By Haley Wiese, Agriculture Segment Manager, Hexagon’s Autonomy & Positioning division
Working in agriculture also means facing a variety of challenges imposed by nature. Unfavourable weather conditions, such as irregular rainfall, strong winds and hail, are common obstacles for producers and companies involved in the sector. Recently, however, a rise in solar flares has caused headaches for those who rely on precision agriculture, such as satellite positioning technologies, to operate farm machinery.
Ionospheric scintillation is a phenomenon that causes rapid and irregular variations in the intensity of radio frequency signals that travel through the ionosphere, a region of the Earth’s atmosphere that has ionised particles, which makes it capable of reflecting and refracting radio signals, such as those used in satellite communications and GNSS navigation systems.
These variations in the intensity of radio signals occur due to disturbances in the concentrations of free electrons in the ionosphere, which can be influenced by various factors, including solar activity, geomagnetic events and weather conditions in the upper atmosphere. Fluctuations in the electron density of the ionosphere cause distortions in radio signals, leading to fluctuations in the signal intensity, phase and frequency. Some of the consequences of this phenomenon are almost imperceptible, such as a small deviation of 1 or 2 meters in your cell phone’s GPS. When it comes to precision farming, however, a few centimetres of error in machine positioning can severely impact operations by increasing input waste, reducing efficiency and decreasing production.
Many farmers, especially in Brazil, plant and harvest two crops a year, and rely on precision farming technology to sow and harvest quickly and accurately. With an estimated production of 317.5 million tons for the 2023/24 harvest, according to the Brazilian National Supply Company (Conab), these producers have buffer time to keep their machines idle. During planting and harvesting periods, farms often operate 24 hours a day, 7 days a week, and precise positioning via GNSS is essential for the use of solutions such as auto steering and traffic control, for example. When ionospheric scintillation affects the performance of location systems, it causes delays and inaccuracies, directly impacting the productivity of farms and damaging the operations’ efficiency and profitability.
To mitigate the impacts caused by ionospheric scintillation, as well as other problems that can affect receivers, farmers have several GNSS correction options at their disposal, such as PPP (Precise Point Positioning), and RTK (Real-Time Kinematic). These alternatives aim to increase positioning accuracy for high-precision applications and create different levels of resilience against ionospheric interference. However, it can still affect these services, causing errors in the receiver’s position calculations. In RTK systems, which rely on carrier phase measurements, scintillation can drastically impair positioning accuracy, especially at greater distances from the base station.
To overcome scintillation challenges, PPP positioning is a more reliable option. Unlike RTK, PPP estimates ionospheric errors at the receiver’s location and does not depend on corrections from a local base station. This allows users to achieve high precision anywhere within the global coverage area, regardless of the distance from the base station. In addition, PPP takes into account the immediate ionospheric environment, making it less sensitive to changes in atmospheric activity.
A study by Hexagon | NovAtel in 2020, analysed the ionospheric activity in the central-western region of Brazil, comparing a standard RTK positioning solution and the PPP TerraStar-C PRO positioning solution, developed by NovAtel. A 24-hour data collection captured the nocturnal impacts of ionospheric activity and yielded some insights: while RTK position performance at 10 km from the base station was degraded for many hours, showing errors of up to 25 centimetres, the receiver using TerraStar-C PRO corrections continues to experience centimetre-level accuracy, with shorter maximum deviations of up to 10 centimetres.
In summary, ionospheric scintillation is a growing challenge for precision agriculture, affecting the productivity and efficiency of agricultural operations. To minimise its impacts, the adoption of correction services such as TerraStar-C PRO has proven to be a resilient and reliable solution, allowing farmers to continue their operations accurately and effectively, even in challenging conditions. The development of increasingly advanced precision solutions is crucial to ensuring the success of agriculture.
O desafio da cintilação ionosférica na agricultura de precisão
Haley Wiese, Gerente do segmento agrícola na Hexagon’s Autonomy & Positioning division
Trabalhar com agricultura é também enfrentar uma diversidade de desafios impostos pela natureza. Condições climáticas desfavoráveis, como chuvas irregulares, ventos fortes e granizo, são obstáculos comuns para produtores e empresas envolvidas com o setor. Neste ano, no entanto, a entrada em um novo pico de explosões solares tem causado dor de cabeça para quem depende da agricultura de precisão, como as tecnologias de posicionamento via satélite, para operar as máquinas agrícolas.
A cintilação ionosférica é um fenômeno que envolve variações rápidas e irregulares na intensidade dos sinais de radiofrequência que viajam através da ionosfera, região da atmosfera terrestre que contém partículas ionizadas, o que a torna capaz de refletir e refratar sinais de rádio, como os utilizados em comunicações via satélite e sistemas de navegação GNSS (Global Navigation Satellite System).
Essas variações na intensidade dos sinais de rádio ocorrem devido a perturbações nas concentrações de elétrons livres na ionosfera, que podem ser influenciadas por diversos fatores, incluindo a atividade solar, eventos geomagnéticos e condições meteorológicas na alta atmosfera. As flutuações na densidade eletrônica da ionosfera causam distorções nos sinais de rádio, levando a flutuações na intensidade, fase e frequência dos sinais. Algumas consequências desse fenômeno são quase imperceptíveis, como um pequeno desvio, de 1 ou 2 metros, no GPS do seu celular. Quando se trata de agricultura de precisão, no entanto, poucos centímetros de erro no posicionamento das máquinas podem afetar a qualidade das operações.
Muitos agricultores, especialmente no Brasil, plantam e colhem duas safras por ano, e dependem da tecnologia de agricultura de precisão para semear e colher com rapidez e exatidão. Com uma estimativa de produção de 317,5 milhões de toneladas para a safra 2023/24, segundo a Companhia Nacional de Abastecimento (Conab), esses produtores não têm brechas para permanecer com as máquinas paradas. Durante os períodos de plantio e colheita, as fazendas costumam operar 24 horas por dia, 7 dias por semana, e o posicionamento preciso via GNSS é essencial para o uso de soluções como piloto automático e o controle de tráfego, por exemplo. Quando a cintilação ionosférica afeta o desempenho dos sistemas de localização, isso causa atrasos e imprecisões, impactando diretamente a produtividade das propriedades agrícolas, prejudicando a eficiência e a rentabilidade das operações.
Para mitigar os impactos causados pela cintilação ionosférica, e também por outros problemas que possam afetar os receptores, os agricultores têm à disposição diversas opções de correção GNSS, como PPP (Precise Point Positioning) e RTK (Real-Time Kinematic). Essas alternativas visam aumentar a precisão do posicionamento para aplicações de alta precisão e criar níveis diferentes de resiliência contra a interferência ionosférica. No entanto, mesmo assim ela pode afetar esses serviços, causando erros nos cálculos de posição do receptor. Nos sistemas RTK, que dependem de medições de carrier phase, a cintilação pode prejudicar drasticamente a precisão do posicionamento, especialmente em distâncias maiores da estação base
Para superar esses desafios, o posicionamento PPP é uma opção mais confiável. Diferentemente do RTK, o PPP estima os erros ionosféricos no local do receptor e não depende de correções de uma estação-base local. Isso permite que os usuários alcancem alta precisão em qualquer lugar dentro da área de cobertura global. Além disso, o PPP leva em consideração o ambiente ionosférico imediato, tornando-se menos sensível às mudanças na atividade atmosférica.
Em um estudo de caso realizado pela Hexagon | NovAtel em 2020, analisamos a atividade ionosférica na região centro-oeste do Brasil, comparando uma solução de posicionamento RTK padrão e uma solução de posicionamento PPP TerraStar-C PRO (TSC PRO), desenvolvido pela NovAtel. Uma coleta de dados em 24 horas capturou os impactos noturnos da atividade ionosférica e trouxe alguns insights: enquanto o desempenho da posição de RTK a 10 km da base é degradado por muitas horas, apresentando erros de até 25 centímetros, o receptor que usa correções TSC PRO continua a experimentar precisão em nível de centímetro, com desvios máximos mais curtos de até 10 centímetros.
Em resumo, a cintilação ionosférica é um desafio crescente para a agricultura de precisão, afetando a produtividade e a eficiência das operações agrícolas. Para minimizar seus impactos, a adoção de serviços de correção como o TerraStar-C PRO tem se mostrado uma solução resiliente e confiável, permitindo que os agricultores continuem suas operações de forma precisa e eficaz, mesmo em condições desafiadoras. O desenvolvimento de soluções de precisão cada vez mais avançadas nos detalhes é crucial para garantir o sucesso da agricultura.