Anais do XIII Encontro de Iniciação Científica da PUC-Campinas - 21 e 22 de outubro de 2008
ISSN 1982-0178
ATIVIDADES SOLARES E O SINAL DE GPS
Dhiego Silva
PUC-Campinas
CEATEC
[email protected]
Resumo  O trabalho consiste em analisar
o desvio padrão do sinal (índice S4) que ocorre
por fenômenos que transformam o meio da
ionosfera, devido às atividades solares. Os
dados relativos ao posicionamento geográfico e
intensidade são coletados por placas receptoras
através do programa SCINTMON. A monitoração
do sinal do Sisema de Posicionamento Global
(GPS) está localizada no Laboratório de Redes
no Centro Tecnológico da PUC-Campinas que
coleta as informações diariamente. A variação da
intensidade do sinal do GPS é denominada
cintilação. Se a cintilação for muito grande o sinal
pode
ser
perdido
comprometendo
a
determinação da posição do receptor.
Palavras-chaves
ionosfera.

GPS,
cintilação,
Área do Conhecimento: Grande área do
conhecimento CNPq: Engenharia Elétrica/PUCCampinas – Sub-Área do conhecimento do
CNPq: Telecomunicações
I. INTRODUÇÃO
As atividades solares perturbam a ionosfera
e afetam o percurso do sinal emitido por um
satélite de um sistema GPS e o receptor. Isto
causa variações na intensidade do sinal
recebido, o que é caracterizado por uma
grandeza denominada cintilação [1]. Dentre
essas
atividades
podemos
destacar
a
tempestade magnética e as bolhas iônicas. Uma
tempestade magnética é caracterizada por
índices cujos valores são disponibilizados pelos
observatórios que os registram [1-2].
No caso deste trabalho, a monitoração do
sinal GPS conta com uma estação localizada no
Laboratório de Redes no Centro Tecnológico da
PUC-Campinas que coleta as informações dos
satélites diariamente.
O objetivo deste trabalho consistiu na
comparação entre os índices que caracterizam
Norma Reggiani
Faculdade de Engenharia Elétrica e
Mestrado Profissional de Gestão de Redes de
Telecomunicações
CEATEC
[email protected]
Este trabalho esta estruturado da seguinte
forma: Na seção II são apresentadas as
características da ionosfera, na seção III, os
índices que caracterizam as condições
magnéticas da ionosfera, na seção IV um pouco
do sistema GPS é apresentado e se define
cintilação, na seção V estão os resultados e na
VI as conclusões.
II. IONOSFERA
A ionosfera é formada pela ação de fontes
ionizantes solares e cósmicas absorvidas pelos
átomos e moléculas presentes na atmosfera
terrestre. O pico de densidade eletrônica se
localiza a ~300 km de altura, e decresce
acentuadamente com a altura versus a
intensidade da radiação solar – que decresce
acentuadamente conforme caminha em direção
a superfície terrestre [3-4].
Dependendo da densidade atmosférica,
composição da atmosfera neutra e do potencial
de absorção de energia proveniente da radiação
solar, podem-se definir três regiões.
Localizada até cerca de ~90 km acima da
superfície terrestre temos a região D é a menos
densa em elétrons, deixando de existir à noite, a
densidade neutra é bastante significativa.
Seguida desta localizada acerca de ~90 km e
~120 km de altura chamada região E. Essa
região se forma durante o dia e desaparece
durante a noite, dependendo das condições do
vento solar e da energia absorvida durante o dia.
E por fim localizada de ~120 km à ~400 km de
altura a região F é uma região de radiação UV
(10-100mn) muito forte ionizando átomos de (O)
presentes. Durante o dia a região de divide em
F1 e F2, durante a noite ela se une. Ainda em
estudos a camada F3 [5].
As atividades solares afetam a estrutura da
ionosfera. Entre estas atividades podemos
mencionar
as
bolhas
ionosféricas,
as
tempestades magnéticas e o vento solar.
Em certo momento verificou-se que a
telecomunicação via satélites sofre fortes
influências na região equatorial [6]. Descobriu-se
que estas influências ionosféricas decorriam de
fortíssimas irregularidades na distribuição da
densidade dos elétrons no plasma ionosférico
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equatorial, constituindo o que se denomina
bolhas ionosféricas.
As tempestades magnéticas [6] são
distúrbios temporários na intensidade do campo
geomagnético da Terra causado por atividades
solares diretamente relacionados à intensidade e
estabilidade do vento solar.
O vento solar [7] é formado por partículas de
altas energias consistindo de elétrons, prótons e
núcleos de Hélio. Quando a atividade solar não é
significativa, o vento solar é uniforme e com
velocidade aproximada de 400 km por segundo.
Mas quando há distúrbios solares violentos, o
vento solar pode alcançar velocidades muitas
vezes superiores às observadas normalmente.
III. TEMPESTADES GEOMAGNÉTICAS
Através da variação da intensidade do sinal
no receptor, podem-se detectar tempestades
geomagnéticas, que são responsáveis por erros
e falhas de comunicação por satélite. A Figura 1
demonstra uma tempestade geomagnética
através índice Dst [5].
Figura 1 – Curva Dst entre os dias 5–8 de
setembro de 1982. Fonte: Adaptada de Yamashita
(1999).
Uma tempestade magnética pode ser
caracterizada pelos índices [8-9]:
(a) Índice ∑Kp: Esse índice marca através de
um número proporcional ao grau de perturbação
do campo geomagnético. Os valores de Kp
representam uma média dos valores a cada 3
horas, o intervalo do índice K varia de 0 a 9, um
dia são realizadas 8 Kp. A soma das 8 médias ou
índices kp se denomina ∑Kp.
(b) Índice Dst (Disturbance Storm Time): O
índice Dst monitora o nível de atividade
geomagnética e expressa o grau de perturbação
do campo magnético. A Tabela I mostra os
valores do índice Dst para diferentes
intensidades de tempestade magnética.
Intensidade da Tempestade
Muito Intensa
Intensa
Moderada
Fraca
Dst (nT)
< - 250
- 100 a - 250
-50 a - 100
-30 a -50
Tabela I: Valores do índice Dst para diferentes
intensidades de tempestade magnética.
Se a intensidade da tempestade magnética
for muito alta, o sinal do sistema GPS poderá
estar comprometido.
IV. SINAL DO GPS
O GPS (Sistema de Posicionamento Global)
permite que qualquer pessoa possa se localizar
no planeta com grande precisão, pode ser
utilizado por qualquer pessoa, gratuitamente,
necessitando apenas de um receptor que capte o
sinal emitido pelos satélites.
Para
calcularmos
e
encontrarmos
coordenadas na Terra através de um receptor
mede-se a distância de pelo menos três satélites
até o receptor. Os satélites agem como pontos
de referência precisos. Supondo que a distância
a partir de um satélite seja conhecida, a posição
pode ser restringida à superfície de uma esfera,
que circunda aquele satélite. Se a distância a
partir de um segundo satélite também é
conhecida, isto limita a posição à interseção de
duas esferas. Adicione um terceiro satélite e a
posição limita-se para um dos dois pontos.
Desconsidera-se uma dessas posições porque é
uma resposta pouco provável, esta posição está
no espaço ou movimentando-se em alta
velocidade. Conhecendo-se a distância entre a
posição e os três satélites, as coordenadas
podem ser calculadas. Na prática, é necessário
um quarto satélite para resolver as quatro
incógnitas, X, Y, Z e tempo.
Para caracterizar a estabilidade do sinal do
sistema GPS utiliza-se o índice de cintilação. O
índice de cintilação é definido por [9]:
S4 =
σˆ 2
Sˆ
(1)
O índice S4 pode ser interpretado com a
razão do desvio padrão do sinal normalizado
pelo valor médio do sinal [9]. Observe que o
valor médio do sinal na equação acima é o valor
médio do sinal para o intervalo de tempo
considerado. Deste modo, o desvio padrão
calculado está relacionado com a distribuição
dos valores do sinal com relação a uma média
local e nos permite caracterizar melhor os
desvios [9].
V. RESULTADOS
Através da coleta de dados pelo satélite
GOES [10] foi possível monitorar 5 índices
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diferentes, Kp, fluxo de elétrons, fluxo de
prótons, fluxo de raio X e GOES Hp.
O índice GOES Hp quando seu gráfico
apresenta níveis próximos ou menores que 0,
esses valores são associados freqüentemente a
subtempestades e uma intensificação das
correntes do vento solar.
O fluxo de elétrons quando em seu gráfico
apresenta realces dos elétrons por um período
de tempo, a característica se associa com as
anomalias
de
carregamento
dielétricas
profundas.
Sobre o fluxo de prótons não foram
encontradas características marcantes nem
influências sobre os outros níveis já que seu
gráfico é sempre constante.
O fluxo de raios-X tem como objetivo
detectar explosões solares, já que essas
explosões causam distúrbios nas ondas de
satélite, fazendo transmissões via satélite
caírem. Essas influências levam dias para
acontecer e aparecer no índice Kp como uma
tempestade.
Como resultados temos que tempestades
eletromagnéticas ocorrem horas ou dias depois
de o fluxo de elétrons mostrar-se próximo de 0,
tempestades que são detectadas no índice Kp.
No gráfico abaixo vemos a influência do Fluxo de
elétrons e do GOES Hp atuando sobre o Kp.
Figura 3: Gráfico contendo fluxo de raios-X, a
área circulada apresenta o efeito de uma explosão
solar [11].
Figura 4: Diversos índices, fluxo de prótons,
fluxo de elétrons, GOES Hp e Kp entre os dias 3-8
de janeiro de 2008 [11].
Relacionando a figura 3 com a figura 4,
notamos que após ocorrer o fenômeno da
explosão solar no dia 31 de dezembro, ela reflete
numa tempestade geomagnética entre os dias 5
a 6 de janeiro, possuindo então 6 dias de atraso
entre o fenômeno solar e a instabilidade
eletrônica da ionosfera. Isto pode gerar uma
cintilação do sinal do GPS, como ilustra a Figura
5.
Figura 2: Diversos índices, fluxo de prótons,
fluxo de elétrons, GOES Hp e Kp entre os dias 4-7
de janeiro de 2008, as áreas circuladas mostram a
ocorrência de uma tempestade geomagnética [11].
Assim como os índices fluxo de elétrons e
GOES Hp influenciam o Kp, o fluxo de raios X
também influencia.
VI. CONCLUSÕES
A partir de uma análise gráfica observamos
que entre os diversos índices de monitoramento
utilizados, foi possível criar correspondências
entre eles e concluir que os fenômenos solares
interferem no sinal do satélite com atraso e
dentro de um período de tempo impreciso para
afetarem o GPS.
Através desses dados vemos que há
possibilidade de prever falhas no sinal antes de
elas ocorrerem, mas ainda faltam recursos
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alternativos de comunicação para substituírem o
satélite quando esses falham.
[8] T.L. Beach, “Global Positioning System
Studies of Equatorial Scintillations”, PhD Thesis,
Cornell, May(1998).
[9] N. Reggiani, O.C. Branquinho, T.ª Xastre,
T.C. Nascimento, E.R. de Paula, I.J. Kantor, M.
Fedrizzi, L.F.C. Rezende, “ Magnetic Storms
Effects on the GPS Signal”, International
Workshop on Telecommunications Proceedings
(2004).
[10] NOAA NATIONAL WEATHER SERVICE.
Space Weather Prediction Center continually
monitors
and
forecasts
Earth's
space
environment
Disponível
em:
http://www.swpc.noaa.gov/ Acesso em: 2008.
Figura 5: Figura contém um exemplo gráfico
de cintilação ionosférica do GPS [11].
REFERÊNCIAS
[1]Bolduc, L., GIC observations and studies in the
Hydro-Quebec power system. J. Atmos. Sol.
Terr. Phys., 64(16), 1793-1802, 2002.
[2]CECATTO, José Roberto. O Sol. In: Curso de
Introdução à Astronomia e Astrofísica, 9, 2006,
São José dos Campos. Resumo. São José dos
Campos: INPE, 2006.
[3]SPACEWEATHER. News and information
about the Sun-Earth environment. Disponível em:
www.spaceweather.com/index.cgi Acesso em:
Mar. 2008.
[4]ABDU, M. A., Outstading problems in the
equatorial
ionosphere–thermosphere
electrodynamics relevant to spread F, Journal of
Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, v. 63,
p. 869 – 884, 2001.
[5]Kelley, M. C, and Heelis, R. A., "The Earth's
Ionosphere:
Plasma
Physics
and
Electrodynamics". Academic Press, 1989.
[6]Stix, Thomas Howard. Waves in Plasmas
(1992).
[7]FEDRIZZI, M. Estudo do efeito das
tempestades magnéticas sobre a ionosfera
utilizando dados do GPS. 2003. São José dos
Campos. 223p. Tese de Doutorado em Geofísica
Espacial, Instituto Nacional de Pesquisas
Espaciais.