Monitoramento da ionosfera em tempo real e mitigação dos efeitos sobre o sinal GNSS na agricultura de precisão

Redes de estações GNSS (Global Navigation Satellite System), originalmente implantadas para fins de posicionamento, como por exemplo para o suporte ao PPK (Post-Processed Kinematic) e RTK (Real-Time Kinematic), têm sido amplamente empregadas nas últimas décadas para o monitoramento do Clima Espacial, com destaque para a camada ionosférica. Considerada a maior fonte de erro sistemático no GNSS, a ionosfera é intrinsicamente relacionada com a atividade solar e a localização geográfica. Uma vez que o Brasil está quase a sua totalidade situado nas regiões equatorial e de baixas latitudes, e devido ao ápice do ciclo solar 25 em 2025, a ocorrência de fortes irregularidades ionosféricas tem proporcionado ameaças à integridade das operações que fazem uso do GNSS, principalmente às autônomas, dentre elas aquelas usadas na Agricultura de Precisão. Neste sentido o Estágio de Pós-Doutorado, vinculado ao projeto VALE-UNESP “Pesquisa de metodologia para mitigação da cintilação ionosférica em operações autônomas usando GNSS”, consistiu na investigação do uso de dados multifrequência e multiconstelação de estações da RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo dos Sistemas GNSS) e da rede INCT GNSS-NavAer para o monitoramento, pós-processado e em tempo real, das irregularidades ionosféricas (bolhas) a partir do índice proposto ROTI-MF (ROTI Multifrequência), para as principais regiões agrícolas brasileiras, bem como, na avaliação do PPK sob diferentes cenários, com e sem mitigação das irregularidades. Para isto foram realizadas melhorias no programa IonIndex desenvolvido pelo autor no mestrado. Os experimentos mostraram, primeiramente, que o índice ROTI-MF identifica com maior robustez as pequenas variações das irregularidades ao combinar diferentes portadoras e sinais, além de mostrar com clareza as variações sazonais e de longos períodos e, em especial, as ocorrências de eventos ionosféricos após o nascer do Sol devido a tempestades geomagnéticas. Destacam-se a alta correlação do ROTI-MF com o índice de cintilação S4, máximo de 0,9, e as principais regiões sob efeitos ionosféricos: Nordeste, Centro-Oeste, Minas Gerais, São Paulo, Tocantins e Pará. Mapas ionosféricos gerados em tempo real para o estado de Minas Gerais, grande produtor de grãos e minérios, mostraram a importância do monitoramento das bolhas, permitindo o aviso prévio para as operações autônomas. Já no posicionamento, a mitigação das irregularidades ionosféricas no PPK a partir da ponderação das duplas diferenças pelo ROTI-MF apresentaram melhoras significativas, principalmente para linhas de base curtas (< 5 km). Na acurácia horizontal a melhora foi aproximadamente 85% e na vertical 80%, o que traduziu em uma maior operabilidade dos maquinários autônomos, de 100% do tempo para a componente horizontal e 99% para a componente vertical, considerando um limiar de 10 cm em relação ao ground-truth, em contrapartida aos 85% no cenário sem a mitigação. Por fim, com o intuito de disponibilizar, de forma rápida e acessível, os produtos que podem ser obtidos com o IonIndex, foram implementadas rotinas para elaboração de boletins ionosféricos diários para qualquer localidade do Brasil, permitindo aos usuários o conhecimento da atividade ionosférica na circum-vizinhança.

Resumo (inglês)

GNSS (Global Navigation Satellite System) networks, originally deployed for positioning purposes – such as supporting PPK (Post-Processed Kinematic) and RTK (Real-Time Kinematic) applications – have been extensively used over the last decades for Space Weather monitoring, particularly of the ionospheric layer. As the largest source of systematic error affecting GNSS positioning, the ionosphere is intrinsically linked to solar activity and geographic location. Since nearly all of Brazil lies within equatorial and low-latitude regions, and due to the peak of Solar Cycle 25 in 2025, the occurrence of severe ionospheric irregularities has posed significant threats to the integrity of GNSS-based operations, especially autonomous applications, including those employed in Precision Agriculture. In this context, the Postdoctoral Research Fellowship, conducted under the VALE–UNESP project entitled “Research on a methodology for mitigating ionospheric scintillation in autonomous GNSS-based operations” focused on investigating the use of multi-frequency and multi-constellation data from stations of the RBMC (Brazilian Network for Continuous Monitoring of GNSS Systems) and the INCT GNSS-NavAer network. The objective was to monitor ionospheric irregularities (plasma bubbles) in both post-processed and real-time modes using the proposed ROTI-MF (ROTI Multi-Frequency) index for the main agricultural regions of Brazil, as well as to assess PPK performance under different scenarios, with and without ionospheric mitigation. To accomplish this, several improvements were implemented in the IonIndex software originally developed by the author during his Master’s degree research. The experiments demonstrated, first, that the ROTI-MF index identifies small-scale variations in ionospheric irregularities more robustly by combining different carrier frequencies and signals. The index also clearly revealed seasonal and long-term variations, particularly the occurrence of post-sunrise ionospheric events associated with geomagnetic storms. Noteworthy results include the high correlation between ROTI-MF and the S4 scintillation index, reaching values as high as 0.9, as well as the identification of the regions most affected by ionospheric disturbances: the Northeast, Midwest, Minas Gerais, São Paulo, Tocantins, and Pará states. Real-time ionospheric maps generated for the state of Minas Gerais – a major producer of grains and mineral resources – highlighted the importance of monitoring plasma bubbles, enabling early warnings for autonomous operations. Regarding positioning performance, the mitigation of ionospheric irregularities in PPK through the weighting of double-difference observations based on the ROTI-MF index resulted in significant improvements, particularly for short baselines (< 5 km). Horizontal accuracy improved by approximately 85%, while vertical accuracy improved by 80%. These gains translated into increased operational availability of autonomous machinery, reaching 100% operability for the horizontal component and 99% for the vertical component when considering a 10 cm threshold relative to ground-truth values, compared to only 85% operability in the non-mitigated scenario. Finally, in order to provide rapid and accessible access to the products generated by IonIndex, routines were developed for the production of daily ionospheric bulletins for any location in Brazil, enabling users to assess ionospheric activity within their surrounding region.

Palavras-chave

Ionosfera Mitigação GNSS ROTI RTKLib Ionosphere Mitigation

Idioma

Português

Citação

PEREIRA, Vinicius Amadeu Stuani. Monitoramento da ionosfera em tempo real e mitigação dos efeitos sobre o sinal GNSS na agricultura de precisão. Supervisor: João Francisco Galera Monico. 88 f. Relatório (Pós-doutorado) - Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Estadual Paulista (UNESP), Presidente Prudente, 2026.