EFEITOS DA IONOSFERA NO SISTEMA GPS€¦ · • efeitos potenciais das cintilaÇÕes sobre o gps...
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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
TÓPICOS
• MECANISMOS FÍSICOS QUE DÃO ORIGEM ÀS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS E SUAS CARACTERÍSTICAS.
• DEPENDÊNCIA DAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS EM RELAÇÃO À:
ESTAÇÃO DO ANOHORA LOCALATIVIDADE SOLAR ATIVIDADE MAGNÉTICA
TÓPICOS
• MECANISMOS FÍSICOS QUE DÃO ORIGEM ÀS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS E SUAS CARACTERÍSTICAS.
• DEPENDÊNCIA DAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS EM RELAÇÃO À:
ESTAÇÃO DO ANOHORA LOCALATIVIDADE SOLAR ATIVIDADE MAGNÉTICA
• OS EFEITOS DO CONTEÚDO ELETRÔNICO TOTAL(CET) SOBRE O SINAL GPS.
TÓPICOS
• MECANISMOS FÍSICOS QUE DÃO ORIGEM ÀS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS E SUAS CARACTERÍSTICAS.
• DEPENDÊNCIA DAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS EM RELAÇÃO À:
ESTAÇÃO DO ANOHORA LOCALATIVIDADE SOLAR ATIVIDADE MAGNÉTICA
• OS EFEITOS DO CONTEÚDO ELETRÔNICO TOTAL(CET) SOBRE O SINAL GPS.
• OS EFEITOS DAS IRREGULARIDADESIONOSFÉRICAS SOBRE O CET.
TÓPICOS
• MECANISMOS FÍSICOS QUE DÃO ORIGEM ÀS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS E SUAS CARACTERÍSTICAS.
• DEPENDÊNCIA DAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS EM RELAÇÃO À:
ESTAÇÃO DO ANOHORA LOCALATIVIDADE SOLAR ATIVIDADE MAGNÉTICA
• 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 DO CONTEÚDO ELETRÔNICO TOTAL(CET) SOBRE O SINAL GPS.
• 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
• IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS SÃO REGIÕES DE RAREFAÇÃO DA DENSIDADE ELETRÔNICA DO PLASMA IONOSFÉRICO
AAAAAAAAAA
CARACTERÍSTICAS DAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS
• 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.
AAAAAAAAAA
CARACTERÍSTICAS DAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS
• 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.
AAAAAAAAAA
CARACTERÍSTICAS DAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS
• 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).
CARACTERÍSTICAS DAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS
• 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.
CARACTERÍSTICAS DAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS
• 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.
• DURANTE PERÍODOS MAGNETICAMENTE CALMOS, ELAS SE DESLOCAM DE OESTE PARA LESTE COM UMA VELOCIDADE EM TORNO DE 150 m / s.
CARACTERÍSTICAS DAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS
CARACTERÍSTICAS DAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS
AAAAAAAAAA
N
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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.
DEPENDÊNCIA DAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS COM A ATIVIDADE MAGNÉTICA
• 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
• A IONOSFERA DA TERRA, QUE É UMA CAMADA ATMOSFÉRICA IONIZADA, CAUSA UM ATRASO NO SINAL GPS.
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.
• ESTE ATRASO IONOSFÉRICO DO SINAL GPS É PROPORCIONAL AO CONTEÚDO ELETRÔNICO TOTAL.
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.
• 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.
OS EFEITOS DO CONTEÚDO ELETRÔNICO TOTAL (TEC) SOBRE O SINAL GPS NA REGIÃO DA ANOMALIA
EQUATORIAL
OS EFEITOS DO CONTEÚDO ELETRÔNICO TOTAL (TEC) SOBRE O SINAL GPS NA REGIÃO DA ANOMALIA
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
Localidades com receptores SCINTMON no Brasil
EFEITOS POTENCIAS DAS CINTILAÇÕES SOBRE O GPS CAUSADOS PELAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS
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
EFEITOS POTENCIAS DAS CINTILAÇÕES SOBRE O GPS CAUSADOS PELAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS
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
•Informações de navegação e posicionamento são afetadas durante a perda de lock.
64 s
EFEITOS POTENCIAIS DE CINTILAÇÃO SOBRE GPS CAUSADOS POR IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS
PERDA DE LOCK
64 s
EFEITOS POTENCIAIS DE CINTILAÇÃO SOBRE GPS CAUSADOS POR IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS
PERDA DE LOCK•Informações de navegação e posicionamento são afetadas durante a perda de lock.
64 s
EFEITOS POTENCIAIS DE CINTILAÇÃO SOBRE GPS CAUSADOS POR IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS
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
EFEITOS POTENCIAIS DE CINTILAÇÃO SOBRE GPS CAUSADOS POR IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS
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.
EFEITOS POTENCIAIS DE CINTILAÇÃO SOBRE GPS CAUSADOS POR IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS
= 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 )
EFEITOS POTENCIAIS DE CINTILAÇÃO SOBRE GPS CAUSADOS POR IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS
SUGESTÕES PARA MELHORAR A PERFORMANCE DO GPS EM RELAÇÃO À:
CONTEÚDO ELETRÔNICO TOTAL ( SEM CINTILAÇÃO )
SUGESTÕES PARA MELHORAR A PERFORMANCE DO GPS EM RELAÇÃO À:
CONTEÚDO ELETRÔNICO TOTAL ( SEM CINTILAÇÃO )UTILIZAR RECEPTORES DE FREQUÊNCIA DUPLA ( SOLUÇÃO CARA )
SUGESTÕES PARA MELHORAR A PERFORMANCE DO GPS EM RELAÇÃO À:
CONTEÚDO ELETRÔNICO TOTAL ( SEM CINTILAÇÃO )UTILIZAR RECEPTORES DE FREQUÊNCIA DUPLA ( SOLUÇÃO CARA )
IMPLEMENTAR SBAS ( SPACE BASED AUGMENTATION SYSTEM )
SUGESTÕES PARA MELHORAR A PERFORMANCE DO GPS EM RELAÇÃO À:
CONTEÚDO ELETRÔNICO TOTAL ( SEM CINTILAÇÃO )
CINTILAÇÕES IONOSFÉRICAS
UTILIZAR RECEPTORES DE FREQUÊNCIA DUPLA ( SOLUÇÃO CARA )
IMPLEMENTAR SBAS ( SPACE BASED AUGMENTATION SYSTEM )
SUGESTÕES PARA MELHORAR A PERFORMANCE DO GPS EM RELAÇÃO À:
CONTEÚDO ELETRÔNICO TOTAL ( SEM CINTILAÇÃO )
CINTILAÇÕES IONOSFÉRICAS
UTILIZAR RECEPTORES DE FREQUÊNCIA DUPLA ( SOLUÇÃO CARA )
IMPLEMENTAR SBAS ( SPACE BASED AUGMENTATION SYSTEM )
AUMENTAR O NÚMERO DE SATÉLITES DISPONÍVEIS ( GALILEO )
SUGESTÕES PARA MELHORAR A PERFORMANCE DO GPS EM RELAÇÃO À:
CONTEÚDO ELETRÔNICO TOTAL ( SEM CINTILAÇÃO )
CINTILAÇÕES IONOSFÉRICAS
UTILIZAR RECEPTORES DE FREQUÊNCIA DUPLA ( SOLUÇÃO CARA )
IMPLEMENTAR SBAS ( SPACE BASED AUGMENTATION SYSTEM )
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 ).