GNSS: potencialidades e limitações para
aplicações na Região Equatorial
Joao Francisco Galera Monico
Departamento de Cartografia, FCT/UNESP
Presidente Prudente, SP, Brasil
[email protected]
[email protected]
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
L1
1575,42 MHz
Código C/A
1,023 MHz
1
Código P
10,23 MHz
*154
L2
Código L2C
Código P
CNAV
*120
1227,60 MHz
L5
1176,46 MHz
1,023 MHz
10,23 MHz
Código L5C
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.
Desvantagens do RTK
PRINCIPAIS
CONCEITOS
• Disponibilidade;
• Integridade;
• Perda de
produtividade;
• Alcance limitado;
Solução: Utilizar mais estações de
referência!
Posicionamento em Rede
RTK em Rede + VRS
PRINCIPAIS
CONCEITOS
Centro de Controle gera uma VRS para cada
Rover enviados
envia
suacontinuamente
posição ao Centro
deo Controle.
Dados
para
Centro de
receptor
rover.
Controle.
VRS
NMEA
POSSIBILIDADES DE ACURÁCIA
(1 sigma) COM O GNSS
3m
0,5 m
2 cm
??mm
1m
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.
Região
afetada
60
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 (Vg) 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
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.
Irregularidades ionosféricas
POTENTIAL EFFECTS OF SCINTILLATIONS
ON GPS CAUSED BY IONOSPHERIC IRREGULARITIES
IONOSPHERIC SCINTILLATION
v
42
Ionosphere
WBP (dB)

40
38
36
34
3100
3120
3140
3160
3180
3200
3220
Tempo (s)
3240
3260
3280
3300
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
S4 > 0.6
0.3 ≤ S4 ≤ 0.6
S4 < 0.3
σφ
σφ > 0,8
0,4 ≤ σφ ≤ 0,8
σφ < 0,4
(ITU, 2013)
CLASSES
FORTE
MODERADA
FRACA
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
w
Artistic animation
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.
200
150
100
50
0
2008
Irregularidades de plasma
1950 de deriva
1960 zonal1970
1980
199050-150
2000
2010
Possuem uma velocidade
de aproximadamente
m/s
para
leste;
Ano
Média Mensal (2008)
80
F10.7
Dimensões: (a) ~5.000 km ao longo das linhas de campo magnético; (b) zonal ~450 km
75
perpendicular ao
campo geomagnético;
70
65.85
Variação sazonal;
65
65.67
F10.7
Dependência com o ciclo
solar.
1
2
3
4
5
6
7
8
Meses
Média Anual (1947-2011)
9
10
11
12
250
200
150
100
70.0
69.0
50
1950 1954 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
-
Receptor Rover
-
APS3: GNSS L1 e L2;
Frequência: 01 Hertz;
Máscara de elevação: 0°;
Formato do arquivo *.SBF e
Antena: APS3-APS3
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
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 ...
G27
G19
R21
R22
R11
R24
NoPVT
1
1
1
1
1
1
StandAlone
1
2
1
1
2
2
Float
8
242
263
330
340
340
Fixed
17278
17043
17023
16956
16945
16945
Nota-se que a melhor solução foi a que excluiu o satélite G27
Total
17288
17288
17288
17288
17288
17288
Excluindo dois satélites afetados pela cintilação por vez, temos ...
G27 e G19
G27 e R11
G27 e R24
G27 e R21
G27 e R22
G19 e R21
G19 e R11
G19 e R24
R11 e R21
R21 e R24
R21 e R22
R11 e R22
R22 e R24
G19 e R22
R11 e R24
NoPVT
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
StandAlone
1
1
1
1
1
1
2
2
1
1
1
1
1
1
2
Float
7
8
8
11
18
227
242
242
263
263
287
330
330
335
340
Fixed
17279
17278
17278
17275
17268
17059
17043
17043
17023
17023
16999
16956
16956
16951
16945
Total
17288
17288
17288
17288
17288
17288
17288
17288
17288
17288
17288
17288
17288
17288
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...
G27 e G19
G27 e R11
G27 e R24
G27
G27 e R21
G27 e R22
No PVT
1
1
1
1
1
1
Stand Alone
1
1
1
1
1
1
Float
7
8
8
8
11
18
Fixed
17279
17278
17278
17278
17275
17268
Total
17288
17288
17288
17288
17288
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 ...
G27 e G19 e R11
G27 e G19 e R21
G27 e G19
NoPVT
1
1
1
StandAlone
1
1
1
Float
7
10
7
Fixed
17279
17276
17279
Total
17288
17288
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:
G27 e G19
G27 e R11
G27 e R24
G27
NoPVT
1
1
1
1
StandAlone
1
1
1
1
Float
7
8
8
8
Fixed
17279
17278
17278
17278
Total
17288
17288
17288
17288
RTK
RTK Pós processado –G27
RTK Pós processado
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
(27/01/15)
às
02:02
G27: 00:58
(27/01/15)
às
01:51
R22: 01:34
(27/01/15)
às
02:13
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 RTK ou
outro sistema de disponibilização de correções.
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
Obrigado!
http://gege.fct.unesp.br