GNSS-satellitsignaler påverkas av den elektriskt laddade delen av jordens atmosfär som sträcker sig från jordens yta till en höjd av cirka 1 000 km. Effekten är en funktion av antalet fria elektroner längs signalvägen som mäts av det totala elektroninnehållet (TEC). Jonosfären är dispersiv för radiovågor, och för GNSS-signalerna är effekten av jonosfären därför olika för de olika GNSS-signalfrekvenserna. De huvudsakliga effekterna på satellitsignalerna är signalhastighetsförändringar. Vidare kan satellitsignaler också påverkas av småskaliga oregelbundenheter i jonosfären, vilket kan orsaka allvarlig amplituddämpning och fasscintillationseffekter. Jonosfärens effekt på satellitsignalerna inducerar ett fel som måste hanteras i positioneringsprocessen när GNSS används för positionering och navigering. Med data från permanenta kontinuerligt arbetande GNSS-referensstationer (CORS), där stationskoordinaterna är mycket väl uppskattade, kan jonosfärens effekt på satellitsignalerna extraheras och användas för modellering. I RTK är den totala signalfördröjningen vid roverutrustningen beroende av dess korrelation med den totala signalfördröjningen för en fysisk referensstation, som idealiskt är belägen nära användarmottagaren(rover). Baslinjevektorer mellan rover och referensstationen beräknas från de totala fördröjningsskillnaderna för de synliga satelliterna. Skillnaderna i den jonosfärsfördröjningen vid referens respektive rover är därför mätfel som bidrar till koordinatfel. Ju kortare baslinjen är mellan referensen och rover, desto mindre fel. Stora jonosfäriska fördröjningsskillnader bidrar till stora mätfel som resulterar i större koordinatfel. Hög jonosfärisk spatial variabilitet kan utgöra ett problem för RTK-mätningar och möjligheten att hitta rätt antal periodobekanta (nå fix-lösning). Problem kan uppstå för användare på olika sätt. I värsta fall kan RTK-mjukvaran (antingen vid referensen eller på roversidan eller båda i vissa fall) inte lösa periodobekanta eller lösa dem felaktigt, vilket resulterar i en felaktig mätning. En annan konsekvens är att tiden det tar för mottagaren att lösa fastvetydigheterna och producera en mätning kan öka avsevärt. RTK-mätningar kan också resultera i fel på grund av "cycle slips" (en eller flera mottagare tappar låsning på GNSS-signaler) orsakade av jonosfärseffekter. Dessa ”cycle slips” uppstår på grund av tillfällig förlust av signalen som orsakar plötsliga hopp i en mottagares insamling av data. Stora variationer i elektronkoncentration kan vara orsaken till minskning eller variationer av signalstyrkan. Den första delen av denna rapport ger en genomgång av det senaste inom jonosfärmodellering på internationell nivå följt av en genomgång av tidigare arbete utfört av RISE och Lantmäteriet inom ramen för CLOSE II-projektet. CLOSE-RTK II-genomgången är mer detaljerad eftersom delar av metodiken tillämpas även för det nyare arbetet som presenteras i det sista avsnittet av denna aktivitet, dvs. en experimentell undersökning av jonosfärseffekter på GNSS RTK. Nyckelord: GNSS-satellitsignaler, jonosfären, totalt elektroninnehåll (TEC), signalfördröjning, RTK (Real-Time Kinematic), koordinatfel, cycle slips, CLOSE- projektet, positionering och navigering, modellering av jonosfärseffekter

GNSS satellite signals are affected by the electrically charged part of the Earth’s atmosphere extending from the surface of the Earth to an altitude of about 1,000 km. The effect is a function of the number of free electrons along the signal path which is measured by the total electron content (TEC). The ionosphere is dispersive for radio waves, and for the GNSS signals the effect of the ionosphere is therefore different for the different transmitted GNSS signal frequencies. The main effects on the satellite signals are the group delay and the phase advance. These are approximately equal in size, but with opposite sign for the code and phase observations. Further, satellite signals can also be affected by small scale irregularities in the ionosphere, which can cause severe amplitude fading and phase scintillation effects. The effect of the ionosphere on the satellite signals induces an error which must be handled in the positioning process when GNSS is used for positioning and navigation. With data from permanent continuously operating GNSS reference (CORS) stations, where the station coordinates are very well estimated, the effect of the ionosphere on the satellite signals can be extracted and used for ionospheric modelling. In RTK the total signal delay at the rover equipment is dependent on its correlation with the total signal delay of a physical reference station, which ideally is located close to the rover. The rover to reference station baseline vectors are calculated from the total delay differences for the visible satellites. The differences in the ionospheric part of the delay at reference and rover are therefore measurement errors that contribute to coordinate errors. The shorter the baseline between the reference and the rover, the smaller errors. To summarize the major ionospheric effects on RTK measurements, it can be said that large ionospheric delay differences contribute to large measurement errors that results in larger coordinate errors. High ionospheric spatial variability may constitute a problem for RTK measurements and the possibility to find the correct number of phase cycles, thus complicating the phase ambiguity resolution. Problems may occur for users in different ways. In a worst case the RTK software (either at the reference or at the rover side or both in some cases) is unable to resolve the ambiguities or resolves them incorrectly which would produce a nonreliable measurement. Another consequence is that the time it takes for the receiver to resolve the phase ambiguities and produce a measurement can increase substantially. RTK measurements can also result in errors due to “signal slips” caused by Ionospheric effects. These slips occur due to temporary loss of the signal causing sudden jumps in the phase data of a receiver. Large variations in electron concentration can be the reason for such reduction of the signal strength. The first part of this report provides a review of state of the art in ionosphere modelling at an international level followed by a review of previous work carried out by RISE and Lantmäteriet within the frame of the CLOSE II project. The CLOSE- RTK II review is more detailed because parts of the methodology are applied also for the more recent work presented in final section of this activity i.e. Experimental investigation of Ionospheric Effects on GNSS RTK. Keywords: GNSS satellite signals, ionosphere, Total Electron Content (TEC), signal path, RTK (Real-Time Kinematic), coordinate errors, signal slips, CLOSE-project, Positioning and navigation, experimental investigation of ionospheric effects