GNSS single frequency ionospheric model for equatorial plasma bubbles detection in the brazilian region - Souza, Ana Lucia Christovam de [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023)
The ionospheric layer can be considered difficult to model due to the high variation in electron density presents in the upper atmosphere. In regions of low latitude, such as Brazilian region, the ionosphere presents a peculiar dynamic, considerably affecting communication systems and global navigation satellite systems (GNSS). Total Electron Content (TEC) is the main parameter capable of describing the ionospheric layer. Therefore, ionospheric models based on TEC values become critical for monitoring space weather and the ionospheric layer. However, in low latitude regions, the performance of these models degrades due to the high sensitivity of the global positioning system (GPS) L2 frequency to ionospheric scintillation. In an effort to overcome this problem, this thesis investigates the potential of utilizing only GPS L1 frequency for imaging the ionospheric bubbles during ionospheric scintillation. Two methods for estimating TEC using single frequency are presented. The first one is based on the calibration method, i.e., information retrieved by external ionospheric models are used to correct the TEC using single frequency measurements. The second one is based on independent regional ionospheric model to calibrate GPS using single frequency measurements. Both methods successfully detected plasma bubbles by mapping TEC using single frequency. In addition, single frequency model presented similar accuracy to the dual frequency models and, at the same time, provided less observations affected by ionospheric scintillations. These results demonstrate the feasibility of using single frequency GNSS data to develop ionospheric models and to improve GNSS positioning in low latitudes.

A camada ionosférica pode ser considerada de difícil modelagem devido à alta variação na densidade de elétrons presente na atmosfera superior. Em regiões de baixa latitude, como a região brasileira, a ionosfera apresenta uma dinâmica peculiar, afetando consideravelmente os sistemas de comunicação e os sistemas GNSS (Global Navigation Satellite System). O Conteúdo Total de Elétrons (TEC) é o principal parâmetro capaz de descrever a camada ionosférica. Portanto, os modelos ionosféricos baseados em valores de TEC tornam-se essenciais para o monitoramento do clima espacial e da camada ionosférica. No entanto, em regiões de baixa latitude, o desempenho desses modelos é prejudicado devido à alta sensibilidade da frequência L2 do GPS (Global Positioning System) à cintilação ionosférica. Em um esforço para superar esse problema, esta tese investiga o potencial de utilizar apenas a frequência L1 do GPS para obter imagens das bolhas ionosféricas durante a cintilação ionosférica. São apresentados dois métodos para estimar o TEC utilizando simples frequência. O primeiro método é baseado na calibração do TEC, ou seja, as informações obtidas por modelos ionosféricos externos são usadas para corrigir o TEC usando medições de simples frequência. O segundo método, baseiase em um modelo ionosférico regional independente para calibrar o GPS usando medições de simples frequência. Ambos os métodos detectaram com sucesso bolhas de plasma mapeando o TEC usando frequência única. Além disso, o modelo de simples frequência apresentou precisão semelhante à dos modelos de dupla frequência e, ao mesmo tempo, forneceu menos observações afetadas pelas cintilações ionosféricas. Esses resultados demonstram a viabilidade do uso de dados GNSS de simples frequência para desenvolver modelos ionosféricos e melhorar o posicionamento GNSS em baixas latitudes.
Modelo ionosférico baseado em dados GNSS de simples frequência para detecção de bolhas de plasma equatoriais para região brasileira
Keywords: GNSS; Ionospheric modeling; Ionospheric plasma bubbles; TEC single frequency; Spherical hamonics