Efeito Ionosfera Gps

O efeito da ionosfera nas observveis GPS pelo parmetro VTEC em diferentes regies geogrficas ionosfricas no Brasil

Julierme Wagner da Penha1 Marcelo Tomio Matsuoka2

Carolina Collischonn2

1 Instituto Federal de Cincia, Educao e Tecnologia: campus Inconfidentes - IFSULDEMINAS

CEP 37576-000 - Inconfidentes - MG, Brasil [email protected]; [email protected]

2 Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRS Caixa Postal 15001 - 91501-970 - Porto Alegre - RS, Brasil [email protected]; [email protected]

Abstract. The largest source of error in GPS (Global Positioning System) positioning using a L1 receiver is the effect caused by the ionosphere on the signal transmitted by satellites. This error is directly proportional to the total electron content (TEC) present in the ionosphere and inversely proportional to the square of the signal frequency. The TEC varies in time and space relative to time (daily variation), the time of year (seasonal variation), geographical location, the sunspot cycle (long period variation). In this paper, the variation of TEC, for a few months of the years 2004 and 2008 in different regions of Brazil, was analyzed. In the experiments, the maps of VTEC (TEC vertical direction) from IGS (International GNSS Service) were used, with the goal of observe the declining phase of sunspot cycle 23 and beginning of cycle 24. This experiment shows a reduction in the value of VTEC in the2008 in comparison with 2004 due to lower solar activity in 2008 compared to 2004, therefore a smaller amount of electrons in the ionosphere, improving the performance of positioning GPS.

Palavras-chave: GPS positioning, TEC, ionosphere, sunspots, posicionamento GPS, TEC, ionosfera, manchas solares.

1. Introduo A maior fonte de erros no posicionamento com GPS (Global Positioning System - Sistema de

Posicionamento Global) era devido tcnica SA (Selective Availability - Disponibilidade Seletiva), desativada s 04 horas TU (Tempo Universal) de 02 de maio de 2000. Com a desativao da tcnica SA, a ionosfera tornou-se a maior fonte de erro sistemtico no posicionamento com GPS (Matsuoka, 2007).

A ionosfera um meio dispersivo, onde a propagao de sinais depende da frequncia, ao contrrio da camada troposfrica. A camada ionosfrica caracteriza-se como parte da atmosfera superior onde est presente um nmero suficiente de eltrons livres, que afetam a propagao das ondas de rdio, e inicia-se por volta de 50 km e estende-se at, aproximadamente a 1000 km de altura. O seu estado pode ser descrito atravs da densidade de eltrons (e) em unidades de eltrons por m3. O contedo total de eltrons - TEC, que ir caracterizar o impacto da ionosfera na propagao das ondas de rdio, de acordo com a Equao 1:

dssnTECs

re= )( (1)

A integral apresentada na Equao 1 contm o nmero total de eltrons livres (e) que esto includos em um cilindro com a rea da seo transversal de 1 m2, alinhado ao longo do caminho que o sinal percorre entre o receptor e o satlite. Em aplicaes geodsicas o TEC medido em unidades de TEC (TECU). Uma unidade de TEC (1 TECU) corresponde a 1016 eltrons por

Anais XV Simpsio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Curitiba, PR, Brasil, 30 de abril a 05 de maio de 2011, INPE p.2217

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metro quadrado (1016/m2), e 0,16 m de erro nas distncias advindas da portadora L1. Para efeito de comparao, usa-se o TEC vertical que dado pela Equao 2:

`)cos(zTECVTEC = (2) onde, z` a distncia zenital do sinal transmitido com relao vertical e calculado no ponto em que o sinal transmitido intercepta a camada mdia ionosfrica, segundo Camargo (1999) de acordo com a Equao 3:

)(`)( zsenHR

Rzsen

+= (3)

onde: z: distncia zenital do sinal transmitido, em relao ao receptor; R: raio mdio da Terra; H: altura da camada ionosfrica em referncia superfcie da Terra.

O erro associado ionosfera inversamente proporcional ao quadrado da freqncia e diretamente proporcional ao contedo total de eltrons (TEC) presentes ao longo do caminho da trajetria percorrida pelo sinal na ionosfera. O TEC varia no tempo e no espao e influenciado por diversas variveis, tais como: ciclo solar, poca do ano, hora do dia, localizao geogrfica, atividade geomagntica (Camargo, 1999). Alguns modelos tm sido desenvolvidos para a correo das observveis GPS do erro sistemtico devido ionosfera. Segundo Hofmann-Wellenhof et al.(2008) e Monico (2000), o exemplo mais conhecido e utilizado o modelo de Klobuchar que corrige algo em torno de 50 a 60% do erro ionosfrico.

A ionosfera, como um meio dispersivo, afeta a modulao e a fase da portadora, fazendo com que sofram, respectivamente, um retardo e um avano de acordo com Leick (1995). O retardo referido, tambm, como atraso ionosfrico e aumenta o comprimento aparente do caminho percorrido pelo sinal.

Segundo Leick (1995) o erro devido ionosfera na distncia medida pela fase da portadora e pelo cdigo, em funo do TEC e da freqncia dado pelas Equaes (4) e (5):

TECfI f = 23,40

(4); TECfIc += 23,40

(5) O TEC o principal parmetro que descreve o efeito da ionosfera nos sinais GPS. O

entendimento do comportamento do TEC na regio de interesse importante para compreender os efeitos e as limitaes impostas pela ionosfera no que concerne qualidade do posicionamento com GPS.

Como a magnitude do erro sistemtico devido ao efeito da ionosfera sobre o sinal GPS inversamente proporcional ao quadrado da freqncia, dispondo-se de receptores GPS de dupla freqncia pode-se eliminar o efeito de primeira ordem por meio de uma combinao linear entre as observveis em L1 e L2, denominada ionospheric free observable, mais conhecida por ion free, de acordo com Seeber (1993).

O Brasil uma das regies que apresentam os maiores valores do TEC, alm de alta variao espacial e temporal se comparados com valores referentes s outras regies do globo terrestre. Devido a isso, a motivao de estudar o efeito ionosfrico, a partir do parmetro TEC, uma vez que inmeras atividades nas reas de geodsia e geodinmica se utilizam do posicionamento por satlites, beneficiando os usurios e trazendo melhorias para o posicionamento preciso com GPS.

O objetivo deste trabalho analisar o comportamento do erro devido ionosfera a partir do parmetro VTEC dos arquivos IONEX (IGS), referente aos meses dos solstcios e equincios dos anos de 2004 e 2008, em pontos situados em diferentes locais na regio brasileira.


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2. Arquivos do TEC do IGS Os arquivos so disponibilizados pelo IGS no formato IONEX (IONosphere map EXchange

format) que fornecem valores de VTEC em uma malha com resoluo espacial de 2,5 x 5 em latitude e longitude, respectivamente e resoluo temporal de 2 horas. Atualmente, o grupo de trabalho da ionosfera do IGS conta com a participao de 4 centros de anlise: CODE (Sua); ESA (Alemanha); JPL (EUA);UPC (Espanha).

Cada um desses centros de anlise produz mapas do VTEC disponibilizados pelo IGS, cada qual com suas estratgias, e todas utilizando dados GPS e GLONASS (Global Navigation Satellite System) das estaes ativas do IGS. Desde meados de dezembro de 2002, para cada dia, os arquivos IONEX produzidos por cada um dos centros de anlise so combinados para resultar em um nico arquivo IONEX, ou seja, um nico arquivo global do VTEC. Estes arquivos de cada centro de anlise e o arquivo combinado so disponibilizados pelo IGS, com acesso livre, no seguinte endereo eletrnico: ftp://cddisa.gsfc.nasa.gov/-gps/products/ionex/.

Uma das aplicaes destes arquivos IONEX do IGS possibilitar ao usurio de receptor de uma frequncia uma forma de obter o valor do erro devido ionosfera para realizar a correo de suas observveis, e desta forma, melhorar a qualidade do seu posicionamento, segundo Matsuoka (2007).

3. Ciclos solares As manchas solares so regies mais frias e escuras, que aparecem na superfcie do sol. Elas

so rodeadas por regies mais brilhantes que emitem um nvel mais alto de radiao ultravioleta, e so constitudas de duas partes: a umbra, parte central mais escura, e a penumbra, regio um pouco mais clara e com estrutura radial em torno da umbra. Essas manchas solares tendem a se formar em grupos, e esto associados a intensos campos magnticos no Sol, segundo Oliveira Filho e Saraiva (2000).

A Figura 1 apresenta o nmero de manchas solares desde 1900 at 2008. Vale notar que a contagem do nmero de manchas so dadas pela mdia mensal. Nota-se que os ciclos solares variam de 11 anos aproximadamente. Atualmente a ionosfera est no ciclo 24.

Figura 1. Nmero de manchas solares e ciclos solares. Fonte: - acesso em 05 ago. 2008.

A Figura 2 apresenta o nmero de manchas solares em relao aos anos de 1997 a 2008, abrangendo todo o ciclo 23 e o incio do ciclo 24. No ciclo 23 o perodo de mxima atividade solar compreendeu os anos de 2000 e 2002. A linha amarela representa os valores dirios, a linha azul representa valores mdios mensais e a linha vermelha apresenta uma suavizao desses valores. A curva tracejada mostra uma predio do nmero de manchas at meados de 2009.


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Figura 2. Ciclos solares 23 e 24. Fonte: - acesso em 05 ago. 2008.

Com o declnio no nmero de manchas solares, ocorre uma diminuio na ionizao, pois esta proporcional ao nmero de manchas. Assim, a densidade de eltrons da ionosfera reduzida. Conseqentemente, ocorre a diminuio do erro devido ionosfera, pois o mesmo diretamente proporcional ao TEC e isto implica melhorias na performance do posicionamento com GPS.

4. ndices geomagnticos Os distrbios do campo magntico da Terra podem ser monitorados por observatrios

magnticos terrestres analisando as trs componentes do campo magntico e assim monitorando as suas variaes. Os ndices geomagnticos quantificam tais variaes e fornecem informaes sobre as atividades geomagnticas.

ndices geomagnticos constituem uma srie de dados que visam descrever em escala planetria a atividade geomagntica ou alguns de seus componentes. Os ndices geomagnticos mais freqentemente utilizados para determinar a intensidade e a durao das tempestades so os ndices: Dst (Disturbance Storn-Time), Kp (Planetarische Kennziffer), Ap (correspondente linear do Kp); e AE (Auroral Electrojet), segundo Fedrizzi (2003).

O ndice planetrio Kp reflete globalmente o grau de perturbao da componente horizontal do campo geomagntico. Seus valores variam de 0 a 9 em uma escala no linear. Porm, este ndice representa melhor as perturbaes do campo magntico do hemisfrio norte devido maior quantidade de observatrios magnetomtricos. O ndice Ap o correspondente linear do ndice Kp, cujos valores so derivados das medies feitas da variao do campo geomagntico. A atividade geomagntica classificada de acordo com os ndices Kp e Ap, como mostrada na Tabela 1.

Tabela 1. Classificao da atividade geomagntica em funo de Kp e Ap. Atividade Geomagntica ndice Kp ndice Ap

Calma 0 - 2 < 8 Transio 3 8 - 15

Ativo 4 16 - 29 Tempestade Fraca 5 30 - 49

Tempestade Intensa 6 50 - 99 Tempestade muito intensa 7 - 9 100 - 400

Fonte: Matsuoka (2007).


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5. Regies geogrficas da ionosfera A estrutura global da ionosfera no homognea. As trs maiores regies geogrficas

ionosfricas so conhecidas como regies de altas e mdias latitudes e regio equatorial. A Figura 3 mostra a localizao geogrfica dessas regies no globo terrestre. Ainda que a amplitude dessas regies da ionosfera no possa ser estabelecida exatamente, quando projetadas na superfcie terrestre, conveniente indicar aproximadamente a localizao destas regies. A regio equatorial ainda subdividida em equatorial (propriamente dita) e de baixas latitudes.

Figura 3. Regies geogrficas da ionosfera. Fonte: Adaptada de Fonseca Jnior (2002).

6. Metodologia de Trabalho Neste experimento foram elaborados grficos com valores mdios mensais do VTEC da

ionosfera para os trs pontos situados em regies distintas do territrio brasileiro, referente aos meses de janeiro, abril, julho e outubro para os anos de 2004 e 2008. Esses grficos foram produzidos de modo a avaliar as variaes espaciais e temporais do VTEC durante um perodo dirio e um perodo com atividade solar distinta. Sabe-se que, estudando o comportamento do TEC se estar estudando tambm o comportamento do erro devido ionosfera nas observveis GPS, devido proporcionalidade entre ambos.

Para a elaborao desses valores mdios do VTEC foram escolhidos os seis dias de cada ms com base na atividade geomagntica (verificando-se o ndice geomagntico Ap dirio), que correspondem os seis dias com menor atividade geomagntica de cada ms, ou seja, buscou-se estudar o comportamento do VTEC em perodos com atividade geomagntica calma, a fim de evitar dias com influncia de tempestades geomagnticas. Os valores mdios do VTEC foram interpolados no software Surfer 8.0, atravs dos valores de VTEC dos pontos da malha do IGS e foram utilizados os arquivos combinados do IONEX (IONosphere map EXchange format). Para a obteno destes dados foi utilizado o mtodo de interpolao por Krigagem para uma malha de 0 5` de latitude x 0 5` de longitude.

Esta anlise foi feita para os meses de janeiro, abril, julho e outubro, respectivamente para solstcio de vero, equincio de outono, solstcio de inverno e equincio de primavera, para as posies de (20 45S; 42 50W), (30 05S; 51 05W) e (00 05N; 51 00W), ou seja, onde esto localizadas aproximadamente as cidades de Viosa MG, Porto Alegre RS e Macap AP, de acordo com a Figura 4. A inteno ilustrar e comparar a variao do VTEC nas regies prximas ao equador (regio equatorial), na de baixas latitudes e incio das latitudes mdias.


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Figura 4. Localizao da rea de estudo.

7. Resultados e Discusso A Figura 5 mostra os grficos de valores mdios mensais do VTEC (TEC vertical) nas

localidades das cidades de Viosa MG, Porto Alegre RS e Macap AP para os meses de janeiro e abril dos anos de 2004 e 2008, com intervalo de duas horas durante 24 horas.

Janeiro / 2004

010203040506070

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Hora TU

VTEC

Viosa Porto Alegre Macap

Janeiro / 2008

010203040506070

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Hora TU

VTEC


Abril / 2004

010203040506070

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Hora TU

VTEC


Abril / 2008

010203040506070

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Hora TU

VTEC


Figura 5. Valores mdios mensais do VTEC para Viosa, Porto Alegre e Macap (janeiro/2004, abril/2004, janeiro/2008 e abril/2008).


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Observando a Figura 5, nota-se, no perodo da tarde, maiores valores de VTEC nas trs regies, sendo o maior em Macap, ou seja, na regio mais prxima do equador geomagntico, com valor prximo a 65 TECU 18 horas TU em abril de 2004 e aproximadamente de 35 TECU em abril de 2008 tambm 18 horas TU.

A Figura 6 mostra os grficos de valores mdios mensais do VTEC (TEC vertical) nas trs localidades para os meses de julho e outubro dos anos de 2004 e 2008 durantes s 24 horas.

Julho / 2004

010203040506070

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Hora TU

VTEC


Julho / 2008

010203040506070

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Hora TUVT

EC


Outubro / 2004

010203040506070

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Hora TU

VTEC


Outubro / 2008

010203040506070

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Hora TU

VTEC


Figura 6. Valores mdios mensais do VTEC para Viosa, Porto Alegre e Macap (julho/2004, outubro/2004, julho /2008 e outubro/2008).

Observa-se que o comportamento da curva do VTEC similar ao modelo ionosfrico de Klobuchar (Camargo, 1999; Leick, 1995; Klobuchar, 1987), que muito adequado para as regies geogrficas prximas ao equador. Nestes grficos nota-se que a diferena do comportamento do VTEC entre as regies geogrficas da ionosfera bem distinguida.

Comparando as Figuras 5 e 6, possvel verificar a diminuio dos valores do VTEC no ano de 2008, principalmente nos valores prximos s 18 horas TU. No ano de 2004, obtiveram-se valores mximos prximo de 65 TECU, enquanto que no ano de 2008 os valores mximos no ultrapassaram de 35 TECU. Isto de deve a reduo no nmero de manchas solares. Para os valores mnimos, referente s 8 horas TU no aconteceram muitas modificaes, pois seus valores ficaram em torno de 5 TECU.

Para apresentar como significativa a mudana do impacto proporcionado pela ionosfera nos anos de 2004 e 2008, a Figura 7 mostra um mapa de diferenas de valores de VTEC para o territrio brasileiro entre os meses de abril de 2004 e 2008 para as 18 horas TU. Mais detalhes sobre esses mapas do VTEC, em Penha (2009).


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DIFERENA (ABRIL/2004 - ABRIL/2008) (18TU)

Latit

ude

G

eod

sica

(gr

aus)

Longitude Geodsica (graus)

VTEC

-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

-10-505101520253035404550

Figura 7. Mapas de diferenas de VTEC entre os meses de abril/2004 e abril/2008. Fonte: Penha (2009).

8. Concluses Devido o TEC ser proporcional ao erro devido ionosfera na distncia entre o satlite e a

antena receptora, a diminuio no primeiro implicar diretamente na diminuio do segundo. Vale salientar que no ano de 2008 verificou-se uma menor atividade solar em relao ao ano

de 2004, ou seja, observaram-se valores de VTEC menores nas trs regies ionosfricas.

Agradecimentos Gostaria de agradecer ao IGS, pelo fornecimento dos dados do VTEC por meio dos arquivos

IONEX.

Referncias Bibliogrficas Camargo, O. P. Modelo regional da ionosfera para uso em posicionamento com receptores GPS de uma frequncia. 1999. 191p. Tese (Doutorado em Cincias Geodsicas) - Setor de Cincias da Terra, Universidade Federal do Paran, Curitiba. 1999.

Fedrizzi, M. Observaes do contedo eletrnico total com dados do GPS. 1999. 142p. Dissertao (Mestrado em Geofsica Espacial) - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, So Jos dos Campos. 1999.

Hoffmann-Wellenhof, B.; Lichtenegger, H.; Wasle, E. GNSS - Global Navigation Satellite System: GPS, Glonass, Galileo and more. Springer-Verlag Wien, New York, 2008. 516 p.

Leick, A. GPS Satellite surveying, John Wiley & Sons, 2nd ed., Orono, Maine, 1995. 560p.

Matsuoka, M. T.; Camargo, P.O.; Dal Poz, W.R. Declnio do nmero de manchas solares do ciclo solar 23: reduo da atividade ionosfrica e melhora da performance do posicionamento com GPS. Boletim de Cincias Geodsicas, sec. Artigos, v.10, n 2, 2004, p.141-157.

Matsuoka, M. T. Influncia de diferentes condies da ionosfera no posicionamento por ponto com GPS: avaliao na regio brasileira. 2007. 263p. Tese (Doutorado em Cincias Cartogrficas) - Programa de Ps-


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Graduao em Cincias Cartogrficas, Faculdade de Cincias e Tecnologia, Universidade Estadual Paulista, Presidente Prudente. 2007.

Monico, J. F. G. Posicionamento pelo NAVSTAR - GPS: descrio, fundamentos e aplicaes. So Paulo: Ed. Unesp, 2000. 287p.

Oliveira Filho, K. S. O.; Saraiva, M. F. O. Astronomia e Astrofsica. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Departamento de Astronomia Instituto de Fsica. 2000. 708p.

Penha, J. W. Avaliao da variao do TEC no territrio brasileiro utilizando dados do IGS no perodo de 2004 a 2008. 2009. 110 p. Dissertao (Mestrado em Informaes Espaciais) Programa de Ps-Graduao em Engenharia Civil, Universidade Federal de Viosa, Viosa MG. 2009.

Seeber, G. Satellite Geodesy: Foundations, methods and applications. Berlin-New York: Walter de Gruyter, 2003. 589p.

Yamashita, C. S. Efeito das tempestades magnticas intensas na ionosfera de baixa latitude. 1999. 75p. Dissertao (Mestrado em Geofsica Espacial) - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, So Jos dos Campos. 1999.


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