IonMAP: Sistema de assimilação de dados para o imageamento tridimensional da ionosfera no Brasil - Prol, Fabricio dos Santos [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2019)
A considerável variação espaço-temporal da densidade eletrônica na atmosfera superior terrestre torna a ionosfera uma região de difícil modelagem. Parte dos modelos que utilizam as observáveis do Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS) descreve a ionosfera como uma camada fina de altitude constante. No entanto, esta camada pode ter, na realidade, mais de 1000 km de espessura. A densidade eletrônica ao longo das diversas altitudes pode ser determinada por meio de técnicas de reconstrução tomográfica, que consistem em utilizar medidas de conteúdo total de elétrons (TEC - Total Electron Content) advindas de diferentes direções/elevações. Desta forma, é possível realizar o imageamento ionosférico em três dimensões. Contudo, o uso apenas de observações de TEC na reconstrução tomográfica apresenta deficiências nas representações verticais da ionosfera. Esta limitação pode ser reduzida com a assimilação de observações de perfis ionosféricos, sendo objeto de investigação em diversos métodos de imageamento ionosférico. Existe particular interesse na assimilação de dados sobre o setor longitudinal brasileiro, pois fenômenos peculiares da ionosfera tropical podem ser estudados, tais como os efeitos da forte deriva vertical que ocorre na região equatorial durante os horários do pico de pré-reversão, a intensificação da Anomalia Equatorial de Ionização e as irregularidades no plasma ionosférico. No intuito de analisar a performance de métodos de assimilação de dados sobre a ionosfera brasileira, a presente pesquisa de Doutorado tem o objetivo de desenvolver e verificar a qualidade de um novo método de assimilação de dados construído especificamente para descrever a ionosfera da região brasileira. O método foi desenvolvido com base na revisão sobre modelos ionosféricos antecessores e os experimentos foram conduzidos com dados de ionossondas, receptores GNSS sobre a superfície terrestre e receptores instalados em satélites por meio da técnica de Rádio-Ocultação. Como resultado, novas compreensões da ionosfera foram descobertas, principalmente, no que se refere à região superior e ao posicionamento GNSS de simples-frequência. Além disso, por se tratar de um modelo tridimensional, foi possível analisar a mitigação do impacto ionosférico no posicionamento GNSS utilizando valores inclinados de TEC (Slant TEC). Vale destacar que, além da boa performance do método na estimativa do TEC e na determinação de parâmetros da região de pico e topo, o método permitiu detectar e representar bolhas ionosféricas sobre o setor brasileiro, pelo qual é um fenômeno de grande interesse devido ao seu forte impacto nos sinais transionosféricos.

Spatial and temporal variation of the electron density in the atmosphere make the ionosphere a difficult region to model. Several models were developed using Global Navigation Satellite System (GNSS) observations to represent the ionosphere by Vertical Total Electron Content (VTEC) maps. However, errors in the VTEC modeling occur due to the consideration of the ionosphere as a thin shell with constant height and the irrealistic mapping functions. In contrast, the ionosphere is a layer with 1000 km thickness. The electron density distribution with the altitude can be calculated using tomographic reconstruction techniques, which are based on slant TEC measurements to map the ionosphere in three dimensions. However, performing tomographic reconstructions using only TEC measurements has deficiencies in vertical representations of the ionosphere. To overcome this geometric deficiency, data assimilation can be performed including ionospheric profiles in the tomographic reconstruction. Data assimilation methods have been applied worldwide and a relevant peculiarity of the Brazilian region is the fact that some ionospheric dynamics over the region are not completely understood, as it is affected by the Equatorial Ionization Anomaly, ionospheric irregularities and strong vertical drifts in the evening pre-reverse period. In order to analyze the performance of data assimilation methods in the Brazilian area, this work aims to develop and evaluate a new method of data assimilation based on tomographic techniques to describe the ionosphere over Brazil using data from ionosonde, Radio-Occultation and ground-based GNSS. As a result, new understandings of the ionosphere were found, mainly related to the topside ionosphere and the single-frequency GNSS positioning. Furthermore, since the developed method provides a three-dimensional solution, it was possible to analyze the mitigation of the ionospheric delay using the slant TEC directly in the GNSS positioning. In addition to the good performance for describing TEC, the peak region and the topside, the developed method allowed to obtain representations of ionospheric plasma bubbles over the Brazilian area, which is a solution of great interest due to the strong impact of plasma bubbles in transionospheric signals.
IonMAP: Data assimilation system for three-dimensional imaging of the ionosphere in Brazil
Keywords: GNSS; Rádio-Ocultação; Ionossonda; Tomografia; Radio-Occultation; Ionosonde; Tomography; Modelagem ionosférica; Ionospheric modeling