AVALIAÇÃO DA CINTILAÇÃO IONOSFÉRICA NO POSICIONAMENTO
POR PONTO EM DIFERENTES ANOS UTILIZANDO DADOS DE
ESTAÇÕES DA REDE CIGALA/CALIBRA
EVALUATION OF IONOSPHERIC SCINTILLATION IN POINT
POSITIONING FOR DIFFERENT YEARS USING DATA FROM
CIGALA/CALIBRA NETWORK STATIONS
JÉSSICA SALDANHA SOUZA1
DANIELE BARROCA MARRA ALVES2
MAYARA COBACHO ORTEGA3
1
Universidade Estadual Paulista – Faculdade de Ciências e Tecnologia – UNESP
Curso de Graduação em Engenharia Cartográfica
Rua Roberto Simonsen, 305, Campus Presidente Prudente. Cep 19060-900. Presidente Prudente, SP, Brasil.
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2
Universidade Estadual Paulista - Faculdade de Ciências e Tecnologia – UNESP
Departamento de Cartografia
Rua Roberto Simonsen, 305, Campus Presidente Prudente. Cep 19060-900. Presidente Prudente, SP, Brasil.
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3
Universidade Estadual Paulista - Faculdade de Ciências e Tecnologia – UNESP
Programa de Pós Graduação em Ciências Cartográficas
Rua Roberto Simonsen, 305, Campus Presidente Prudente. Cep 19060-900. Presidente Prudente, SP, Brasil.
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RESUMO
A ocorrência da cintilação ionosférica equatorial é relacionada à anomalia equatorial com maior intensidade no pico
local da anomalia e as bolhas ionosféricas que são formadas nesta região logo após o pôr do sol. As bolhas ionosféricas
em larga escala aumentam a ocorrência de cintilação ionosférica, resultando em degradação nos sinais de comunicação
transionosféricos e nos sinais de navegação, como os do GNSS (Global Navigation Satellite System). A magnitude e a
frequência dessas cintilações são correlacionadas com o ciclo solar que ocorrem em intervalos de 11 anos, sendo o pico
mais recente no final de 2013 e início de 2014 (http://solarscience.msfc.nasa.gov/predict.shtml). Uma maneira de
caracterizar a variação da potência de um sinal ao longo do tempo é a utilização dos índices S, sendo o índice S4 o mais
utilizado entre todos os índices S para indicar efeitos de cintilação. O índice S4 mapeia a intensidade da cintilação
ionosférica e é mais utilizado para mostrar efeitos causados nas pseudodistâncias. Tal índice pode ser classificado como
forte quando atingi-se S4 >1, moderado para valores de S4 entre 0,5 e 1 e fraco quando atingi-se valores menores que
0,5. Os períodos aonde chega-se aos maiores índices de cintilação são aproximadamente durante os meses de março,
abril, setembro e outubro (equinócio) e os mínimos nos meses de solstício de inverno e verão, ou seja, os meses de maio
à agosto. O Brasil está situado na região do equador geomagnético, onde o sinal GNSS é afetado pelo efeito da
cintilação ionosférica e da anomalia equatorial. Assim, esta região torna-se ideal para estudos sobre os efeitos das
atividades ionosféricas nos sinais GNSS, principalmente no período de forte atividade solar. A fim de avaliar os efeitos
da cintilação no posicionamento foi desenvolvido no Brasil o projeto CIGALA (Concept for Ionospheric Scintillation
Mitigation for Professional GNSS in Latin America) (http://is-cigala-calibra.fct.unesp.br), onde foram instaladas oito
estações em diferentes regiões do Brasil com a finalidade de avaliar a cintilação em diferentes regiões brasileiras. O
projeto CIGALA foi finalizado em 2012, mas a rede de receptores GNSS implantados no Brasil continuou em operação.
Atualmente, encontra-se em operação o projeto CALIBRA (Countering GNSS high Accuracy applications Limitations
due to Ionospheric disturbances in Brazil) (http://www.calibra-ionosphere.net/calibra/index.aspx), que visa dar
continuidade e expandir a rede de receptores do projeto CIGALA. Utilizando a rede CIGALA/CALIBRA foram
gerados para os anos de 2011, 2012 e 2013 análises utilizando o método PP (Posicionamento por Ponto) em diferentes
regiões brasileiras e em períodos de forte e baixa cintilação. Para o período de forte cintilação, outubro foi o mês mais
afetado. Já para períodos de baixa cintilação o mês de junho foi selecionado. As estações escolhidas foram: PRU1 e
PRU2 situadas em Presidente Prudente - SP, região mais afetada pela anomalia equatorial; POAL situada em Porto
Alegre – RS, região menos afetada pela anomalia equatorial; PALM situada em Palmas – TO; e SJCU instalada em São
José dos Campos – SP. A avaliação para os diferentes anos de 2011, 2012 e 2013 permite analisar a influência do pico
da atividade solar, verificando se houve um aumento das irregularidades ionosféricas em especial da cintilação
ionosférica no final de 2013. Além disso, é possível analisar ainda as diferentes características do índice S4 em
diferentes regiões do Brasil e a relação do posicionamento com os períodos de forte e fraca cintilação.
Palavras chaves: Ionosfera, Cintilação, GNSS
ABSTRACT
The occurrence of equatorial ionospheric scintillation is related to the equatorial anomaly with a larger intensity in the
local peak of the anomaly and in the ionospheric bubbles that are formed in this region after the sunset. In a large scale
ionospheric bubbles increase the occurrence of ionospheric scintillation, resulting in the degradation of transionospheric
communication and navigation signals, such as GNSS (Global Navigation Satellite System).The magnitude and
frequency of these scintillations are correlated with the solar cycle that occurs in 11 years intervals, the most recent
peak was between the end of 2013 and the early 2014 (http://solarscience.msfc.nasa.gov/predict.shtml). One way to
characterize the power variation of a signal along the time is the use of S indexes; the S4 index is the most used between
all the S indexes to indicate the scintillation effects. S4 index maps the intensity of ionospheric scintillation and is more
used to show effects in pseudorange observable. This index can be classified as strong when is reached S4> 1, moderate
for S4 values between 0.5 and 1 and weak when is reached values smaller than 0.5.The periods when it is reached the
highest levels of scintillation is approximately during the months of March, April, September and October (equinox)
and the minimum in the months of winter and summer solstices, therefore the months of May to August. Brazil is
located in the geomagnetic equator, where the GNSS signal is affected by the effects of ionospheric scintillation and the
equatorial anomaly. So, this region becomes ideal for studies of the effects of ionospheric activities on GNSS signals,
especially in high solar activity period. In order to evaluate the effects of scintillation in positioning was developed in
Brazil the CIGALA (Concept for Ionospheric Scintillation Mitigation for Professional GNSS in Latin America) project
(http://is-cigala-calibra.fct.unesp.br), where were installed eight stations in different regions of Brazil aiming to evaluate
the scintillation in different Brazilian regions. The CIGALA project was completed in 2012, but the network of GNSS
receivers implanted in Brazil continued in operation. Currently, it is in operation the CALIBRA (Countering High
Accuracy GNSS applications Limitations due to Ionospheric disturbances in Brazil) project (http://www.calibraionosphere.net/calibra/index.aspx), that aims continue and expand the receivers network of CIGALA Project. Using
CIGALA / CALIBRA network it was generated analyzes using the PP (Point Positioning) method in different Brazilian
regions and periods of high and low scintillation for the years 2011, 2012 and 2013. For the period of strong
scintillation, October was the most affected month. For periods of low scintillation, June was selected. The stations
selected were: PRU1 and PRU2 located in Presidente Prudente - SP, the most affected region by the equatorial
anomaly; POAL located in Porto Alegre - RS, the least affected region by the equatorial anomaly; PALM located in
Palmas – TO and SJCU installed in São José dos Campos - SP. The evaluation for the different years 2011, 2012 and
2013 allows analyzing the influence of peak solar activity, checking if there was an increase of ionospheric
irregularities specially ionospheric scintillation in the late 2013. Moreover, it is still possible to analyze the different
characteristics of S4 index in different regions of Brazil and the relation of the positioning with periods of strong and
weak scintillation.
Keywords: Ionosphere, Scintillation, GNSS
1. INTRODUÇÃO
O sistema GNSS (Global Navigation Satellite System), tem se tornado uma tecnologia extremamente útil e
indispensável para as atividades humanas que necessitam de posicionamento. O sinal transmitido pelos receptores
GNSS sofre grande influência da atmosfera terrestre, principalmente a região da ionosfera, que segundo Alves (2004) e
Monico (2008) é uma das mais importantes fontes de erro para usuários do GPS que requerem medidas com boa
acurácia, principalmente para usuários de receptores de simples frequência.
O Brasil está situado na região do equador geomagnético, onde o sinal GNSS é afetado por diversas condições
ionosféricas, como por exemplo, o efeito da cintilação ionosférica. Além disso, no final do ano de 2013 e início de 2014
ocorreu um pico da atividade ionosférica. Assim neste artigo pretende-se verificar se houve aumento da cintilação do
período de 2011 até o ano de 2013, avaliando o efeito no posicionamento por ponto durante o período escolhido de três
anos. A revisão teórica, métodos empregados, resultados e análises são apresentados nas próximas seções.
2. CINTILAÇÃO IONOSFÉRICA E SEUS EFEITOS NO POSICIONAMENTO GNSS
A radiação solar contém energia suficiente para causar a fotoionização da atmosfera terrestre nas altas
altitudes, criando, na atmosfera superior, regiões parcialmente ionizadas, conhecidas como ionosfera, que variam de,
aproximadamente, 50 a 1000 km (CAMARGO, 1999). Na ionosfera existem anomalias e irregularidades que afetam a
propagação do sinal GNSS, como a anomalia equatorial, tempestades geomagnéticas, bolhas ionosféricas e a cintilação
ionosférica (MATSUOKA, 2007).
A cintilação ionosférica é causada por mudanças rápidas na fase e amplitude do sinal de rádio recebido, as
quais são causadas por irregularidades na densidade de elétrons ao longo do caminho percorrido pelo sinal na ionosfera,
podendo enfraquecer o sinal recebido pelos receptores GNSS, fazendo que ocorra em muitos casos a degradação ou até
mesmo perda do sinal (CONKER et al., 2003).
Os efeitos da cintilação ionosférica são mais intensos nas regiões equatoriais e de altas latitudes (MONICO,
2008). Na região de altas altitudes, a ocorrência da cintilação é devida às tempestades geomagnéticas ou
magnetosféricas (AGUIAR, 2010). O Brasil está localizado na região equatorial onde os efeitos da cintilação são
relacionados à anomalia equatorial com intensidade maior no pico local da anomalia. A cintilação ionosférica também
tem forte correlação com o ciclo solar onde a Fig. 1 mostra os ciclos solares que ocorrem em intervalos de 11 anos,
sendo que o último pico ocorreu no final de 2013 e início de 2014, neste período a cintilação se intensifica e degrada
com maior intensidade o sinal GNSS.
Fig. 1 - Últimos ciclos Solares
Fonte: http://solarscience.msfc.nasa.gov/predict.shtml. Acesso em junho/2014.
O
índice
S4
mapeia
a
(http://www.inpe.br/scintec/pt/scintil.php):
intensidade
da
cintilação
ionosférica
e
é
dado
por
(1)
onde:
é o vetor contendo a intensidade do sinal em um determinado intervalo de tempo.
Segundo Conker et al. (2003) quando atingi-se o índice S4 > 0,707, alguns modelos de receptores são
considerados bloqueados pela cintilação, ou seja, perdem quase ou totalmente o sinal transmitido pelo satélite. De
acordo com a
TABELA 1, o índice S4 também pode ser classificado como forte, moderado e fraco, dependendo diretamente
da intensidade de cintilação ocorrida no dia em análise (TIWARI, et. al. 2011).
2
TABELA 1 - Classificação do índice S4
S4
CLASSES
S4 > 1
FORTE
0,5 < S4 < 1 MODERADA
0 < S4 < 0,5
FRACA
Fonte: Tiwari et al. (2011)
Segundo Matsuoka (2007) os períodos aonde chega-se aos maiores índices de cintilação são aproximadamente
durante o período de setembro à março (equinócio) e os mínimos ocorrem durante os meses de solstício de inverno e
verão, ou seja, os meses de abril à agosto.
3. MATERIAIS E MÉTODOS EMPREGADOS
A fim de avaliar os efeitos da cintilação no posicionamento foi desenvolvido no Brasil o projeto CIGALA
(Concept for Ionospheric Scintillation Mitigation for Professional GNSS in Latin America) (http://is-cigalacalibra.fct.unesp.br), onde foram instaladas oito estações em diferentes regiões do Brasil como pode ser visto na Fig. 2.
O projeto CIGALA foi finalizado em 2012, mas a rede de receptores GNSS implantados no Brasil continuou em
operação, o projeto CALIBRA (Countering GNSS high Accuracy applications Limitations due to Ionospheric
disturbances in Brazil) (http://www.calibra-ionosphere.net/calibra/index.aspx) visa dar continuidade e expandir a rede
de receptores do projeto CIGALA.
Fig. 2 - Distribuição das estações da rede CIGALA/CALIBRA
Fonte: http://is-cigala-calibra.fct.unesp.br
As estações selecionadas para realizar as análises estão apresentadas na TABELA 2. Estas estações foram as
que tiveram maior quantidade de dados coletados no período escolhido para as análises.
TABELA 2 – Estações da Rede CIGALA
ESTAÇÃO
LOCALIDADE
PALM
PALMAS – TO
POAL
PORTO ALEGRE – RS
PRU1
PRES. PRUDENTE – SP
PRU2
PRES. PRUDENTE – SP
SJCU
S. J. DOS CAMPOS – SP
Na ferramenta ISMR Query Tool desenvolvida por Vani (2013) é possível visualizar o comportamento da
cintilação através de diferentes índices como pode ser visto nas análises realizadas a seguir.
3
Para avaliar o impacto da cintilação ionosférica no posicionamento GNSS, foram selecionados os meses de
outubro considerado um período de cintilação muito intensa e junho considerado um período de cintilação moderada.
Com os dados destes meses em 2011, 2012 e 2013 foram realizados testes utilizando o posicionamento por ponto (PP).
O PP necessita de um único receptor para sua aplicação (MONICO, 2008), é um método de grande utilidade para
diversas aplicações e vem sendo bastante empregado pela comunidade civil.
Para o processamento do PP foi utilizado o serviço disponibilizado pelo IBGE (Instituto Brasileiro de
Geografia e Estatística), o IBGE-PPP (http://www.ibge.gov.br/home/geociencias/geodesia/ppp/default.shtm) que é um
serviço on-line para o pós-processamento de dados GPS. No PP emprega-se apenas as pseudodistâncias. Além disso,
nesse artigo, para todos os dias analisados o PP foi realizado no modo Estático.
Os gráficos gerados nos resultados a partir do PP utilizam o Erro Médio Quadrático (EMQ) das coordenadas E,
N e h (EMQ 3D) obtidas para cada dia. Cada arquivo RINEX processado no IBGE-PPPP gera as coordenadas e o
desvio padrão. O EMQ 3D é obtido a partir dos cálculos gerados com base no desvio padrão e nas diferenças entre as
coordenadas obtidas e as consideradas verdadeiras.
4. RESULTADOS E ANÁLISES
Os meses de junho e outubro de 2013 são períodos considerados de cintilação branda e intensa, como pode ser
visto na Fig. 3, estes meses foram selecionados para realizar as análises do EMQ gerado a partir do posicionamento por
ponto destas estações.
Fig. 3 – Período considerado de cintilação branda e intensa para a rede CIGALA/CALIBRA
Para a análise dos efeitos da cintilação no posicionamento foram escolhidos 10 dias de junho e 10 dias de
outubro para os anos de 2011, 2012 e 2013, sendo o período do dia de maior impacto da cintilação entre as 0 horas e 6
horas (UTC). Na Fig. 4 é possível ver os valores do índice S4 para as 5 estações no dia 23 de outubro de 2013,
considerado um dia com alto índice de cintilação. Na Fig. 4 (a) verifica-se o valor do índice para 24 horas de dados. Já
na Fig. 4 (b) são apresentados os valores para 6 horas de dados. Note que para as 6 h de dados é possível ver um maior
impacto da cintilação ionosférica.
a
b
Fig. 4 – Índice S4 para estações da rede CIGALA/CALIBRA para o período de 24 horas e 06 horas de dados
4
A Fig. 5 mostra a estação PRU1 nos meses de junho e outubro em 2011, 2012 e 2013. Note que junho
manteve EMQ mais baixo do que o mês de outubro para todos os anos, sendo 2011 o ano que obteve maior EMQ,
atingindo 5 metros em outubro. Em alguns dias do período de dados selecionado não houve dados coletados, por isso há
falta de dados em alguns dias de junho e outubro nas figuras a seguir.
Fig. 5 – EMQ dos anos 2011, 2012 e 2013 para a estação PRU1
Assim como na estação PRU1, a Fig. 6 mostra que PRU2 também obteve EMQ maior para outubro do que
para o mês de junho em todos os anos, sendo o maior erro atingido em 2011 com EMQ maior que 4 metros.
Fig. 6 - EMQ dos anos 2011, 2012 e 2013 para a estação PRU2
A Fig. 7 mostra a estação PALM, onde podemos ver que em 2011 houve muita perca de dados, principalmente
para o mês de junho. O maior erro obtido foi em 2012 com EMQ maior que 4 metros e em alguns dias junho obteve
erro maior que outubro em 2012 e 2013.
Fig. 7 - EMQ dos anos 2011, 2012 e 2013 para a estação PALM
A Fig. 8 mostra a estação POAL para os três anos analisados, sendo que em 2011 a coleta dos dados iniciou-se
em julho devido a isto temos dados apenas para o mês de outubro em 2011. Em 2012 no mês de outubro houve um pico
de EMQ com erro superior a 3 metros e em 2011 também foram obtidos EMQ com valores significativos em outubro.
Mas, em geral, durante os anos de 2012 e 2013 o EMQ de outubro e junho manteve valores muito semelhantes, sendo
que em alguns dias junho obteve EMQ maior que outubro nos dois anos.
5
Fig. 8 - EMQ dos anos 2011, 2012 e 2013 para a estação POAL
A estação SJCU mostrada na Fig. 9 não coletou dados para o período analisado em 2011, devido a isto temos
dados apenas para 2012 e 2013 como pode ser visto na figura. O maior EMQ obtido foi em 2012 com erro superior a 4
metros, mas em 2013 também foram obtidos erros significativos com EMQ superior a 3 metros.
Fig. 9 - EMQ dos anos 2012 e 2013 para a estação SJCU
5. CONCLUSÃO
Os resultados obtidos na seção 4 mostram que o PP durante os anos de 2011 e 2012 foi mais afetado do que no
ano de 2013, onde o maior pico de EMQ ocorreu no ano de 2011 na estação PRU1. O mês de junho manteve erro menor
do que o mês de outubro na maioria dos dias analisados, exceto para a estação POAL que em junho e outubro obteve
EMQ com valores muitos semelhantes na maioria dos dias.
O pico do ciclo solar ocorrido do final de 2013 ao inicio de 2014 deveria trazer efeitos sob a ionosfera
terrestre, como, por exemplo, o aumento de seus efeitos e irregularidades, dentre elas a cintilação ionosférica. Mas,
como pode ser visto na seção 4, os erros obtidos em 2013 em algumas estações foram menores do que os erros obtidos
em 2011 e 2012. Isto pode ser visto nas estações PRU1, PRU2 e PALM. Nas estações POAL e SJCU os erros obtidos
foram muito semelhantes entre 2012 e 2013. Assim, com os experimentos realizados nesse artigo não é possível
concluir que o pico da atividade solar trouxe impactos na cintilação ionosférica e consequentemente no posicionamento
por ponto.
AGRADECIMENTOS
À FAPESP pelo financiamento da bolsa do primeiro autor (processo 2012/16110-7) e pelo projeto Regular da
segunda autora (processo 2012/19906-7). Ao CNPq pela bolsa de produtividade em pesquisa para a segunda autora e ao
projeto Universal (processo 470112/2012-3). Ao projeto CIGALA e CALIBRA pelo acesso ao banco de dados.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AGUIAR, C. R. Grade ionosférica para aplicações em posicionamento e navegação com GNSS. 2010. 256 f. Tese
(Doutorado) – Programa de Pós-Graduação em Ciências Cartográficas, Faculdade de Ciências e Tecnologia da UNESP,
Presidente Prudente.
ALVES, D. B. M. Método dos Mínimos Quadrados com penalidades: Aplicação no posicionamento relativo GPS. 2004.
Dissertação (Mestrado em Ciências Cartográficas) – Universidade Estadual Paulista, Presidente Prudente.
CAMARGO, P. O. Modelo regional da ionosfera para uso em posicionamento com receptores GPS de uma
freqüência. 1999. 191f. Tese (Doutorado em Ciências Geodésicas) – Universidade Federal do Paraná, Curitiba.
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CONKER; R. S., EL-ARINI, M. B. HEGARTY, C. J., HSIAO, T., “Modeling the Effects of Ionospheric Scintillation
on GPS/Satellite-Based Augmentation System Availability”, 2003, Radio Science, Vol. 38.
MATSUOKA, M. T. Influência de Diferentes Condições da Ionosfera no Posicionamento por Ponto com GPS:
Avaliação na região brasileira. 2007. 263 f. Tese (Doutorado) – Programa de Pós Graduação em Ciências
Cartográficas, Faculdade de Ciências e Tecnologia da UNESP, Presidente Prudente.
MONICO, J. F. G.. Posicionamento pelo GNSS: Fundamentos, Definição e Aplicação. 2 ed. São Paulo: Editora
UNESP, 2008. 476p.
TIWARI, R.; SKONE, S.; TIWARI, S.; STRANGEWAYS, H. J. 3WBMod Assisted PLL GPS Software Receiver
for Mitigating Scintillation Affect in High Latitude Region. IEEE, 2011. Disponível em:
<http://www.ursi.org/proceedings/procGA11/ursi/FG-4.pdf>. Acesso em: mar. 2014.
VANI, B. C.; SHIMABUKURO, M. H.; MONICO, J. F. G. ISMR query tool: retrieval, visualization and analysis of
ionospheric scintillation data. 2013. In: MIMOSA Workshop: "Supporting Space Weather Activities in South
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