Faculdade de Ciências e Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Ciências Cartográficas MARCELO TOMIO MATSUOKA

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1 unesp UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA Faculdade de Ciências e Tecnologia Programa de Pós-Graduação em Ciências Cartográficas MARCELO TOMIO MATSUOKA AVALIAÇÃO DE FUNÇÕES PARA MODELAGEM DO EFEITO DA REFRAÇÃO IONOSFÉRICA NA PROPAGAÇÃO DOS SINAIS GPS PRESIDENTE PRUDENTE FEVEREIRO 003

2 MARCELO TOMIO MATSUOKA AVALIAÇÃO DE FUNÇÕES PARA MODELAGEM DO EFEITO DA REFRAÇÃO IONOSFÉRICA NA PROPAGAÇÃO DOS SINAIS GPS Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciências Cartográficas da Faculdade de Ciências e Tecnologia da UNESP, para a obtenção do título de Mestre em Ciências Cartográficas. Orientador Prof. Dr. Paulo de Oliveira Camargo PRESIDENTE PRUDENTE FEVEREIRO 003

3 DADOS CURRICULARES MARCELO TOMIO MATSUOKA Nascimento 09/10/1978 Novo Horizonte/SP. Filiação Cláudio Takeshi Matsuoka. Maria Neli Rodrigues Matsuoka Curso de Graduação. Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho Campus de Presidente Prudente. Engenharia Cartográfica Programa de Pós-Graduação em Ciências Cartográficas da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho Campus de Presidente Prudente. Mestrado em Ciências Cartográficas.

4 DEDICATÓRIA Aos meus queridos pais, Maria Neli Rodrigues Matsuoka e Cláudio Takeshi Matsuoka, ao meu irmão Toshio e a querida Jaque. Por todo apoio, incentivo e confiança em todos os momentos. Aos meus avós, Geremias Rodrigues (in memoriam), Rosa Dias Rodrigues, Ryosako Matsuoka (in memoriam) e Shigeno Matsuoka.

5 AGRADECIMENTOS Gostaria de expressar meus sinceros agradecimentos à FAPESP, pelo apoio financeiro durante o desenvolvimento do projeto, ao meu orientador Prof. Dr. Paulo de Oliveira Camargo, pela parceria e cuja dedicação à profissão incentiva ainda mais os seus orientandos. Aos professores da banca examinadora pelas críticas e sugestões. Gostaria também de agradecer ao IBGE, pelo fornecimento dos dados das estações da RBMC, ao Departamento de Recursos Naturais do Canadá (NRCan), pela cópia do software GPSPACE e sua documentação, aos professores do Departamento de Cartografia e da Pós-Graduação em Ciências Cartográficas, em especial ao Prof. Dr. João Francisco Galera Monico pelos ensinamentos, dicas e contatos, e ao pessoal do Laboratório de Geodésia Espacial e da Pós-Graduação em Ciências Cartográficas, por toda ajuda oferecida. Gostaria de agradecer ao colega André Luiz por toda ajuda desinteressada, ao William Rodrigo Dal Poz e ao Claudinei (baixista), pela parceria no estudo da ionosfera, aos velhos amigos (NQM), por todos os momentos de descontração, e a todos que me ajudaram no desenvolvimento do projeto. Por fim, gostaria de agradecer aos meus tios, Meire e Wagner, por facilitar as minhas férias de 15 dias de janeiro de 00 (momentos revitalizantes), a Dona Vergínia por me acolher nos finais de semana, a minha tia Yuri, pelos convites de almoço e jantar, e ao meu tio Pedro e primo Carlinhos, que desde muito tempo torcem por meu futuro.

6 EPÍGRAFE E ainda que tivesse o dom de profecia, e conhecesse todos os mistérios e toda a ciência, e ainda que tivesse toda fé, de maneira tal que transportasse os montes, e não tivesse amor, nada seria. (Coríntios13)

7 SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS...16 LISTA DE TABELAS...19 LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS...0 RESUMO... ABSTRACT INTRODUÇÃO DESCRIÇÃO GERAL OBJETIVOS JUSTIFICATIVA CONTEÚDO DO TRABALHO...5 SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL CARACTERÍSTICAS DOS SINAIS GPS...6. OBSERVÁVEIS GPS Pseudodistância Fase da onda portadora ERROS ENVOLVIDOS NAS OBSERVÁVEIS POSICIONAMENTO COM GPS Posicionamento por ponto IONOSFERA DIVISÃO DA ATMOSFERA ESTRUTURA DA IONOSFERA CAUSAS DAS VARIAÇÕES DO CONTEÚDO TOTAL DE ELÉTRONS Variações temporais Influência da variação da radiação solar Regiões geográficas da ionosfera Campo magnético terrestre Cintilação...48

8 3.3.6 Outras anomalias EFEITO DA IONOSFERA NA PROPAGAÇÃO DOS SINAIS GPS REFRAÇÃO IONOSFÉRICA FUNÇÕES DE MAPEAMENTO FUNÇÕES DE MODELAGEM DO ATRASO IONOSFÉRICO VERTICAL Série de Fourier Harmônico esférico Série de Taylor Polinômio de quarta ordem Modelo de Klobuchar AJUSTAMENTO DE OBSERVAÇÕES POR MÍNIMOS QUADRADOS CONSIDERAÇÕES INICIAIS MÉTODO DOS MÍNIMOS QUADRADOS AJUSTAMENTO DE OBSERVAÇÕES POR MÍNIMOS QUADRADOS Método paramétrico com injunção MODELO REGIONAL DA IONOSFERA (MOD_ION) EQUAÇÃO DE OBSERVAÇÃO FUNÇÕES DE MAPEAMENTO IMPLEMENTADAS NO MOD_ION FUNÇÕES DE MODELAGEM DO ATRASO IONOSFÉRICO VERTICAL DO MOD_ION OPÇÕES DE PROCESSAMENTO NO MOD_ION MÉTODO DE ESTIMAÇÃO DOS PARÂMETROS DO MOD_ION EXPERIMENTOS E RESULTADOS OBTIDOS DADOS GPS DA RBMC SELECIONADOS PARA OS EXPERIMENTOS VALORES DAS FUNÇÕES DE MAPEAMENTO DO MOD_ION MODELAGEM E CORREÇÃO DO ATRASO IONOSFÉRICO UTILIZANDO O MOD_ION AVALIAÇÃO NO POSICIONAMENTO POR PONTO Discrepância, desvio padrão e erro médio quadrático Análise dos resultados obtidos no posicionamento por ponto Resultados do primeiro experimento Resultados do segundo experimento Mod_Ion x Modelo de Klobuchar...145

9 8 CONSIDERAÇÕES FINAIS, CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES CONSIDERAÇÕES FINAIS CONCLUSÕES RECOMENDAÇÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXO - FLUXOGRAMA DO PROGRAMA MOD_ION...164

10 LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 Estações da RBMC... Figura.1 Estrutura básica dos sinais GPS... 6 Figura. Discrepância horizontal do posicionamento por ponto antes (a) e após a desativação da SA (b) Figura 3.1 Representação esquemática da atmosfera terrestre em condições ideais 40 Figura 3. Representação esquemática da ionosfera Figura 3.3 Imagens da superfície do Sol obtidas em um período de mínima (a) e máxima (b) atividade solar Figura 3.4 Média anual do número de manchas solares Ciclos Solares Figura 3.5 Regiões geográficas da ionosfera Figura 4.1 Geometria para o atraso do caminho ionosférico Figura 4. Representação da ionosfera a partir das mensagens transmitidas Figura 5.1 Relação entre as fases do ajustamento Figura 6.1 Fluxograma com as funções de mapeamento e de modelagem do atraso ionosférico vertical implementadas no Mod_Ion Figura 7.1 Diferença entre os valores de SF (K) e SF (P) Figura 7. Discrepâncias das coordenadas cartesianas estimadas experimento 1 julho/000, outubro/000, janeiro/001 e abril/ Figura 7.3 Discrepâncias das coordenadas cartesianas estimadas experimento 1 julho/001, outubro/001, janeiro/00 e abril/ Figura 7.4 Discrepâncias da resultante das coordenadas cartesianas estimadas (CCI) experimento 1 julho/000, outubro/000, janeiro/001 e abril/ Figura 7.5 Discrepâncias da resultante das coordenadas cartesianas estimadas (CCI) experimento 1 julho/001, outubro/001, janeiro/00 e abril/ Figura 7.6 Desvio padrão das coordenadas cartesianas estimadas experimento 1 julho/000, outubro/000, janeiro/001 e abril/ Figura 7.7 Desvio padrão das coordenadas cartesianas estimadas experimento 1 julho/001, outubro/001, janeiro/00 e abril/

11 Figura 7.8 EMQ das coordenadas cartesianas estimadas experimento 1 julho/000, outubro/000, janeiro/001 e abril/ Figura 7.9 EMQ das coordenadas cartesianas estimadas experimento 1 julho/001, outubro/001, janeiro/00 e abril/ Figura 7.10 EMQ da resultante das coordenadas cartesianas estimadas (CCI) experimento 1 julho/000, outubro/000, janeiro/001 e abril/ Figura 7.11 EMQ da resultante das coordenadas cartesianas estimadas (CCI) experimento 1 julho/001, outubro/001, janeiro/00 e abril/ Figura 7.1 Discrepâncias em altitude geométrica experimento 1 julho/000, outubro/000, janeiro/001 e abril/ Figura 7.13 Discrepâncias em altitude geométrica experimento 1 julho/001, outubro/001, janeiro/00 e abril/ Figura 7.14 Discrepâncias em altitude geométrica (CCI) experimento 1 julho/000, outubro/000, janeiro/001 e abril/ Figura 7.15 Discrepâncias em altitude geométrica (CCI) experimento 1 julho/001, outubro/001, janeiro/00 e abril/ Figura 7.16 Discrepâncias em altitude geométrica SCI Julho/001 dia Figura 7.17 Discrepâncias em altitude geométrica SCI Abril/00 dia Figura 7.18 Discrepâncias em altitude geométrica CCI-SF (P) I (Fou) Julho/001 dia Figura 7.19 Discrepâncias em altitude geométrica CCI-SF (P) I (Fou) Abril/00 dia Figura 7.0 Discrepâncias em altitude geométrica CCI-SF (P) I (HE) Julho/001 dia Figura 7.1 Discrepâncias em altitude geométrica CCI-SF (P) I (HE) Abril/00 dia Figura 7. Discrepâncias em altitude geométrica CCI-SF (P) I (Tay) Julho/001 dia Figura 7.3 Discrepâncias em altitude geométrica CCI-SF (P) I (Tay) Abril/00 dia Figura 7.4 Discrepâncias em altitude geométrica CCI-SF (P) I (Pol) Julho/001 dia

12 Figura 7.5 Discrepâncias em altitude geométrica CCI-SF (P) I (Pol) Abril/00 dia Figura 7.6 Discrepâncias das coordenadas cartesianas estimadas experimento 3 julho/000, outubro/000, janeiro/001 e abril/ Figura 7.7 Discrepâncias das coordenadas cartesianas estimadas experimento 3 julho/001, outubro/001, janeiro/00 e abril/

13 LISTA DE TABELAS Tabela.1 Fontes e efeitos dos erros envolvidos no GPS Tabela 4.1 Efeito da ionosfera em distâncias observadas na vertical com uma freqüência e erros residuais para observações de dupla freqüência Tabela 4. Máximo efeito sistemático vertical devido à ionosfera Tabela 4.3 Variação do semi-diâmetro da camada ionosférica Tabela 6.1 Siglas adotadas para as funções de mapeamento Tabela 6. Siglas adotadas para as funções de modelagem do Mod_Ion Tabela 7.1 Dados GPS da RBMC disponíveis para o período selecionado Tabela 7. Valores das funções de mapeamento do Mod_Ion Tabela 7.3 Média das discrepâncias obtida para cada semana experimento Tabela 7.4 Valores das discrepâncias da resultante e melhora obtida no experimento Tabela 7.5 Média dos valores de EMQ obtida para cada semana experimento Tabela 7.6 Valores do EMQ da resultante e melhora obtida no experimento Tabela 7.7 Valores das discrepâncias em altitude geométrica experimento Tabela 7.8 Valores do EMQ em altitude geométrica experimento Tabela 7.9 Valores das discrepâncias planimétricas experimento Tabela 7.10 Valores do EMQ da planimetria experimento Tabela 7.11 Média das discrepâncias das resultantes experimento Tabela 7.1 Valores médios do EMQ da resultante experimento Tabela 7.13 Discrepâncias em altitude geométrica experimento Tabela 7.14 Valores das discrepâncias (SCI, CCI-Mod_Ion e CCI-Klob) Tabela 7.15 Valores de EMQ (SCI, CCI-Mod_Ion e CCI-Klob) Tabela 7.16 Discrepâncias em altitude geométrica (SCI, CCI-Mod_Ion e CCI-Klob). 150

14 LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS AS BRASION CCI DGPS DoD DOP EMQ FCT Fou GPS GSD GPSPACE HE IGS ITRF LF LGE MF MMQ Mod_Ion MVC NAVSTAR NRCan Pol RBMC RINEX RTK SA SCI - Anti Spoofing - BRASil-IONosfera - Com correção da ionosfera - Differential GPS GPS Diferencial - Departament of Defense - Departamento de Defesa - Dilution of Precision - diluição da precisão - Erro Médio Quadrático - Faculdade de Ciências e Tecnologia - Série de Fourier - Global Positioning System - Geodetic Survey Division - GPS Positioning from ACS Clocks and Ephemerides - Harmônico esférico - International GPS Service - International Terrestrial Reference Frame - Freqüência baixa - Laboratório de Geodésia Espacial - Freqüência média - Métodos dos Mínimos Quadrados - Modelo Regional da Ionosfera - Matriz variância-covariância - NAVigation Satellite with Time And Ranging - Natural Resources Canada - Polinômio de Quarta ordem - Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo - Receiver INdependent EXchange - Real Time Kinematic - Selective Avaibility - disponibilidade seletiva - Sem correção da ionosfera

15 SCA SF Tay TEC TECU TU UNESP VHF VLF VTEC WADGPS WGS84 - Sistemas de Controle Ativos - Slant Factor função de mapeamento - Série de Taylor - Total Electron Content - conteúdo total de elétrons - Unidade de TEC - Tempo Universal - Universidade Estadual Paulista - Freqüência muito alta - Freqüência muito baixa - Vertical TEC - Wide Area DGPS - World Geodetic System 84

16 Matsuoka, M.T.. Avaliação de funções para modelagem do efeito da refração ionosférica na propagação dos sinais GPS p. Dissertação (Mestrado em Ciências Cartográficas) - Programa de Pós-Graduação em Ciências Cartográficas, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Estadual Paulista, Presidente Prudente. RESUMO Atualmente, a maior fonte de erro sistemático no posicionamento com receptores GPS de uma freqüência é devido à refração ionosférica. O erro associado à refração ionosférica depende do conteúdo total de elétrons (TEC) na camada ionosférica, que por sua vez, é influenciado por diversas variáveis, tais como ciclo solar, época do ano, hora do dia, localização geográfica e atividade geomagnética, e é difícil de ser corrigido. Os receptores GPS de dupla freqüência permitem efetuar correções do efeito da refração ionosférica, devido ao fato da mesma ser dependente da freqüência do sinal. Porém, receptores GPS de dupla freqüência são equipamentos caros, fazendo com que os de uma freqüência sejam amplamente empregados no posicionamento com GPS. As mensagens de navegação trazem informações que permitem efetuar correções da ionosfera para receptores GPS de uma freqüência, utilizando o modelo de Klobuchar. Porém vários estudos realizados mostraram que o modelo de Klobuchar pode remover apenas algo em torno de 50-60% do efeito total. Desta maneira, é necessário dispor de uma estratégia mais efetiva de eliminar os efeitos da ionosfera, a qual tem sido investigada a partir do uso de modelos regionais para a ionosfera. No Brasil, tem-se o modelo regional da ionosfera (Mod_Ion), desenvolvido na FCT/UNESP, que utiliza dados GPS da Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo (RBMC). Neste modelo, a ionosfera é representada analiticamente pela série de Fourier. Nesta pesquisa, outras funções de modelagem e de mapeamento da ionosfera foram implementadas no Mod_Ion, visando melhorar a eficiência do modelo para posicionamento com receptores de uma freqüência. Os resultados dos experimentos do posicionamento por ponto mostraram que as funções série de Fourier, de Taylor e a polinomial foram as mais eficazes na correção do efeito sistemático devido à ionosfera, proporcionando uma melhora média na acurácia da ordem de 79,5%, com valores médios de discrepâncias na resultante das coordenadas cartesianas melhores do que 3 m, sendo que a maior influência concentra-se na altitude.

17 Matsuoka, M.T.. Avaliação de funções para modelagem do efeito da refração ionosférica na propagação dos sinais GPS p. Dissertação (Mestrado em Ciências Cartográficas) - Programa de Pós-Graduação em Ciências Cartográficas, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Estadual Paulista, Presidente Prudente. ABSTRACT Nowadays, one of the main drawbacks of the GPS accuracy for L1 users is the ionospheric refraction, which affects, mainly, the point positioning. The error associated with the ionospheric refraction depends on the Total Electron Content (TEC) in the ionospheric layer, that is influenced by several variables, including the solar cycle, the season, the local time, the geographical location of the receiver and the Earth's magnetic field. The broadcast ephemeris contains information for computing the group delay, using the broadcast model. The literatures report that the model correct 50 to 60% of the total effect of ionospheric refraction. Therefore, it is necessary a more effective strategy of eliminating the effects of the ionosphere. Some techniques and models have been developed to estimate these effects using data collected with double frequency GPS receivers. In Brazil, a regional model of the ionosphere (Mod_Ion) was developed in FCT/UNESP, which makes use of GPS data collected at the active stations of RBMC (Brazilian Network for Continuous Monitoring of GPS satellites) In this model, the ionosphere is represented analytically by a Fourier series type. In this research, other modelling and mapping functions of the ionosphere were implemented in Mod_Ion, seeking to improve the efficiency of the model for positioning with L 1 receivers. The results of the experiments showed that the functions Fourier series, Taylor series and the polynomial, were the most effective in the correction of the systematic effect due to the ionosphere, providing a improvement in the acuracy better than 79,5%, with values of discrepancies in the resultant of the cartesian coordinates better than 3 m, and the largest influence concentrates on the height.

18 18 1 INTRODUÇÃO 1.1 Descrição geral O NAVSTAR-GPS (NAVigation Satellite with Time And Ranging Global Positioning System), ou simplesmente GPS, é um sistema de posicionamento global de radionavegação, desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América (DoD-Department of Defense), visando ser o principal sistema de navegação das forças armadas americana. Nos últimos anos, devido à alta acurácia do sistema e do grande desenvolvimento da tecnologia envolvida nos equipamentos GPS, uma grande comunidade usuária emergiu nos mais variados segmentos da comunidade civil (navegação, posicionamento topográfico e geodésico, agricultura, meteorologia, etc.). O princípio básico de navegação consiste na medida das chamadas pseudodistâncias entre a antena receptora e no mínimo quatro satélites. Este número mínimo de satélites permite que se realize posicionamento em tempo real. A necessidade de se ter no mínimo quatro satélites é para determinar, além das três coordenadas do ponto de interesse, o não sincronismo entre os relógios do receptor e dos satélites (MONICO, 000). O posicionamento utilizando GPS pode ser realizado na forma absoluta (pontual), relativa ou DGPS (Differential GPS). No posicionamento por ponto (absoluto) necessita-se de apenas um receptor, e a posição do ponto é determinada em tempo real ou pósprocessada, no sistema de referência vinculado ao GPS, ou seja, o WGS 84 (World Geodetic System 84). Este método de posicionamento é muito utilizado em navegação e levantamentos expeditos. No posicionamento relativo, a posição de um ponto é determinada com relação à de outro(s), cujas coordenadas são conhecidas. As coordenadas do(s) ponto(s) conhecido(s) devem estar referenciadas ao WGS 84, ou a um sistema compatível, como o ITRF (International Terrestrial Reference Frame). No DGPS, um receptor GPS é estacionado

19 19 numa estação de referência onde são calculadas correções (de coordenadas ou de pseudodistâncias), as quais são transmitidas, em intervalos pré-estabelecidos, para os usuários da estação de interesse. Aplicando tais correções, melhora-se consideravelmente a qualidade dos resultados obtidos pelos usuários. A maior fonte de erros no posicionamento com GPS era a técnica SA (Selective Availability Disponibilidade Seletiva), desativada às 04 horas TU de 0 de maio de 000. Esta técnica deteriorava as coordenadas e/ou os relógios dos satélites, para usuários que utilizavam o código C/A (Coarse Acquisition fácil aquisição) para obter medidas de pseudodistâncias. Nestas condições, o posicionamento instantâneo de um ponto, apresentava acurácia horizontal, vertical e de tempo, melhor que 100 m, 140 m e 340 ns, respectivamente, com 95% de probabilidade. Segundo Shen (00), após a desativação da SA, a acurácia horizontal está melhor do que 30 m, ou seja, houve uma melhora maior do que 3,3 vezes. Testes realizados no Laboratório de Geodésia Espacial (LGE) da FCT/UNESP (Faculdade de Ciências e Tecnologia/Universidade Estadual Paulista), Campus de Presidente Prudente, mostraram que após a desativação da SA melhorou-se cerca de 5 vezes a acurácia do posicionamento com GPS (MATSUOKA et al., 001). Com a desativação da técnica SA, a refração ionosférica tornou-se a maior fonte de erro sistemático no posicionamento com GPS. O erro associado à refração ionosférica depende do conteúdo total de elétrons (TEC) na camada ionosférica, que por sua vez, é influenciado por diversas variáveis, tais como ciclo solar, época do ano, hora do dia, localização geográfica e atividade geomagnética, e é difícil de ser corrigido (CAMARGO, 1999). Durante a atividade solar máxima e para satélites próximos ao horizonte, o erro pode ser maior que 100 m (NEWBY e LANGLEY, 199), devido à redução na velocidade de grupo das freqüências emitidas pelos satélites GPS.

20 0 Os receptores GPS de dupla freqüência permitem efetuar correções do efeito da refração ionosférica, devido ao fato do mesmo ser dependente da freqüência do sinal. Porém, receptores GPS de dupla freqüência são equipamentos caros, fazendo com que os de uma freqüência (receptores com a portadora L 1 ) sejam amplamente empregados no posicionamento com GPS. A desvantagem da utilização dos receptores GPS de uma freqüência é de que os resultados do levantamento, para o posicionamento por ponto e para a resolução das ambigüidades no posicionamento relativo de bases médias e longas, são afetados pelo efeito sistemático devido à ionosfera. As mensagens de navegação transmitidas pelos satélites do sistema GPS trazem informações que permitem efetuar correções da ionosfera para receptores GPS de uma freqüência, utilizando o modelo de Klobuchar (KLOBUCHAR, 1987). Estas informações são os coeficientes alfa (α) e beta (β) de um polinômio, estimados a partir de uma rede de estações GPS global. Porém, estudos realizados mostraram que o modelo de Klobuchar pode remover apenas algo em torno de 50-60% do efeito total (LEICK, 1995). Desta maneira, é necessário dispor de uma estratégia mais efetiva para eliminar os efeitos da ionosfera, a qual tem sido investigada a partir do uso de modelos regionais, que representam com maior eficácia o comportamento da ionosfera da região de estudo. Estudos sobre o uso do GPS, no sul do Brasil e na região equatorial, mostraram que, na América Central e na América do Sul, as medidas GPS são afetadas por diversas condições ionosféricas, como por exemplo, o efeito da cintilação ionosférica e da anomalia equatorial (WANNINGER et al., 1991, 199) (CAMPOS et al., 1993). Estas conclusões foram obtidas dos resultados de duas campanhas GPS, denominadas de BRASION 91 e BRASION 9.

21 1 Algumas técnicas e modelos têm sido desenvolvidos para estimar o efeito sistemático devido à ionosfera. A determinação deste efeito tem sido feita com observações GPS coletadas com receptores de simples e dupla freqüência. A solução resultante dos dados de receptores de uma freqüência é limitada, principalmente pela baixa acurácia das medições das pseudodistâncias (LEICK, 1995). A estimativa do efeito sistemático devido à ionosfera é baseada, principalmente, em dados obtidos com receptores de dupla freqüência, proporcionando melhores estimativas do erro sistemático. Nesta direção, pode-se citar o trabalho desenvolvido por Georgiadiou (1994), no qual se estimam os coeficientes de um modelo regional da ionosfera com dados GPS de um receptor de dupla freqüência do Sistema Ativo de Referência GPS da Holanda. Lanyi e Roth (1988) e Coco et al. (1991), também utilizando uma estação GPS, estimam o TEC, em vez do erro sistemático na portadora L 1, como fez Georgiadiou. Sardón et al. (1994) utilizam diversas estações GPS para este fim. Vários outros trabalhos podem ser citados, como por exemplo Komjathy (1997), Schaer (1999), Fedrizzi (1999), Liao (000), Fedrizzi et al. (001), Fonseca Junior (00), Gao e Liau (00), Otsuka et al. (00), entre outros. No Brasil, pode-se citar a pesquisa realizada por Camargo (1999) para modelar a ionosfera, que foi possível devido à disponibilidade de dados GPS da RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo). A RBMC, atualmente, possui 15 estações (Figura 1.1) que coletam dados GPS continuamente com receptores de dupla freqüência, sendo que uma delas está localizada em Presidente Prudente. As estações de Brasília e Fortaleza também fazem parte da rede IGS (International GPS Service), ocorrendo assim, a integração das redes IGS e RBMC.

22 -70º -60º -50º -40º Equador Geográfico -0º -10º -0º -30º Figura 1.1 Estações da RBMC - situação em fevereiro/003 Camargo (1999) desenvolveu um modelo (Mod_Ion) que permite calcular o erro sistemático devido à ionosfera na portadora L 1, bem como o TEC, que é representado pela série do tipo de Fourier, utilizado por Georgiadiou, porém utilizando diversos receptores. Os parâmetros são estimados a partir de dados GPS de dupla freqüência coletados pelas estações ativas da RBMC. Com a introdução de diversos receptores foi possível estimar, também, o erro sistemático devido aos satélites e aos receptores, designados de tendência interfreqüência dos satélites e dos receptores. Os erros sistemáticos em L 1, devidos aos satélites, transmitidos nas mensagens de navegação, não eram estimados adequadamente. A partir de abril de 1999, esses valores passaram a ser calculados corretamente (WILSON et al., 1999). Assim, pode-se incluir as tendências dos satélites como injunções relativas ou absolutas no Mod_Ion. O modelo desenvolvido (Mod_Ion) teve sua performance avaliada no posicionamento por ponto utilizando dados GPS da RBMC do ano de 1998, abrangendo 1

23 3 semana de cada estação do ano. Os resultados do posicionamento por ponto, com a pseudodistância, utilizando o modelo para corrigir os efeitos sistemáticos da ionosfera na portadora L 1, para um período de 4 horas, proporcionaram discrepâncias médias na resultante da ordem de 1,61 m. No posicionamento por ponto sem o uso do modelo, esses valores alcançaram, em média, 8,44 m. Isto significa uma melhora de 80,7% nos resultados obtidos utilizando o modelo regional da ionosfera (CAMARGO, 1999 e CAMARGO et al., 000). O Mod_Ion foi avaliado, novamente, no posicionamento por ponto, porém, durante o período de máxima atividade solar ( ) que ocorre aproximadamente a cada 11 anos e faz com que ocorra um aumento da magnitude do erro devido à refração ionosférica. Mesmo assim, os experimentos realizados mostraram a potencialidade do Mod_Ion, proporcionando uma redução do erro na resultante, devido à ionosfera, de 83,1% (MATSUOKA e CAMARGO, 00). Nesses experimentos as tendências interfreqüências dos satélites foram tratadas como injunções absolutas, pois, nessa época, seus valores já eram transmitidos corretamente nas mensagens de navegação. Camargo (1999) e Camargo et al. (000) recomendam a realização de experimentos utilizando-se outras funções para modelar a ionosfera, bem como, de outras funções de mapeamento para calcular o efeito ionosférico na direção vertical. Nesta presente pesquisa foram implementadas e avaliadas outras funções de modelagem da ionosfera e funções de mapeamento do atraso ionosférico vertical, objetivando melhorar a eficiência do modelo para o posicionamento com GPS. Entre as funções de modelagem da ionosfera que foram estudadas podem-se citar o harmônico esférico (KEE e YUN, 1998), o polinômio de quarta ordem (LIN, 001), a série de Taylor (SCHAER, 1999) e as funções de mapeamento apresentadas em Sardón et al. (1994) e Komjathy (1997).

24 4 1. Objetivos Os principais objetivos desta pesquisa são - Investigar, implementar e adaptar algumas funções para modelar o efeito sistemático da ionosfera, bem como, funções de mapeamento para calcular o efeito ionosférico na direção vertical; - Avaliar a performance do modelo na região de Presidente Prudente, a partir do posicionamento por ponto, no período de máxima atividade solar ( ); 1.3 Justificativa Atualmente, a maior fonte de erro sistemático no posicionamento com receptores GPS de uma freqüência é devida à refração ionosférica, principalmente no período de máxima atividade solar, no qual, ocorre um aumento da magnitude deste erro. Camargo (1999) desenvolveu um modelo da ionosfera para aplicação em receptores GPS de uma freqüência. Em seus experimentos obteve-se ótimos resultados, principalmente no posicionamento por ponto (CAMARGO, 1999 e CAMARGO et al., 000). Porém, recomenda-se com base nos experimentos, que o modelo pode ser aprimorado, pelo estudo de outras funções de modelagem da ionosfera, bem como de mapeamento. Além disto, considerando que há disponibilidade de dados coletados com receptores GPS de dupla freqüência da RBMC, tem-se a oportunidade de avaliar o modelo desenvolvido e suas modificações num período de máxima atividade solar, que ocorre em ciclos de 11 anos.

25 5 1.4 Conteúdo do trabalho O conteúdo desse trabalho está dividido em oito capítulos, de forma a alcançar os objetivos propostos. No segundo capítulo, é apresentada a revisão bibliográfica sobre o Sistema GPS, contemplando as características dos sinais, as observáveis, o método de posicionamento por ponto e os erros envolvidos nas observáveis. No terceiro capítulo, apresenta-se a definição da atmosfera, sua divisão com relação à propagação dos sinais GPS, a estrutura da ionosfera e as causas das variações do conteúdo total de elétrons (TEC). O efeito da refração ionosférica na propagação dos sinais GPS e as funções de modelagem e de mapeamento da ionosfera são apresentadas no quarto capítulo. No quinto capítulo é apresentado o ajustamento pelo método dos mínimos quadrados. O modelo regional da ionosfera (Mod_Ion) é apresentado no sexto capítulo, contemplando a modelagem matemática envolvida e as novas funções de modelagem e de mapeamento que foram implementadas. No sétimo capítulo são descritos os experimentos, os resultados obtidos e as diversas análises que foram realizadas nesta pesquisa. Por fim, no capítulo oitavo são apresentadas as considerações finais, as conclusões e as recomendações.

26 6 SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL.1 Características dos sinais GPS Cada satélite GPS transmite duas ondas portadoras na banda L do espectro, que permitem operações em quaisquer condições de tempo, denominadas de L 1 e L. Elas são geradas através da multiplicação eletrônica da freqüência fundamental (f 0 ) de 10,3 MHz que é produzida por osciladores altamente estáveis (relógios atômicos de césio e rubídio), com estabilidade entre 10-1 e segundos. A figura.1 mostra, de forma simplificada, como são obtidos os sinais emitidos pelos satélites GPS e os códigos modulados nas portadoras L 1 e L. FREQÜÊNCIA FUNDAMENTAL 10,3 MHz 10 1 L1 CÓDIGO C/A CÓDIGO P * ,4 MHz 1,03 MHz 10,3 MHz L CÓDIGO P *10 17,60 MHz 10,3 MHz Figura.1 Estrutura básica dos sinais GPS. Fonte Adaptada de Monico (000). As portadoras L 1 e L, têm suas freqüências derivadas pela multiplicação da freqüência fundamental por 154 e 10, respectivamente, ou seja e f 1 = 154 x f 0 = 1575,4 MHz, (.1)

27 7 f = 10 x f 0 = 17,60 MHz, (.) cujos comprimentos de onda são, respectivamente e λ 1 19,04 cm, (.3) λ 4,45 cm. (.4) A portadora L 1 é modulada em fase com os dois códigos (C/A e P) e com as mensagens de navegação. Já a portadora L é modulada apenas pelo código P, juntamente com as mensagens de navegação. A freqüência do código C/A (f C/A = 1,03 MHz) corresponde a 10% da freqüência fundamental, e a freqüência do código P (f P = 10,3 MHz) é coincidente com a da freqüência fundamental. Logo, para os códigos C/A e P, se obtém, respectivamente, os comprimentos de onda da ordem de 93,1 m e 9,31 m. Os dois códigos binários (C/A e P) são gerados por algoritmos, que, de forma pseudo-aleatória, fazem com que seus valores resultem numa seqüência de (+1) e (-1). Somente usuários autorizados têm acesso aos códigos P quando o AS (Anti- Spoofing) está ativado. O AS refere-se à não permissão de acesso ao código P, através da aplicação de criptografia, resultando num código protegido, denominado de Y. O código Y é resultante de uma combinação dos códigos P e W. Este último é gerado numa razão de 50 bps, ao passo que o P apresenta uma razão de 10,3 x 10 6 bps (MONICO, 000). O AS foi implementado em 31 de janeiro de 1994, em todos os satélites do Bloco II, e pode ser ativado e desativado (MONICO, 000).

28 8. Observáveis GPS Das observáveis obtidas, a partir de informações dos sinais transmitidos pelos satélites GPS, pode-se identificar quatro tipos (SEEBER, 1993) - medições de pseudodistâncias, a partir do código; - diferenças de pseudodistâncias, a partir da contagem integrada Doppler; - fase da onda portadora ou diferença da fase da onda portadora; e - diferenças do tempo de viagem do sinal, a partir das medições interferométricas. Destes quatro tipos de observáveis GPS, duas são mais importantes e utilizadas em posicionamento a pseudodistância e a fase de batimento da onda portadora, também referida como fase da onda portadora ou simplesmente fase da portadora. Na seqüência serão descritas essas duas observáveis...1 Pseudodistância A pseudodistância representa a distância medida entre o satélite e a antena receptora, e pode ser obtida através dos códigos C/A sobre a portadora L 1 e/ou com o código P sobre a portadora L 1 e L. Ela é obtida pela multiplicação do tempo de propagação do sinal pela velocidade da luz no vácuo. O tempo de propagação do sinal corresponde ao tempo de deslocamento necessário para a máxima correlação da seqüência do código emitido pelo satélite e a réplica gerada pelo receptor. A técnica de correlação do código é aplicada, para acessar a portadora, quando o AS não está ativado. Ela é, normalmente, empregada, para acessar a portadora L 1, através do código C/A, e o acesso à portadora L é conseguido somente pelos usuários que têm permissão para utilizar o código P criptografado, ou seja, o código Y. Como a portadora

29 9 L tem modulada sobre ela apenas o código P, que está sujeito ao AS, ela só pode ser acessada por uma das várias técnicas disponíveis para o processamento do sinal, tais como quadratura do sinal, correlação cruzada e a técnica denominada P-W (MONICO, 000). Dependendo do receptor, pode-se obter uma, duas ou três pseudodistâncias, através dos códigos C/A e P 1 em L 1 e do código P em L. Os relógios dos receptores e dos satélites não são sincronizados entre si e não coincidem com o sistema de tempo GPS. Devido ao não sincronismo entre os relógios dos receptores e dos satélites, dos quais derivam os códigos, a quantidade medida difere da distância geométrica entre o satélite e o receptor, e por isso é denominada pseudodistância. Além disto, a propagação do sinal, através da troposfera e da ionosfera afeta diretamente a medida da pseudodistância. Sem considerar os erros inerentes à obtenção da pseudodistância, num sistema teórico, ela pode ser dada por (MONICO, 000) P s r s = c (t t ), (.5) r onde s P r - representa a pseudodistância entre o satélite (s) e a antena do receptor (r); c - é a velocidade da luz no vácuo; t r - é o tempo de recepção do sinal no receptor; e t s - é o tempo de transmissão do sinal pelo satélite. Os estados dos relógios do satélite e do receptor, que representam o erro de sincronismo entre o sistema de tempo GPS (T GPS ) e os respectivos relógios, são relacionados com os mesmos, a partir das seguintes expressões (MONICO, 000)

30 30 s T GPS = t s - dt s, (.6) T GPS r = t r - dt r, (.7) no instante de transmissão e recepção do sinal, respectivamente, onde dt s - é o erro do relógio do satélite em relação ao tempo GPS no instante t s ; e dt r - é o erro do relógio do receptor em relação ao tempo GPS no instante t r. Os subscritos e sobrescritos referem-se, respectivamente, as quantidades relacionadas ao receptor (r) e ao satélite (s). Assim, depois de algumas operações algébricas com as equações (.5), (.6) e (.7) obtém-se que P s r s s = c (T - T ) + c (dt - dt ), (.8) GPSr GPS r que pode ser reescrita considerando, também, os efeitos da atmosfera, como s s s s s P r = ñr + c (dt r - dt ) + Ir + Tr + åp, (.9) onde s ñ r - s I r - s T r - å P - representa a distância geométrica entre o satélite (s) e a antena do receptor (r); é o erro sistemático, devido à refração ionosférica; é o erro sistemático, devido à refração troposférica; e representa os erros aleatórios e demais erros sistemáticos.

31 31 distância geométrica As coordenadas da antena receptora e do satélite estão implícitas na s ñ r dada por ñ s r = (X s s s X ) + (Y Y ) + (Z Z ), (.10) r r r onde X s, Y s, Z s são as coordenadas cartesianas do satélite (s); e X r, Y r, Z r são as coordenadas cartesianas da antena receptora (r)... Fase da onda portadora A fase da onda portadora é a observável básica para a maioria dos levantamentos geodésicos. A medida da fase da portadora é obtida pela diferença entre a fase s do sinal recebido do satélite ( ö ) e sua réplica gerada pelo receptor ( ö ). Na primeira medida a observável é a parte fracional de um ciclo. Assim, não se conhece na primeira época de observação, o número inteiro de ciclos entre o satélite (s) e a antena receptora (r), denominado s r de ambigüidade ( N ). A partir disso, o receptor realiza a contagem de ciclos inteiros. Isto faz com que a medida da fase da onda portadora seja ambígua, com relação a um número de ciclos inteiros, envolvidos entre a antena receptora e os satélites na primeira época de observação. A fase observada ( ö ) no instante de recepção, na escala de tempo do receptor, em unidades de ciclos, é dada por (MONICO, 000) s r r s s s ö r = ö - ö r + N r + åö, (.11)

32 3 onde s ö - é a fase da portadora gerada no satélite s e recebida na estação r no instante de recepção; ö r - é a fase gerada no receptor no instante de recepção; s N r - é a ambigüidade da fase; e å ö - é o erro da fase da onda portadora. Uma expressão similar à equação (.9) em unidades de comprimento e de forma completa, é apresentada por (CAMARGO, 1999) ëö s = s s s s s r ñr + c (dt r - dt ) - I r + Tr + ë N r + å, (.1) φ sendo λ o comprimento da onda do sinal da portadora (L 1 ou L ), e os demais termos já conhecidos. Devido ao avanço sofrido pela observável fase da onda portadora, ao atravessar a ionosfera, o efeito deste comporta-se de maneira oposta ao caso da equação da pseudodistância, que por sua vez, sofre um retardo. Tal fato fica evidenciado pelo sinal negativo do erro sistemático ( diminuição na distância obtida a partir do mesmo. s I r ) devido à ionosfera, pois um avanço na fase provoca uma.3 Erros envolvidos nas observáveis As observáveis GPS estão sujeitas aos erros aleatórios, sistemáticos e grosseiros. Os erros sistemáticos são aqueles cuja causa é conhecida, podendo ser parametrizados (modelados como termos adicionais) ou reduzidos por técnicas especiais de observação e/ou processamento. Erros aleatórios são inevitáveis e são considerados como

33 33 uma característica da observação. Por fim, os erros grosseiros são oriundos de falhas humanas e/ou do equipamento e devem ser eliminados. Na tabela.1 apresentam-se os erros envolvidos no GPS, associados às respectivas fontes. Tabela.1 Fontes e efeitos dos erros envolvidos no GPS. Fonte Satélite Propagação do sinal Receptor/Antena Estação Erros Atraso entre as portadoras no hardware do satélite e receptor Erro da órbita Erro do relógio Relatividade Refração Troposférica Refração Ionosférica Perdas de ciclos Rotação da Terra Multicaminho ou Sinais refletidos Erro do relógio Erro entre os canais Centro de fase da antena Erro nas coordenadas Multicaminho Marés terrestres Movimento do Pólo Cargas dos oceanos Pressão atmosférica Fonte Adaptada de Monico (000). O tratamento desses erros é de extrema importância na obtenção de resultados de alta precisão. Muitos deles são praticamente eliminados no posicionamento relativo ou pela combinação linear entre as portadoras L 1 e L. Outros são reduzidos na adoção de modelos matemáticos adequados. Nessa seção, serão descritos brevemente os erros relacionados com a propagação do sinal na troposfera e o atraso entre as duas portadoras no hardware do satélite e receptor. Detalhes quanto às fontes e os efeitos dos erros envolvidos no GPS podem ser encontrados em Seeber (1993), Leick (1995) e Monico (000). O erro relacionado à propagação do sinal na ionosfera será descrito detalhadamente nos próximos capítulos.

34 34 Na troposfera, a propagação do sinal é influenciada pelo conteúdo do vapor d água, da pressão do ar e da temperatura. Para freqüências inferiores a 30 GHz, a refração troposférica independe da freqüência do sinal transmitido (LEICK, 1995). A minimização do efeito da refração troposférica é feita por meio de técnicas de processamento, ou por meio de modelos, como por exemplo, o de Hopfield (SEEBER, 1993) e o de Saastamoinen (SAASTAMOINEN, 1973). O erro devido ao atraso entre as duas portadoras no hardware do satélite e do receptor é decorrente da diferença entre os caminhos percorridos pelas portadoras L 1 e L, através dos dispositivos do satélite e do receptor (MONICO, 000). Na calibração, durante a fase de testes dos satélites, a magnitude do atraso é determinada, multiplicada por um fator e introduzida como parte das mensagens de navegação (WILSON et al., 1999)..4 Posicionamento com GPS Posicionamento pode ser definido como a determinação da posição de objetos, parado ou em movimento, na superfície terrestre ou próxima a ela, com relação a um referencial específico. O posicionamento com GPS pode ser realizado utilizando-se de vários métodos, os quais podem ser classificados como - Posicionamento absoluto ou pontual; - Posicionamento relativo; e - Posicionamento diferencial DGPS (Differential GPS). No posicionamento absoluto ou por ponto, as coordenadas estão associadas diretamente ao geocentro, sendo necessário apenas um receptor para a determinação das coordenadas do ponto, e é muito utilizado em navegação e levantamentos expeditos. No posicionamento relativo, o usuário deve dispor de no mínimo dois receptores, ou utilizar

35 35 apenas um, e dispor de dados obtidos de uma ou mais estações de referência dos Sistemas de Controle Ativos (SCA), como por exemplo, no Brasil, a RBMC. Neste método a posição de um ponto é determinada em relação à de outro(s), cujas coordenadas são conhecidas. O posicionamento relativo pode ser realizado em tempo real, sendo que para isso é necessário que os dados coletados na estação de referência sejam transmitidos para a estação móvel via um link de rádio (MONICO, 000). O nome dado a esse método é RTK (Real Time Kinematic). O DGPS foi desenvolvido visando reduzir os efeitos da SA imposta ao GPS no modo absoluto. É uma técnica que não só melhora a acurácia, mas também a integridade do GPS (MONICO, 000). Estando a estação base localizada nas proximidades da região de interesse, há uma forte correlação entre os erros calculados na estação base e os erros da estação móvel. Desta forma, se o usuário receber tais correções, como por exemplo, via link de rádio, ele poderá corrigir suas posições ou observações coletadas, dependendo da estratégia adotada. No DGPS as correções deterioram-se com o afastamento em relação à estação base. Para eliminar essa deficiência, desenvolveu-se o WADGPS (Wide Area DGPS), que envolve uma rede de estações base (MONICO, 000). Na composição de um sistema de WADGPS, fazem parte pelo menos uma estação monitora, estações de referência, e sistema de comunicação. Cada estação de referência é equipada com oscilador e receptor GPS de alta qualidade. As medidas coletadas em cada estação de referência são enviadas para a estação monitora, a qual estima e analisa as componentes do vetor de correções, e as transmitem para os usuários via um sistema de comunicação conveniente, como, por exemplo, satélites de comunicação geoestacionários, redes FM (redes que utilizam a faixa de freqüência FM), etc (MONICO, 000).

36 36 Devido à utilização do método de posicionamento por ponto no presente trabalho, uma descrição mais detalhada é apresentada no próximo tópico..4.1 Posicionamento por ponto Neste método necessita-se de apenas um receptor e a determinação das posições pode ser feita, tanto em tempo real, como pós-processada. O posicionamento em tempo real de um ponto utilizando a pseudodistância derivada do código C/A presente na portadora L 1, proporcionava acurácia planimétrica melhor do que 100 m e altimétrica melhor que 140 m, 95% do tempo, quando a técnica SA encontrava-se ativada. Com a desativação da SA, às 04 horas TU de de maio de 000, a qualidade citada anteriormente melhorou algo em torno de 5 vezes (MATSUOKA et al., 001). A melhora pode ser observada nas figuras. (a) e (b), que mostram a discrepância de dois posicionamentos, um antes e outro depois da eliminação da SA E(m) E(m) (a) Figura. Discrepância horizontal do posicionamento por ponto antes (a) e após a desativação da SA (b). Fonte Matsuoka et al. (001) (b) Deve ser salientado que, mesmo com uma prolongada ocupação, sobre um determinado ponto, não ocorre uma melhora significativa dos resultados, devido aos vários erros sistemáticos envolvidos nas observações.

37 37 No posicionamento por ponto convencional, quando disponível a fase da onda portadora, a mesma pode ser incluída no processamento juntamente com a pseudodistância. Entretanto, tal procedimento não tem sido uma prática comum nesse tipo de posicionamento, pois para uma única época, não proporciona refinamento da solução. Dessa forma, esse método não atende os requisitos de precisão intrínseca ao posicionamento geodésico (MONICO, 000). Vários erros estão envolvidos no posicionamento por ponto, tais como, erros das coordenadas e dos relógios dos satélites, da refração ionosférica e troposférica, entre outros. Quando as observações são pós-processadas, se torna possível a utilização das efemérides precisas e das correções dos relógios dos satélites produzidos pelo IGS, de algum modelo, se disponível, para correções do efeito da ionosfera e troposfera, etc. Com isso, melhora-se a qualidade dos resultados do posicionamento por ponto.

38 38 3 IONOSFERA Neste capítulo serão apresentadas a divisão da atmosfera com relação à propagação dos sinais GPS, a estrutura da ionosfera e as causas das variações do conteúdo total de elétrons (TEC) na camada ionosférica. 3.1 Divisão da atmosfera A atmosfera terrestre, para propósitos práticos, pode ser considerada como um conjunto de camadas de gases, esféricas e concêntricas a Terra. A sua estrutura está relacionada com diversos elementos, tais como térmicos, químicos e eletromagnéticos. Estes parâmetros combinados variam sensivelmente em função da hora, latitude, longitude, época do ano e atividade solar. A atmosfera terrestre pode ser dividida quanto à propagação dos sinais GPS em troposfera e ionosfera, pois, as ondas eletromagnéticas ao propagarem em tais meios sofrem diferentes influências. A troposfera é a camada compreendida entre a superfície terrestre até aproximadamente 50 km de altura. Ela é formada por partículas neutras e a maior concentração de gases encontra-se até uma altura de 1 km, composta por nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono, argônio, vapor d água, entre outros (SAPUCCI, 001). A propagação do sinal na troposfera depende principalmente do conteúdo do vapor d água, da pressão do ar e da temperatura. Neste caso, a refração independe da freqüência do sinal transmitido, desde que a mesma seja abaixo de 30 GHz (LEICK, 1995). A ionosfera se caracteriza, principalmente, pela formação de íons e elétrons, e inicia-se por volta de 50 km e estende-se até, aproximadamente, 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. Esta pode ser definida como a região de altura superior a 1000

39 39 km onde a densidade atmosférica neutra é muito pequena e os íons positivos são predominantemente prótons; na altura de aproximadamente km, a plasmasfera diminui formando a plasmaspausa que vem a ser a fronteira entre a plasmasfera e a magnetosfera (DAVIES, 1990). Na região compreendida pela ionosfera, a densidade de íons e elétrons é suficiente para alterar a propagação de ondas eletromagnéticas que depende da freqüência. O principal processo de formação de íons na ionosfera é devido à absorção de radiação solar na faixa espectral do extremo ultravioleta (EUV) e dos raios X (KIRCHHOFF, 1991). De forma simplificada, é apresentada na figura 3.1, uma representação da estrutura da atmosfera, em condições ideais, bem como a variação da pressão e temperatura em função da altitude.

40 40 ATMOSFERA 600 km Exosfera 500 km Termopausa Raios cósmicos Mínimo Silvo Máximo 400 km Termosfera 300 km 00 km 100 km 95 km Mesopausa Mesosfera Auroras Meteoros 45 km Estratopausa Estratosfera 10 km Tropopausa Troposfera relâmpagos 10-5 Temperatura 00 K 50 K 500 K 700 K 900 K 1100 K Camada de ozônio 10 Pressão (mb) 10 Figura Representação esquemática da atmosfera terrestre em condições ideais. Fonte Adaptada de Osório (199) 3. Estrutura da ionosfera A radiação solar na faixa espectral do extremo ultravioleta (EUV) e dos raios X, ao incidir sobre a atmosfera neutra produz uma grande quantidade de íons e elétrons livres, através do processo denominado de fotoionização. Na medida em que a radiação solar penetra na atmosfera mais densa a produção de elétrons aumenta até um nível onde a densidade de elétrons é máxima. Abaixo

41 41 deste nível, apesar do aumento na densidade da atmosfera neutra, a produção de elétrons decresce, pois a maior parte da radiação ionizante já foi absorvida e a taxa de perda predomina sobre a taxa de produção de elétrons (FEDRIZZI, 1999). Por conseguinte, devido às diferentes taxas de absorção e aos diferentes constituintes da atmosfera, distintas camadas ionosféricas são formadas. Desta forma, considera-se que a ionosfera se divide em três camadas, denominadas por D, E e F, que são caracterizadas pelas variações da densidade de elétrons e à medida que aumenta a altitude. Tais camadas ainda se subdividem durante o dia. Historicamente, a primeira camada da ionosfera que foi descoberta estava numa altura de 100 km da superfície e foi denominada de camada E, com E representando a palavra elétrons (MCNAMARA, 1991). A camada D, que faz parte da região mais baixa da ionosfera, compreendendo uma região entre as alturas de 50 e 85 km, tem uma concentração máxima de elétrons por volta de 80 km de altura, com uma densidade da ordem de 10 3 elétrons/cm 3 (el/cm 3 ). Ela é importante na propagação de ondas, atuando como uma fonte refletora dos sinais de freqüência baixa (LF) e de freqüência muito baixa (VLF) (DAVIES, 1990). A camada E tem início e término, aproximadamente, nas alturas de 85 km e 140 km, respectivamente, e a concentração máxima de elétrons atinge um valor aproximado de 10 5 el/cm 3. Nessa região, surge uma fina camada, designada de esporádica E, oriunda de variações na densidade de elétrons próximo à região compreendida entre 90 e 130 km (MCNAMARA, 1991). Tais variações ocorrem devido à magnetosfera, meteoros, e outros fenômenos físicos. A contribuição da magnetosfera para a formação da esporádica E, se resume ao fato de que íons e elétrons são transportados pelo campo magnético que se encontra na magnetosfera, motivando as variações na densidade de elétrons na região onde se encontra a esporádica. Os meteoros também têm uma contribuição significativa para a formação dessa esporádica, pois, ao incidirem na região da atmosfera, ocorre uma produção de íons ao longo

42 4 de seu trajeto, ocasionando variações na densidade de elétrons. Com respeito à propagação de ondas, a esporádica reflete ondas de rádio, com freqüência acima de aproximadamente 100 MHz (DAVIES, 1990). A camada F compreende aproximadamente o intervalo da ionosfera entre as alturas de 140 km e 1000 km, sendo, ainda, subdividida entre as camadas F1 e F. A camada F1 é formada entre as alturas de 140 km e 00 km, e apresenta uma concentração de elétrons variando de,5x10 5 el/cm 3 a 4x10 5 el/cm 3, para ocorrências de manchas solares mínimas e máximas, respectivamente. Porém, à noite, essa região desaparece (JOHNSON apud CAMARGO, 1999). Já a camada F compreende o intervalo da ionosfera entre as alturas de 00 km até aproximadamente 1000 km, e o pico na densidade de elétrons ocorre entre as alturas de 300 a 450 km. Valores típicos da densidade de elétrons para regiões de latitudes médias, às 100 horas local, variam entre,8x10 11 el/m 3 e 5,x10 11 el/m 3 (KOMJATHY, 1997). A camada F apresenta uma característica difusa devido à concentração de elétrons. Esse fenômeno é chamado de spread F e ocorre principalmente à noite, provocando uma variação na densidade de elétrons com uma conseqüente cintilação nos sinais de rádio, estrelas ou outras fontes de rádio do outro lado da ionosfera (JOHNSON apud CAMARGO, 1999). Em contrapartida, essas irregularidades são importantes em propagação de rádios que utilizam HF (DAVIES, 1990). A divisão da camada F em F1 e F, é uma conseqüência da alta ionização, durante o dia, no verão, podendo ainda, ser dividida em mais regiões. Ocorre um acréscimo na densidade de elétrons de acordo com o aumento da altitude. Após a concentração máxima de elétrons que ocorre na camada F, a densidade de elétrons decresce, até fundir-se com o vento solar (CAMARGO, 1999). A figura 3. mostra a distribuição das camadas, bem como a densidade de elétrons ao longo do dia e os vários tipos de ondas que propagam na ionosfera.

43 43 IONOSFERA Satélite O + H + He + Raios Ultravioleta Raios - X Raios Gama Raios Luz Visível Raios Infra Vermelho 600 km Exosfera 500 km 400 km Termosfera 300 km F Diurno 00 km F 1 NO + O + HF E 100 km 95 km MF D NO + Mesosfera LF VHF Densidade de elétrons / cm 3 45 km Estratosfera 10 km Troposfera Figura 3. - Representação esquemática da ionosfera. Fonte Adaptada de Osório (199) É importante ressaltar que a ionosfera é um meio dispersivo, ou seja, o índice de refratividade depende da freqüência do sinal que a atravessa. O estudo da propagação dos sinais de rádio emitidos pelos satélites do sistema GPS na ionosfera é complicado, devido à variação da condutividade do meio com a freqüência (CAMARGO, 1999).

44 Causas das variações do conteúdo total de elétrons A densidade de elétrons, que descreve o estado da ionosfera, em função do fluxo de ionização solar, atividade magnética, ciclos de manchas solares, estação do ano, localização do usuário, é afetada por variações temporais, variações da radiação solar, influências da latitude, longitude e campo magnético da Terra, dentre outras anomalias Variações temporais As variações temporais, que compreendem as variações diurnas, sazonais e ciclos de longos períodos, influenciam diretamente na mudança da densidade de elétrons na ionosfera. As variações diurnas são provocadas por mudanças que ocorrem em certas regiões da ionosfera, que desaparecem à noite, devido à recombinação e junção dos elétrons e íons. A principal razão da existência da variação diurna é devido à iluminação do Sol, ou seja, à radiação solar. Algumas camadas, como a D, E e F1, chegam a ponto de desaparecer à noite. A camada F não desaparece, mas a quantidade de elétrons é reduzida a ponto de atingir na madrugada seu valor mínimo, voltando a aumentar seu valor com o nascer do Sol. Ao longo do dia a densidade de elétrons depende da hora local, sendo que seu valor máximo ocorre entre as 100 e 1600 horas local (WEBSTER, 1993). As estações do ano também têm sua influência na variação da densidade de elétrons, devido à mudança do ângulo zenital do Sol e da intensidade do fluxo de ionização, caracterizando as variações sazonais. As variações de ciclos de longos períodos, com ciclos de aproximadamente 11 anos, são associadas às ocorrências de manchas solares, e o aumento de ionização é proporcional ao número de manchas. As manchas solares foram descritas pela primeira vez por Teofrasto por volta do ano 35 a.c. (SCHAER, 1999). As manchas solares são regiões mais frias e escuras, que aparecem na superfície do Sol. Elas são rodeadas por regiões mais

45 45 brilhantes que emitem um nível mais alto de radiação ultravioleta. Assim, o aumento da radiação ultravioleta ocasiona uma mudança na densidade de elétrons na ionosfera. As manchas solares podem durar alguns dias ou até semanas. A figura 3.3 (a) e (b) mostra duas imagens da superfície do Sol, caracterizando as suas manchas solares, obtidas em um período de mínima e máxima atividade solar, respectivamente. (a) Figura 3.3 Imagens da superfície do Sol obtidas em um período de mínima (a) e máxima (b) atividade solar. Fonte ftp//ftp.noao.edu/kpvt/daily/int/ (10/00) (b) Pela figura 3.3 (a) e (b) pode-se verificar a diferença expressiva no número de manchas solares observadas durante um período de mínima e máxima atividade solar. Se por um lado praticamente não se observam as manchas solares (figura 3.3 (a)), em contrapartida, na figura 3.3 (b) observa-se a presença numerosa das mesmas. Atualmente a ionosfera está no ciclo denominado ciclo 3 (KUNCHES, 000), e o período de maior atividade solar compreendeu os anos de 000 e 001, o que ocasionou um aumento do número de manchas solares e, conseqüentemente, do número de elétrons presentes na camada ionosférica. A figura 3.4 mostra os mais recentes ciclos solares, que são definidos com relação ao número de manchas solares.

46 46 Ciclo 18 Ciclo 19 Ciclo 1 Ciclo Ciclo 15 Ciclo 17 Ciclo 0 Ciclo 3 Ciclo 14 Ciclo 16 Figura 3.4 Média anual do número de manchas solares Ciclos Solares. Fonte http//sidc.oma.be (0/003) Os ciclos solares são normalmente não-simétricos (LEICK, 1995). A duração da transição do período mínimo para o máximo é menor do que a duração do máximo para o mínimo. Na figura 3.4, observa-se que o ciclo 19 foi o que apresentou o maior registro de manchas solares. Com relação ao ciclo 3, verifica-se que o período de máxima atividade ocorreu entre os anos 000 e 001, aproximadamente. Atualmente, inicia-se o declínio do número de manchas solares, embora, ainda bastante expressiva Influência da variação da radiação solar Sendo a radiação solar a principal responsável pela formação da ionosfera, sua variação também influenciará na variação da densidade de elétrons. Existem três tipos de fenômenos associados à variação da radiação solar. O primeiro é conhecido por distúrbio súbito ionosférico, e é associado às explosões solares. Sua causa é devido ao rápido aumento de energia na superfície do Sol, emitida na forma de raio-x e ultravioleta. A variação da radiação associada aos buracos na coroa dá origem ao segundo fenômeno. Esses buracos são fontes das correntes do vento solar de alta velocidade, e

47 47 são mais comuns no período de declínio da atividade solar e causam as tempestades ionosféricas (KIRCHHOFF, 1991). Quando a variação da radiação solar estiver relacionado às manchas solares, tem-se o terceiro fenômeno, que foi descrito na seção anterior Regiões geográficas da ionosfera A estrutura global da ionosfera não é homogênea. Ela muda com a latitude, devido à variação do ângulo zenital do Sol, que influencia, diretamente, no nível de radiação solar. Como exemplo, tem-se que as regiões equatoriais são caracterizadas por um alto nível de densidade de elétrons. Já as regiões de latitudes médias são consideradas relativamente livres das anomalias ionosféricas, enquanto as regiões polares não são muito previsíveis (WEBSTER, 1993). A influência da longitude, devido à não coincidência dos pólos geográficos e magnéticos, é sensível somente nas regiões mais altas. A figura 3.5 mostra a localização das três maiores regiões geográficas da ionosfera (FONSECA JUNIOR, 00). Região Polar Latitudes Médias Região Equatorial Latitudes Médias Região Polar Figura 3.5 Regiões geográficas da ionosfera. Fonte Adaptada de Fonseca Junior (00)