Unesp UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA FCT-FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS CARTOGRÁFICAS CLAUDINEI RODRIGUES DE AGUIAR GRADE IONOSFÉRICA PARA APLICAÇÕES EM POSICIONAMENTO E NAVEGAÇÃO COM GNSS Tese de Doutorado Presidente Prudente 2010 CLAUDINEI RODRIGUES DE AGUIAR GRADE IONOSFÉRICA PARA APLICAÇÕES EM POSICIONAMENTO E NAVEGAÇÃO COM GNSS Tese apresentada ao Programa de Pós Graduação em Ciências Cartográficas da Faculdade de Ciências e Tecnologia da UNESP, para obtenção do título de Doutor em Ciências Cartográficas. Orientador: Prof. Dr. Paulo de Oliveira Camargo Presidente Prudente 2010 Aguiar, Claudinei Rodrigues de. A228g Grade Ionosférica para Aplicações em Posicionamento e Navegação com GNSS / Claudinei Rodrigues de Aguiar. - Presidente Prudente : [s.n], 2010 xiii, 256 f. Tese (doutorado) - Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Ciências e Tecnologia Orientador: Paulo de Oliveira Camargo Banca: Paulo de Oliveira Camargo, Aluir Porfírio Dal Poz, Marcelo Tomio Matsuoka, Edvaldo Simões da Fonseca Junior, Mauricio Alfredo Gende Inclui bibliografia 1. GNSS. 2. Ionosfera. 3. Tempo Real. I. Autor. II. Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Ciências e Tecnologia. III. Título. CDD 621.71 DEDICATÓRIA À minha amada esposa, Michele Carvalho de Aguiar, pelo apoio e incentivo. Pela compreensão pelos momentos de dedicação aos estudos. Ao meu filho, José Lucas Carvalho de Aguiar, minha inspiração e minha força. Pelos simples sorrisos que colorem a minha vida. Aos meus pais, José Rodrigues de Aguiar (em memória) e Sebastiana da Costa Aguiar, pelo incentivo, exemplo de conduta e pela luta de toda uma vida para que eu tivesse acesso à educação. Pai, você conseguiu! AGRADECIMENTOS Agradeço principalmente à DEUS, por esta presente na minha vida e da minha família. Ao meu orientador, Prof. Dr. Paulo de Oliveira Camargo, pela oportunidade, incentivo e confiança. Aos professores Dr. João Francisco Galera Monico e Dr. Aluir Porfirio Dal Poz e ao pesquisador Francisco Azpilicueta, pelas valiosas sugestões no exame de qualificação. À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), pelo auxílio financeiro nessa pesquisa, sob a forma de bolsa de demanda social e reserva técnica. Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), pelo auxílio financeiro, por meio do Edital Universal. Aos professores do Departamento de Cartografia e do Programa de Pós Graduação em Ciências Cartográficas, pela competência e qualidade de ensino proporcionado aos alunos. Aos funcionários da FCT que de forma direta ou indireta contribuíram no desenvolvimento dessa Tese. Ao GEGE (Grupo de Estudo em Geodésia Espacial), pelos ensinamentos e proveitosas discussões nas tardes de sexta-feira. Aos companheiros nos estudos e discussões sobre a ionosfera, William Rodrigo Dal Poz e Marcelo Tomio Matsuoka. Ao amigo Marco Aurélio de Oliveira Silva e a todos os amigos do PPGCC, pelas discussões, conversas, momentos de descontração e ajuda. Ao IBGE, pelo fornecimento dos dados GNSS das estações da RBMC/RIBaC. Ao Laboratório de Geodésia Espacial (LGE) da FCT/UNESP, que disponibiliza dados da Rede GNSS do Estado de São Paulo em tempo real. Ao IGS (Serviço GNSS Internacional), pelo fornecimento das efemérides, e ao NRCan (Departamento de Recursos Naturais do Canadá), pela cópia do software GPSPACE e sua documentação. Aos professores do CELSA, local onde estudei da pré-escola até o 3º Colegial (1985 a 1996), pelos ensinamentos que formaram uma base sólida, que permitiu o meu ingresso na Universidade sem a necessidade de um curso pré-vestibular. Aos amigos da minha cidade, ao Nino (Tio Nino), pelos mais de 20 anos de amizade. Aos primos-irmãos André e Rozeane pela amizade sincera, pelos momentos de descontração e pelo apoio incondicional. Aos meus pais, José (em memória) e Sebastiana, que sempre me incentivaram e me apoiaram, pela luta e esforço que fizeram para que eu me dedicasse aos estudos. Ao meu afilhado Marcos Paulo, companheiro “Santista”. Meu pai que nesta reta final, não está presente para ver o resultado daquilo que ele humildemente plantou, mas sei que ele está orgulhoso. Por fim, a minha esposa, Michele, e ao meu filho, José Lucas, por sempre estarem comigo em todos os momentos. A minha esposa, pela paciência e compreensão pelos momentos importantes que não estive presente, e que apesar das dificuldades sempre acreditou, apoiou e confiou em mim, e meu filho, que simplesmente não tenho como expressar aqui a sua importância na minha vida. EPÍGRAFE "Sempre que te perguntarem se podes fazer um trabalho, responde que sim e te ponhas em seguida a aprender como se faz." F. Roosevelt "A descoberta consiste em ver o que todo mundo viu e pensar o que ninguém pensou." A. Szent-Gyorgyi RESUMO O efeito da ionosfera é a maior fonte de erro sistemático nos sinais transmitidos pelos satélites do GNSS (Sistema Global de Navegação por Satélite), o qual afeta principalmente a acurácia do posicionamento e navegação pelo GNSS quando se utiliza de receptores de simples frequência. Este erro sistemático é diretamente proporcional ao TEC (Conteúdo Total de Elétrons) presente ao longo do caminho percorrido pelo sinal na ionosfera e inversamente proporcional ao quadrado da frequência deste sinal. Devido à natureza dispersiva da ionosfera, o TEC pode ser determinado a partir das observáveis coletadas com receptores GNSS de dupla frequência, possibilitando o monitoramento e a modelagem da ionosfera. Atualmente, os usuários de receptores de simples frequência podem corrigir o erro sistemático devido à ionosfera utilizando modelos como o de Klobuchar, o NeQuick, os GIMs (Mapas Globais da Ionosfera), entre outros. Neste trabalho é apresentado um método para gerar uma Grade Ionosférica (GI) e seu nível de confiança (GIVE), a fim de melhorar a acurácia em aplicações de posicionamento e navegação pelo GNSS, além de fornecer uma ferramenta que possa ser utilizada na área de estudos da ionosfera. Para a geração da GI também é apresentado um método de decomposição da camada ionosférica em subcamadas, a fim de minimizar o impacto do gradiente espacial do TEC na modelagem em regiões equatoriais. Para o controle de qualidade das observações é proposto um método baseado em arcos de satélites. A GI é avaliada em períodos de alta e de baixa atividade solar e sob a influência de uma intensa tempestade ionosférica. A GI também foi analisada no pós processamento e no processamento em tempo real, além de ser avaliada na região brasileira e na América do Sul e Central. Os resultados mais significativos foram observados no período de alta atividade solar, quando a utilização da grade ionosférica no posicionamento por ponto em tempo real chegou a proporcionar uma melhora média na acurácia de 20,79 % em planimetria e 81,40% em altimetria. Para o mesmo período, no posicionamento por ponto pós processado a melhora na acurácia chegou à 79,33% em planimetria e 95,03% em altimetria. Os resultados também mostram que a eficiência da GI e do GIVE é fortemente afetada pela densidade e distribuição das estações de referência utilizadas. palavras-chave: GNSS. Ionosfera. Posicionamento e navegação GNSS. Grade ionosférica. GIVE. ABSTRACT The effect of the ionosphere is the largest error source on the L band signals broadcasted by GNSS (Global Navigation Satellite Systems) satellites, which mainly affects the accuracy of GNSS positioning and navigation when a single frequency receiver is used. The systematic error due to the ionosphere is directly proportional to TEC (Total Electron Content) along the signal path and inversely proportional to the square of the transmitting frequency. Due to the ionosphere’s dispersive nature, TEC can be determined with dual frequency GNSS measurements, allowing the modeling and monitoring of the ionosphere. Currently, users of single frequency receivers can correct the systematic error due to the ionosphere using models such as Klobuchar, the NeQuick the GIMs (Global Ionosphere Maps), and others. This work presents a proposed method to generate an Ionospheric Grid (GI) and Grid Ionospheric Vertical Error (GIVE), which can be used to improve the accuracy on applications of GNSS positioning and navigation, as well as provide a tool that can be used in the ionosphere studies area. Also is presented a stratification method of ionosphere layer in sub-layers, with the objective of mitigating the impact of the spatial gradient of TEC on equatorial regions modeling. For quality control of the observations is proposed a method based on each satellite arcs. The GI is tested in periods of high and low solar activity and under the influence of an intense ionospheric storm. The performance of the GI is also examined in post processing and real-time processing, as well as it’s evaluated in the Brazil area and Central and South America area. The most significant results were observed in the period of high solar activity, when the use of ionospheric corrections from GI, this one provided an improvement in accuracy of real time point positioning, of 20,79% in planimetry, and 81,40% in altimetry. For the same period, the improvement in accuracy of the pos processed point positioning results was about 79,33% and 95,03%, respectively, in planimetry and altimetry. The results also show that the GI and GIVE efficiency is strongly affected by density and distribution of the reference stations used. key-words: GNSS. Ionosphere. GNSS navigation and positioning. Ionosphere grid. GIVE. LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Fluxo solar F10.7 e número de manchas solares. ................................................ 43 Figura 2 – Ponto ionosférico observado e IGPs vizinhos. .................................................... 63 Figura 3 – Bandas utilizadas no RNSS. ................................................................................ 77 Figura 4 – Áreas aproximadas de cobertura e de serviço do SBAS. .................................... 82 Figura 5 – Conceito do QZSS. .............................................................................................. 89 Figura 6 – Redes de referência compostas de receptores GNSS de dupla frequência. ........ 95 Figura 7 – Tendência interfrequência provocada pelo não sincronismo na modulação do sinal. ............................................................................................................. 106 Figura 8 – Raio de busca de IPPs. ...................................................................................... 111 Figura 9 – Valores de VTEC observado na passagem do satélite. ..................................... 114 Figura 10 – Controle de qualidade na GI. ............................................................................. 115 Figura 11 – Perfil de densidade de elétrons gerado usando o IRI-2001. .............................. 117 Figura 12 – Subcamadas da ionosfera .................................................................................. 118 Figura 13 – Geometria para a decomposição do caminho ionosférico. ................................ 120 Figura 14 – Influência da altitude geométrica do receptor na função de mapeamento. ....... 121 Figura 15 – Influência da altitude geométrica do receptor na projeção do atraso ionosférico observado. ...................................................................................... 121 Figura 16 – Mapa de TEC a partir do modelo de fina camada da ionosfera. ....................... 123 Figura 17 – Mapa de TEC a partir do modelo de decomposição do caminho ionosférico (02:00 TU). ........................................................................................................ 124 Figura 18 – Mapa de TEC a partir do modelo de decomposição do caminho ionosférico (18:00 TU). ........................................................................................................ 125 Figura 19 – Pontos ionosféricos observados em cada subcamada. ...................................... 126 Figura 20 – Mapa da posição dos satélites em suas órbitas. ................................................. 127 Figura 21 – Mapa da passagem dos satélites GPS sobre o Brasil. ....................................... 128 Figura 22 – Fluxograma do aplicativo GS. ........................................................................... 134 Figura 23 – Impacto da distribuição das estações da RBMC/RIBaC sobre a grade ionosférica. ........................................................................................................ 136 Figura 24 – Impacto da distribuição das estações da RBMC/RIBaC e REDE GNSS SP sobre a grade ionosférica. .................................................................................. 139 Figura 25 – Impacto da distribuição das estações da REDE GNSS SP sobre a grade ionosférica. ........................................................................................................ 142 Figura 26 – Impacto da distribuição das estações da RBMC-IP sobre a grade ionosférica. ........................................................................................................ 144 Figura 27 – Impacto da distribuição das estações da REDE GNSS SP e da RBMC-IP sobre a grade ionosférica. .................................................................................. 146 Figura 28 – Impacto da distribuição das estações com espaçamento médio de 100 km, sobre a grade ionosférica. .................................................................................. 148 Figura 29 – Impacto da distribuição das estações com espaçamento médio de 250 km, sobre a grade ionosférica. .................................................................................. 149 Figura 30 – Impacto da distribuição das estações com espaçamento médio de 600 km, sobre a grade ionosférica. .................................................................................. 150 Figura 31 – Fluxo solar F10.7 para o período de 1997 a 2009. ............................................ 153 Figura 32 – Índices Dst e F10.7 para Dez/2001. .................................................................. 154 Figura 33 – Índices Dst e F10.7 para Abr/2002. ................................................................... 154 Figura 34 – Índice F10.7 para outubro e novembro de 2003. ............................................... 155 Figura 35 – Índice Dst para a tempestade geomagnética de 29 de outubro de 2003. ........... 155 Figura 36 – Tendência interfrequência dos receptores estimada com os dados de Dez/2001. .......................................................................................................... 160 Figura 37 – Tendência interfrequência dos receptores estimada com os dados de Abr/2002. ........................................................................................................... 160 Figura 38 – Tendência interfrequência dos receptores estimada com os dados de Out/2003. ........................................................................................................... 161 Figura 39 – Discrepância entre os valores de tendência interfrequências estimados e aqueles fornecidos pelo JPL. ............................................................................. 167 Figura 40 – Grades ionosféricas em diferentes altitudes (19/Dez/2001 – 20:00 TU). ......... 169 Figura 41 – Grade ionosférica gerada a partir da composição das grades ionosféricas em diferentes altitudes (19/Dez/2001 – 20:00 TU). .......................................... 169 Figura 42 – Grade ionosférica e GIVE (Dez/2001) – (17-18 UT). (Continua ...) ................ 171 Figura 43 – Grade ionosférica e GIVE (Abr/2002) – (17-18 UT). (Continua ...) ................ 173 Figura 44 – Grade ionosférica e GIVE (Out/2003) – (17-18 UT). (Continua ...) ................. 175 Figura 45 – Tendência interfrequência dos receptores GNSS estimada para 11/05/2006. .. 178 Figura 46 – VTEC relativo e absoluto (Mai/2006). .............................................................. 179 Figura 47 – Grade de atraso ionosférico e GIVE com resolução de 1ºx1º para a América do Sul e Central (Mai/2006). .............................................................. 181 Figura 48 – Grade de atraso ionosférico e GIVE com resolução de 2,5ºx2,5º para a América do Sul e Central (Mai/2006). .............................................................. 182 Figura 49 – Grade de atraso ionosférico e GIVE com resolução de 5ºx5º para a América do Sul e Central (Mai/2006). .............................................................. 183 Figura 50 – GIVE para as grades com resolução de 1º, 2,5º e 5º. ........................................ 185 Figura 51 – VTEC relativo e absoluto (Nov/2009). ............................................................. 186 Figura 52 – Grade de atraso ionosférico e GIVE com resolução de 1ºx1º com dados da RBMC-IP e da REDE GNSS SP obtidos via NTRIP (Nov/2009). ................... 187 Figura 53 – Grade de atraso ionosférico e GIVE com resolução de 2,5ºx2,5º com dados da RBMC-IP e da REDE GNSS SP obtidos via NTRIP (Nov/2009). .............. 188 Figura 54 – Grade de atraso ionosférico e GIVE com resolução de 5ºx5º com dados da RBMC-IP e da REDE GNSS SP obtidos via NTRIP (Nov/2009). ................... 189 Figura 55 – Grade de atraso ionosférico, GIVE, mapa de VTEC e ROT para as 17-18 TU do dia 352 de 2001. ..................................................................................... 191 Figura 56 – Grade de atraso ionosférico, GIVE, mapa de VTEC e ROT para as 17-18 TU do dia 91 de 2002. ....................................................................................... 191 Figura 57 – Grade de atraso ionosférico, GIVE, mapa de VTEC e ROT para as 17-18 TU do dia 302 de 2003. ..................................................................................... 192 Figura 58 – Grade de atraso ionosférico, GIVE, mapa de VTEC e ROT para as 17-18 TU do dia 131 de 2006. ..................................................................................... 193 Figura 59 – Configuração das estações da RBMC utilizadas no processamento (Dez/2001, Abr/2002 e Out/2003). ................................................................... 194 Figura 60 – Configuração das estações na América do Sul e Central utilizadas no processamento (Mai/2006). ............................................................................... 195 Figura 61 – Configuração das estações RBMC-IP e REDE GNSS SP utilizadas no processamento (Nov/2009). .............................................................................. 195 Figura 62 – Comparação entre o IUEPP e o IDGrd_r2.5 para Dez/2001. ..................................... 197 Figura 63 – Comparação entre o IUEPP e o ISCam_r2.5 para Dez/2001. .................................... 197 Figura 64 – Discrepância entre os valores de IUEPP e o IDGrd_r2.5 para Dez/2001. ................. 198 Figura 65 – Discrepância entre os valores de IUEPP e o ISCam_r2.5 para Dez/2001. ................. 199 Figura 66 – Gráfico das discrepâncias entre os valores de IUEPP e o IDGrd_r2.5 para Dez/2001 em função do ângulo de elevação. .................................................... 200 Figura 67 – Discrepâncias em altitude geométrica para a estação UEPP – Dez/2001. ........ 210 Figura 68 – Discrepâncias em altitude geométrica para a estação UEPP – Abr/2002. ........ 210 Figura 69 – Discrepâncias em altitude geométrica para a estação UEPP – Out/2003. ........ 210 Figura 70 – Discrepâncias em altitude geométrica para as estações CFAG, MARA e PPTE – Mai/2006. ............................................................................................. 211 Figura 71 – Discrepâncias em altitude geométrica para a estação PPTE – Nov/2009. ........ 211 Figura 72 – Discrepâncias em planimetria para a estação UEPP – Dez/2001. ..................... 213 Figura 73 – Discrepâncias em planimetria para a estação UEPP– Abr/2002. ...................... 213 Figura 74 – Discrepâncias em planimetria para a estação UEPP– Out/2003. ...................... 213 Figura 75 – Discrepâncias em planimetria para as estações CFAG, MARA e PPTE – Mai/2006. .......................................................................................................... 214 Figura 76 – Discrepâncias em planimetria para a estação PPTE – Nov/2009. ..................... 214 Figura 77 – Disponibilidade temporal das observações para a geração da GI no período de alta atividade solar. ....................................................................................... 218 LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Classificação de perturbações magnéticas a partir do índice Dst. ....................... 42 Tabela 2 – Limites de alerta da integridade GNSS. .............................................................. 74 Tabela 3 – Performance exigida para o sinal. ....................................................................... 75 Tabela 4 – Potencial operacional dos sistemas de aumento do GNSS. ................................ 76 Tabela 5 – Tipo de serviço SBAS. ........................................................................................ 81 Tabela 6 – Sinais planejados para o QZSS. .......................................................................... 90 Tabela 7 – Configuração para as subcamadas ionosféricas. ............................................... 118 Tabela 8 – Resumo dos processamentos para análise da densidade de redes ativas disponíveis no Brasil. ........................................................................................ 135 Tabela 9 – Configuração da rede em função da resolução da grade ionosférica ................ 151 Tabela 10 – Resumo dos dados utilizados nos experimentos. .............................................. 157 Tabela 11 – Dados observados para o período analisado em 2001. ...................................... 158 Tabela 12 – Dados observados para o período analisado em 2002. ...................................... 158 Tabela 13 – Dados observados para o período analisado em 2003. ...................................... 158 Tabela 14 – Tendência interfrequência dos receptores. ........................................................ 162 Tabela 15 – Tendência interfrequência dos satélites (Dez/2001). ........................................ 164 Tabela 16 – Tendência interfrequência dos satélites (Abr/2002). ......................................... 165 Tabela 17 – Tendência interfrequência dos satélites (Out/2003). ......................................... 166 Tabela 18 – Denominação dos processamentos. ................................................................... 196 Tabela 19 – Discrepância e EMQ para a grade ionosférica de 5°x5° (Dez/2001). ............... 201 Tabela 20 – Resultados obtidos para Dez/2001. ................................................................... 202 Tabela 21 – Resultados obtidos para Abr/2002. ................................................................... 203 Tabela 22 – Resultados obtidos para Out/2003. .................................................................... 204 Tabela 23 – Resultados obtidos para Mai/2006. ................................................................... 206 Tabela 24 – Resultados obtidos para Nov/2009. ................................................................... 207 Tabela 25 – EMQ e valor médio da melhora obtida na acurácia do posicionamento por ponto – Dez/2001. ............................................................................................. 216 Tabela 26 – EMQ e valor médio da melhora obtida na acurácia do posicionamento por ponto – Abr/2002. ............................................................................................. 216 Tabela 27 – EMQ e valor médio da melhora obtida na acurácia do posicionamento por ponto – Out/2003. .............................................................................................. 217 Tabela 28 – EMQ e valor médio da melhora obtida na acurácia do posicionamento por ponto – Mai/2006. ............................................................................................. 219 Tabela 29 – EMQ e valor médio da melhora obtida na acurácia do posicionamento por ponto – Nov/2009. ............................................................................................. 220 Tabela 30 – Indicadores de acurácia do posicionamento por ponto – Dez/2001. ................. 222 Tabela 31 – Indicadores de acurácia do posicionamento por ponto – Abr/2002. ................. 222 Tabela 32 – Indicadores de acurácia do posicionamento por ponto – Out/2003. ................. 222 Tabela 33 – Indicadores de acurácia do posicionamento por ponto – Mai/2006. ................. 223 Tabela 34 – Indicadores de acurácia do posicionamento por ponto – Nov/2009. ................ 223 Lista de Siglas AAIM – Aircraft Autonomous Integrity Monitoring ABAS – Aircraft-Based Augmentation System AFLR – Battlespace Environment Division of the Air Force Research Laboratory ALDAR – Algoritmo de Leitura Dinâmica de Arquivos RINEX APV – Approach with Vertical guidance ARNS – Aeronautical Radionavigation Services AS – Selective Availability BNC – BKG Ntrip Client C/A – Coarse Acquisition CCI – Com Correção do efeito da Ionosfera CDGPS – Canada Wide Differential GPS CHAMP – CHAllenging Minisatellite Payload CICERO – Community Initiative for Continuing Earth Radio Occultation CME – Coronal Mass Ejection CNES – Centre National d’Estudes Spatiales CNS/ATM – Comunicação, Navegação, Vigilância / Gerenciamento do Tráfego Aéreo CODE – Center for Orbit Determination in Europe COSMIC – Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate COSPAR – COmmitee on SPAce Research CSA – Channel of Standard Accuracy CWAAS – Canada WAAS DCB – Differential Code Bias DECEA – Departamento de Controle do Espaço Aéreo DGPS – Differential GPS DoD – United States Department of Defense DORIS – Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellie Dst – Disturbance Storm-Time EGNOS – European Geostationary Navigation Overlay Service EMQ – Erro Médio Quadrático ESA – European Spatial Agency ESOC – European Space Operations Centre EUROCONTROL – European Organisation for the Safety of Air Navigation FAA – Federal Aviation Administration FAS – Final Approach Segment FCT/UNESP – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Universidade Estadual Paulista FD – Fault Detection FDE – Fault Detection and Exclusion GAGAN – Indian GPS Aided GEO Augmented Navigation GAS – GPS Analysis Software GBAS – Ground Based Augmentation System GEO – Geoestacionário GI – Grade Ionosférica GIM – Global Ionosphere Map GIVE – Grid Ionospheric Vertical Error GLONASS – Global’naya Navigatsionnay Sputnikovaya Sistema GMT – Generic Map Tools GNSS – Global Navigation Satellite System GPS – Global Positioning System GPS-MET – Global Positioning System-Meteorology GPSPACE – GPS Positioning from ACS Clocks and Ephemerides GRACE – Gravity Recovery and Climate Experiment GRAS – Ground-Based Regional Augmentation System GRSAS – Australian Regional Augmentation System GS – Grid Simulator GSBAS – Global SBAS GSD – Geodetic Survey Division HL – Horal Local HPL – Horizontal Protection Level ICA – Ionospheric Correction Algorithm ICAO – International Civil Aviation Organization IFB – Interfrequency Bias IGP – Ionosphere Grid Point IGS – International GNSS Service ILS – Instrument Landing System IONEX – IONosphere map EXchange IPP – Ionospheric Pierce Point IRI – International Reference Ionosphere ISC – Inter-Signal Correction ITRF – International Terrestrial Reference Frame ITU – International Telecommunication Union JAXA – Japan Aerospace Exploration Agency JCAB – Japan's Ministry of Land, Infrastructure and Transport JPL – Jet Propulsion Laboratory LAAS – Local Area Augmentation System LEO – Low Earth Orbiting LMLS – Microwave Landing System MMQ – Método dos Mínimos Quadrados MSAS – Multifunctional Transport Satellite-based Augmentation System NASA – National Aeronautics and Space Administration NDB – Non-Directional Beacon NOAA – National Oceanic and Atmospheric Administration NPA – Non-precision approach NRCan – Natural Resources Canada NTRIP – Networked Transport of RTCM via Internet Protocol PA CAT-I – Precision Approach Category-I PIM – Parameterized Ionospheric Model PPS – Precise Positioning Service PRARE – Precise Range and Range Rate Experiment PRISM – Parameterized Real-Time Ionospheric Specification Model PVT – Position, Velocity and Time PZ-90 – Parametry Zemli 1990 QZSS – Quasi-Zenith Satellite System RAIM – Receiver Autonomous Integrity Monitoring RBMC – Rede Brasileira de Moniramento Contínuo REDE GNSS SP – Rede GNSS Ativa do Estado de São Paulo RIBaC – Rede INCRA de Bases Comunitárias RINEX – Receiver INdependent EXchange format RNAV – Area Navigation RNSS – Radionavigation-Satellite Services ROT – Rate of Change of TEC ROTI – Rate Of TEC Index RSS – Root Sum Square RTCM – Radio Technical Commission for Maritime Services SAC-C – Satellite de Aplicaciones Cientificas-C SARPs – Standards and Recommended Practices SBAS – Satellite Based Augmentation System SCI – Sem Correção do efeito da Ionosfera SCINTMON – Scintillation Monitor SFU – Solar Flux Unit SIRGAS – Sistema de Referência Geocêntrico para as Américas SISCEAB – Sistema de Controle do Espaço Aéreo Brasileiro SNT – SBAS Network Time SPS – Standard Positioning Service TEC – Total Electron Contents TECU – TEC Units TGD – Time Group Delay TOPEX/Poseidon – Ocean Topography Experiment TU – Tempo Universal UDER – User Differential Range Error UIRE – User Ionospheric Range Error UIVE – User Ionospheric Vertical Error UNB – University of New Brunswick UPC – Polytechnical University of Catalonia URSI – International Union of Radio Science UTC – Universal Time Coordinated VDB – VHF Data Broadcast VHF – Very High Frequency VNAV – Baro Vertical Navigation VOR – VHF Omnidirectional Range VPL – Vertical Protection Level VTEC – Vertical TEC WAAS – Wide Area Augmentation System WADGPS – Wide Area DGPS WAGE – Wide Area GPS Enhancement WGS-84 – Word Geodetic System of 1994 WNT – WAAS Network Time WRC – World Radiocommunication Conferences WRE – Wide-Area Receiver Equipament SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 25 1.1 Objetivos ....................................................................................................................... 29 1.2 Motivação ..................................................................................................................... 30 1.3 Conteúdo do Trabalho .................................................................................................. 31 2 A IONOSFERA E SEUS EFEITOS NOS SINAIS GNSS .............................................. 33 2.1 Impacto da Ionosfera sobre os Sinais GNSS ................................................................ 34 2.1.1 Índice de refração da ionosfera .............................................................................. 34 2.1.2 Atraso de grupo e avanço da fase .......................................................................... 36 2.1.3 Cintilação ............................................................................................................... 39 2.2 Índice Dst e F10.7 ......................................................................................................... 41 2.3 Equipamentos Terrestres de Sondagem da Ionosfera ................................................... 43 2.4 Sondagem da Ionosfera a partir de Satélites ................................................................. 45 2.4.1 Missão TOPEX/Poseidon ...................................................................................... 46 2.4.2 Sistema DORIS ...................................................................................................... 46 2.4.3 Missões CHAMP, COSMIC e CICERO ............................................................... 47 2.5 Modelos Empíricos ....................................................................................................... 48 2.5.1 Modelo Broadcast .................................................................................................. 49 2.5.2 Modelo NeQuick ................................................................................................... 50 2.5.3 Modelo LPIM (La Plata Ionospheric Model) ....................................................... 51 2.5.4 Modelo IRI (International Reference Ionosphere) ................................................ 51 2.5.5 Modelo PIM (Parameterized Ionospheric Model) ................................................ 52 3 REPRESENTAÇÃO ANÁLITICA DA IONOSFERA .................................................. 53 3.1 Modelo do Ponto Ionosférico e Função de Mapeamento ............................................. 54 3.2 Modelos Bidimensionais .............................................................................................. 55 3.2.1 Função de modelagem série de Fourier ................................................................. 56 3.2.2 Função de modelagem harmônico esférico ........................................................... 57 3.2.3 Função de modelagem polinomial ......................................................................... 58 3.2.4 Função de modelagem série de Taylor .................................................................. 58 3.2.5 Modelo Tridimensional (Tomografia) ................................................................... 59 3.3 Modelos do IGS ............................................................................................................ 60 3.4 Modelagem baseada em Grade Ionosférica .................................................................. 61 3.4.1 Técnicas usadas para a interpolação da grade ionosférica ..................................... 61 3.4.2 Cálculo do Erro da Grade Ionosférica Vertical (GIVE) ........................................ 65 3.4.3 Cálculo do GIVE para o WAAS ............................................................................ 67 3.5 Modelagem sobre uma Rede WADGPS: Estado Atual no Brasil ................................ 69 4 SISTEMAS DE AUMENTO DO GNSS .......................................................................... 71 4.1 Especificações Estabelecidas pela ICAO ..................................................................... 73 4.2 Sistema de Aumento Baseado em Instrumentos a bordo da Aeronave (ABAS) .......... 77 4.3 Sistema de Aumento Baseado em Satélites (SBAS) .................................................... 79 4.3.1 Integridade ............................................................................................................. 83 4.3.2 Definição do modelo estocástico da correção ionosférica ..................................... 83 4.3.3 WAAS ................................................................................................................... 85 4.3.4 Outros exemplos de SBAS .................................................................................... 87 4.4 Sistema de Aumento Baseado em Estações Terrestre (GBAS) .................................... 90 4.5 Sistema de Aumento Regional Baseado em Estações Terrestres (GRAS) ................... 92 5 IMPLEMENTAÇÃO DA GRADE IONOSFÉRICA (GI) ............................................. 93 5.1 Arquitetura da Rede GNSS Ativa ................................................................................. 94 5.2 Observáveis GPS .......................................................................................................... 96 5.3 Cálculo do Atraso Ionosférico Utilizando Observáveis GPS ....................................... 98 5.4 Correção da tendência interfrequência P(Y)L1-C/A .................................................... 103 5.5 Determinação da tendência interfrequência ................................................................ 105 5.6 Geração e Interpolação da Grade Ionosférica ............................................................. 109 5.7 Controle de Qualidade dos Dados .............................................................................. 113 5.8 Função de Mapeamento .............................................................................................. 117 5.9 Cálculo do GIVE ........................................................................................................ 129 6 ANÁLISE DO IMPACTO DA DISTRIBUIÇÃO DAS ESTAÇÕES DE REFERÊNCIA NA GI ..................................................................................................... 132 6.1 Aplicativo GS (Grid Simulator) ................................................................................. 132 6.2 Predição para processamento de dados off-line .......................................................... 135 6.3 Predição para processamento de dados on-line .......................................................... 140 6.4 Análise de distribuição adequada para as estações de referência para suporte a um SBAS .................................................................................................................... 147 7 GRADE IONOSFÉRICA: PROCESSAMENTO DOS DADOS E ANÁLISE DOS RESULTADOS ....................................................................................................... 152 7.1 Dados Utilizados nos Experimentos ........................................................................... 152 7.2 Determinação da Tendência Interfrequência .............................................................. 159 7.3 Grade Ionosférica e GIVE .......................................................................................... 168 7.3.1 Grade de atraso ionosférico e GIVE gerados com os dados de Dez/2001, Abr/2002 e Out/2003 ........................................................................................... 170 7.3.2 Grade de atraso ionosférico e GIVE gerados para a América do Sul e Central ................................................................................................................. 177 7.3.3 Grade de atraso ionosférico e GIVE gerados com dados de Nov/2009 .............. 185 7.3.4 A grade ionosférica como ferramenta para geração de mapas de VTEC ............ 190 7.4 Integridade da Grade Ionosférica ................................................................................ 193 7.5 Posicionamento por Ponto a partir da Correção com a Grade Ionosférica ................. 208 8 CONSIDERAÇÕES FINAIS, CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES .................. 226 8.1 Considerações Finais e Conclusões ............................................................................ 226 8.2 Recomendações .......................................................................................................... 231 REFERÊNCIAS ................................................................................................................... 234 APÊNDICE A – Fluxograma do algoritmo da GI ............................................................. 248 APÊNDICE B – Arquivo RINEX 3.00 ............................................................................... 249 ANEXO A – Dados de entrada e saída das principais funções do WAAS ..................... 250 25 1 INTRODUÇÃO O GNSS (Global Navigation Satellite System – Sistema Global de Navegação por Satélite) vem sendo cada vez mais utilizado em diversos segmentos da comunidade, e definitivamente tornou-se uma importante ferramenta para a comunidade científica. Além das aplicações relacionadas diretamente à obtenção de posições tridimensionais, o GNSS firmou- se como uma importante ferramenta para o monitoramento de parâmetros da atmosfera, com destaque à troposfera e à ionosfera. É importante salientar que quando se utiliza a nomenclatura GNSS está-se referindo a sistemas tais como o GPS (Global Positioning System – Sistema de Posicionamento Global), o GLONASS (Global’naya Navigatsionnay Sputnikovaya Sistema – Sistema Global de Navegação por Satélite), Galileo, Compass, entre outros, além dos Sistemas de Aumento. Em aplicações onde se exige um nível melhor de precisão é essencial o uso de receptores de dupla frequência. No entanto, os receptores de uma frequência também são utilizados em trabalhos de posicionamento e, principalmente, navegação GNSS. Atualmente, é limitado o número de aplicações onde se obtém resultados satisfatórios com receptores de uma frequência, pois, os resultados obtidos com este tipo de receptor são afetados por diversos erros sistemáticos. Dentre estes erros sistemáticos se destaca a influência da ionosfera, que por sua vez passou a ser a principal fonte de erro na navegação e no posicionamento por GPS, após a desativação da técnica SA (Selective Availability – Disponibilidade Seletiva). A magnitude do erro sistemático devido à ionosfera é diretamente proporcional ao TEC (Total Electron Contents – Conteúdo Total de Elétrons) na camada ionosférica, ou seja, ao número de elétrons presente ao longo do caminho percorrido pelo sinal, e inversamente proporcional ao quadrado da freqüência deste sinal. A formação da ionosfera está intimamente associada à radiação solar incidente na atmosfera terrestre e, com menor grau de importância, à radiação cósmica (HARGREAVES, 1992). Consequentemente, o problema principal é que o TEC varia no tempo e espaço, em razão do fluxo de ionização solar, ângulo zenital do sol, atividade geomagnética, ciclo de manchas solares, estação do ano, hora local e localização geográfica (LEICK, 1995); sendo, portanto de difícil modelagem. Se o valor do TEC fosse constante, ou tivesse variação regular, os efeitos causados pela ionosfera seriam de fácil determinação. 26 Considerando que os satélites do GNSS transmitem mais de um sinal na banda L, que no caso dos satélites GPS são denominados de L1 (1575,42 MHz), L2 (1227,60 MHz) e L5 (1176,45 MHz), e que a ionosfera apresenta característica dispersiva, é possível eliminar o efeito de primeira ordem ou estimar o TEC no caminho dos sinais transionosféricos utilizando-se de técnicas de combinação das observáveis GPS obtidas com receptores de, no mínimo, dupla frequência. Por outro lado, para receptores de uma frequência não é possível eliminar o efeito devido à ionosfera por meio deste tipo de combinação linear. Para a correção deste efeito no posicionamento por ponto e no posicionamento relativo, os usuários de receptores de simples frequência podem utilizar os modelos ionosféricos, sejam eles regionais ou globais (AGUIAR, 2005; CAMARGO, 1999, KLOBUCHAR, 1987). No Brasil, devido à necessidade de se ter uma estratégia mais efetiva na correção do efeito da ionosfera, Camargo (1999) iniciou-se os estudos para o desenvolvimento de um modelo da ionosfera denominado Mod_Ion, para aplicar correções ionosféricas, em observações de receptores GNSS de simples frequência, num pós processamento. Nesse modelo a ionosfera é analiticamente representada pela série do tipo Fourier. O Mod_Ion permite calcular o erro sistemático devido à ionosfera na portadora L1, bem como o TEC. A avaliação do Mod_Ion pode ser encontrada em Aguiar et al. (2003), Camargo (1999), Camargo, Monico e Ferreira (2000), Matsuoka (2003), entre outros. A partir do Mod_Ion, foi desenvolvido o modelo ionosférico Mod_Ion_FK (CAMARGO, 2001; AGUIAR, 2005), no qual os coeficientes são calculados utilizando o algoritmo do filtro de Kalman, permitindo que o mesmo seja usado em aplicações em tempo real. A função de modelagem usada pelo Mod_Ion foi substituída por uma série de Fourier bidimensional e o controle de qualidade foi adaptado para tempo real. A performance do Mod_Ion_FK foi avaliada por meio do posicionamento por ponto, utilizando dados GPS da RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo) e os resultados mostraram uma melhora de até 92% na qualidade do posicionamento. Vários experimentos foram realizados com o Mod_Ion_FK e se encontram em Aguiar (2005), Aguiar e Camargo (2006a, 2006b), Aguiar e Camargo (2005). A correção do efeito da ionosfera em tempo real, bem como de outros erros sistemáticos envolvidos no posicionamento, deu um grande salto nos últimos anos, principalmente devido ao surgimento dos conceitos de aumento dos sistemas de navegação. Com o avanço da tecnologia de posicionamento global, a mesma vem sendo cada vez mais aplicada em diversos níveis da navegação aérea, terrestre e marítima. No entanto, principalmente, para a navegação aérea, os sistemas de posicionamento global (GPS e 27 GLONASS) não fornecem alguns requisitos básicos para garantir a segurança dos usuários. Dentre estes requisitos pode-se citar a garantia de continuidade, disponibilidade, integridade e acurácia (ICAO, 2009). Assim, vem sendo desenvolvido os Sistemas de Aumento, que a partir da integração e processamento de dados de diferentes sistemas de navegação, o mesmo fornece informações adicionais de correção de erros, disponibilidade, continuidade e integridade. Nos últimos anos várias pesquisas vêm sendo realizadas para melhorar a performance do GPS em tempo real, bem como a utilização deste para estudos da dinâmica da atmosfera terrestre. Dentre os diversos trabalhos pode-se citar: Aguiar (2005), Blanch, Walter e Enge (2004), El Gizawy (2003), Fortes (2002), Hansen et al. (2000), Hansen (2002), Liao (2000), Konno et al. (2006), Liu (2004), Moon (2004), Seo (2010), Skone (1998), entre outros. A correção do efeito da ionosfera em tempo real, bem como de outros erros sistemáticos envolvidos no posicionamento, pode ser aplicada utilizando Wide Area Differential GPS (WADGPS) (FRAILE, 1995). O WADGPS foi desenvolvido visando reduzir as deficiências inerentes ao DGPS, sem a necessidade de estabelecer um grande número de estações. Entretanto, tanto no DGPS quanto no WADGPS, conforme o usuário do sistema se afasta da estação de referência os erros na observável GPS se tornam diferentes daqueles estimados na estação de referência, isto é conhecido por decorrelação espacial (KLOBUCHAR et al., 1995). Assim, em regiões equatoriais, como o caso do Brasil, onde há alto gradiente de TEC, a decorrelação espacial ionosférica entre o usuário e a estação de referência degrada a acurácia do posicionamento rapidamente. Para aplicações do GNSS em navegação aérea, por exemplo, foi desenvolvido um método de correção utilizando o SBAS (Satellite Based Augmentation System – Sistema de Aumento Baseado em Satélites), dentre os quais pode-se citar o sistema norte americano denominado de WAAS (Wide Area Augmentation System) (WAAS, 2001), o qual é baseado no WADGPS, e tem como vantagem os benefícios econômicos e segurança proporcionada ao usuário (HANSEN et al., 2000; CANAVITSAS; ASSIS; AMENDOLA; 2004). Assim como no DGPS e no WADGPS, o potencial de uso do WAAS na solução de navegação também é limitado devido ao efeito ionosférico diferencial (KLOBUCHAR et al., 1995; POWELL; WALTER, 2010). Em seu trabalho, Hansen et al. (2000) fazem uma análise da correlação ionosférica para o WAAS em períodos de baixa e alta atividade ionosférica. Lejeune e El-Arini (2004) pesquisaram um algoritmo alternativo para 28 gerar uma grade ionosférica baseada no estimador MMSE (Minimum Mean Square Error), onde concluíram que os resultados não foram satisfatórios sob condições operacionais. Pullen, Enge e Parkinson (1995) apresentaram um modelo de propagação de erro da grade ionosférica pela projeção linear da matriz covariância, permitindo ao usuário predizer a acurácia sobre a área coberta pelo WAAS. Blanch, Walter e Enge (2003) apresentam o cálculo do GIVE usando o método de “krigagem”. Powell e Walter (2010) apresentam um estudo do Clima Espacial (Space Weather) e seus efeitos sobre os sinais GNSS, no SBAS e nos vôos de inspeção, Seo (2010) apresenta um estudo do efeito da cintilação ionosférica no WAAS, onde é considerada a modernização do GPS ao utilizar o novo sinal L5 para melhorar a performance do receptor GPS sob influência da cintilação. Deve-se salientar que estes trabalhos têm como caso de estudo regiões ionosféricas (médias e altas latitudes) com características diferentes daquela sob a qual o Brasil está localizado. Grande parte do Brasil localiza-se sob a região ionosférica de baixa latitude, também conhecida por região equatorial. Nesta região a ionosfera apresenta características particulares, tais como a anomalia equatorial, a ocorrência de bolhas ionosféricas ou bolhas de plasma, anomalia do atlântico sul, entre outros (HARGREAVES, 1992; FEDRIZZI, 2003; RODRIGUES, 2003, WEBSTER, 1993), que devem ser consideradas para a modelagem e correção do seu efeito no posicionamento e navegação com GNSS. O estado da arte na modelagem da ionosfera está em desenvolver e/ou aprimorar métodos capazes de fornecer aos usuários do GNSS correções ionosféricas confiáveis, em tempo real e utilizando estruturas simples de transmissão de dados. Como já mencionado, dentro desta necessidade e com o surgimento dos sistemas de apoio à navegação, tal como os SBASs, esforços estão voltados em fornecer informações de correção do erro sistemático da ionosfera utilizando uma estrutura de grade regular de pontos. Além disto, esforços também vêm sendo direcionados para corrigir a limitação na performance (ICAO, 2006; POWELL; WALTER, 2010; SEO, 2010) dos atuais métodos de geração de grade em regiões equatoriais. Logo, este trabalho apresenta um método para estimar o atraso ionosférico e seu nível de confiança, considerando as peculiaridades da região equatorial, a fim de compensar o efeito sistemático da ionosfera sobre a observável L1 e fornecer informações de integridade, utilizando o conceito de grade ionosférica. Além disto, o método apresentado também pode ser utilizada para a geração de mapas de TEC em tempo real ou pós-processado. Como resultado final do estudo da estimação do atraso ionosférico em uma Grade Ionosférica (GI), chegou-se a algumas estratégias que apresentaram resultados promissores. A 29 fim de minimizar a influência do gradiente espacial do TEC, o qual é o maior fator limitante da função de modelagem que considera a aproximação da ionosfera como uma fina camada, uma função de decomposição da camada ionosférica em subcamadas é utilizada para a geração da GI. Desenvolveu-se um algoritmo computacional capaz de estimar o atraso ionosférico vertical em uma grade (GI) que pode ser atualizada continuamente, onde cada IGP (Ionosphere Grid Point – Ponto da Grade Ionosférica) representa o efeito sistemático ionosférico estimado pelos pontos ionosféricos mais próximos, bem como estimar os valores do GIVE (Grid Ionospheric Vertical Error – Erro Vertical da Grade Ionosférica). Outro ponto de destaque é que para se determinar o atraso ionosférico em cada IGP a função de interpolação é definida de forma dinâmica, onde a função peso depende do número de pontos ionosféricos disponíveis para a geração da grade. Também é apresentada uma estratégia para o controle de qualidade, onde o mesmo é realizado de forma independente para cada arco de satélite. Neste trabalho foram utilizados dados GPS de dupla frequência, coletados por estações de referência que pertencem à RBMC e RIBaC (Rede INCRA de Bases Comunitárias), que atualmente estão integradas. Os dados da RBMC/RIBaC foram utilizados no processamento off-line, ou seja, no pós processamento. Para o processamento on-line (tempo real), foram utilizados dados coletados pelas estações da REDE GNSS SP (Rede GNSS Ativa do Estado de São Paulo), qual disponibiliza seus dados em tempo real. No processamento on-line também foram utilizadas 26 estações da RBMC que estão disponibilizando seus dados em tempo real, estas estações compõem a denominada RBMC- IP. A GI também foi analisada na América do Sul e Central, utilizando estações que fazem parte da rede IGS (International GNSS Service – Serviço GNSS Internacional) e outras que fazem parte da realização do SIRGAS (Sistema de Referência Geocêntrico para as Américas). 1.1 Objetivos O objetivo geral deste trabalho é desenvolver um método para gerar grades ionosféricas e GIVE, para suporte às aplicações de posicionamento e navegação com GNSS, a fim de melhorar a qualidade da correção do atraso ionosférico na medida de pseudodistância do usuário de receptores de simples frequência. Assim, pretende-se contribuir com a melhora 30 da acurácia da solução de posição para usuários de sistemas tais como o SBAS ou no posicionamento absoluto ou relativo utilizando a tecnologia GNSS. Os objetivos específicos desta pesquisa são: ­ implementar algoritmo para estimar o atraso ionosférico em uma grade ionosférica; ­ estimar os valores do limite de erro residual para cada IGP e gerar o GIVE; ­ analisar a resolução espacial e temporal da grade ionosférica; ­ avaliar a acurácia da correção do efeito sistemático da ionosfera utilizando a Grade da Ionosfera; e ­ criar uma ferramenta para fornecer Mapas Ionosféricos para o Brasil (MIB) e fornecer uma nova fonte de dados para outras áreas de estudo, como por exemplo, o estudo da ionosfera ou de propagação de ondas. 1.2 Motivação Atualmente, a acurácia na determinação do TEC e modelagem da ionosfera em tempo real, para WADGPS (Wide Area Differential GPS – GPS Diferencial para Área Ampla), SBAS e GBAS (Ground Based Augmentation System – Sistema de Aumento Baseado em Estações Terrestres), tem sido de grande interesse internacional. A modelagem da ionosfera em tempo real pode ser muito útil, principalmente para aplicações em navegação de precisão e posicionamento geodésico utilizando receptores de simples frequência, bem como mostrar o comportamento da ionosfera. Para a aviação civil são utilizados receptores GNSS de simples frequência (ICAO, 2005), o que torna imprescindível o uso de modelos ionosféricos para o posicionamento preciso em tempo real, nas etapas da navegação aérea, e, principalmente, no suporte aos procedimentos operacionais de navegação das aeronaves. Nesse tipo de aplicação os sistemas de posicionamento global (GPS e GLONAS) são componentes de um sistema maior, por exemplo, o SBAS, que neste caso específico é denominado de WAAS nos Estados Unidos, CWAAS (Canada WAAS) no Canadá, MSAS (Multifunctional Transport Satellite-based 31 Augmentation System) no Japão, EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) na Europa, entre outros. A maioria das pesquisas para correção do atraso ionosférico para os usuários do GNSS foram realizadas em regiões cuja ionosfera tem características diferentes daquela presente na região brasileira (região equatorial). Um estudo de um modelo de grade ionosférica na região equatorial foi realizado por Skone (2000), da Universidade de Calgary, onde a autora obteve resultados que mostram que deve ser elaborado um método para gerar uma grade representativa da ionosfera equatorial. Em termos de Brasil, a pesquisa desenvolvida neste trabalho, onde foi implementado um método para fornecer grade ionosférica e informação de integridade ao usuário, é pioneira, tendo em vista que não foram desenvolvidos trabalhos neste sentido. Além disto, informações confiáveis sobre os processos de mudança do clima global e a constante necessidade de melhorar a predição do estado atmosférico em escalas de tempo a curto e médio prazo, são somente possíveis com base em registro de dados globais e regionais e em modelagem que represente exatamente os parâmetros do estado atmosférico com alta resolução espacial e temporal. O GNSS é uma poderosa ferramenta para a meteorologia operacional e para o monitoramento de importantes parâmetros da atmosfera. Um exemplo da aplicação do GNSS no monitoramento da atmosfera terrestre é a rápida expansão do número de satélites LEO (Low Earth Orbiting) transportando instrumentos GPS para medidas de rádio ocultação, tal como os satélites das missões CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload), SAC-C (Satellite de Aplicaciones Cientificas-C) e GPS-MET (Global Positioning System-Meteorology). 1.3 Conteúdo do Trabalho Esta Tese teve seu conteúdo divido em 8 capítulos. No segundo capítulo, são apresentados os efeitos da ionosfera sobre os sinais GNSS. Além disto, são descritos alguns equipamentos terrestres que realizam medidas da ionosfera, bem como alguns satélites que possuem sensores capazes de extrair informações sobre esta camada. Ainda no segundo capítulo são brevemente tratados os modelos empíricos da ionosfera, mais utilizados atualmente. 32 No terceiro capítulo, algumas funções de modelagem utilizadas para representar a ionosfera de forma analítica são apresentadas. Neste capítulo também é apresentada a modelagem tridimensional da ionosfera, os modelos usados pelos grupos de trabalho do IGS e uma revisão sobre as principais formas de geração de grades ionosféricas usadas atualmente, contemplando também a geração do GIVE. No quarto capítulo são apresentados os conceitos envolvidos nos sistemas de aumento, bem como os principais sistemas atualmente utilizados por diversos países. Neste capítulo são tratadas as especificações definidas pela ICAO (International Civil Aviation Organization – Organização Internacional da Aviação Civil). No quinto capítulo é tratada a proposta de implementação da GI, abrangendo a estrutura da rede de estações de referência para o desenvolvimento da GI, bem como as equações envolvidas para obter a medida do atraso ionosférico. Também são apresentados os principais problemas na medida do atraso ionosférico utilizando as observáveis GNSS, bem como as soluções propostas para a GI. Ainda são tratados alguns fatores que devem ser considerados na GI, tais como a calibração da tendência interfrequência dos satélites e receptores, aproximação da ionosfera como uma fina camada de altitude média fixa, função de mapeamento, entre outros. No capítulo sexto são apresentados alguns experimentos para verificar o impacto da atual distribuição das redes de referência no processo de geração da grade ionosférica. Além disto, mostra a estrutura do algoritmo GS (Grid Simulator – Simulador de Grade), desenvolvido para realizar a simulação da grade ionosférica e a influência das estações de referência sobre cada célula da grade. No sétimo capítulo são descritos os experimentos, os resultados e as diversas análises que foram realizadas nesta pesquisa. Finalmente, no capítulo oito são apresentas as conclusões, as considerações finais e as recomendações para trabalhos futuros. 33 2 A IONOSFERA E SEUS EFEITOS NOS SINAIS GNSS No posicionamento utilizando GNSS, para as mais diversas aplicações, os usuários têm a sua disposição vários tipos de receptores, que podem ser classificados de modo geral como receptores de simples ou dupla frequência. Uma nova classe está surgindo e é composta por receptores de tripla frequência, devido à modernização do GPS e com o novo sistema Galileo. A classe de receptores de dupla frequência se tornou uma importante ferramenta para obter informações da ionosfera, que podem ser utilizadas tanto em modelos ionosféricos como na geração de mapas ionosféricos, bem como em estudos relacionados à Geofísica Espacial, tais como estudos do comportamento espacial e temporal da densidade de elétrons, da cintilação ionosférica, das bolhas ionosféricas, das tempestades geomagnéticas, da atividade solar, entre outros. A atmosfera terrestre pode ser descrita, para propósitos práticos, como um conjunto de camadas de gases, esféricas e concêntricas a Terra, e que apresentam diferentes propriedades físicas e químicas (HARGREAVES, 1992). Para fins desta pesquisa, pode-se adotar a divisão da atmosfera com respeito à propagação de ondas eletromagnéticas, em troposfera e ionosfera, pois ao se propagarem nestes meios, as ondas sofrem diferentes influências. Adicionalmente, se o foco for apenas a ionosfera, como no caso deste trabalho, é apropriado considerar a divisão da atmosfera com respeito à ionização, em neutrosfera e ionosfera. Pois, a magnitude do erro devido à ionosfera sobre os sinais GNSS depende diretamente do TEC, que por sua vez está relacionado ao processo de ionização na ionosfera. A ionosfera está localizada em uma região da atmosfera terrestre entre aproximadamente 50 e 1000 km de altura. Na realidade, a fronteira superior da ionosfera não é bem definida, pois, a mesma pode ser interpretada como uma zona de transição com a plasmasfera. A ionosfera é caracterizada por apresentar uma alta densidade de elétrons livres capazes de afetar a propagação de ondas de rádio, tais como as transmitidas pelos satélites GPS, GLONASS e Galileo. A formação da ionosfera está intimamente associada à radiação solar incidente na atmosfera terrestre e, com menor grau de importância, à radiação cósmica. Consequentemente, o comportamento desta região depende da hora local, do ângulo zenital solar, da latitude, da estação do ano e do nível de atividade solar (FEDRIZZI, 1999). 34 Aqui não serão apresentadas em detalhe as características da ionosfera, tais como processo de fotoionização, divisões da camada da ionosfera, fatores que causam variação do TEC, anomalia equatorial, entre outros. Mais informações sobre este assunto podem ser encontradas em Bothmer e Daglis (2007), Davies (1990), Fedrizzi (1999, 2003), McNamara (1991), Yamashita (1999). 2.1 Impacto da Ionosfera sobre os Sinais GNSS Quando ondas de rádio na banda L, de sistemas de navegação, tais como o GPS, viajam através da ionosfera, estas estão sujeitas a um atraso no tempo de viagem e mudanças na polarização, fase e amplitude. Este impacto ionosférico é devido ao efeito dos elétrons livres sobre os sinais de rádio (STOLLE et al., 2003). Com enfoque neste trabalho, um dos parâmetros mais importantes e que caracteriza a camada da ionosfera é o índice de refração. Conhecer o índice de refração da ionosfera é essencial quando se estudam os possíveis efeitos da ionosfera sobre a propagação dos sinais GNSS (EL GIZAWY, 2003; LIAO, 2000). A partir do efeito de refração sobre estes sinais é possível obter o TEC ao longo do caminho percorrido pelo sinal. Por outro lado, o efeito da cintilação ionosférica sobre um sinal transionosférico é um indicador da presença de irregularidades ionosféricas. 2.1.1 Índice de refração da ionosfera Como mencionado anteriormente, devido à natureza dispersiva da ionosfera, a velocidade de propagação de uma onda eletromagnética depende de sua frequência. Os principais efeitos deste meio anisotrópico sobre os sinais GNSS são o atraso de grupo na modulação do sinal e o avanço na fase portadora. A propagação de onda através de um meio é caracterizada pelo índice de refração, e pode ser expresso como: 35 , v c n (1) onde c é a velocidade da luz no vácuo e v é a velocidade da onda no meio. Como a ionosfera é um meio não homogêneo, o índice de refração da fase (nf) em uma determinada localização na ionosfera pode ser expresso pela fórmula de Appleton- Hartree (SHKAROFSKY, 1961): , Y )iZX1(4 Y )iZX1(2 Y iZ1 X 1n 2 1 2 L2 4 T 2 T 2 f (2) onde: 22 N 2 0 2 e f/fm/enX ; f/cosfm/coseBY HL ; f/sinfm/sineBY HT ; f/fZ v ; f2 ; i - número imaginário; ne - densidade de elétrons (el/m 3 ); Nf - frequência de elétrons no plasma (MHz); f - frequência da onda de rádio (MHz); e - carga do elétron, -1,602x10 -19 (coulomb); 0 - permissividade do espaço livre, 8,854x10 -12 (farads/m); B - densidade do fluxo do campo magnético da Terra (T); M - massa do elétron, 9,107x10 -31 kg; - ângulo entre a direção da normal da onda e o campo magnético; vf - frequência de colisão dos elétrons com partículas pesadas (MHz); e Hf - girofrequência do elétron (MHz). Considerando somente o efeito de primeira ordem da ionosfera, a equação 2 pode ser simplificada desprezando os termos YT, YL e Z. Assim, o índice de refração em um meio 36 anisotrópico pode ser aproximado por X1n 2 f (FEDRIZZI, 2003). Lembrando que X pode ser escrito na forma 22 N f/fX e considerando que a frequência de plasma, na ionosfera, raramente excede 20 MHz (KLOBUCHAR, 1996) e, portanto, f >> fN, é possível obter uma expressão simplificada a partir da seguinte expansão em série binomial (FEDRIZZI, 2003; HARGREAVES, 1992): . f)2(m2 en 1 2 X 1X1n 22 0 2 e f (3) Substituindo os valores das constantes e, m e 0 na equação 3, o índice de refração da fase pode ser dado por: , f n3,40 1n 2 e f (4) portanto, o índice de refração da fase depende principalmente da densidade de elétrons (ne) e da frequência (f) da onda de rádio. O índice de refração de grupo pode ser derivado da relação com o índice de refração da fase, tal que (SKONE, 1998): . f n3,40 1 f n f 6,80 f n3,40 1 df dn fnn 2 e 3 e 2 ef fg (5) Analisando as equações 4 e 5 nota-se que o índice de refração de grupo sempre é maior do que o índice de refração da fase. Isto faz com que, na propagação dos sinais GNSS, ocorra um atraso na velocidade de grupo e um avanço na fase, provocando um aumento nas distâncias obtidas a partir do código, e uma diminuição nas distâncias obtidas a partir da fase, de uma mesma quantidade, respectivamente. 2.1.2 Atraso de grupo e avanço da fase 37 As medidas GNSS de pseudodistância e de fase da portadora são estimadas com base na suposição de que a velocidade e o comprimento de onda do sinal são iguais aos valores válidos para uma onda eletromagnética propagando-se no vácuo. Porém, devido às propriedades físicas da ionosfera, o índice de refração da ionosfera tem um valor não unitário. As velocidades da fase e de grupo podem ser obtidas como (MOON, 2004; SEEBER, 1993, 2003; SKONE, 1998): 2 e 2 ef f f n3,40 1c f n3,40 1 c n c v , e (6) 2 e 2 eg g f n3,40 1c f n3,40 1 c n c v , (7) onde nf e ng são dados, respectivamente, pelas equações 4 e 5 e c é a velocidade da luz no vácuo. A distância (S) entre o satélite (s) e a antena receptora (r), considerando apenas o erro devido à ionosfera, é definida por (LEICK, 1995): ,ds nS s r (8) onde n representa, de forma genérica, o índice de refração para a fase ou grupo. A distância medida (S) é influenciada pelo índice de refração da ionosfera e a integral é estendida ao longo do caminho do sinal. A distância geométrica ( ) entre o satélite e a antena receptora isenta de erro é definida como: s r ds . (9) Assim, o erro devido à refração ionosférica ( s rI ) é dado por: .dsdsnI s r s r s r (10) 38 Substituindo os índices de refração da fase (4) e do grupo (5) na equação 10, obtêm-se os erros sistemáticos devido à ionosfera para a fase da portadora ( s rfI ) e para os sinais modulados pelo código ( s rgI ). Desta forma, para a fase da portadora tem-se que: ρ,-ds) f 40,3n 1(I s r 2 es rf (11) ou s r e2 s rf ds,n f 40,3 I (12) e, para os sinais modulados pelo código, ou seja para a pseudodistância, tem-se: ρ,ds) f 40,3n 1(I s r 2 es rg (13) ou s r e2 s rg ds,n f 40,3 I (14) onde a quantidade s r e dsn caracteriza a quantidade de elétrons livres em uma coluna com seção transversal de 1 m 2 ao longo do caminho (S) percorrido pelo sinal, e que representa o TEC. Assim, a magnitude do erro na distância é uma função do TEC ao longo do caminho do sinal (LEICK, 1995): s r e ds.nTEC (15) A unidade do TEC é dada em elétrons por metro quadrado ( 2el/m ). Substituindo a equação 15 nas equações 12 e 14, obtém-se o erro devido à refração ionosférica para a fase da portadora e para os sinais modulados pelo código em função do TEC e da frequência (KOMJATHY, 1997): TEC, f 40,3 I 2 s rf s r (16) 39 TEC. f 40,3 I 2 s rg s r (17) A refração ionosférica relacionada com o código ( s rgI ) é usualmente denominada de atraso de grupo ou atraso ionosférico. De acordo com as equações 16 e 17, percebe-se que o erro devido à refração ionosférica, seja ela incidente sobre a fase da portadora ou sobre os sinais modulados pelo código, é inversamente proporcional ao quadrado da frequência e diretamente proporcional ao TEC. Logo, as frequências mais altas são menos afetadas pela ionosfera. Nota-se, ainda, que a magnitude do erro na distância é igual para as medidas de pseudodistância e fase, mas com sinais opostos. 2.1.3 Cintilação As cintilações ionosféricas são rápidas variações aleatórias na fase e amplitude do sinal GNSS recebido, as quais são causadas por irregularidades na densidade de elétrons ao longo do caminho percorrido pelo sinal na ionosfera (CONKER et al., 2000; EL GIZAWY, 2003; WEBSTER, 1993). Em 1946 foram observadas, pela primeira vez, flutuações irregulares de curto período de tempo na intensidade da radiação na banda de rádio (64 MHz) emitida pela estrela Cygnus (HEY; PARSONS; PHILLIPS, 1946). Após o lançamento do primeiro satélite artificial em 1957, tornou-se possível observar cintilações ionosféricas em sinais emitidos por rádio-transmissores a bordo de satélites (RODRIGUES, 2003). Períodos de cintilação estão associados à existência de regiões com pequena escala de irregularidades na densidade de elétrons na camada ionosférica. Estes padrões de irregularidades podem se mover através da ionosfera. A severidade dos efeitos da cintilação está relacionada à densidade de elétrons e ao tamanho dos padrões de irregularidades ionosféricas. Segundo Skone (2000), os efeitos mais intensos da cintilação ionosférica ocorrem nas regiões de baixa latitude geomagnética ( 10 até 20 graus), nas regiões onde ocorrem as auroras (65 até 75 graus de latitude geomagnética), e na região que envolve a capa polar (latitudes geomagnéticas maiores que 75 graus). Cintilações que ocorrem nas regiões de altas 40 latitudes (região auroral) e na região equatorial surgem de distintos fenômenos físicos. Na região auroral, a ocorrência da cintilação é devida às tempestades geomagnéticas ou magnetosféricas. No caso da região equatorial, a cintilação está relacionada mais diretamente com a anomalia equatorial. As cintilações que ocorrem na região equatorial possuem um maior impacto na performance de rastreamento dos receptores do que na região de altas latitudes (SKONE, 2000). A cintilação na região equatorial também poder ser provocada pela ocorrência de bolhas ionosféricas ou bolhas de plasma, as quais são grandes regiões na ionosfera que apresentam uma redução da densidade de plasma ionosférico (HARGREAVES, 1992) No Brasil, as ocorrências de cintilações são mínimas de abril até agosto, e máximas de setembro a março. Os horários diários de cintilação mais intensos são limitados à uma hora, após o pôr do Sol, até aproximadamente à meia noite local (CAMPOS et al., 1993). A cintilação ionosférica tem o potencial de afetar todos os serviços GPS, incluindo o Serviço de Posicionamento Padrão (SPS – Standard Positioning Service) e o Serviço de Posicionamento Preciso (PPS - Precise Positioning Service), no rastreamento de receptores de simples e dupla frequência, tanto no posicionamento por ponto como no relativo (FU et al., 1999), bem como afetar os serviços do GLONASS. Devido à cintilação, a fase nas portadoras L1 e L2 pode mudar significativamente entre duas épocas consecutivas. A mudança rápida na frequência do sinal recebido, associada aos efeitos de cintilação na fase, pode provocar a perda do sinal pelo sistema dos receptores GNSS (BOTHMER; DAGLIS, 2007; EL GIZAWY, 2003). A cintilação da fase pode ser detectada usando dados contínuos de dupla frequência com a série temporal da Taxa do Índice de TEC (ROTI – Rate Of TEC Index), bem como usando dados de receptores de simples ou dupla frequências capazes de permitir o cálculo de índices tais como S4 e . Cientistas têm usado com sucesso a rede GNSS do IGS para detectar as cintilações ionosféricas usando os índices S4 e (PIF 1 F et al, 1999 apud LIAO, 2000). No Brasil, o monitoramento da cintilação ionosférica é realizado a partir da rede de receptores de simples frequência do sistema SCINTMON (Scintillation Monitor) (DE PAULA et al., 2008). Além disto, vem sendo realizados estudos em cooperação entre pesquisadores do Brasil, Reino Unido e Itália, à respeito do efeito da cintilação ionosférica na qualidade do posicionamento com o GNSS (AQUINO et al., 2009; SILVA et al., 2010) 1 PI, X.Q., NANDI, S.; STOWERS, D.A.; MARCIN, M.R, LINDQWISTER, U.J., MOORE, A.W.; FORT, D.N.; KLOBUCHAR, J.A. Development of Ionospheric Scintillation Monitoring System Using Receivers of the IGS Global GPS Network, In: ION 55th Annual Meeting, Cambridge, MA, 28-30 June, 1999. 41 Durante os eventos de cintilação, a performance do rastreamento em L1 é menos afetada que o rastreamento em L2. A perda do sinal em L2 afeta fortemente aplicações onde são necessárias observações de dupla frequência. Estas aplicações dependem, portanto, da natureza dispersiva da ionosfera, consequentemente, torna-se necessário monitorar as cintilações ionosféricas. No entanto, o desempenho do rastreio dos receptores GNSS não depende somente da atividade da cintilação ionosférica, mas também da capacidade de rastreamento destes receptores. Pesquisas têm mostrado que este desempenho pode variar significativamente entre receptores, sob idênticas condições de cintilação ionosférica (SEO, 2010; SKONE, 2000). 2.2 Índice Dst e F10.7 O nível de atividade da ionosfera pode ser classificado por meio de índices geomagnéticos que constituem uma série de dados que visam descrever em escala planetária a atividade geomagnética ou alguns de seus componentes (MENVIELLE, 1998). Estes índices são importantes para correlacionar a magnitude dos efeitos da ionosfera sobre os sinais GNSS, em função do nível de atividade geomagnética e solar. Na região equatorial, na qual o Brasil se encontra, o mais importante índice para classificação da atividade geomagnética é o Dst (Disturbance Storm-Time). O índice Dst (dado em nano Tesla - nT) representa a intensidade da atividade geomagnética e desta forma, é utilizado para conhecer a severidade das tempestades magnéticas (FONSECA JUNIOR, 2002) e as medidas magnetométricas são obtidas por uma cadeia de magnetômetros localizados na região equatorial, ao longo do globo terrestre (YAMASHITA, 1999). É a partir desse parâmetro que se define a tempestade geomagnética, pois, antes e após a ocorrência de uma tempestade, o índice Dst tem sempre um comportamento padrão. Logo antes do início da tempestade, o índice apresenta um pico de intensidade que é conhecido por fase inicial ou início súbito. Após esse pico, desenvolve-se a fase principal da tempestade que é caracterizada pela brusca queda do valor da intensidade do índice. Após alcançar o mínimo, o índice começa a subir de valor, cuja fase é conhecida como fase de recuperação, até atingir aproximadamente o valor calmo, que ocorre quando não há tempestade (YAMASHITA, 1999). A classificação das tempestades de acordo com o índice Dst é apresentada na XTabela 1X. 42 Tabela 1 – Classificação de perturbações magnéticas a partir do índice Dst. Índice Classificação -50 nT Dst -30 nT Fraca -100 nT Dst -50 nT Moderada -250 nT Dst -100 nT Intensa Dst -250 nT muito intensa Fonte: Fedrizzi (2003). Além dos índices utilizados para medir a atividade geomagnética, também existem índices que classificam o nível da atividade solar, dentre os quais pode-se citar o índice de fluxo solar de 10 cm, denominado de F10.7. Este índice também é muito útil para análise dos dados relacionados ao estudo da ionosfera. O F10.7 é uma medida do nível de ruído gerado pelo Sol no comprimento de onda de 10,7 cm. Este índice tem sido usado como informação de entrada em muitos modelos ionosféricos como um substituto para a radiação solar que produz fotoionização na ionosfera terrestre (ARAGÓN-ÁNGEL et al., 2005; AIAA, 2010; FOUKAL, 1998). O modelo de Klobuchar utiliza o F10.7 para determinar o conjunto de coeficientes que são transmitidos nas mensagens de navegação do GPS. A emissão de radiação do sol num comprimento de onde de 10,7 cm é bem correlacionada com o número de manchas solares. A XFigura 1 apresenta um gráfico das medidas do índice F10.7 e do número de manchas solares, para o ano de 2000, fornecidas pela NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration). O número de mancha solar é definido pela contagem do número individual das manchas solares, bem como do número de grupos de manchas solares e deve ser reduzido a uma escala padrão considerando as diferenças de técnicas e equipamentos entre os observatórios. Entretanto, o fluxo de radiação de 10,7 cm pode ser medido de forma mais rápida e fácil, e tem substituído o número de mancha solar como índice de atividade solar (IPS, 2009). 43 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 120 140 160 180 200 220 240 260 0 50 100 150 200 250 300 350 400 10.7 cm F 1 0 .7 ( u n id . d e fl u x o ) Dia do Ano - 2000 N ú m ero d e M an ch as S o lares Mancha Solar Figura 1 – Fluxo solar F10.7 e número de manchas solares. Apesar de o F10.7 e o número de mancha solar indicarem a atividade solar, estes têm escalas diferentes. A conversão entre números de mancha solar (R) e o fluxo (F) pode ser realizada utilizando o par de equações (IPS, 2009). 32 32 )FD0240,0()FD0733,0(FD61,1R )R0209,0()R0575,0(R572,00,67F , (18) com FD = F – 67,0. O F10.7 pode ser usado como um índice diário ou uma média sobre longos períodos para registrar as tendências na atividade solar. O valor do fluxo de 10,7 cm é dado em Unidades de Fluxo Solar (SFU – Solar Flux Unit, 10 -22 W m -2 Hz -1 ) e normalmente é uma média mensal ou anual. Algumas vezes é calculada a média para 90 dias. 2.3 Equipamentos Terrestres de Sondagem da Ionosfera A determinação da altura da camada ionosférica pela emissão de um pulso de radio frequência não modelado, verticalmente, é uma das técnicas que pode ser utilizada para 44 determinar as características ionosféricas. Esta altura verdadeira não pode ser determinada diretamente, logo a mesma é determinada por uma altura virtual a qual é função da frequência, da densidade de elétrons e da força do campo geomagnético (KOMJATHY, 1997). As ondas de rádio também podem ser emitidas num ângulo obliquo. A lei dos secantes estabelece a relação entre a frequência incidente na vertical e a incidente na obliqua, dando a base teórica para o uso do radar de espalhamento oblíquo (oblique backscatter radar). Relações entre as frequências incidentes na vertical e na obliqua, e alturas verdadeira e virtual podem ser encontradas em Davies (1990). A ionossonda emite pulsos de onda eletromagnética na vertical, varrendo da baixa frequência para a alta, tipicamente de 1 a 25 MHz. Estas ondas são refletidas pela ionosfera. Então a medida do tempo entre a transmissão e a recepção dos sinais fornece informação sobre a altura da camada ionosférica para uma determinada frequência. Assim, a partir dos sinais retornados são gerados os ionogramas, que fornecem a relação entre a frequência e a altura virtual da camada ionosférica refrativa. A partir dos ionogramas podem ser obtidos os valores das alturas virtuais das camadas ionosféricas E, F1 e F2, das frequências críticas foE, foF1 e foF2, os perfis de densidade de elétrons, entre outros. Frequência crítica é o nome dado a frequência máxima de uma onda eletromagnética necessária para que esta seja refletida numa determinada camada ionosférica. A frequência crítica é denominada de acordo com a camada particular em que a mesma penetra (foE, foF1 e foF2) (MCNAMARA, 1991). Os equipamentos mais atuais recebem o nome de Digissonda (Radar de Sondagem Ionosférica Digital). Segundo Komjathy (1997), o radar de espalhamento oblíquo emite ondas de rádio num ângulo obliquo à ionosfera. Assim uma série de pulsos curtos de radio frequência é refratada pela ionosfera e espalhados de modo não uniforme na superfície terrestre. Algumas das ondas incidentes na ionosfera são retornadas ao longo do mesmo caminho (backscatter), detectadas e amplificadas no receptor. Além dos instrumentos já citados, tem-se o radar de espalhamento incoerente (Incoherent Scatter) o qual é considerado uma das mais poderosas técnicas, baseadas em instrumentos terrestres, para estudos da ionosfera e as interações com a atmosfera superior, magnetosfera e meio interplanetário (KOMJATHY, 1997). O princípio também é baseado na detecção e estudo de um alvo a partir da transmissão de uma onda de rádio na direção deste alvo e observar a onda refletida. Como a energia dispersada por cada elétron é bem conhecida, a potência do eco recebido da ionosfera mede o número de elétrons no volume dispersado e 45 assim, a densidade de elétrons. A amplitude do espectro mede a temperatura da ionosfera, e a forma do espectro é uma função da taxa de temperatura do elétron e íon. Um deslocamento no espectro também pode ser detectado pelo radar, a partir do qual pode ser inferida a velocidade dos elétrons e íons (HAYSTACK, 2008). 2.4 Sondagem da Ionosfera a partir de Satélites Como já mencionado, os sistemas de satélites que compõem o GNSS, se tornaram em uma das mais importantes ferramentas nos estudos da ionosfera. Além das aplicações relacionadas ao monitoramento da ionosfera, a influência dispersiva da ionosfera nos sinais GNSS permite determinar o erro propagado para as observáveis, a partir de medidas realizadas com receptores de dupla frequência. Ainda, através de métodos de modelagem usando funções analíticas, pode-se minimizar a influência deste efeito sobre os dados de usuários de receptores GNSS de simples frequência. Além dos satélites do GNSS, há uma série de outros satélites com tecnologia que permitem medir a densidade de elétrons na ionosfera, tais como: ­ o TOPEX/Poseidon (Ocean Topography Experiment) desativado em 2005, cuja missão teve continuação com o lançamento dos satélites Jason 1, em 2001, e Jason 2, em 2008; ­ o PRARE (Precise Range and Range Rate Experiment) em operação desde 1995; e ­ o DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellie) o qual é um instrumento que está em operação a bordo de vários satélites, tais como a série SPOT, o Jason, ENVISAT e Cryosat. Além destes, pode-se citar outros satélites LEO, em operação, que carregam instrumentos GPS para medidas de rádio ocultação, tais como os satélites das missões GPS- MET, SAC-C, CHAMP e GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), e das missões mais recentes, COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate), e CICERO (Community Initiative for Continuing Earth Radio 46 Occultation) cujos primeiros satélites estão previstos para serem lançados em 2010 e a previsão de inicio da operação do sistema é para 2011. 2.4.1 Missão TOPEX/Poseidon A missão TOPEX/Poseidon (T/P) surgiu de um esforço conjunto entre a Agência Espacial dos Estados Unidos (NASA – National Aeronautics and Space Administration) e a Agência Espacial da França (CNES – Centre National d’Estudes Spatiales), para estudos oceanográficos. Os dados da missão também são utilizados para estudos relacionados as marés oceânicas, geodinâmica, geodésia, altura das ondas do oceano e velocidade do vento. A posição do satélite, que está a aproximadamente 1330 km de altura, é determinada com acurácia da ordem de 10 cm e é obtida a partir dos dados de um receptor GPS de dupla frequência a bordo do satélite. O T/P carrega a bordo: receptor GPS de dupla frequência, radar altimétrico de simples e dupla frequência, estrutura refletora de laser, radiômetro de micro-ondas TOPEX e receptor DORIS de dupla frequência (AZPILICUETA, 2006). A partir dos dados do radar altimétrico de dupla frequência pode-se calcular medidas acuradas do TEC sobre os oceanos, e que podem ser utilizadas como informações externas aos modelos ionosféricos para comparação e avaliação da modelagem, bem como do TEC obtido por observações GPS (AZPILICUETA et al., 2006; ORÚS et al., 2003). Em dezembro de 2001 foi lançado o satélite Jason-1 que trata-se de uma continuação da missão T/P. Os instrumentos carregados pelo Jason-1 são atualizações do seu antecessor T/P. Em junho de 2008 foi lançado o satélite Jason-2. 2.4.2 Sistema DORIS O DORIS é um sistema Francês, o qual é baseado na medida acurada do deslocamento Doppler de sinais de rádio frequência emitidos por estações terrestres. As medidas são feitas na frequência de 2 GHz para o Doppler e na frequência de 401,25 MHz para correção ionosférica. Assumindo que as medidas em ambas frequências são iguais, exceto para o efeito da ionosfera, este pode ser deduzido a partir destas medidas e a correção 47 ionosférica ser aplicada às medidas de 2 GHz. Estas correções podem ser associadas ao TEC (KOMJATHY, 1997). O sistema DORIS está a bordo da série de satélites SPOTs de sensoriamento remoto, e dos satélites TOPEX/Poseidon e Jason. Segundo Komjathy (1997), comparações em escala global mostraram que o nível de concordância entre o TEC obtido pelos dados do DORIS e o modelo IRI-95 chega ao nível de 2,5 TECU (TEC units – unidades de TEC). 2.4.3 Missões CHAMP, COSMIC e CICERO O satélite Alemão LEO-CHAMP, para aplicações e pesquisas geofísicas, foi lançado da Rússia, Plesetsk, com o foguete COSMOS, em 15 de julho de 2000 (GFZ, 2008). As medidas do CHAMP são usadas para determinar os campos de gravidade e magnético da Terra, e para produzir informações precisas sobre a temperatura vertical, umidade e distribuição da densidade de elétrons em escala global, usando a técnica de rádio ocultação GPS (GPS-RO). Essa técnica de sondagem da atmosfera com GPS oferece grande potencial para pesquisa atmosférica e ionosférica, melhorando as previsões do tempo, monitoramento espacial do tempo (clima) e detecção da mudança do clima. O potencial desta técnica de sondagem foi demonstrado a primeira vez pelo experimento pioneiro do U.S. Americano GPS-MET, juntamente com o satélite Argentino SAC-C e que sucedeu o GPS-MET. As medidas de ambos os satélites e a infra-estrutura melhorada (em relação ao GPS-MET) para a recepção, transferência, análise e fornecimento de dados de rádio ocultação GPS, trouxeram significativo progresso à técnica de rádio ocultação. As medidas GPS a bordo do CHAMP são processadas automaticamente resultando em produtos de dados ionosféricos que são oferecidos para a comunidade mundial de usuários via GFZ Potsdam (GFZ, 2008) De modo geral, na sondagem ionosférica utilizando dados CHAMP a ionosfera pode ser dividida em duas partes: a ionosfera abaixo da órbita do CHAMP (bottom side), da qual o perfil é gerado a partir de dados de rádio ocultação, e a ionosfera acima da órbita do CHAMP (top side), a qual é perfilada utilizando dados recebidos pela antena GPS (upward looking) acima do CHAMP. 48 Com o amadurecimento da técnica de radio ocultação novos projetos estão em desenvolvimento, com o objetivo de ampliar os estudos e conhecimentos das Ciências da Terra e do Clima Global. Em relação aos estudos da ionosfera podem-se citar os projetos mais recentes COSMIC e CICERO. O COSMIC é um projeto desenvolvido através de esforços conjuntos entre Estados Unidos e Taiwan. Este projeto consiste de seis satélites que foram lançados em 2005 e têm previsão de permanecerem em operação por cinco anos. Cada satélite é equipado com receptores GPS, projetados pelo JPL (Jet Propulsion Laboratory) da NASA, usados para aplicação da técnica de rádio ocultação GPS. Atualmente são obtidos, aproximadamente, 1500 perfis por dia utilizando esta constelação de satélites. Para o projeto CICERO está prevista uma composição de 100 micro-satélites LEO, equipados com receptores que permitam realizar a radio ocultação GPS e Galileo (GNSS-RO). Outra técnica, denominada de GPS Surface Reflection, também será utilizada nos estudos da atmosfera terrestre e no sensoriamento remoto da superfície. Dentre os produtos pretendidos pelo CICERO destacam-se: perfis da pressão atmosférica, temperatura e umidade, com alta acurácia; mapas tridimensionais da distribuição de elétrons na ionosfera; e uma variedade de medidas de propriedades dos oceanos e do gelo. As principais aplicações destes dados serão a predição do estado atmosférico, as pesquisas climáticas e o monitoramento do espaço atmosférico. Em sua fase inicial, com uma constelação de 20 satélites, o CICERO deverá entrar em operação em 2011 (GEOOPTICS, 2009). 2.5 Modelos Empíricos Dentre os modelos empíricos mais utilizados e pesquisados pode-se citar o modelo climatológico IRI (International Reference Ionosphere) e o modelo teórico PIM (Parameterized Ionospheric Model). Os mesmos já sofreram várias modificações. Entre os modelos empíricos mais utilizados cita-se também o modelo Broadcast, o qual é o mais conhecido dentro da comunidade de usuários do GPS, cujos coeficientes são transmitidos nas mensagens de navegação. 49 2.5.1 Modelo Broadcast O modelo matemático envolvido na correção do efeito da ionosfera no GPS, cujos coeficientes são transmitidos com as mensagens de navegação, foi desenvolvido por Klobuchar (1987) para atender, especificamente, os usuários de receptores GPS de simples frequência. O modelo Broadcast, também conhecido por modelo de Klobuchar ou ICA (Ionospheric Correction Algorithm – Algoritmo de Correção Ionosférica), foi baseado no modelo de Bent. É o modelo mais utilizado, pois seus coeficientes são transmitidos com os sinais do GPS e seu algoritmo está implementado nos softwares comerciais. Esse modelo permite calcular o atraso ionosférico, ou seja, a correção ionosférica para a pseudodistância entre o satélite e o receptor. Os coeficientes do modelo, num total de oito ( i e i, i = 0, ..., 3), são transmitidos pelos satélites como parte das mensagens de navegação (LEICK, 1995). O modelo é limitado a 8 coeficientes devido a limitações no comprimento das mensagens de navegação do GPS (KLOBUCHAR, 1987). Portanto, são válidos para qualquer usuário do sistema GPS, razão pela qual é considerado como um modelo global. Para descrever a variação da ionosfera durante o dia, o modelo utiliza-se da função co-seno com amplitude máxima às 14:00 horas locais. A amplitude e o período da função co-seno são calculados em função da latitude geomagnética e dos coeficientes transmitidos pelos satélites, representados por um polinômio de terceiro grau. Durante a noite, o atraso ionosférico em L1 é considerado constante e igual a 5 nanosegundos, que equivale, aproximadamente, a 1,5 m ou 9,24 unidades de TEC (TECU), sendo que 1 TECU = 10 16 el/m 2 (KLOBUCHAR, 1987). O algoritmo empregado no modelo de Klobuchar para calcular a correção ionosférica das medidas feitas com a portadora L1, além dos oitos coeficientes, utiliza a latitude, a longitude geodésica da estação, o azimute, o ângulo de elevação do satélite e o tempo GPS da época de observação. A sequência detalhada deste algoritmo pode ser encontrada em Klobuchar (1987). De acordo com a literatura, o modelo compensa aproximadamente 50-60% do atraso ionosférico total em regiões de latitudes médias (AGUIAR et al., 2003; LEICK, 1995; MATSUOKA; CAMARGO, 2002). Este modelo pode satisfazer em geral aplicações de navegação de baixa precisão. Os coeficientes transmitidos nas mensagens de navegação são atualizados a cada 10 dias pelo Controle Principal do GPS ou com maior frequência quando há mudanças 50 significativas no valor médio de 5 dias do fluxo solar dentro do período de 10 dias. Estes coeficientes são determinados como função do dia do ano e do fluxo solar de 10.7 cm (F10.7) (NWRA, 2007). O modelo de Klobuchar é baseado num total de 370 conjuntos de 8 coeficientes (GIM, 2009; WALSH, 2007). A escolha de um conjunto particular dos coeficientes do modelo de Klobuchar, transmitidos nas mensagens de navegação, é baseado no dia do ano e na média dos números do fluxo solar observados nos cinco últimos dias. Um ano é dividido em 37 períodos de 10 dias (37 grupos). Cada período é representado por 10 diferentes níveis de atividade solar. Os níveis de atividade solar (10 grupos) são separados pelos seguintes números de fluxo solar, em unidades de fluxo: 75, 100, 120, 140, 155, 170, 185, 200, 215 e 230. A atividade solar menor do que 75 unidades de fluxo é classificada no nível 1 e maior do que 230 unidades de fluxo é classificada no nível 10 (KOMJATHY, 2000; KOMJATHY; LANGLEY, 1995). O CODE (Center for Orbit Determination in Europe – Centro Europeu para a Determinação de Órbita) também gera os oito coeficientes para o modelo de Klobuchar usando os Mapas Globais da Ionosfera (GIMs – Global Ionosphere Map) calculados a partir de dados GPS, e distribuem estes coeficientes como um produto ionosférico adicional (MEMARZADEH; MAREL, 2006). O modelo com os coeficientes gerados pelo CODE é conhecido por Klobuchar-Style (GIM, 2009). 2.5.2 Modelo NeQuick Assim como o GPS, o Galileo também fornecerá suporte para usuários de receptores de simples frequência fornecendo um modelo de correções ionosféricas. O modelo de correção da ionosfera adotado pelo Galileo é o modelo de densidade de elétrons tridimensional NeQuick, desenvolvido por Abdus Salam ICTP (Itália) e pela Unniversity of Graz (Áustria) (MEMARZADETH; MAREL, 2006; MEMARZADETH, 2009; RADICELLA, 2009). Este modelo é baseado no modelo DGR (Di Giovanni - Radicella) (DI GIOVANNI; RADICELLA, 1990). A construção do modelo tridimensional do modelo NeQuick é baseada nas características das camadas ionosféricas E, F1 e F2. Como parâmetros de entrada o modelo necessita da localização, do tempo e do índice de atividade solar F10.7 ou do número médio 51 de manchas solares R12. A atividade solar é modelada por um polinômio de segunda ordem, dado por 2 210 aaa)(Az , onde Az é o nível efetivo de ionização, μ é a latitude Dip 2 modificada (MODIP) e a0, a1 e a2 são os parâmetros do NeQuick que são transmitidos nas mensagens de navegação do Galileo (MEMARZADETH, 2009; RADICELLA, 2009; OS- SIS-ICD, 2010). Segundo a documentação OS-SIS-ICD (2010), o modelo ionosférico corrige 70% do efeito da ionosfera sobre os sinais E5a, E5b, E6 e E1 transmitidos pelos satélites do Galileo. Atualmente, este modelo possui uma nova versão, denominada de NeQuick 2. 2.5.3 Modelo LPIM (La Plata Ionospheric Model) Além da determinação de um referencial geodésico geocêntrico, o SIRGAS também tem promovido a instalação de centros de analises da ionosfera. Dentro deste contexto, o Centro de Análise Ionosférica do SIRGAS, localizado na Universidade Nacional de La Plata, produz mapas horários de VTEC (Vertical TEC – TEC na direção Vertical) desde 2005, para a região de cobertura da rede SIRGAS. Estes mapas ionosféricos são conhecidos como SIRGAS-UNLP e são calculados utilizando o modelo LPIM (SIRGAS, 2010). O LPIM consiste num algoritmo para o cálculo de mapas de VTEC, baseado em observações coletadas de estações GPS de referência. Diariamente são utilizadas, aproximadamente, 50 estações GPS gerar os mapas regionais de VTEC. Neste modelo a ionosfera é representada utilizando os harmônicos esféricos. Deve-se destacar também que este modelo utiliza a latitude MODIP (AZPILICUETA, 2006; AZPILICUETA, BRUNINI, RADICELLA, 2006). 2.5.4 Modelo IRI (International Reference Ionosphere) O IRI é um modelo empírico climatológico, o qual é baseado na parametrização de uma grande quantidade de dados ionosféricos coletados num longo período de tempo. A partir desta série temporal de dados é possível realizar a parametrização de termos como 2 Dip se refere à inclinação magnética. 52 atividade solar, variação sazonal e variações em função da latitude geográfica, longitude e hora local. Este modelo faz parte de um projeto internacional financiado pelo COSPAR (COmmitee on SPAce Research) e pela URSI (International Union of Radio Science). A primeira versão do IRI foi disponibilizada em 1978, a qual foi seguida por varias edições melhoradas em 1986, 1990, 1995 e 2001. A versão mais atual disponível deste modelo é a de 2007 (http://iri.gsfc.nasa.gov/). A formulação do IRI é descrita em detalhes em Bilitza (1990). Para uma determinada localização, data e hora, o IRI descreve a densidade de elétrons, temperatura do íon, a composição de íon em altitude no intervalo de 50 a 2000 km, bem como o TEC. As principais fontes de dados para o IRI são a rede mundial de ionosondas, os radares Incoherent Scatter, e vários outros instrumentos a bordo de satélites e foguetes (BILITZA; REINISCH, 2008). 2.5.5 Modelo PIM (Parameterized Ionospheric Model) Segundo Komjathy (1997), o PIM foi desenvolvido