Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de...
Transcript of Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de...
![Page 1: Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m) sobre la estación](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022623/5bb76db109d3f2f7768d8dee/html5/thumbnails/1.jpg)
Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS
Francisco Azpilicueta y Claudio Brunini
1
GESA - Facultad de Cs. Astronómica y Geofísicas
Universidad Nacional de La Plata-CONICET
Paseo del bosque s/n, La Plata, Argentina
Workshop/Seminar for the implementation of
Navigation Infrastructure to support PBN and GNSS precision
approach operations in the NAM CAR SAM region
Lima, Perú 15 to 17 August 2016
![Page 2: Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m) sobre la estación](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022623/5bb76db109d3f2f7768d8dee/html5/thumbnails/2.jpg)
Temas de la presentación
Workshop/Seminar for the implementation of Navigation Infrastructure, Lima , 15 to 17 August 2016
I. Introducción a los efectos ionosféricos y troposféricos en un esquema GBAS.
II. Caracterización de la ionosfera sobre Argentina, regiones de diferentes
comportamientos.
III. Descripción del método basado en LPIM para la determinación del parámetro de de-
correlación.
IV. Determinación de parámetros troposféricos. Ejemplos.
V. Presentación de resultados del algoritmo implementado. Ejemplos.
2
![Page 3: Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m) sobre la estación](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022623/5bb76db109d3f2f7768d8dee/html5/thumbnails/3.jpg)
3
Imagen: http://www.enaire.es/csee/Satellite/navegacion-aerea/es/Page/1086172037298/
Mens. Tipo 1: PRCK
Mens. Tipo 2: Param. Ionosféricos, troposféricos y coord.
Las PRCs se calculan en la posición del GBAS pero se aplican en la posición de la
aeronave:
• La corrección ionosférica se de-correlaciona (es menos válida) a medida que
aumenta
• La corrección trosposférica se de-correlaciona (es menos válida) a medida que
aumenta
hairX
airV
I. Introducción a los efectos ionosféricos y troposféricos en un esquema GBAS.
Workshop/Seminar for the implementation of Navigation Infrastructure, Lima , 15 to 17 August 2016
airX
h
![Page 4: Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m) sobre la estación](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022623/5bb76db109d3f2f7768d8dee/html5/thumbnails/4.jpg)
4
Aeronave
GPS GBAS
La aeronave realiza las siguientes operaciones:
• estima la corrección y sigma troposférico (Mens. Tipo 2)
• estima el sigma ionosférico (Mens. Tipo 2)
• estima los niveles de protección
• aplica las PRCs y las correcciones troposféricas (Mens. Tipo 1)
Workshop/Seminar for the implementation of Navigation Infrastructure, Lima , 15 to 17 August 2016
![Page 5: Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m) sobre la estación](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022623/5bb76db109d3f2f7768d8dee/html5/thumbnails/5.jpg)
5
• RTCA (2004) DO-245: Minimum Aviation System Performance Standards for the Local Area
Augmentation System (LAAS).
• RTCA (2008) DO-253C: Minimum Operation Performance Standards for GPS Local Area Augmentation
System Airborne Equipment.
• RTCA (2008) DO-246D: GNSS-Based Precision Approach Local Area Augmentation System (LAAS)
Singal-in-Space Interface Control Document (ICD).
y G X
es el vector 4x1 (posición/reloj) que representa la corrección
respecto de los valores de linealización
es el vector Nx1 que contiene las pseudodistancias medidas
x
y
corregidas por las PRCs
es la matriz de diseño Nx4,
G cos cos cos sin sin 1
es el vector Nx1 que contiene los vectores en el vector
i i i i i
i
G
Az Az Az
y
Workshop/Seminar for the implementation of Navigation Infrastructure, Lima , 15 to 17 August 2016
Sistema de ecuaciones para estimar la posición de la aeronave
![Page 6: Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m) sobre la estación](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022623/5bb76db109d3f2f7768d8dee/html5/thumbnails/6.jpg)
6
• RTCA (2004) DO-245: Minimum Aviation System Performance Standards for the Local Area Augmentation System
(LAAS).
• RTCA (2008) DO-253C: Minimum Operation Performance Standards for GPS Local Area Augmentation System
Airborne Equipment.
• RTCA (2008) DO-246D: GNSS-Based Precision Approach Local Area Augmentation System (LAAS) Singal-in-
Space Interface Control Document (ICD).
1
2
1
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 ... 0 0
0 0 0 ... 0
0 0 0 0 N
C W
2 2 2 2 2
_ , , , ,i pr gnd i tropo i air i iono i
1
T TS G W G G W
2 2
0 _ ,
1
N
H ffmd Apr vert i i
i
VPL K S
2 2
0 _ ,
1
N
H ffmd Apr lat i i
i
LPL K S
Workshop/Seminar for the implementation of Navigation Infrastructure, Lima , 15 to 17 August 2016
Sistema de ecuaciones para estimar la posición de la aeronave (cont.)
Límite de Protección Lateral
Límite de Protección Vertical
Ionosfera
N es la cant. de satélites
Troposfera
![Page 7: Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m) sobre la estación](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022623/5bb76db109d3f2f7768d8dee/html5/thumbnails/7.jpg)
7
II. Caracterización de la ionosfera sobre Argentina, regiones de diferentes
comportamientos
Serie de mapas de VTEC obtenidos con el LPIM (rango de valores: 0 – 120 TECu)
Workshop/Seminar for the implementation of Navigation Infrastructure, Lima , 15 to 17 August 2016
![Page 8: Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m) sobre la estación](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022623/5bb76db109d3f2f7768d8dee/html5/thumbnails/8.jpg)
8
La mayor parte del país se encuentra bajo una condición ionosférica moderada y
baja.
Workshop/Seminar for the implementation of Navigation Infrastructure, Lima , 15 to 17 August 2016
![Page 9: Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m) sobre la estación](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022623/5bb76db109d3f2f7768d8dee/html5/thumbnails/9.jpg)
9
, _ _ ( ) 2iono i Vert Iono Gradient i air airMP X V
12 2
_ _
cos(( ) 1
función de mapeo para el satélite k (convierte vertical en oblicuo)
sigma de gradiente vertical
E ii
E I
Vert Iono Gradient
RMP
R h
distancia oblicua entre el GBAS y la aeronave
velocidad de la aeronave respecto al suelo
constante temporal del filtro
air
air
X
V
de suavizado
ángulo de elevación del satélite k
radio de la tierra 6378.1363
altura de la capa ionosférica 350
i
E
I
R km
h km
III.a Decorrelación del error ionosférico
• RTCA (2008) DO-253C: Minimum Operation Performance Standards for GPS Local Area Augmentation
System Airborne Equipment.
• RTCA (2008) DO-246D: GNSS-Based Precision Approach Local Area Augmentation System (LAAS)
Singal-in-Space Interface Control Document (ICD).
Workshop/Seminar for the implementation of Navigation Infrastructure, Lima , 15 to 17 August 2016
2 2 2 2 2
_ , , , ,i pr gnd i tropo i air i iono i
![Page 10: Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m) sobre la estación](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022623/5bb76db109d3f2f7768d8dee/html5/thumbnails/10.jpg)
1
0
Imagen: http://www.enaire.es/csee/Satellite/navegacion-aerea/es/Page/1086172037298/
airX
airV
Workshop/Seminar for the implementation of Navigation Infrastructure, Lima , 15 to 17 August 2016
![Page 11: Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m) sobre la estación](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022623/5bb76db109d3f2f7768d8dee/html5/thumbnails/11.jpg)
11
III.b Descripción del método basado en LPIM para la determinación del parámetro de
de-correlación sobre BCHE
Criterios utilizados para el procesamiento:
* RAMSAC: Red Argentina de Monitoreo Satelital Continuo.- (http://www.ign.gob.ar/NuestrasActividades/Geodesia/Ramsac)
• Mediciones doble frequencia del receptor de
la estación BCHE de la red RAMSAC*
• Año: 2014 porque corresponde al máximo
de radiación UV del último ciclo solar
• se procesaron en total 20 archivos RINEX de
días del año 2014
• 5 días por cada equinoccio y
solsticio.(condiciones más extremas,
máximos valores esperables del retardo
ionosférico)
• Intervalo de muesteo: 15 segundos
Workshop/Seminar for the implementation of Navigation Infrastructure, Lima , 15 to 17 August 2016
![Page 12: Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m) sobre la estación](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022623/5bb76db109d3f2f7768d8dee/html5/thumbnails/12.jpg)
12
0 0 0
0
( , ) ( )
retardo vertical sobre la estación
gradiente en dirección Oeste
gradiente en dirección Norte
FC
VTEC VTEC gO gN FC
VTEC
gO
gN
factor de conversión de grados a metros
50 100 150 200 250 300 350 4000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
doy
Reta
rdo v
ert
ical [m
]
Retardo ionosférico vertical (en metros) sobre la estación
BCHE en función del día del año del año 2014.
0 5 10 15 20 250
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
hora
Reta
rdo v
ert
ical [m
]
Retardo ionosférico vertical (en metros) sobre la estación
BCHE en función de tiempo GPS (en horas) para los 20 días
analizados del año 2014.
Workshop/Seminar for the implementation of Navigation Infrastructure, Lima , 15 to 17 August 2016
![Page 13: Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m) sobre la estación](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022623/5bb76db109d3f2f7768d8dee/html5/thumbnails/13.jpg)
13
50 100 150 200 250 300 350 400-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2x 10
-5
doy
Ta
sa
de
va
ria
cio
n [m
/m]
Este
Norte
Total
Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en
m/m) sobre la estación BCHE en función del doy del 2014.
0 5 10 15 20 25-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2x 10
-5
hora
Ta
sa
de
va
ria
cio
n [m
/m]
Este
Norte
Total
Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m)
sobre la estación BCHE en función del tiempo GPS (en horas) para los 20 días
analizados del 2014.
Workshop/Seminar for the implementation of Navigation Infrastructure, Lima , 15 to 17 August 2016
![Page 14: Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m) sobre la estación](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022623/5bb76db109d3f2f7768d8dee/html5/thumbnails/14.jpg)
14Workshop/Seminar for the implementation of Navigation Infrastructure, Lima , 15 to 17 August 2016
-5 0 5 10 15 20
x 10-6
0
5
10
15
20
25
30
Tasa de variacion total [m/m]
%
-5 0 5 10 15 20
x 10-6
0
20
40
60
80
100
Tasa de variacion total [m/m]
%
Histograma para la tasa de de-correlación total del retardo ionosférico vertical (en
m/m) sobre estación BCHE, para los 20 días analizados del año 2014.
Histograma acumulativo para la tasa de de-correlación total del retardo ionosférico
vertical (en m/m) sobre la estación BCHE, para los 20 días analizados del año 2014.
![Page 15: Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m) sobre la estación](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022623/5bb76db109d3f2f7768d8dee/html5/thumbnails/15.jpg)
1
5Workshop/Seminar for the implementation of Navigation Infrastructure, Lima , 15 to 17 August 2016
• la desviación estándar de la tasa de de-correlación total es:
• el percentil del 90% es aprox.
• el percentil del 99% es aprox.
A partir de este se puede estimar la dispersión del gradiente vertical como:
, donde k es un factor que debe estimarse a partir de experimentos. Desde un punto
de vista estadístico puro, se podría aplicar un criterio de 2 sigmas, lo que haría
.
Resumiendo:
![Page 16: Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m) sobre la estación](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022623/5bb76db109d3f2f7768d8dee/html5/thumbnails/16.jpg)
1
6
0
6
0
2
1.001 101
0.002 sin
hhr
i
i
N hTC e
0
6
0
,2
1.001 101
0.002 sin
r
hN h
tropo i
i
he
• RTCA (2008) DO-253C: Minimum Operation Performance Standards for GPS Local Area Augmentation
System Airborne Equipment.
• RTCA (2008) DO-246D: GNSS-Based Precision Approach Local Area Augmentation System (LAAS)
Singal-in-Space Interface Control Document (ICD).
0
refractividad en el GBAS
incerteza (desviación estandard) del
altura escala troposférica
diferencia de alturas entre la aeronave y el GBAS
á
r
r
N r
k
N
N
h
h
ngulo de elevación del satélite k
IV a Corrección troposférica y decorrelación del error
Workshop/Seminar for the implementation of Navigation Infrastructure, Lima , 15 to 17 August 2016
![Page 17: Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m) sobre la estación](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022623/5bb76db109d3f2f7768d8dee/html5/thumbnails/17.jpg)
1
7
h
Workshop/Seminar for the implementation of Navigation Infrastructure, Lima , 15 to 17 August 2016
![Page 18: Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m) sobre la estación](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022623/5bb76db109d3f2f7768d8dee/html5/thumbnails/18.jpg)
18
IV.b Descripción del método para determinación de parámetros troposféricos.
Workshop/Seminar for the implementation of Navigation Infrastructure, Lima , 15 to 17 August 2016
260 270 280 290 300 310 320 3300
5
10
15
20
25
30
35
Nr
%
Histograma Nr
6600 6800 7000 7200 7400 7600 7800 8000 8200 84000
2
4
6
8
10
12
14
16
18Histograma h0
h0 [m]
Usando el modelo UNB
[1] Mendes, V. B. (1999). "Modeling the Neutral-Atmosphere Propagation Delay in Radiometric Space Techniques", Ph.D.
dissertation, Department of Geodesy and Geomatics Engineering Technical Report No. 199, University of New
Brunswick, Fredericton, New Brunswick, Canada, 353 pp.
[2] Leandro R., M. Santos, R. Langley (2006). “UNB Neutral Atmosphere Models: Development and performance”, Proceedings
of the 2006 National Technical Meeting of the Institute of Navigation, Monterey, California, January, 2006
[3] McGraw G. (2012). "Tropospheric Error Modeling for High Integrity Airborne GNSS Navigation", 978-1-4673-0387-3/12, 2012
IEEE.
A partir del modelo UNB Neutral Atmospheric Model de la Universidad de New Brunswick (UNB) [1] [2],
se generó una serie anual de estimaciones de temperatura, presión y humedad relativa para las
coordenadas del sitio WTZA. En base a la serie y utilizando expresiones analísticas [2], se calcularon los
valores de
Histograma del Nr para el sitio Bariiloche. La
línea roja representa la disttribución Gaussiana de
mdia 294 y desv. 16.
Histograma del h0 para el sitio Bariiloche.
![Page 19: Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m) sobre la estación](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022623/5bb76db109d3f2f7768d8dee/html5/thumbnails/19.jpg)
19Workshop/Seminar for the implementation of Navigation Infrastructure, Lima , 15 to 17 August 2016
2014.4 2014.6 2014.8 2015 2015.2 2015.4250
260
270
280
290
300
310Temperatura
Año
[K]
2014.4 2014.6 2014.8 2015 2015.2 2015.40
20
40
60
80
100Humedad
Año
[%]
2014.4 2014.6 2014.8 2015 2015.2 2015.4900
910
920
930
940
950Presión
Año
[hP
a]
2014.4 2014.6 2014.8 2015 2015.2 2015.4200
250
300
350Nr
Año
2014.4 2014.6 2014.8 2015 2015.2 2015.46500
7000
7500
8000
8500h0
Año
[m]
IV.b Descripción del método para determinación de parámetros troposféricos.
Usando el modelo mediciones
![Page 20: Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m) sobre la estación](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022623/5bb76db109d3f2f7768d8dee/html5/thumbnails/20.jpg)
20Workshop/Seminar for the implementation of Navigation Infrastructure, Lima , 15 to 17 August 2016
200 250 300 350 4000
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
Nr%
Mediciones
ParamData
ParamModelo
6500 7000 7500 8000 85000
0.5
1
1.5
2
2.5
3x 10
-3
h0 [m]
%Histograma de Nr en Bariloche. La línea verde corresponde a la Gaussiana dada por los
parámetros característicos obtenidos con las mediciones (Tabla 5). La línea magenta
corresponde a la Gaussiana dada por los parámetros obtenidos con el modelo UNB .
Histograma de h0 en Bariloche.
![Page 21: Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m) sobre la estación](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022623/5bb76db109d3f2f7768d8dee/html5/thumbnails/21.jpg)
21Workshop/Seminar for the implementation of Navigation Infrastructure, Lima , 15 to 17 August 2016
MEDICIONES MODELO
Nr 288 294
Sigma Nr 11 16
h0 7606m 7544 m
Resumiendo:
•La diferencia obtenida entre los valores de para Nr es del orden del 2% y no es
estadísticamente significativa ya que un test-t de Student de 99% da de no-rechazo de la
hipótesis. La diferencia entre los valores de h0 es menor al 1%.
![Page 22: Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m) sobre la estación](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022623/5bb76db109d3f2f7768d8dee/html5/thumbnails/22.jpg)
22Workshop/Seminar for the implementation of Navigation Infrastructure, Lima , 15 to 17 August 2016
V. Presentación de resultados del algoritmo implementado.
-2 -1 0 1 2-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2N E
E [m]
N [m
]
Plano Este-Norte que representa los apartamientos del posicionamiento diferencial respecto
de las coordenadas de control en metros. Azul corresponde a GOPE y magenta a WTZZ.
Los puntos 'usuarios' fueron:
• WTZZ, quinto receptor ubicado en el sitio Wettzell ubicado a una distancia de pocos metros del
centro geométrico del GBAS.
• GOPE, receptor independiente del sitio Wettzell ubicado a una distancia de 162 km del centro
geométrico del GBAS. Este punto está a más de 5 veces el radio del volumen del servicio GBAS por
lo que debe considerarse un caso ultra-extremo.
• Los paráetros atmosféricos utilizados para el cálculo de las límites de protección fueron: Sigma
Vert_Iono_Grad = 0.3e-6 m/m; Nr = 298 y h0= 7748 m.
• Para el Sigma_air se aplicó el modelo detallado en la Sección 2.3.12.1 del documento aplicable, con
Sigma Noise = 0.11m y Sigma Div = 0
![Page 23: Efectos de la ionosfera y la troposfera en GNSS - icao.int Azpilicueta... · Tasa de de-correlación (Este, Norte y Total) del retardo ionosférico vertical (en m/m) sobre la estación](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022623/5bb76db109d3f2f7768d8dee/html5/thumbnails/23.jpg)
23Workshop/Seminar for the implementation of Navigation Infrastructure, Lima , 15 to 17 August 2016
0 1 2 3 4 5 60
1
2
3
4
5
6
Hor [m]P
LH
or
[m]
Horizontal - Diagrama Stanford
0 1 2 3 4 5 60
1
2
3
4
5
6
Ver [m]
PL
Ve
r [m
]
Vertical - Diagrama de Stanford
Diagrama de Stanford para el apartamiento horizontal. Azul corresponde a GOPE y magenta a WTZZ.
Diagrama de Stanford para el apartamiento vertical. Azul corresponde a GOPE y magenta a WTZZ.