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EFEITOS DA IONOSFERA NO SISTEMA GPS

L.F.C. de Rezende, Eurico R. de Paula, I.J.Kantor, M.T.A.H. Muella

AERONOMY DIVISION – NATIONAL INSTITUTE FOR SPACE RESEARCH ( INPE)

IV GEGE – Potencialidade do Sinal GNSS no Monitoramento daAtmosfera

CONDIÇÃO IDEALPARA COMUNICAÇÃO SATÉLITE – TERRA

ENTRETANTO, NA VIDA REAL AS COISAS NÃO SÃO TÃO FÁCEIS.

TÓPICOS

TÓPICOS

• MECANISMOS FÍSICOS QUE DÃO ORIGEM ÀS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS E SUAS CARACTERÍSTICAS.

TÓPICOS


• DEPENDÊNCIA DAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS EM RELAÇÃO À:

ESTAÇÃO DO ANOHORA LOCALATIVIDADE SOLAR ATIVIDADE MAGNÉTICA

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• OS EFEITOS DO CONTEÚDO ELETRÔNICO TOTAL(CET) SOBRE O SINAL GPS.

TÓPICOS





• OS EFEITOS DAS IRREGULARIDADESIONOSFÉRICAS SOBRE O CET.

TÓPICOS




• EFEITOS POTENCIAIS DAS CINTILAÇÕES SOBRE O GPS CAUSADOS PELAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS:

PERDA DE LOCKAUMENTO DA DILUIÇÃO DA PRECISÃO ( DEGRADAÇÃO )DIMINUIÇÃO DE NÚMERO DE SATÉLITES GPS DISPONÍVEISEFEITOS SOBRE O SBAS ( SPACE BASED AUGMENTATION SYSTEM )


• OS EFEITOS DAS IRREGULARIDADESIONOSFÉRICAS SOBRE O CET.

EFEITOS SOBRE O DGPS (DIFFERENTIAL GPS )

MECANISMO DE GERAÇÃO DE IRREGULARIDADE IONOSFÉRICA

Rayleigh - Taylor (RT) instabilidade Dungey (1956)

Kelley (1989, pag. e 122)Animação gentilmente cedida

por C. M. Denardini

MECANISMO FÍSICO QUE DÁ ORIGEM ÀS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS

CARACTERÍSTICAS DAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS

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• IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS SÃO REGIÕES DE RAREFAÇÃO DA DENSIDADE ELETRÔNICA DO PLASMA IONOSFÉRICO

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• IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS SÃO REGIÕES DE RAREFAÇÃO DA DENSIDADE ELETRÔNICA DO PLASMA IONOSFÉRICO

• GERADAS NA REGIÃO EQUATORIAL APÓS O POR DO SOL (ATÉ À MEIA NOITEDURANTE CONDIÇÕES MAGNÉTICAS CALMAS) E ELAS PODEM EVOLUIR PARA ESTRUTURAS DE GRANDES RAREFAÇÕES DO PLASMA CHAMADAS BOLHAS.

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• OS EFEITOS SÃO NA REGIÃO TROPICAL SOBRE O MUNDO, COM INCIDÊNCIA MAIOR SOBRE O BRASIL ( DECLINAÇÃO MAGNÉTICA MAIOR ).

AAAAAAAAAA

• AS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS TÊM MUITOS TAMANHOS DE ESCALA ( cm a Km ) DESTA FORMA, AFETAM DIVERSAS FREQUÊNCIAS DE TRANSMISSÃO ( HF A DIVERSOS GHz).



• ELAS TÊM UMA GRANDE VARIABILIDADE DIA-A-DIA.



• ELAS TÊM UMA GRANDE VARIABILIDADE DIA-A-DIA.

• DURANTE PERÍODOS MAGNETICAMENTE CALMOS, ELAS SE DESLOCAM DE OESTE PARA LESTE COM UMA VELOCIDADE EM TORNO DE 150 m / s.



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N

w E

S

ALL SKY PHOTOMETER6300 Å, MARCH 18 1999,CACHOEIRA PAULISTA.

BOLHAS SÃO REGIÕES DE RAREFAÇÃO DA DENSIDADE ELETRÔNICA E CONSEQUENTEMENTE, HÁ UMA DRÁSTICA REDUÇÃO NA INTENSIDADE DA AEROLUMINESCÊNCIA ATMOSFÉRICA SOBRE ESTAS REGIÕES

DESLOCAMENTO DA BOLHA ( 21 – 01 LT )

Source: Takahashi, INPE, 1999.

DEPENDÊNCIA DAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS COM A ESTAÇÃO DO ANO

•EFEITOS SAZONAIS

IONOSPHERIC IRREGULARITIES OCCURRENCES FROM SEPTEMBER TO MARCH

Fonte: Rodrigues, INPE, 2003.

DEPENDÊNCIA DAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS COM A HORA LOCAL E ATIVIDADE SOLAR

Ocorrência de cintilação na banda L em relação à hora para três níveis de atividadesolar.

F10.7=96 1997-1998 F10.7=134 1998-1999 F10.7=173 1999-2000

DEPENDÊNCIA DAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS COM A ATIVIDADE MAGNÉTICA


• AS TEMPESTADES MAGNÉTICAS PODEM INIBIR AS IRREGULARIDADES DURANTE O SEU PERÍODO DE OCORRÊNCIA.


• AS TEMPESTADES MAGNÉTICAS PODEM INIBIR AS IRREGULARIDADES DURANTE O SEU PERÍODO DE OCORRÊNCIA.

• E POR OUTRO LADO, AS TEMPESTADES MAGNÉTICAS TAMBÉM PODEM GERAR IRREGULARIDADE EM QUALQUER MÊS DO ANO ( MESMO EM PERÍODO DE NÃO OCORRÊNCIA ). UM EXEMPLO É MOSTRADO NO PRÓXIMO SLIDE:

DEPENDENCE OF IONOSPHERIC IRREGULARITIES WITH MAGNETIC ACTIVITY

UT

Componente sul docampo magnéticoInter-planetário

OS EFEITOS DO CONTEÚDO ELETRÔNICO TOTAL (TEC) SOBRE O SINAL GPS NA REGIÃO DA ANOMALIA

EQUATORIAL

• A IONOSFERA DA TERRA, QUE É UMA CAMADA ATMOSFÉRICA IONIZADA, CAUSA UM ATRASO NO SINAL GPS.


EQUATORIAL


• ESTE ATRASO IONOSFÉRICO DO SINAL GPS É PROPORCIONAL AO CONTEÚDO ELETRÔNICO TOTAL.


EQUATORIAL


• ESTE ATRASO IONOSFÉRICO DO SINAL GPS É PROPORCIONAL AO CONTEÚDO ELETRÔNICO TOTAL.

• EM LATITUDES MAGNÉTICAS BAIXAS ( BRASIL, POREXEMPLO ) A IONOSFERA APRESENTA A ANOMALIA IONOSFÉRICA EQUATORIAL QUE CONSTITUI DEPICOS DE DENSIDADE EM TORNO DE 15 GRAUS MAGNÉTICOS ( NORTE E SUL ) COMPARADOSÀ REGIÃO EQUATORIAL.


EQUATORIAL


EQUATORIAL

Source: TOM DEHEL ( FAA – FEDERAL AVIATION ADMINISTRATION – USA ), 2002

OS EFEITOS CONTEÚDO ELETRÔNICO TOTAL IONOSFÉRICO SOBRE O SINAL GPS

Lowlat Model

VTEC = atrasovertical (m)

OS EFEITOS DAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS SOBRE O CET

• IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS CAUSAM GRANDE RAREFAÇÃO NO CONTEÚDO ELETRÔNICO TOTAL

PLOT FROM TOM DEHEL ( FAA – FEDERAL AVIATION ADMINISTRATION – USA ), 2002

bubble signature

Ionosphere

v

3100 3120 3140 3160 3180 3200 3220 3240 3260 3280 3300

34

36

38

40

42

WBP

(dB)

Tempo (s)

POTENTIAL EFFECTS OF SCINTILLATIONS ON GPS CAUSED BY IONOSPHERIC IRREGULARITIES

IONOSPHERIC SCINTILLATION

Interferênciaconstrutiva

Frente de fase de onda constante

~150 m / s

Interferênciadestrutiva

EFEITOS POTENCIAS DAS CINTILAÇÕES SOBRE O GPS CAUSADOS PELAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS

Localidades com receptores SCINTMON no Brasil


PARA ANALISAR AS CINTILAÇÕES DE GPS NO BRASIL, É UTILIZADA UMA REDE DE 12 MONITORES DE CINTILAÇÃO ( BANDA L1 EM 1.575 GHz )

Localidades com receptores SCINTMON no Brasil


PARA ANALISAR AS CINTILAÇÕES DE GPS NO BRASIL, É UTILIZADA UMA REDE DE 12 MONITORES DE CINTILAÇÃO ( BANDA L1 EM 1.575 GHz )

PARA QUANTIFICAR A AMPLITUDE DECINTILAÇÃO, É UTILIZADO O S4 INDEXQUE É UM DESVIO PADRÃO DAINTENSIDADE DO SINAL EM RELAÇÃOÀ MÉDIA CALCULADA EM CADAMINUTO:

EFEITOS POTENCIAIS DE CINTILAÇÃO SOBRE GPS CAUSADOS POR IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS

21 22 23 24 25 26 27 28 290,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

S4

Hora Universal

283032343638404244

27/12/2000 - PRN 27 São Luís

WB

P(d

B)

EXEMPLO DE CINTILAÇÃO IONOSFÉRICA DO GPS


PERDA DE LOCK

•Informações de navegação e posicionamento são afetadas durante a perda de lock.

64 s


PERDA DE LOCK

64 s


PERDA DE LOCK•Informações de navegação e posicionamento são afetadas durante a perda de lock.

AUMENTO DA DILUIÇÃO DA PRECISÃO ( DEGRADAÇÃO ) E DIMINUIÇÃO DO NÚMERO DE SATÉLITES GPS DISPONÍVEIS


Mensagens para satélites GPS são afetados.

EFEITOS SOBRE O SBAS ( SPACE BASED AUGMENTATION SYSTEM )

Estação GPS corrige o atraso ionosféricoe envia a correção parao satélitegeoestacionárioque a retransmite para os usuários do sistema GPS. O sinal cruza duas vezes a ionosfera.


= CINTILAÇÃO IONOSFÉRICA EM SJCAMPOS

xxxx = NO DGPS IN PETROBRÁS DYNAMIC POSITIONVESSELS PERFORMING DEEPWATER PETROLEUM EXPLORATION AT CAMPOS BASIN (RJ)

( PROBLEMAS DO SINAL NA BANDA L DO SATÉLITE GEOESTACIONÁRIO INMARSATDEVIDOS ÀS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS)

LT 19 21 23 01

EFEITOS SOBRE O DGPS (DIFFERENTIAL GPS )


SUGESTÕES PARA MELHORAR A PERFORMANCE DO GPS EM RELAÇÃO À:


CONTEÚDO ELETRÔNICO TOTAL ( SEM CINTILAÇÃO )


CONTEÚDO ELETRÔNICO TOTAL ( SEM CINTILAÇÃO )UTILIZAR RECEPTORES DE FREQUÊNCIA DUPLA ( SOLUÇÃO CARA )


CONTEÚDO ELETRÔNICO TOTAL ( SEM CINTILAÇÃO )UTILIZAR RECEPTORES DE FREQUÊNCIA DUPLA ( SOLUÇÃO CARA )

IMPLEMENTAR SBAS ( SPACE BASED AUGMENTATION SYSTEM )



CINTILAÇÕES IONOSFÉRICAS

UTILIZAR RECEPTORES DE FREQUÊNCIA DUPLA ( SOLUÇÃO CARA )







AUMENTAR O NÚMERO DE SATÉLITES DISPONÍVEIS ( GALILEO )






AUMENTAR O NÚMERO DE SATÉLITES DISPONÍVEIS ( GALILEO )

CONSTRUIR RECEPTORES MAIS ROBUSTOS, DIMINUINDO O COMPRIMENTODA BANDA DO GPS( ENTRETANTO ESTE PROCEDIMENTO CAUSA O AUMENTODO NÚMERO DE PERDAS DE LOCK).

SUGGESTIONS TO IMPROVE THE GPS PERFORMANCE DUE TO:

TOTAL ELECTRON CONTENT ( WITHOUT SCINTILLATIONS )

IONOSPHERIC SCINTILLATIONS

TO USE DUAL FREQUENCY RECEIVERS ( EXPENSIVE SOLUTION )

TO IMPLEMENT SPACE BASED AUGMENTATION SYSTEM ( SBAS )

TO INCREASE THE NUMBER OF AVAILABLE SATELLITES ( GALILEO )

TO BUILD MORE ROBUST RECEIVERS, DECREASING THE BANDWIDTH OF GPS CARD ( HOWEVER THIS PROCEDURE CAUSE INCREASE THE NUMBER OF LOSS OF LOCK ).

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