Radio Ocultação GPS. João Francisco Galera Monico Junho 2016

Transcrição

1 Radio Ocultação GPS João Francisco Galera Monico Junho 2016

2 Aspectos básicos de física Índice de refração: velocidade da onda eletromagnética no vácuo dividida pela velocidade no meio. Lei de Snell Law da refração n n c v 1 sini1 n2 sin i 2 n 1 i 1 n 2 i 2

3 Medidas realizadas usando sinal GPS GPS Radio Ocultação (Informação do perfil) GPS LEO GPS Receiver placed on satellite GPS receiver on the ground Ground-based GPS (Vapor d água integrado)

4 Geometria envolvida GPS transmitter 20,200km Tangent point a a 800km LEO receiver eg, GRAS O movimento da satélite LEO vai sondando progressivamente As regiões mais baixas da atmosfera.

5 Rádio Ocultação GPS Rádio ocultação dos sinais de GPS recebeu o nome de rádio ocultação, sendo inicialmente desenvolvida por cientistas da Universidade de Stanford, EUA e do JPL para o sensoriamento remoto de ambientes planetários. O programa (GPS/Meteorologia) criado pela UCAR (University Corporation for Atmospheric Research) em 1993, em conjunto com a Universidade do Arizona e o JPL, para obter medidas da atmosfera neutra da Terra e ionosfera, então utilizava a técnica de rádio ocultação. O sistema GPS/MET demonstrou que a partir de sinais de GPS recebidos, ocultos em um satélite LEO (Low Earth Orbiter- região de órbita baixa da Terra), MicroLab-1 (ML-1), lançado 03 de abril de 1995, foram obtidos perfis verticais de temperatura, vapor d água e pressão da atmosfera neutra, bem como a densidade de elétrons da ionosfera.

6 Ocultação GPS/GNSS. COSMIC/CHAMP em operação COSMIC 2 Em preparação

7 Pode-se observar na figura que o satélite GPS (G) está oculto pela Terra, mas devido ao desvio do sinal em razão da refração atmosférica, o mesmo é recebido no receptor a bordo do satélite LEO (L). O processo de ocultação demora algo em torno de 2 minutos, período em que a taxa de coleta de dados para o satélite GPS nesta condição é realizada com alta taxa, em geral 50 Hz.

8 Ilustração geométrica dos modelos

9 No processamento dos dados, objetiva-se determinar o ângulo α mostrado na figura, o qual é denominado ângulo de curvatura (bending angle). Na realidade, vários valores de α serão determinados; os quais comporão um perfil para cada ocultação. O valor desse ângulo vai depender da composição da atmosfera, em especial do TEC (Conteúdo Eletrônico Total), na ionosfera e das componentes hidrostática e úmida, na troposfera. Com o uso de dados de receptores de dupla freqüência os efeitos de primeira ordem da ionosfera podem ser eliminados, via combinação linear adequada (MONICO, 2008). Por outro lado, os efeitos advindos da troposfera são os que interessam para este caso e estarão influenciando o ângulo α.

10 O modelo funcional usa a conceito de geometria óptica (GO), com a suposição de simetria esférica local, e requer que as posições e velocidades dos satélites GPS e LEO sejam determinadas com alta acurácia. A teoria da relatividade via o uso da transformação de Lorenz é envolvida no processo, uma vez que satélites GPS e LEO se movem com velocidades diferentes. Calcula-se então o efeito Doppler no vácuo que é confrontado com o correspondente valor observado pelo receptor. A diferença entre ambos é denominada excesso óptico. De posse dos valores de α, pode-se calcular um perfil de refratividade (N), usando, por exemplo, a inversa de Abel. Perfis de Temperatura e Pressão, bem como de Umidade podem ser determinados a partir dos valores de N.

11 Esses valores, de suma importância na Meteorologia, podem ser assimilados num modelo numérico de previsão do tempo (PNT), bem como ser usado em outras aplicações. O projeto COSMIC ( é uma prova do conceito de muito sucesso, uma vez que produz algo em torno de 4000 ocultações por dia, as quais podem ocorrer em qualquer região da Terra (mar, floresta, etc).

12 Elementos envolvidos na técnica de RO

13 x= n(r)r a = n(r t )r t

14 Deriving the refractive index profiles Assuming spherical symmetry the ionospheric corrected bending angle can be written as: Corrected Bending angle as a function of impact parameter a( a) 2a a d ln n dx x 2 a 2 dx Convenient variable (x=nr) (refractive index * radius) We can use an Abel transform to derive a refractive index profile Note the upper-limit of the integral! A priori needed. n( x) 1 exp a a( a) a 2 x 2 da

15 Refractivity and Pressure/temperature profiles: Classical retrieval The refractive index (or refractivity) is related to the pressure, temperature and vapour pressure using two experimentally determined constants (from the 1950 s and 1960 s!) refractivity N 10 6 c1p T ( n 1) c2p T If the water vapour is negligible, the 2 nd term = 0, and the refractivity is proportional to the density w 2 c1p N c1r T This is two term expression is probably the simplest formulation for refractivity, but it is widely used in GPSRO. We are testing alternative formulations. So we have derived a vertical profile of density!

16 Classical retrieval We can derive the pressure by integrating the hydrostatic equation a priori 1 P ( z) P( z u ) N( z) g( z) dz c R The temperature profile can then be derived with the ideal gas law: T ( z) c1 P( z) N( z) GPSMET experiment (1996): Groups from JPL and UCAR demonstrated that the retrievals agreed with co-located analyses and radiosondes to within 1K between ~5-25km. EG, See Rocken et al, 1997, JGR, 102, D25, z u Z

17 GPS/MET Temperature Sounding (Kursinski et al, 1996, Science, 271, , Fig2a) GPS/MET - thick solid. Radiosonde thin solid. Dotted ECMWF anal. (Location 69N, 83W UT, 5 th May, 1995)

18 Softwares para RO ROPP: Radio Occultation Processing Package. Este programa está disponível em ROAM: Este programa foi desenvolvido pela UCAR (University Corporation for Atmospheric Research). Trata-se do programa que realiza todo o processamento dos dados do COSMIC. GMRION: Este programa computacional utiliza algoritmos de RO para realizar inversão na Ionosfera. Foi desenvolvido na UCAR e está disponível para uso livre.

19 Exemplo de ocultação.

20 COSMIC Verde Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere & Climate Vermelho: Radiosondas lançadas no mundo

21 Projetos e onde obter produtos COSMIC e COSMIC II Taiwan e USA Brasil vai participar do Cosmic II via INPE/UNESP. EQUARS Brasil, mas não se concretizou; CHAMP e SAC-C e vários outros.

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