PROJETO CALIBRA MITIGAÇÃO E MODELAGEM DOS … · NO POSICIONAMENTO GNSS DE ALTA ACURÁCIA Eng....
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PROJETO CALIBRA -
MITIGAÇÃO E MODELAGEM
DOS EFEITOS DA IONOSFERA
NO POSICIONAMENTO GNSS DE
ALTA ACURÁCIA
Eng. Cart. Vinícius Amadeu Stuani Pereira
Mestrando do PPGCC – FCT/UNESP
Reunião GEGE
19 de abril de 2013
• Graduado em Engenharia Cartográfica pela FCT/UNESP
2008 - 2012
• IC/FAPESP - “Estimativa, análise e disponibilidade de índices de
irregularidades da ionosfera utilizando dados GPS de redes ativas”
Orientador: Prof. Dr. Paulo de Oliveira Camargo
2010 - 2012
• Autor do software ION_INDEX, que disponibiliza valores e gráficos de
índices de irregularidades da ionosfera (Fp, Irot e ROTI)
download: http://www.fct.unesp.br/#!/pesquisa/grupos-de-estudo-e-pesquisa/gege/softwares/
CV
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• Exemplo: estação RECF
Baixa atividade solar (novembro de 2007) e alta atividade solar (outubro de 2003)
CV
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• Mestrando do PPGCC – FCT/UNESP – “Mitigação e Modelagem dos
Efeitos da Ionosfera no Posicionamento GNSS de Alta Acurácia”.
Bolsa CAPES -> FAPESP...
Orientador: Prof. Dr. Paulo de Oliveira Camargo
Co-orientador: Prof. Dr. João Francisco Galera Monico
• Um dos responsáveis pelo Projeto CALIBRA na FCT/UNESP
• GEGE Mailer
CV
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• Projeto CALIBRA e Projeto de Mestrado -> concatenados
o CALIBRA
o Parceiros do projeto
o Contextualização e Definições
o Objetivos
o Metodologia
o Work Packages (WP100, 200, 300, 400, 500, 600 e 700)
o D1.4 – Deployment of New Receivers
o Cronograma
o Reuniões
o Gerenciamento
• Disciplinas
• Bolsa de Estágio de Pesquisa no Exterior (BEPE/FAPESP)
SUMÁRIO
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• Trata-se de um projeto colaborativo financiado pela European GNSS
Agency, dentro do Seventh Framework Programme (FP7) da União
Europeia.
o FP7: assuntos relacionados com o transporte terrestre e aéreo, suporte ao
sistema global de navegação por satélite europeu (Galileo) e o EGNOS.
• O projeto visa estudar e desenvolver soluções comerciais aplicáveis para
mitigar o impacto dos efeitos ionosféricos (em especial a Cintilação) nas
técnicas de posicionamento GNSS de alta acurácia (pos. relat., RTK, PPP).
CALIBRA
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• Resumo:
o GNSS vem proporcionando um impacto significativo no suporte às
operações onde alta acurácia é requerida, como em agricultura de precisão,
levantamentos topográficos e geodésicos, gerenciamento de terra, controle
geodésicos de estruturas...
o Métodos de posicionamento como o relativo, RTK, RTK em rede, PPP, PPP
em tempo real que exploram a precisão dos sinais GNSS, em especial a fase
da onda portadora, são os métodos principais dessas aplicações.
o Entretanto são sensíveis aos efeitos da ionosfera, os quais são dependentes
de diversas variáveis: ciclo solar, época do ano, hora local, localização
geográfica e atividade geomagnética.
CALIBRA
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• Resumo:
o BR -> localizado numa das regiões mais afetada da Terra e pode ser
considerado como um local excelente para realizar testes.
o Problemas relacionados com a solução das N, crucial nos métodos de alta
acurácia, tem se manifestado, mesmo antes de se atingir o ápice do ciclo
solar 24 (2013-2014), impedindo de se obter os níveis de acurácia esperado
pela indústria e comunidade científica.
o O impacto das altas atividades solares proporciona certo risco, não só de
desabilitar o uso do GNSS, mas também de levar os usuários em não confiar
no sistema para aplicações de alta acurácia.
o Essas particularidades são relevantes para o desenvolvimento do Galileo,
principalmente para a entrada do mesmo no mercado brasileiro.
CALIBRA
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• Resumo:
o O projeto visa o desenvolvimento de algoritmos para serem aplicados nas
observáveis de fase da onda portadora visando mitigar os efeitos adversos
da ionosfera, bem como contribuir para o estabelecimento do Galileo.
o Serão identificadas como essas observações e os algoritmos existentes são
degradados pelos fenômenos relacionados com a ionosfera, avaliando o
impacto no Pos. Relativo, RTK, PPP e derivados em termos de acurácia,
integridade e disponibilidade.
o A partir disto serão desenvolvidos métodos de mitigação baseados nas
evidências experimentais.
CALIBRA
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• GNSS
o GPS (Global Positioning System)
o GLONASS (Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema)
o Galileo
o Beidou/Compass
o Sistemas aumentados: SBAS – WASS, EGNOS..
• Há a disposição vários modelos de receptores, que podem ser de simples,
dupla e até de três frequências.
• Em aplicações onde a precisão deve ser melhor deve-se utilizar
receptores de duas ou mais frequências. Entretanto, para alguns
trabalhos, se utilizam de receptores de uma frequência devido ao baixo
custo.
CONTEXTUALIZAÇÃO E DEFINIÇÕES
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• Os sinais ser afetados por vários efeitos sistemáticos, no qual se destaca
a influência da ionosfera, que por sua vez passou a ser maior fonte de
erro após a desativação da técnica SA (Selective Availability).
• TEC varia no tempo e no espaço, em razão do fluxo de ionização solar,
atividade geomagnética, ciclo de manchas solares, ângulo zenital do Sol,
estações do ano, hora local, direção do raio vetor do satélite e localização
geográfica.
CONTEXTUALIZAÇÃO E DEFINIÇÕES
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A dimensão do efeito sistemático é
diretamente proporcional ao TEC, que
consiste no número total de elétrons
presente ao longo da trajetória percorrida
pelo sinal, do satélite ao receptor.
• Devido ao efeito sistemático da ionosfera sobre os sinais GNSS ser de
natureza dispersiva, então a partir de receptores de dupla frequência
pode-se eliminar o efeito de primeira ordem por meio de uma combinação
linear entre as observáveis L1 e L2 .
• Em consequência da alta radiação solar na região equatorial e aos
campos magnético e elétrico da Terra, a densidade de elétrons nesta
região sofre sensíveis efeitos, sendo uma delas denominada de efeito
fonte.
• O efeito fonte gera a anomalia equatorial, que consiste em duas faixas de
alta densidade do plasma ionosférico, localizadas nas regiões tropicais
que circulam paralelamente ao Equador magnético
CONTEXTUALIZAÇÃO E DEFINIÇÕES
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• A ionosfera também provoca diversos efeitos nos sinais GNSS, onde pode-
se citar o atraso do grupo e o avanço da fase, e a variação na densidade
de elétrons provocam a Cintilação Ionosférica.
• A CI provoca variações de amplitude, de fase, no ângulo e na polarização
do sinal, quando o mesmo passa através de uma região de plasma de
densidade irregular da ionosfera.
• As CI’s são fortes nas zonas aurorais e nas regiões equatoriais durante as
noites, próximos aos equinócios de primavera e outono.
• A ocorrência da cintilação aumenta durante os períodos de alta atividade
solar.
CONTEXTUALIZAÇÃO E DEFINIÇÕES
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• No Brasil, as ocorrências de cintilações são mínimas de abril a agosto e
máximas de setembro a março. Os horários de cintilação mais intensos
são limitados à uma hora, após o pôr do Sol, até aproximadamente à
meia noite local.
• Com os experimentos já realizados verifica-se que é possível, a partir de
Redes Ativas, realizar estudos do comportamento da camada ionosférica
utilizando dados GNSS coletados com receptores de dupla frequência.
• Com esses dados podem calcular o TEC, o ROT, FP, IROT, ROTI, S4, Phi60,
gerar mapas da ionosfera, que por sua vez possibilitam mitigar e modelar
os efeitos da ionosfera no posicionamento GNSS de alta acurácia.
CONTEXTUALIZAÇÃO E DEFINIÇÕES
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• Devida à eminência do ápice do ciclo solar 24 (biênio 2013-2014) e ao
desenvolvimento e estabelecimento do sistema de posicionamento
europeu Galileo, principalmente com relação à disponibilização e
comercialização de receptores no território brasileiro, estudos
relacionados aos efeitos da ionosfera na propagação dos sinais GNSS são
imprescindíveis, principalmente para a obtenção de ótimos resultados
utilizando técnicas de posicionamento GNSS de alta acurácia.
CONTEXTUALIZAÇÃO E DEFINIÇÕES
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• Projeto CALIBRA + Projeto de Mestrado -> mitigar os efeitos da ionosfera
no posicionamento GNSS de alta acurácia para a região brasileira, dando
enfoque a CI e aos efeitos provocados pelo ciclo solar 24, bem como o
desenvolvimento de algoritmos para modelagem dos referidos efeitos,
visando à possibilidade de contribuição para o estabelecimento do
Galileo.
• Os objetivos secundários:
o Abordar a vulnerabilidade das técnicas GNSS baseadas na fase da onda
portadora (RTK, PPP, posicionamento relativo e seus derivados), que estão
se tornando usuais no suporte de aplicações que exigem alta acurácia, tais
como: agricultura de precisão, controle geodésico de estruturas,
levantamento topográficos e geodésicos, tráfego aéreo, dentre outros;
OBJETIVOS
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o Demonstrar através de experimentos que essas técnicas são
particularmente vulneráveis aos efeitos ionosféricos;
o Estudar como os efeitos ionosféricos afetam as aplicações em termos de
precisão, integridade e disponibilidade;
o Desenvolver soluções, modelagem, algoritmos, explorando o uso dos novos
sinais GNSS;
o Explorar os resultados obtidos com o Projeto CIGALA; e
o Refinar e validar soluções através de uma área de teste e também por meio
de simulações.
OBJETIVOS
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METODOLOGIA
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• Primeiramente -> levantamento do estado da arte sobre os efeitos
ionosféricos na propagação dos sinais GNSS, em particular a CI.
• Estudos relacionados à camada ionosférica, como o seu comportamento
diário, sazonal e ciclos de longos anos (ciclo solar 24), anomalia
equatorial, tempestades geomagnéticas e ionosféricas, Conteúdo Total de
Elétrons dentre outros assuntos também serão abordados.
• Revisão sobre os sistemas de posicionamento que compõem o GNSS
(GPS, GLONASS, Galileo, Beidou/Compass e sistemas aumentados) será
realizada, dando enfoque principalmente às características,
configurações, sistemas de implementação, sinais, etc. do sistema de
posicionamento europeu.
METODOLOGIA
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• Por fim, as técnicas GNSS de alta acurácia, tais como o posicionamento
relativo, PPP, RTK e seus derivados, serão investigadas, através do estudo
de produções e referências clássicas e também recentes, bem como
através da realização de experimentos.
• Após a parte bibliográfica, o projeto é dividido em 6 etapas:
o Etapa 1: Identificar e descrever a vulnerabilidade das técnicas GNSS,
baseadas na medida da fase da onda portadora, devido aos efeitos
ionosféricos (CI, anomalia equatorial, bolhas ionosféricas, etc.). Identificar e
descrever como esses efeitos afetam as diferentes aplicações em termos de
precisão, integridade e disponibilidade. Para esses estudos será utilizada a
Rede GNSS-SP, bem como os dados de receptores a serem implantados
pelo Projeto CALIBRA, e dados dos receptores do Projeto CIGALA.
METODOLOGIA
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o Etapa 2: Compreender o comportamento dos fenômenos ionosféricos
através da degradação observada nas técnicas GNSS de alta acurácia.
Investigar o melhor local para a implantação de receptores de
monitoramento da cintilação ionosférica, com o objetivo de estabelecer uma
área de teste. Estimar valores de TEC e desenvolver modelo de cintilação
com base nos dados dos Projetos CIGALA e CALIBRA e nos dados da área de
teste.
o Etapa 3: Com base nas atividades realizadas nas etapas 1 e 2, identificar e
analisar as fraquezas dos algoritmos existentes relacionados a modelagem
dos fenômenos ionosféricos, incorporando ao mesmo tempo todos os sinais
GNSS; Projetar melhorias estratégicas em algoritmos de posicionamento e
navegação, para técnicas GNSS baseadas na fase da onda portadora
(posicionamento relativo, PPP, RTK e derivados), com o intuito de mitigar os
efeitos ionosféricos.
METODOLOGIA
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o Etapa 4: Desenvolver e implementar os algoritmos de mitigação projetados
na etapa 3.
o Etapa 5: Testar todos os algoritmos projetados na etapa 3 e implementados
na etapa 4; Validar os algoritmos de mitigação através da possível
identificação de ajustes necessários e testes contra a realidade no terreno.
o Etapa 6: Redação da dissertação de Mestrado e relatório técnico do
CALIBRA, que abrangerá o estado da arte, experimentos, análises,
conclusões e recomendações a respeito do tema proposto. Além disto, no
decorrer da pesquisa os resultados obtidos serão divulgados em periódico
nacionais e internacionais e em eventos relacionados ao assunto e também
na página do GEGE e do CALIBRA.
• Investigate optimal location and deployment of new receivers, considering
model development requirements as well as network densification for
data analysis and testing/validation – UNESP leads, UNOTT, UNG, CSG,
SSN, INGV (with subcontractor ISC-CNR) involved.
D1.4 – DEPLOYMENT OF NEW RECEIVERS
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CRONOGRAMA
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a) Disciplinas e atividades complementares
b) Estado da arte do assunto objeto da pesquisa;
c) Mitigação e caracterização dos efeitos ionosféricos;
d) Comportamento dos efeitos e modelagem;
e) Desenvolvimento dos algoritmos;
f) Implementação dos algoritmos;
g) Teste e validação dos algoritmos; e
h) Redação da dissertação de Mestrado e publicação dos resultados em
periódicos e eventos nacionais e internacionais, bem como na página do
GEGE.
REUNIÕES
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23/11/12
23,24/05/13
set/13
dez/13
maio/14
set/14
nov/14
N° Disciplina Docente Créditos/Carga
Horária Conceito
1 Introdução as Ciências
Cartográficas Chaves e Galo 04/60 -
2 Organização do Trabalho
Científico João Fernando 04/60 -
3 Introdução a Teoria da
Estimação Aluir e Galera 04/60 -
4 Seminários do GEGE Galera e Dani 02/30 -
5 Processamentos de Dados
GNSS Galera e Dani 03/45 -
6 Análise Multivariada Vilma 06/90 -
7 Elementos de Geodésia e
Referenciais Geodésicos Chaves e Galera 05/75 (C)
8 Teoria da Estimação Paulo 04/60 -
9 Posicionamento por Satélite Galera, Dani e
Paulo 06/90 B
Total 38
10 Atividade Complementar
Estágio de Docência Paulo 3
11 Artigo 2
12 Congresso 1
Total 44
DISCIPLINAS
Reunião GEGE – 19 de abril de 2013 37
ESTÁGIO DE PESQUISA EM NOTTINGHAM (BEPE)
Reunião GEGE – 19 de abril de 2013 38
Período:
março a junho/2014
Supervisor:
Marcio Aquino