Sonnenstürme können GPS-basierte Bauwerksvermessungen beeinträchtigen. Was ist die Lösung?

Die Sonnenaktivität verläuft in Zyklen von 11 Jahren und derzeit nähern wir uns dem Höhepunkt des Sonnenzyklus 25. Das bedeutet mehr Sonnenflecken, Bereiche mit intensiver magnetischer Aktivität, die Sonneneruptionen und koronale Massenauswürfe (große Ausstöße von Plasma und Magnetfeldern aus der Sonne) erzeugen. Daher werden viele Teile der Welt, die an Nordlichter nicht gewöhnt sind, plötzlich mit farbenfrohen Demonstrationen des Phänomens verwöhnt.

Was hat das alles mit dem Bau zu tun? Leider kann stürmisches Sonnenwetter auch Vermessungsgeräte, die GNSS-Signale (Global Navigation Satellite Systems) verwenden, durcheinanderbringen.

„Es neigt dazu, die GPS-Leistung zu beeinträchtigen, einschließlich RTK (Echtzeit-Kinematische Positionierung) für Bau- und Vermessungsanwendungen“, sagt Stuart Riley, Vizepräsident Technologie – GNSS bei Trimble, dem in den USA ansässigen Technologieunternehmen.

Wenn Plasma von der Sonne auf die Ionosphäre trifft, folgt es im Allgemeinen den magnetischen Feldlinien am Nord- und Südpol, sagt Riley.

Normalerweise wirkt sich die Sonnenaktivität nur auf die nördlichsten Regionen aus. Wenn sie jedoch so stark ist wie derzeit, können sich die Probleme auch auf Nordamerika, Großbritannien und Europa ausbreiten.

Wenn mehr Plasma von der Sonne freigesetzt wird, trifft es auf die Ionosphäre der Erde und kann zu Verzögerungen bei GNSS-Signalen sowie zu einer schnellen Dämpfung führen.

Der jüngste schwere Sturm im Mai wurde durch Partikel verursacht, die von einem riesigen Sonnenfleck ausgestoßen wurden. Er war der heftigste seit 2003. „Wir konnten erhebliche Auswirkungen im Norden Kanadas und bis in nördlichere Breitengrade beobachten, aber auch in den gesamten USA und sogar in der Bay Area, was äußerst selten vorkommt“, sagt Riley.

Ein modularer GNSS-Empfänger Trimble R750. (Bild: Trimble)

„Wir haben definitiv einige Probleme in Skandinavien und den nordischen Ländern gesehen und wir haben Aktivität in Europa gesehen, aber dort war es nicht so schlimm, obwohl es einige dramatische Polarlichter gab.

„Letztes Mal hatten wir Glück, denn in Großbritannien begann es am Ende eines Freitags und der Großteil der Aktivitäten war am Montag vorbei. Wäre es während der Arbeitszeit mitten in der Woche passiert, hätte es den Betrieb viel stärker gestört.“

Die größte Herausforderung ist eine Signalverschlechterung, die die Positionsbestimmung der Geräte beeinträchtigt, sagt Riley. „Es kann zu Tracking-Problemen kommen, bei denen das Signal so weit gedämpft wird, dass man es für kurze Zeit nicht mehr verfolgen kann. Bei den letzten Stürmen ist das nicht so häufig vorgekommen“, erklärt er.

„Der andere Effekt ist, dass die Entfernungsmessung zum Satelliten verfälscht werden kann. Bei RTK gibt es die Basis und den Rover, und wir machen viele Annahmen über die Korrelation der Messungen. Wenn diese hohen ionosphärischen Aktivitäten auftreten, beginnt man, eine gewisse Dekorrelation der Fehlerquellen der Basis und des Rovers zu erkennen.“

Aus der Sicht eines Bauarbeiters oder Landvermessers bedeutet dies, dass sich Höhenmessungen oder die horizontale Position verschieben können, was die Genauigkeit der Messungen potenziell verringern kann.

„Die Folgen können extrem sein – bis hin dazu, dass man kein RTK mehr durchführen kann, wenn auch nur für kurze Zeit“, sagt Riley.

Was ist die Lösung?

Dies sei nicht der erste Sonnenzyklus im RTK-Zeitalter, sagt Riley. Die RTK-Technologie wird seit den 1990er Jahren entwickelt und Algorithmen und Hardware wurden im Laufe der Zeit schrittweise verbessert, was bedeutet, dass neue Systeme besser funktionieren als die älteren.

Das heißt allerdings nicht, dass neue Systeme immun sind. „Verschiedene Hersteller reagieren auf diese Probleme unterschiedlich. Aber im Allgemeinen ist eine mögliche Verschlechterung der Position ein Produktivitätsproblem für Bauarbeiter“, sagt Riley.

Aus diesem Grund wird bereits seit einiger Zeit daran gearbeitet, die Störungen auf ein Minimum zu beschränken, wenn wir das Solarmaximum erreichen (die Periode mit der stärksten Sonnenaktivität im Zyklus). Laut dem Space Weather Prediction Center (SWPC) der US-amerikanischen National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) wird dieses Ereignis voraussichtlich zwischen Ende 2024 und Anfang 2026 liegen.

„Vor etwa drei Jahren wussten wir, dass sich der Zyklus erhitzen würde. Das ist sehr vorhersehbar“, sagt Riley.

„Wir wissen, dass wir in der Vergangenheit zwei bis drei Jahre vor dem Höhepunkt Probleme festgestellt haben, die dann noch zwei bis drei Jahre danach anhielten. In einem 11-Jahres-Zyklus haben wir also bis zu sechs Jahre lang eher kleinere Probleme. Im Allgemeinen sind es extremere Gebiete – sehr nördliche Gebiete –, wo wir sie zuerst bemerken würden. Dann gibt es einige einzigartige Probleme in Äquatorregionen wie Brasilien, die frühe Indikatoren für Aktivität sind.“

Stuart Riley

Riley und seine Kollegen bei Trimble begannen vor etwa drei Jahren damit, eine Fülle von Daten zu sammeln. Sie setzten Geräte an verschiedenen Orten auf der ganzen Welt ein und nutzten Daten aus dem RTX-Netzwerk des Unternehmens, das über Stationen auf der ganzen Welt verfügt. Sie nutzten auch hochentwickelte Radiofrequenzaufzeichnungsgeräte (RF), um Stürme aufzuzeichnen und sie ins Labor zu bringen, um sie zu untersuchen und Wege zum Schutz der Signale zu finden.

„Wenn wir einen Sturm aufzeichnen können, können wir ihn ins Labor zurückbringen und immer wieder abspielen und die Algorithmen auf einem sehr niedrigen Niveau verfeinern. Das war etwas, was uns beim letzten Mal nicht zur Verfügung stand.“

Das Ergebnis dieser ganzen Datensammlung und Algorithmenmanipulation ist ein neues Produkt namens „ IonoGuard “, das Ende letzten Jahres auf den Markt kam und als kostenloses Upgrade für alle bereitgestellt wurde, die Trimbles Support-Services nutzen. „Es überwacht die Messungen von Satellit zu Satellit und versucht, drei verschiedene ionosphärenbezogene Parameter zu schätzen“, erklärt Riley.

„Von dort aus können wir die Positionsmaschine basierend auf dem, was wir aus diesen Parametern für jeden Satelliten bestimmen, anpassen. Sie werden oft feststellen, dass Sonnenstürme nicht unbedingt den gesamten Himmel erhellen, aber es gibt Himmelsbereiche, die betroffen sind. Einige Satelliten sind extrem betroffen, andere nur leicht und manche überhaupt nicht. Indem wir abschätzen, was für jeden Satelliten passiert, können wir die Positionsmaschine optimaler konfigurieren und daraus eine bessere Schätzung der Position ableiten.“

Wenn die Sonnenaktivität besonders stark wird, greift das von Trimble entwickelte System und gleicht die stark betroffenen Bereiche aus, um die Messungen genauer zu halten.

„Wir haben festgestellt, dass diese Detektoren in günstigen Zeiten nicht ausgelöst werden. Bei Sonnenstürmen jedoch werden sie ausgelöst. Dann beginnen wir, den Motor anzupassen und sehen eine ganz erhebliche Verbesserung, wenn das passiert“, sagt Riley.

IonoGuard habe beim letzten Sturm „wirklich gut“ funktioniert, sagt er, und um dies zu beweisen, veröffentlichte er Daten von einem Standort in Kanada, an dem es zuvor erhebliche Probleme mit RTK gegeben hatte.

Obwohl er behauptet, kein Experte auf diesem Gebiet zu sein, rechnet Riley mit weiteren Stürmen. „Wir können sicherlich mit weiteren Stürmen rechnen. Könnten sie die Stärke erreichen, die wir kürzlich erlebt haben? Möglicherweise. Sie könnten stärker sein, sie könnten schwächer – das ist nicht vorhersehbar. Möglicherweise könnten sie das nächste Mal den Betrieb in einem anderen geografischen Gebiet beeinträchtigen. Das könnte nicht Nordamerika sein – es könnte Europa oder irgendwo anders sein.“

Ratschläge für zukünftige Stürme

Wenn es um die Vorbereitung auf die Auswirkungen künftiger Sonnenstürme geht, lautet Rileys erster Rat an die Benutzer der Trimble-Technologie: Stellen Sie sicher, dass sie die neueste Firmware verwenden und IonoGuard aktiviert ist.

Allgemeiner fügt er hinzu: „Wenn Sie aus RTK-Sicht bisher die Basislinienlänge überschritten haben, sollten Sie das noch einmal überdenken. Wenn Sie mit einem wirklich großen Abstand zwischen Basis und Rover unter günstigen Bedingungen auskommen würden, sollten Sie überlegen, ob es praktisch wäre, diesen Abstand zu verringern. Das hängt vom jeweiligen Einsatz ab. Manche Baustellen sind nur wenige Hundert Meter bis hin zu Kilometern lang. Bei manchen Einsätzen können die Entfernungen mehrere zehn Kilometer betragen. Überprüfen Sie also solche Dinge und die von Ihnen verwendete Technologie, um sicherzustellen, dass Sie alle erforderlichen Funktionen aktiviert haben.“