir una diferència significativa entre l'error ionosfèric observat per l'estació GBAS i l'aeronau. Si aquesta diferència no es detecta i mitiga, pot provocar grans errors en la posició de l'aeronau. Les solucions GBAS convencionals per mitigar aquesta amenaça assumeixen que sempre és present el gradient ionosfèric més gran mai observat a la regió pertinent, la qual cosa constitueix una suposició molt conservadora. Aquest enfocament, basat en els models conservadors d'amenaça ionosfèrica derivats per a GBAS, maximitza la integritat, sovint a costa de la disponibilitat i la continuïtat del sistema, especialment en zones geogràfiques amb una ionosfera molt activa. Per solucionar aquest problema, aquesta tesi proposa el concepte de ¿Network-GBAS¿, en què diverses estacions de referència col·laboren per monitoritzar els gradients ionosfèrics. Aquest concepte consta de dos passos. Primer, la xarxa detecta els gradients ionosfèrics, estima els seus paràmetres i transmet aquesta informació a les estacions GBAS instal·lades a la seva zona de cobertura. Tot seguit, les estacions GBAS substitueixen el valor del gradient basat en el model d'amenaça per la informació del gradient proporcionada per la xarxa. Aquest enfocament redueix el conservadorisme i condueix a una millora de la disponibilitat del sistema sense comprometre la integritat de l’usuari. Aquesta tesi valida el rendiment dels algorismes de detecció i estimació amb gradients ionosfèrics simulats i reals de dos llocs diferents coneguts pels alts nivells d'activitat ionosfèrica. Un dels llocs és Alaska, on els gradients anòmals reals analitzats són de petit tamany, però es mouen a altes velocitats; l'altre lloc és Brasil, on els gradients característics són de grans dimensions, però lents. L'avaluació del concepte de ¿Network-GBAS¿ compara en simulacions la disponibilitat d'una estació GBAS de categoria I (CAT I) situada a la ubicació del Brasil en dos casos: assumint el model conservador d'amenaça ionosfèrica, i utilitzant la informació del gradient proporcionada per la xarxa. En un dia nominal, seleccionat per a aquest estudi, la disponibilitat del sistema va millorar del 79,5% al 94,6% durant la nit. En un dia actiu, la disponibilitat va millorar del 68,7% al 89,5% durant la nit. Durant el dia, la disponibilitat va assolir el 100% en tots dos dies. Els resultats demostren que el concepte de “Network-GBAS” millora significativament la disponibilitat d'una estació GBAS CAT I en regions ionosfèriques actives sense comprometre la integritat de l'usuari. A més, en incorporar la informació proporcionada per la xarxa en les solucions existents, el “Network-GBAS” és compatible amb els algorismes i el "hardware" existents, per la qual cosa seria certificable si s'adapta a les característiques de cada regió on s'instal·li GBASEl Sistema de Aumentación Basado en Tierra (GBAS por sus siglas en inglés) en un sistema de área local que se instala en los aeropuertos. GBAS aumenta las señales de los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSSs) y proporciona a las aeronaves la información necesaria para realizar aproximaciones de precisión. Su principal objetivo es mejorar el rendimiento de GNSS en términos de integridad, continuidad, exactitud y disponibilidad, mediante la transmisión de correcciones diferenciales y parámetros de integridad. Las correcciones diferenciales le permiten a la aeronave mejorar la exactitud de su posición. Los parámetros de integridad le permiten calcular límites para los errores residuales de posición. Adicionalmente, la estación GBAS monitoriza y excluye los satélites afectados por cualquier tipo de fallo en el sistema para garantizar la integridad y la seguridad de los usuarios. Entre las fuentes de error de GNSS, la ionosfera es la mayor y más impredecible. En condiciones ionosféricas anormales, los grandes gradientes ionosféricos pueden producir una diferencia significativa entre el error ionosférico observado por la estación GBAS y la aeronave. Si esta diferencia no se detecta y se mitiga, podría dar lugar a grandes errores en la posición de la aeronave. Las soluciones GBAS convencionales para mitigar esta amenaza asumen que el gradiente ionosférico más grande jamás observado en la región pertinente está siempre presente, lo cual es una suposición muy conservadora. Este enfoque, basado en los modelos conservadores de amenaza ionosférica derivados para GBAS, maximiza la integridad, a menudo a expensas de la disponibilidad y la continuidad del sistema, especialmente en zonas geográficas con una ionosfera muy activa. Para solucionar este problema, esta tesis propone el concepto de "Network-GBAS", en el que varias estaciones de referencia colaboran para monitorizar los gradientes ionosféricos. Este concepto consta de dos pasos. Primero, la red detecta los gradientes ionosféricos, estima sus parámetros y transmite esta información a las estaciones GBAS instaladas en su zona de cobertura. A continuación, las estaciones GBAS sustituyen el valor del gradiente basado en el modelo de amenaza por la información del gradiente proporcionada por la red. Este enfoque reduce el conservadurismo y conduce a una mejora de la disponibilidad del sistema sin comprometer la integridad del usuario. Esta tesis valida el rendimiento de los algoritmos de detección y estimación con gradientes ionosféricos simulados y reales de dos lugares diferentes conocidos por sus altos niveles de actividad ionosférica. Uno de los lugares es Alaska, en donde los gradientes anómalos reales analizados son de pequeño tamaño, pero se mueven a altas velocidades; el otro lugar es Brasil, en donde los gradientes característicos son de gran tamaño, pero lentos. La evaluación del concepto de “Network-GBAS" compara en simulaciones la disponibilidad de una estación GBAS de Categoría I (CAT I) situada en la ubicación de Brasil en dos casos: asumiendo el modelo conservador de amenaza ionosférica, y utilizando la información del gradiente proporcionada por la red. En un día nominal, seleccionado para este estudio, la disponibilidad del sistema mejoró del 79;5% al 94; 6% durante la noche. En un día activo, la disponibilidad mejoró del 68;7% al 89; 5% durante la noche. Durante el día, la disponibilidad alcanzó el 100% en ambos días. Los resultados demuestran que el concepto de “Network-GBAS" mejora significativamente la disponibilidad de una estación GBAS CAT I en regiones ionosféricas activas sin comprometer la integridad del usuario. Además, al incorporar la información proporcionada por la red en las soluciones existentes, el "Network-GBAS" es compatible con los algoritmos y el hardware existentes, por lo que sería certificable si se adapta a las características de cada región en la que se instale GBAS.Ciència i tecnologia aeroespacial

Imaging ionospheric irregularities by earth observation radar satellite

The sensitivity of Synthetic Aperture Radar (SAR) satellite signal in the L-band to ionospheric plasma density is used to obtain two-dimensional imaging of ionospheric density irregularities. As an application for equatorial ionosphere, we have recently reported first simultaneous observation of equatorial plasma bubble by the ALOS-2/PALSAR-2 satellite and a ground 630-nm airglow imager in northern Brazil. In this case, SAR ionospheric scintillation are represented as stripe-like signature of radar image over the terrain along the local magnetic field lines near an airglow depletion region. This so-called SAR scintillation stripes are discussed to be the signature of existing small-scale plasma irregularities with the scale size of hundreds of meters associated with equatorial plasma bubbles. We present the observational setup and the interpretation of SAR signal parameters to characterize the two-dimensional ionospheric density structures, and discuss future studies

A multi-instrumental approach to the study of equatorial ionosphere over South America

An extensive study of the morphology and the dynamics of the equatorial ionosphere over South America is presented here. A multi parametric approach is used to describe the physical characteristics of the ionosphere in the regions where the combination of the thermospheric electric field and the horizontal geomagnetic field creates the so-called Equatorial Ionization Anomalies. Ground based measurements from GNSS receivers are used to link the Total Electron Content (TEC), its spatial gradients and the phenomenon known as scintillation that can lead to a GNSS signal degradation or even to a GNSS signal ‘loss of lock’. A new algorithm to highlight the features characterizing the TEC distribution is developed in the framework of this thesis and the results obtained are validated and used to improve the performance of a GNSS positioning technique (long baseline RTK). In addition, the correlation between scintillation and dynamics of the ionospheric irregularities is investigated. By means of a software, here implemented, the velocity of the ionospheric irregularities is evaluated using high sampling rate GNSS measurements. The results highlight the parallel behaviour of the amplitude scintillation index (S4) occurrence and the zonal velocity of the ionospheric irregularities at least during severe scintillations conditions (post-sunset hours). This suggests that scintillations are driven by TEC gradients as well as by the dynamics of the ionospheric plasma. Finally, given the importance of such studies for technological applications (e.g. GNSS high-precision applications), a validation of the NeQuick model (i.e. the model used in the new GALILEO satellites for TEC modelling) is performed. The NeQuick performance dramatically improves when data from HF radar sounding (ionograms) are ingested. A custom designed algorithm, based on the image recognition technique, is developed to properly select the ingested data, leading to further improvement of the NeQuick performance

Network‐based ionospheric gradient monitoring to support GBAS

Large ionospheric gradients acting between a Ground Based Augmentation System (GBAS) reference station and an aircraft on approach could lead to hazardous position errors if undetected. Current GBAS stations provide solutions against this threat that rely on the use of “worst‐case” conservative threat models, which could limit the availability of the system. This paper presents a methodology capable of detecting ionospheric gradients in real time and estimating the actual threat model parameters based on a network of dual‐frequency and multi‐constellation GNSS monitoring stations. First, we evaluate the performance of our algorithm with synthetic gradients that are simulated over the nominal measurements recorded by a reference network in Alaska. Afterwards, we also assess it with one real ionospheric gradient measured by the same network. Results with both simulated gradients and a real gradient show the potential to support GBAS by detecting and estimating these gradients instead of always using “worst‐case” models

GNSS-based global ionospheric maps : real-time combination, time resolution and applications on space weather monitoring

Tesi amb una secció retallada per drets d'editor.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.Postprint (published version