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

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. ----------ABSTRACT---------- This research seeks to generate an important contribution in the knowledge of the Colombian ionosphere, understanding that the location of Colombia within the zone of equatorial anomaly, presents difficulties in the development of activities that involve the use of electromagnetic waves and satellite technologies. The propagation of radio signals in this region is affected by their interaction with the ionosphere without being able to fully correct these effects because the existing models for this don’t give an adequate response to the different phenomena that alter their behavior in a random and practically Unpredictable. In the work, an in-depth review of the theory related to the terrestrial ionosphere, its composition, the factors that alter it and the peculiarities of the zone of equatorial anomaly is developed, in order to present the context of the difficulty that implies the modeling of the ionosphere and the correction of its effects on the GNSS signal and other affected signals. As well as presenting the scientific basis for the principles of propagation of electromagnetic waves in the atmosphere, to give an understanding of the principles used later in the experimental developments. A review of the ionospheric models and techniques of measurement or study of the electron content in the ionosphere is made, in order to analyze the most commonly used models and to establish their efficiency in the modeling of the ionosphere and the causes of their errors, Advantages and disadvantages of its use. As a result, we find that the use of physical, empirical, etc. models. In order to correct ionospheric effects in the study area, it doesn’t represent an adequate solution to these effects, because the behavior of the TEC (Total Electron Content) in this zone of the ionosphere presents variations for many "non-modelable" reasons, not Only restricted to periods of high solar activity. Abrupt changes and sudden and random reactions are not predictable by models such as those commonly used by GNSS and other data processing tools, this requires that measured and non-modeled information is required, making the proposed Instrumentation and measurement of the TEC in the area, the logical step to propose. In order to propose a platform for the study of the Colombian ionosphere, three data sources are presented. The first is a TEC estimation platform in a single layer model by the generation of TEC maps, from the application of the free geometry model (MLG) to the data of GNSS stations of the region, considering the use of all the available stations, of all networks at the continental level; Trying to generate a complete coverage of the study area. The second is the construction of a Very Low Frequency (VLF) signal monitor, which, based on signal tracking in the range of 15 to 60 kHz from transmitter stations of military bases distributed around the world, The height of the D layer of the ionosphere and the electron density at that height, using the models of (R. M. Davis & Berry, 1977; Ferguson, 1998; Poulsen, William L., Inan Umran S., 1993; Thomson, 1993). This allows not only to know the characteristics of the ionosphere in its lower part, but also the behavior of the ionosphere and the solar activity, being especially useful in periods of maximum solar activity and solar storms, generating data in real time, of the occurrence of a sudden phenomenon of solar nature or that instantaneously affects the ionosphere, allowing to generate alerts of solar storm and bulletins of possible ejections of coronary mass in practically real time. This development was completed and verified its operation over more than 2 years. Towards the final part, the development of a digital ionosonde is proposed, using a component called USRP, which allows generation and analysis over a wide frequency range, combined with other components and software tools developed. Frequency sweep from the transmission-reception of responses that finally generates a series of data for the construction of an ionogram, with a height attainable up to 700 km of characterization of the upper layers of the ionosphere. The developed prototype of the instrument has a resolution of 5 km, which can be improved by modifying the configuration of the frequency sweep and its processing, taking advantage of the capabilities of the base technology USRP. In the final part, the integration of the data resulting from the two instruments and the TEC maps is proposed as a source of characterization of the ionosphere in the zone of equatorial anomaly, in particular for the Colombian territory and as a solution to the problem of correction of the GNSS signals in this area

Implementation of an Electronic Ionosonde to Monitor the Earth’s Ionosphere via a Projected Column through USRP

This document illustrates the processes carried out for the construction of an ionospheric sensor or ionosonde, from a universal software radio peripheral (USRP), and its programming using GNU-Radio and MATLAB. The development involved the in-depth study of the characteristics of the ionosphere, to apply the corresponding mathematical models used in the radar-like pulse compression technique and matched filters, among others. The sensor operates by firing electromagnetic waves in a frequency sweep, which are reflected against the ionosphere and are received on its return by the receiver of the instrument, which calculates the reflection height through the signal offset. From this information and a series of calculations, the electron density of the terrestrial ionosphere could be obtained. Improving the SNR of received echoes reduces the transmission power to a maximum of 400 W. The resolution associated with the bandwidth of the signal used is approximately 5 km, but this can be improved, taking advantage of the fact that the daughterboards used in the USRP allow a higher sampling frequency than the one used in the design of this experiment

Análisis del escenario sísmico en Santiago de Cali ante la ocurrencia de un terremoto similar al del 07 de junio de 1925.

El riesgo sísmico se ve influenciado principalmente por la probabilidad de ocurrencia de un evento sísmico de tipo tectónico, y, a los posibles efectos que conllevaría este tipo de fenómenos en un lugar determinado. Al establecer el riesgo sísmico para un área en particular se deben considerar las distintas estancias para plantear los diferentes escenarios del riesgo, entre ellos el conocimiento adecuado de los sismos históricos y recientes de mayor afectación. Existen condiciones que predisponen, en mayor o menor medida, a un territorio a ser vulnerable. Dichas condiciones de vulnerabilidad son determinadas, en muchos casos, por: la población acentuada, la densidad y el tipo de construcciones presentes o la estructura del suelo, además de la capacidad de anticipación para resistir un evento natural (sísmico). Esto permite constituir, en gran parte, el grado de riesgo inmerso, teniendo en cuenta, a su vez, el adecuado u óptimo desempeño de la gestión del riesgo. Estudiar las condiciones de sociales, políticas, institucionales y estructurales que predisponen sitúan a Santiago de Cali en estado de vulnerabilidad frente a eventos sísmicos, permite establecer los escenarios más propensos a sufrir daños sustanciales por la ocurrencia de un terremoto, como el sucedido en esta ciudad en el año 1925 que causó graves daños y la destrucción parcial de algunas de las edificaciones existentes. A pesar de que el sismo de 1925 causó severos daños en la ciudad de Cali, sus parámetros físicos y la fuente generadora son desconocidos desde el punto de vista científico y técnico, situación que agrava las condiciones de amenaza y vulnerabilidad. Esto hace urgente la necesidad de realizar estudios tendientes al esclarecimiento de las particularidades sismológicas del terremoto ocurrido el 07 de junio de 1925 en el suroccidente colombiano. Las características del desarrollo y crecimiento urbanístico de Cali presuponen su alta condición de vulnerabilidad, colocándola en propensión de sufrir una situación de desastre ante la ocurrencia de un terremoto como el de 1925. Según el principio de “uniformitarismo”, es de suponer que este evento tiende a repetirse en el mismo lugar de su ocurrencia, que infortunadamente hoy aún desconocemos. Por lo cual, se requiere, de manera inminente, determinar las características físicas del terremoto, el nivel de vulnerabilidad y el estado de la gestión del riesgo en la ciudad. Bajo estas circunstancias, este proyecto de investigación se planteó los siguientes interrogantes: 1. ¿Cuáles son los parámetros físicos reales del terremoto de 07 de junio de 1925, que causó graves daños materiales en la ciudad Santiago de Cali? 2. ¿Cuáles son las condiciones de fragilidad que tiene la ciudad, que ante su desarrollo y crecimiento urbanístico la hacen vulnerable ante un evento sísmico similar al ocurrido en el año de 1925? 3. ¿Está la ciudad de Cali preparada para enfrentar un sismo con características físicas similares al terremoto del año 1925