GNSS: potencialidades e limitações para aplicações na Região Equatorial

GNSS: potencialidades e limitações para aplicações na Região Equatorial Joao Francisco Galera Monico Departamento de Cartografia, FCT/UNESP Presidente Prudente, SP, Brasil galera@fct.unesp.br galera@pesquisador.cnpq.br

Efeitos da Ionosfera no GNSS Anomalia Equatorial Cintilação

Conteúdo da apresentação Introdução ao GNSS Efeitos da Ionosfera Interferências na região equatorial Posicionamento GNSS em condições adversas da ionosfera Comentários finais

Condição ideal para comunicação entre o satélite e o receptor na Terra

GNSS Global Navigation Satellite System Envolve: GPS, GLONASS, Galileo e Beidou/Compass SBAS : Satellite Based Augmented System Aumento (Augmentation) do GPS/Galileo (WAAS, EGNOS, Gagan, MSAT) SACCSA (Solución de Aumentación para Caribe, Centroamérica y Sudamérica) GBAS : Ground Based Augmented System. Regional Indian Regional Navigation Satellite System (IRNASS); Quasi-Zenith Satellite System (QZSS)

Estrutura Básica do Sinal GPS Atual/Futuro FREQÜÊNCIA FUNDAMENTAL 10,23 MHz 10 1 L1 Código C/A Código P *154 1575,42 MHz 1,023 MHz 10,23 MHz L2 Código L2C Código P CNAV *120 1227,60 MHz 1,023 MHz 10,23 MHz L5 Código L5C 1176,46 MHz 10,23 MHz

Métodos de Posicionamento Posicionamento Por Ponto (Simples e Preciso) Relativo... RTK & RTK em Rede DGPS

PRINCIPAIS CONCEITOS Posicionamento RTK Acurácia cm; Produtividade; Tempo real; Estação base; Estação móvel; UHF / GSM; RTCM.

PRINCIPAIS CONCEITOS Desvantagens do RTK Disponibilidade; Integridade; Perda de produtividade; Alcance limitado; Solução: Utilizar mais estações de referência! Posicionamento em Rede

PRINCIPAIS CONCEITOS RTK em Rede + VRS Centro de Controle gera uma VRS para cada receptor Dados Rover enviados rover. sua continuamente posição ao Centro para de o Controle. Centro de Controle. VRS NMEA

POSSIBILIDADES DE ACURÁCIA (1 sigma) COM O GNSS 0,5 m 3 m 2 cm??mm 1 m 12,5 m Em geral, a precisão obtida é muito otimista

Atmosfera/GNSS Ionosfera 50 ~ 1000km Troposfera 0 ~ 50 km Troposfera Ionosfera

Ionosfera Camada que vai de aproximadamente 50 a 1000 km

O maior agente de ionização da ionosfera, é o Sol, cuja radiação nas bandas de raio X, e ultravioleta, insere grande quantidade de elétrons livres em seu meio. Os meteoritos e raios cósmicos também são responsáveis pela presença secundária de íons na região.

Na ionosfera a densidade de elétrons livres é variável de acordo com a hora do dia, estação do ano, e ás variações da composição química da alta atmosfera (TEC). A cada 11 anos, obedecendo ao ciclo das manchas solares, a densidade de elétrons e a composição da ionosfera sofrem mudanças radicais, podendo inclusive bloquear totalmente as comunicações em HF.

Atmosfera e Ionosfera Terrestre Perfil vertical típico de temperatura da atmosfera neutra e de densidade eletrônica da ionosfera. 60 Região afetada

O Sol exerce o papel fundamental

O Sol afeta o campo geomagnético Campo geomagnético afeta a Ionosfera Ionosfera afeta o sinal GNSS

The Sunspot Cycle In 1610, shortly after viewing th sun with his new telescope, Galileo Galilei made the first European observations of Sunspots

O Efeito do TEC no sinal GNSS THE EARTH IONOSPHERE, THAT IS AN IONIZED ATMOSPHERIC LAYER, CAUSES A DELAY IN THE GPS SIGNAL THAT PROPAGATES WITH THE GROUP VELOCITY (V g ) THAT IS SMALL THAN LIGHT VELOCITY. (Atraso e avanço) THIS IONOSPHERIC DELAY IS PROPORTIONAL TO THE TOTAL ELECTRON CONTENT ALONG THE GPS SIGNAL. (proporcional ao TEC) OVER LOW MAGNETIC LATITUDES ( BRAZIL FOR EXAMPLE) THE IONOSPHERE PRESENTS THE EQUATORIAL IONOSPHERIC ANOMALY THAT CONSTITUTES OF HIGHER ELECTRON DENSITIES PEAKS AT ABOUT 15 MAGNETIC DEGREES (NORTH AND SOUTH) COMPARED TO EQUATORIAL REGION. (Anomalia Equatorial)

JPL TEC em tempo real 5 em 5 minutos http://iono.jpl.nasa.gov/latest_rti_global.html

Efeitos do TEC no sinal GPS

Tempestades Geomagnéticas

Efeito Global (Vento solar: 300-400 700-1000 km/s e 5 20-40 # /cm3); O campo magnético terrestre varia da ordem de 1 a 2%. (devido a correntes elétricas na ionosfera e magnetosfera); Induz mudanças no perfil vertical de densidade eletrônica (fase positiva e negativa) e na altura da camada; São eventos esporádicos. Tempestades Geomagnéticas

Irregularidades ionosféricas

POTENTIAL EFFECTS OF SCINTILLATIONS ON GPS CAUSED BY IONOSPHERIC IRREGULARITIES IONOSPHERIC SCINTILLATION v Ionosphere WBP (db) 42 40 38 36 34 3100 3120 3140 3160 3180 3200 3220 3240 3260 3280 3300 Tempo (s)

Cintilação Ionosférica Rápidas variações aleatórias na fase e amplitude dos sinais GNSS recebidos, decorrentes de irregularidades na densidade de elétrons ao percorrer a ionosfera (EL GIZAWY, 2003). S4 σφ CLASSES S4 > 0.6 σφ > 0,8 FORTE 0.3 S4 0.6 0,4 σφ 0,8 MODERADA S4 < 0.3 σφ < 0,4 FRACA (ITU, 2013)

Irregularidades de plasma Regiões onde a densidade de plasma é bruscamente reduzida e apresenta estruturas internas. Irregularidades de plasma alinhadas ao longo do meridiano magnético.

Bolhas de Plasma Bubble movement ( 21 01 LT 18 Mar. 1999 ) N Artistic animation w E Ionospheric bubbles are rarefied plasma regions. Ionospheric irregularities inside the bubbles have scale size varying from cm to Km. They are confined to tropical regions. The bubble speed is about 150 m/s to East (normally). ALL SKY PHOTOMETER 6300 Å, MARCH 18 1999, CACHOEIRA PAULISTA. S

Irregularidades de plasma Vários aspectos envolvendo as irregularidades ionosféricas equatoriais estão bem estabelecidas e compreendidas São geradas logo após o pôr-do-sol; São formadas na base da camada F, podendo evoluir para altitudes mais elevadas; São formadas na região equatorial, podendo atingir baixas latitudes (20 S e 20 N); Estão alinhadas com as linhas de campo geomagnético; Possuem diferentes densidades dentro de sua estrutura, porém caracterizadas por uma rarefação da densidade de plasma;

F10.7 200 150 100 50 0 Irregularidades de plasma Possuem uma velocidade de deriva zonal de aproximadamente 50-150 m/s para leste; 80 Dimensões: (a) ~5.000 km ao longo das linhas de campo magnético; (b) zonal ~450 km 75 perpendicular ao campo geomagnético; F10.7 70 Variação sazonal; 65 Dependência com o ciclo solar. 2008 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Ano Média Mensal (2008) 65.85 65.67 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Meses Média Anual (1947-2011) F10.7 250 200 150 100 50 70.0 69.0 19501954 1960 1970 1980 Ano 1990 2000 2008 2010

Efeitos das irregularidades da Ionosfera no TEC Decréscimo do TEC

Efeitos da Ionosfera no GNSS Localização geográfica Anomalia Equatorial Cintilação

Redes de receptores GNSS no Brasil SCINTMON/CASCADE Single Frequency L1 (scintillation) - 24 receivers with sample rate of 50 Hz. (INPE/Cornell); LISN (Low-Latitude Ionospheric Sensor Network) 12 dual frequency (TEC and scintillation) receivers in operation and 8 new receivers planned (already purchased using Petrobrás funding) to 2011; RBMC/IBGE (Continuous Monitoring Brazilian Network/Statistics and Geography Brazilian Institute) -~130 dual frequency receivers; Rede GNSS SP Redes Privadas Rede de estações do projeto CIGALA/CALIBRA

Infraestrutura GNSS no Brasil CIGALA/CALIBRA Network GSA/FP7

The measurement stations Septentrio delevoped the PolaRxS ionospheric scintillation monitor Multi-frequency Multi-constellation GNSS receiver (including Galileo) Best-in-class phase noise based on state-of-the-art OCXO Up to 100Hz signal phase and intensity output for all satellites Rugged waterproof housing with RS232, USB, Ethernet interface and internal logging Specific software and logging tool for TEC and scintillation indices monitoring 41

http://is-cigala-calibra.fct.unesp.br

Índice S4 a partir da Rede CIGALA/CALIBRA

Mapa de S4 a partir da rede CIGALA/CALIBRA

INPE Space Weather Program Mission: To monitor Sun Earth environment, Ionosphere and Ground, and to predict possible influence on human technological and economical activities. Objectives: Space weather information and fore-casting for users: Ionospheric conditions (Scintillation map and TEC) Occurrence of GIC (Ground induced current) Satellite operation environment (high energy particles) Alarm for geomagnetic storm related to solar CME (Coronal mass ejection) http://www.inpe.br/climaespacial/index.php

Monitoramento Cintilação durante experimento RTK - Usina Guarani Mendonça; Monico; Motoki (2012)

Testes de AP na ESALQ (RTK) p/ CALIBRA

AP Offshore Efeitos da Cintilação no GNSS

ÁREA DO EXPERIMENTO UNESP Início: 26/01/2015 às 22h 42min 56seg (Tempo GPS) Término: 27/01/2015 às 03h 31min 03seg (Tempo GPS) ESCALA GRÁFICA (M) IMAGEM: GOOGLE EARTH - 2015

Início: 26/01/2015 às 22h 42min 56seg (Tempo GPS). Término: 27/01/2015 às 03h 31min 03seg (Tempo GPS). Receptor Base - PolaRxS: GNSS L1 e L2; - Frequência: 50 Hertz; - Máscara de elevação: 0 ; - Formato do arquivo *.SBF; - Antena: Aerat 2775_382 e - Coordenadas (XYZ): 3687692.384; -4620663.271; -2387103.225 Receptor Rover - APS3: GNSS L1 e L2; - Frequência: 01 Hertz; - Máscara de elevação: 0 ; - Formato do arquivo *.SBF e - Antena: APS3-APS3

Índice S4 (corrigido) para constelação GPS

Índice S4 (corrigido) GLONASS

Solução em RTK

Método RTK Pós Processado

Como resultado, para as soluções RTK e RTK pós processado sem excluir satélites, obteve-se... No PVT Stand Alone Float Fixed Total RTK 0 757 705 15826 17288 RTK pós processado 1 1 196 17090 17288 A solução em tempo real teve número de soluções fixas menor o que o método pós processado.

Excluindo um dos satélites afetados pela cintilação por vez, obteve-se... NoPVT StandAlone Float Fixed Total G27 1 1 8 17278 17288 G19 1 2 242 17043 17288 R21 1 1 263 17023 17288 R22 1 1 330 16956 17288 R11 1 2 340 16945 17288 R24 1 2 340 16945 17288 Nota-se que a melhor solução foi a que excluiu o satélite G27

Excluindo dois satélites afetados pela cintilação por vez, temos... NoPVT StandAlone Float Fixed Total G27 e G19 1 1 7 17279 17288 G27 e R11 1 1 8 17278 17288 G27 e R24 1 1 8 17278 17288 G27 e R21 1 1 11 17275 17288 G27 e R22 1 1 18 17268 17288 G19 e R21 1 1 227 17059 17288 G19 e R11 1 2 242 17043 17288 G19 e R24 1 2 242 17043 17288 R11 e R21 1 1 263 17023 17288 R21 e R24 1 1 263 17023 17288 R21 e R22 1 1 287 16999 17288 R11 e R22 1 1 330 16956 17288 R22 e R24 1 1 330 16956 17288 G19 e R22 1 1 335 16951 17288 R11 e R24 1 2 340 16945 17288 Nota-se que a melhor solução foi a que excluiu os satélites G27 e G19, porém, pode-se notar que todas as soluções onde foram retiradas os satélites G27 foram relativamente boas, assim, ao continuar analisando as combinações tem-se...

Comparando os melhores resultados... No PVT Stand Alone Float Fixed Total G27 e G19 1 1 7 17279 17288 G27 e R11 1 1 8 17278 17288 G27 e R24 1 1 8 17278 17288 G27 1 1 8 17278 17288 G27 e R21 1 1 11 17275 17288 G27 e R22 1 1 18 17268 17288 Pode-se notar que não houve uma melhora significativa nas soluções fixas Verifica-se que o satélite que degrada a qualidade no levantamento foi o G27, que poderia ser retirado do processamento.

Excluindo três satélites afetados pela cintilação por vez, temos... NoPVT StandAlone Float Fixed Total G27 e G19 e R11 1 1 7 17279 17288 G27 e G19 e R21 1 1 10 17276 17288 G27 e G19 1 1 7 17279 17288 Ao compararmos o melhor resultado (Excluídos G27 e G19) com a solução que retirou 03 satélites (G27, G19 e R11), não se pode notar melhoria nos resultados e quando comparado com a solução (G27, G19 e R21), as soluções pioraram, embora não significativamente. O que pôde ser verificado nesse experimento é que o satélite G27 teve uma grande influência negativa na qualidade do posicionamento, assim sendo, poderia excluí-lo do rastreio e consequentemente do processamento. As quatro melhores soluções podem ser vistas em: NoPVT StandAlone Float Fixed Total G27 e G19 1 1 7 17279 17288 G27 e R11 1 1 8 17278 17288 G27 e R24 1 1 8 17278 17288 G27 1 1 8 17278 17288

RTK RTK Pós processado RTK Pós processado G27 RTK Pós processado G27 e G19

Visualização mundial (01:45 UTC)

Sky plot (01:45 UTC) Satélites com os sinais mais afetados e seus respectivos horários: G19: 01:40 às 02:02 (27/01/15) G27: 00:58 às 01:51 (27/01/15) R22: 01:34 às 02:13 (27/01/15)

Comentários... Implementar um sistema que permita identificar os satélites que estão sendo afetados pela cintilação ionosférica em tempo real, -elimina seus dados para melhorar a qualidade do processamento. Vale ressaltar, que para obter o valor do índice S4, deve-se utilizar um receptor com alta taxa de gravação de dados (nesse caso 50 Hertz). Solução: Integração de uma rede de Monitoramento da Cintilação com o sistema outro sistema de disponibilização de correções. RTK ou Desenvolvimento de modelos identificar cintilação. de predição da cintilação / Receptor capaz de

Atenção!!!!!! : L2C e L5C sinais passaram a transmitir mensagens em 04/2014. Tratam-se das mensagens CNAV (Civil Navigation) / Antes eram preenchidas de zeros. Requer atualização do segmento de controle. Desde 31/1/2/2014 estão transmitindo CNAV diariamente mas L2C ainda é preoperacional. Tem-se18 satélites com L2C. A qualquer hora poderá estar operacional e os fabricantes? Seus equipamentos podem ficar obsoletos a qualquer momento: Para tirar total proveito atualizações terão que ser feitas se possível.

Muito poderá ser feito a partir do CNAV

Comentários finais Cintilação ionosférica ocorre predominantemente de setembro a março, após o por do sol Durante periodos magneticamente calmos, a cintilação ocorre após o pôr do sol e se estende até à meia-noite. Este período pode se estender ainda mais durante tempestades magnéticas.; Durante tempestades magnéticas, a cintilação ionosférica pode ser inibida ou disparada (triggered) dependendo do horário da ocorrência da tempestade magnética; Irregularidades ionosféricas afetam o posicionamento e a navegação orientada por GNSS durante forte cintilação.

Comentários finais Mitigação: Aumentar o número de satélites GNSS (Galileo, GLONASS, Compass) Novos sinais quando operacional deverá melhorar (L2C) Identificar os satélites que estão sofrendo forte cintilação e eliminá-los do processamento dos dados (receptor inteligente ou modelos de previsão de cintilação) Com CNAV operacional tal solução deverá ser facilitada (2016 2017) Integrar rede de monitoramento de cintilação com RTK ou RTK em rede Informar satélites que estão sofrendo cintilação

O b r i g a d o! http://gege.fct.unesp.br