O posicionamento de pontos, com o sistema GPS, tornou-se uma ferramenta importante, aplicável nas mais diferentes áreas do conhecimento. No entanto, em algumas situações, a exigência de elevadas precisões trouxe a inconveniência de um custo elevado na aquisição de receptores de dupla freqüência. Mesmo com os avanços tecnológicos, a ionosfera é uma das fontes de erro que mais afetam o posicionamento de pontos. Para os usuários que possuem equipamentos de dupla freqüência, este erro é modelado com grande eficiência através do processamento de dados com solução iono free. No Brasil, a maioria dos usuários possui equipamentos que captam informações apenas do código C/A e/ou código C/A e portadora L1. Neste caso faz-se uso de alguns modelos, como, por exemplo, o de Klobuchar, com redução do erro nos posicionamentos absolutos de, aproximadamente, 50%. Nos posicionamentos relativos, com bases superiores a 20 Km, a utilização deste modelo não é a mais indicada. Neste contexto, este trabalho consiste no desenvolvimento de um método que possibilite modelar o atraso ionosférico através de um polinômio do segundo grau, baseado no ajustamento seqüencial de observações. As informações necessárias para esta modelagem são advindas das estações GPS da Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo. Isto possibilita, em posicionamentos absolutos, determinar o atraso ionosférico de uma forma mais eficiente que o obtido pelo modelo de Klobuchar. Em posicionamentos relativos, para os usuários de equipamentos de simples freqüência, tal modelagem permite a geração de um código com características semelhantes ao código P2. Assim, com os dados gerados por receptores de uma freqüência, é possível processar vetores de bases longas por meio da solução iono free code. Os resultados obtidos indicam que tal metodologia pode ser uma alternativa eficiente para minimizar o efeito ionosférico no posicionamento de pontos com o sistema GPS. Horizontalmente, através dos métodos de posicionamento Single Point e relativo, respectivamente, o modelo ionosférico proposto proporcionou uma melhoria de 39% e 26% se comparado com o modelo de Klobuchar. / Point positioning, with GPS, became an important tool applicable to the most different areas of the knowledge. However, in some situations, the requirement of high precisions brought the inconvenience of a high cost in the acquisition of dual receivers frequency. Despite of the technological advances, the ionosphere is one of the error sources that affect most point positioning. For users who have dual equipment frequency, this error is modeled with great efficiency through data processing with the ionosphere free solution. In Brazil the majority of the users has equipments that process C/A code information only and/or C/A code and L1 carrier. In this case it is necessary to use some models, for example the Klobuchar model, with error reduction of approximately 50% in absolute point positioning. In the relative positioning, with baselines longer than 20 Km, the use of this model is not indicated. Thus, this work consists in developing a method that makes possible to model the ionospheric delay using a second degree polynomial, based on sequential adjustment of observations. The necessary information for this modeling is obtained from GPS stations that compose the RBMC (Brazilian Network for Continuous Monitoring of GPS). Thus it is possible to determine the ionospheric delay in a more efficient way in absolute positioning than when using the Klobuchar model. In relative positioning, for single frequency users, such modeling allows the generation of a code, with similar characteristics to the P2 code. Hence, with data generated by single frequencies, it is possible to process long base line vectors, using the iono free code solution. The results obtained indicate that such methodology can be an efficient alternative to minimize the ionospheric effect in the GPS point positioning. Horizontally, through the methods of positioning Single Point and relative, respectively, the ionospheric model considered provided an improvement of 39% and 26% if compared with the Klobuchar model.

Aquesta investigació s'ha centrat en profunditzar en el coneixement del comportament de l'estructura vertical de la regió F de la ionosfera, tant en condicions de calma com pertorbades, i en la seva modelització mitjançant funcions analítiques. Les pretensions d'aquesta investigació han estat motivades per les discrepàncies existents entre les prediccions ionosfèriques del gruix i la forma del perfil de densitat de la regió F en condicions de calma i la seva variació característica, i per l'absència d'un model capaç de reproduir la resposta de l'altura del màxim de ionització en condiciones pertorbades. En aquesta investigació s'ha determinat el comportament patró del gruix i la forma del perfil de densitat electrònica de la regió F en condicions de calma (determinats pels paràmetres B0 i B1 del model Internacional de Referència de la Ionosfera, IRI) en un ampli rang de longituds i latituds. Amb això, s'ha desenvolupat un model global per a cada paràmetre mitjançant una formulació analítica simple que simula les variacions temporals d'aquests en condiciones de calma. La simulació d'aquests models millora (en termes de l'error quadràtic mig, RMSE) les prediccions de l'IRI en un 40% per a B0 i en un 20% per a B1. També s'ha caracteritzat la reacció de l'altura del màxim de ionització, hmF2, a latituds mitges i condicions magnèticament pertorbades, i s'ha determinat un comportament sistemàtic d'aquesta pertorbació, ∆hmF2, la morfologia de la qual depèn del camp magnètic interplanetari (IMF), del temps local, de l'estació de l'any i la latitud. Amb això, s'ha desenvolupat un model empíric que simula la pertorbació d'hmF2 resultant durant tempestes geomagnètiques intenses mitjançant funcions analítiques. Aquest model prediu els esdeveniments d'∆hmF2 amb un 86 % d'encert sense generar falses alarmes i amb un RMSE de 40 km respecte els valors experimentals, que és equivalent al rang de variació experimental obtingut en condicions de calma. Finalment, destacar que també han estat objecte d'estudi en aquesta investigació els mecanismes responsables del comportament ionosfèric tant en condiciones de calma com pertorbades i, especialment, el model de tempesta basat en el paper rector de la circulació del vent neutre termosfèric. / Esta investigación se ha centrado en profundizar en el conocimiento del comportamiento de la estructura vertical de la región F de la ionosfera, tanto en condiciones de calma como perturbadas, y en su modelado mediante funciones analíticas. Las pretensiones de esta investigación han estado motivadas por las discrepancias existentes entre las predicciones ionosféricas del espesor y la forma del perfil de densidad de la región F en condiciones de calma y su variación característica, y por la ausencia de un modelo capaz de reproducir la respuesta de la altura del máximo de ionización a condiciones perturbadas. En esta investigación se ha determinado el comportamiento patrón del espesor y la forma del perfil de densidad electrónica de la región F en condiciones de calma (determinados por los parámetros B0 y B1 del modelo Internacional de Referencia de la Ionosfera, IRI) en un amplio rango de longitudes y latitudes. Con esto, se ha desarrollado un modelo global para cada parámetro mediante una formulación analítica simple que simula las variaciones temporales de éstos en condiciones de calma. La simulación de estos modelos mejora (en términos del error cuadrático medio, RMSE) las predicciones del IRI en un 40% para B0 y en un 20% para B1. También se ha caracterizado la reacción de la altura del máximo de ionización, hmF2, en latitudes medias y condiciones magnéticamente perturbadas, y se ha determinado un comportamiento sistemático de dicha perturbación, ∆hmF2, cuya morfología depende del campo magnético interplanetario (IMF), del tiempo local, de la estación del año y de la latitud. Con ello, se ha desarrollado un modelo empírico que simula la perturbación en hmF2 resultante durante tormentas geomagnéticas intensas mediante funciones analíticas. Este modelo predice los eventos de ∆hmF2 con un 86% de acierto sin generar falsas alarmas y con un RMSE de 40 km respecto a los valores experimentales, que es equivalente al rango de variación experimental obtenido en condiciones de calma. Finalmente, resaltar que también han sido objeto de estudio en esta investigación los mecanismos responsables del comportamiento ionosférico tanto en condiciones de calma como perturbadas y, especialmente, el modelo de tormenta basado en el papel rector de la circulación del viento neutro termosférico. / The main objective of this research is to improve the knowledge on the vertical structure of the ionospheric F region during both, quiet and disturbed conditions, and its modelling by analytical functions. The main motivations of this research were the existing discrepancies between the predictions of the F region electron density profile thickness and shape during quiet conditions and their characteristic variation, and the absence of a model capable to reproduce the electron density peak height response to disturbed conditions. In this research, the pattern behaviour for quiet conditions of the F region electron density profile thickness and shape (determined by the International Reference Ionosphere model (IRI) parameters B0 and B1) was determined in a wide range of longitudes and latitudes. Then, a global model was developed for each parameter using a simple analytical formulation that simulates their temporal variations during quiet conditions. These model simulations improve (in terms of the root mean square error, RMSE) the IRI predictions by 40 % for B0 and by 20 % for B1. The reaction of the electron density peak height, hmF2, at mid latitudes and magnetically disturbed conditions, was also characterized and the systematic behaviour of this disturbance, ∆hmF2, was determined. The morphology of this disturbance depends on the interplanetary magnetic field (IMF), local time, season and latitude. Furthermore, an empirical model was developed to simulate the hmF2 disturbance during intense geomagnetic storms using analytical functions. This model predicts the ∆hmF2 events with a success of 86 % without generating false alarms and with a RMSE of 40 km with respect to the experimental values, which is equivalent to the experimental variation range obtained during quiet conditions. Finally, the mechanisms responsible of the ionospheric behaviour during both, quiet and disturbed conditions, were also studied in this research, specially the storm model based on the leading role of the thermospheric neutral wind circulation.

Submitted by Haroudo Xavier Filho (haroudo.xavierfo@ufpe.br) on 2016-03-17T18:13:34Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) GILMARA DANNIELLE DE CARVALHO ROCHA_ DISSERTAÇÃO 2015.pdf: 3108174 bytes, checksum: c5307dded72886ffaf2f476a6333026d (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-17T18:13:34Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) GILMARA DANNIELLE DE CARVALHO ROCHA_ DISSERTAÇÃO 2015.pdf: 3108174 bytes, checksum: c5307dded72886ffaf2f476a6333026d (MD5) Previous issue date: 2015-03-06 / CNPq / Umas das maiores fontes causadoras de erro no posicionamento GNSS é a ionosfera, sendo que o efeito provocado por esta camada da atmosfera é um dos mais impactantes no processo de estimativa das coordenadas, principalmente para dados coletados com receptores de simples frequência. A modelagem matemática da refração ionosférica é complexa devido às variações diárias, sazonais, de curto e longo período, além de outros fenômenos que ocorrem na atmosfera, tal como a cintilação ionosférica. Em se tratando de posicionamento absoluto com receptores de simples frequência, seja Posicionamento por Ponto Simples (PP) ou Posicionamento por Ponto Preciso (PPP), estratégia adequada de correção dos efeitos ionosféricos devem ser adotadas. A correção da ionosfera para dados de simples frequência pode ser realizada a partir de modelo matemático, tal como o de Klobuchar, Mapas Globais ou Regionais da Ionosfera ou a partir da estimativa residual da ionosfera. Quando se tem disponível dados de duas frequências é possível utilizar a combinação ion-free, a qual permite eliminar os efeitos de primeira ordem da ionosfera. Contudo esta combinação faz com que as ambiguidades percam suas características de números inteiros, bem como realça outros níveis de ruído tal como o multicaminho. Uma possibilidade para atenuar os efeitos da ionosfera é a aplicação da estimativa dos efeitos residuais junto com as coordenadas incógnitas da estação e outros parâmetros. Neste caso, os efeitos da ionosfera podem ser tratados como um processo estocástico no Filtro de Kalman e se pode aplicar tal estratégia para dados de simples ou dupla frequência. Essa estratégia pode facilitar a solução das ambiguidades como inteiras e consequentemente permite a obtenção de resultados mais acurados no posicionamento geodésico. Dentro deste contexto, esta dissertação de mestrado apresenta a avaliação da acurácia do posicionamento absoluto GPS com aplicação de diferentes estratégias de correção da ionosfera. Foram realizados processamentos no modo PPP com dados GPS coletados em estações da RBMC em períodos de alta e baixa atividade solar para os anos de 2010 a 2013, onde se aplicou a correção da ionosfera advinda do modelo de Klobuchar, dos mapas globais (GIM – Global Ionospheric Map) e regionais (LPIM – La Plata Ionospheric Model), além da estimativa residual da ionosfera. As coordenadas estimadas foram comparadas com aquelas advindas da solução semanal SIRGAS-CON, a qual é dada atualmente em ITRF2008 e o Erro Médio Quadrático (EMQ), seja diário ou anual foi utilizado como medidor de acurácia. Ao aplicar as correções da ionosfera advinda dos mapas globais e regionais na estimativa de coordenadas no PPP utilizando somente medidas de código, observou-se melhoria de até 80% em relação ao PPP sem correção da ionosfera. O PPP com correção ionosférica advinda dos mapas regionais produziu melhorias diárias da ordem de 10% em relação ao uso dos mapas globais. Com base nas melhorias produzidas com a utilização do modelo ionosférico regional, foi proposta a modificação do modelo estocástico do ajustamento tendo em vista que somente o modelo funcional é afetado pelas correções ionosféricas advindas dos mapas. Com relação à estimativa residual da ionosfera foram realizados experimentos envolvendo medidas de código e fase na frequência L1 com geração de séries temporais anuais de coordenadas para diversas estações da RBMC, cuja acurácia alcançada foi da ordem de 10 cm no PPP com solução diária. / One of the largest sources of errors in the GNSS positioning is the ionosphere considering that the effect caused by that atmosphere layer is one of the most impacting in the coordinate estimation process, especially for data collected with single frequency receivers. Mathematical modeling of ionospheric refraction is complex due to daily variation in as well as, seasonal short and long period and also other phenomena occurring in the atmosphere such as ionospheric scintillation. Concerning the absolute positioning with single frequency receivers, whether Single Point Positioning (PP) or by Precise Point Positioning (PPP), appropriate strategy to correct the ionospheric effects should be adopted. The ionosphere correction for single frequency data can be performed from mathematical model, such as Klobuchar, Global or Regional Ionosphere maps or from residual ionosphere estimating. When one has available data from two frequencies it is possible to apply the ionosphere free combination which allows eliminating the first order ionosphere effects. However, this combination makes ambiguities lose its integer characteristics as well as amplify other noise levels as for instance multipath. One possibility to mitigate the ionosphere effects is the application of the ionosphere residual estimation along with coordinates station and other parameters. In this case, the ionosphere effects can be treated as a stochastic process in the Kalman filter where it is possible to apply that strategy for single or dual frequency data. This strategy can facilitate the integer ambiguities resolutions and consequently allows obtaining more accurate results in geodetic positioning. Inside this context, this master thesis presents the accuracy evaluation of the GPS absolute positioning by applying different strategies for ionosphere corrections. Processing was performed in PPP mode with GPS data collected in brazilizan RBMC stations in periods of high and low solar activities for the years 2010-2013, where it was applied ionosphere correction from Klobuchar model, global (GIM - Global Ionospheric Map) and regional (LPIM - La Plata Ionospheric Model) maps and the residual ionosphere estimation. The estimated coordinates were compared with those coming from SIRGAS-CON in a weekly solution which is currently given in ITRF2008 and Root Mean Square (RMS), either daily or annually, was used as accuracy measuring. When applying ionosphere corrections from global and regional maps in the PPP coordinates estimation using only code measurements, it was observed improvements of up to 80% comparing with PPP without ionosphere correction. The PPP with ionospheric correction coming from regional maps produced daily improvements of around 10% in relation to applying global maps. Based on improvements reached with corrections from regional ionospheric model, it was proposed the modification of the stochastic model for adjustment considering that only the functional model is affected by the ionospheric corrections coming from maps. Regarding the residual ionosphere estimation experiments were performed involving code and phase measurements in the L1 frequency with generation of coordinates annual time series considering the chosen RBMC stations whose accuracy achieve approximately 10 cm in PPP with daily solution.

Orientador: Paulo de Oliveira Camargo / Coorientador: Marcio Tadeu de Assis Muella / Banca: João Francisco Galera Monico / Banca: Paulo Sérgio de Oliveira Júnior / Banca: Eurico Rodrigues de Paula / Banca: Valdir Gil Pillat / Resumo: A considerável variação espaço-temporal da densidade eletrônica na atmosfera superior terrestre torna a ionosfera uma região de difícil modelagem. Parte dos modelos que utilizam as observáveis do Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS) descreve a ionosfera como uma camada fina de altitude constante. No entanto, esta camada pode ter, na realidade, mais de 1000 km de espessura. A densidade eletrônica ao longo das diversas altitudes pode ser determinada por meio de técnicas de reconstrução tomográfica, que consistem em utilizar medidas de conteúdo total de elétrons (TEC - Total Electron Content) advindas de diferentes direções/elevações. Desta forma, é possível realizar o imageamento ionosférico em três dimensões. Contudo, o uso apenas de observações de TEC na reconstrução tomográfica apresenta deficiências nas representações verticais da ionosfera. Esta limitação pode ser reduzida com a assimilação de observações de perfis ionosféricos, sendo objeto de investigação em diversos métodos de imageamento ionosférico. Existe particular interesse na assimilação de dados sobre o setor longitudinal brasileiro, pois fenômenos peculiares da ionosfera tropical podem ser estudados, tais como os efeitos da forte deriva vertical que ocorre na região equatorial durante os horários do pico de pré-reversão, a intensificação da Anomalia Equatorial de Ionização e as irregularidades no plasma ionosférico. No intuito de analisar a performance de métodos de assimilação de dados sobre a ionosf... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Spatial and temporal variation of the electron density in the atmosphere make the ionosphere a difficult region to model. Several models were developed using Global Navigation Satellite System (GNSS) observations to represent the ionosphere by Vertical Total Electron Content (VTEC) maps. However, errors in the VTEC modeling occur due to the consideration of the ionosphere as a thin shell with constant height and the irrealistic mapping functions. In contrast, the ionosphere is a layer with 1000 km thickness. The electron density distribution with the altitude can be calculated using tomographic reconstruction techniques, which are based on slant TEC measurements to map the ionosphere in three dimensions. However, performing tomographic reconstructions using only TEC measurements has deficiencies in vertical representations of the ionosphere. To overcome this geometric deficiency, data assimilation can be performed including ionospheric profiles in the tomographic reconstruction. Data assimilation methods have been applied worldwide and a relevant peculiarity of the Brazilian region is the fact that some ionospheric dynamics over the region are not completely understood, as it is affected by the Equatorial Ionization Anomaly, ionospheric irregularities and strong vertical drifts in the evening pre-reverse period. In order to analyze the performance of data assimilation methods in the Brazilian area, this work aims to develop and evaluate a new method of data assimilation based... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Após a desativação da disponibilidade seletiva, ocorrida em maio de 2000, a maior fonte de erro presente no sistema GPS passou a ser a refração ionosférica. Os seus efeitos provocam um avanço na fase de batimento da portadora e um atraso no código. Na região equatorial onde o Brasil está inserido, a refração ionosférica apresenta variações que decorrem de diversos fatores tais como: o ciclo solar, o movimento aparente do Sol, as estações do ano, o campo geomagnético, entre outras. Desta forma, a refração ionosférica é um fator limitante pois, degrada a determinação de posições, principalmente, se o usuário estiver utilizando um receptor de apenas uma freqüência. Para avaliar o efeito da refração ionosférica no Brasil, no período compreendido entre janeiro de 1997 a dezembro de 2001, foram utilizados dados coletados com receptores providos de duas freqüências e que integram a Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo do Sistema GPS. Todos os dados foram preparados e inseridos em um programa científico de processamento das observáveis do sistema GPS. Devido à grande massa de dados foi necessário o desenvolvimento de um programa para verificar a integridade dos mesmos, converter as efemérides precisas e os dados para o formato de entrada do programa científico e preparar os arquivos de lote. Além das características apresentadas, este programa foi desenvolvido para automatizar o processo de cálculo do conteúdo total de elétrons. Ao final do processamento o programa exibe os parâmetros que representam a refração ionosférica ou seja, os valores calculados para o Conteúdo Total de Elétrons. Tais valores permitiram a criação de uma série histórica do comportamento da refração ionosférica abrangendo um intervalo de tempo que contempla um período em que o ciclo solar apresentava atividade mínima e um outro período em que o ciclo solar alcançou a máxima atividade. Estes dados indicam o comportamento da ionosfera para um período de cinco anos em uma das regiões do planeta que apresenta as maiores variações, comportamento este, que permitirá um melhor conhecimento da ionosfera e a melhoria ou desenvolvimento de modelos mais adequados. Foram gerados ainda, mapas da ionosfera que poderão auxiliar na melhoria da acurácia posicional. / Since the US president decided to turn off the selective availability (SA) one of the biggest error in the GPS system has been the ionosphere refraction. The refraction effect on GPS signals are: delay for the code and an advance for the phase. In the equatorial region, where Brazil is, the refraction presents the biggest variations that are caused by the solar cycle, the time of the day, the season, the geomagnetic field and many others phenomena. In this case, the ionosphere refraction is a limitation because it increases the degradation of the position, specially if the user is using a single frequency receiver. To evaluate the ionospheric effects in Brazil, between January 1997 and December 2001, data from the Brazilian Continuous GPS Monitoring Network were used, provided by double frequency GPS receivers. All data were prepared and used by a scientific software to process the GPS observations. The volume of data was so big that it was necessary to write a software to manage the data integrity, to transform the precise ephemeris and the observations to scientific program format and to create batch files. Also, the program was used to process the data and to compute the total electron content automatically. At the end of the process, the software shows the TEC parameters. These parameters were used to create a historical series of the ionosphere refraction in Brazil. This series represents a period of minimal solar cycle, 1997, and a maximum period of the solar cycle, 2000 / 2001 in one of the most active regions of the planet. This series will improve the knowledge on the ionosphere and will allow to improve models or create new ones. Ionospheric maps that can be used to improve the positional accuracy, were also generated.

Orientador : Paulo de Oliveira Camargo / Resumo: Atualmente, a maior fonte de erro sistemático no posicionamento com receptores GPS de uma freqüência é devido à refração ionosférica. O erro associado à refração ionosférica depende do conteúdo total de elétrons (TEC) na camada ionosférica, que por sua vez, é influenciado por diversas variáveis, tais como: ciclo solar, época do ano, hora do dia, localização geográfica e atividade geomagnética, e é difícil de ser corrigido. Os receptores GPS de dupla freqüência permitem efetuar correções do efeito da refração ionosférica, devido ao fato da mesma ser dependente da freqüência do sinal. Porém, receptores GPS de dupla freqüência são equipamentos caros, fazendo com que os de uma freqüência sejam amplamente empregados no posicionamento com GPS. As mensagens de navegação trazem informações que permitem efetuar correções da ionosfera para receptores GPS de uma freqüência, utilizando o modelo de Klobuchar. Porém vários estudos realizados mostraram que o modelo de Klobuchar pode remover apenas algo em torno de 50-60% do efeito total. Desta maneira, é necessário dispor de uma estratégia mais efetiva de eliminar os efeitos da ionosfera, a qual tem sido investigada a partir do uso de modelos regionais para a ionosfera. No Brasil, tem-se o modelo regional da ionosfera (Mod_Ion), desenvolvido na FCT/UNESP, que utiliza dados GPS da Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo (RBMC). Neste modelo, a ionosfera é representada analiticamente pela série de Fourier. Nesta pesquisa, outras funções de modelagem e de mapeamento da ionosfera foram implementadas no Mod_Ion, visando melhorar a eficiência do modelo para posicionamento com receptores de uma freqüência. Os resultados dos experimentos do posicionamento por ponto mostraram que as funções série de Fourier, de Taylor e a polinomial foram as mais eficazes na correção do efeito sistemático...(Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Nowadays, one of the main drawbacks of the GPS accuracy for L1 users is the ionospheric refraction, which affects, mainly, the point positioning. The error associated with the ionospheric refraction depends on the Total Electron Content (TEC) in the ionospheric layer, that is influenced by several variables, including the solar cycle, the season, the local time, the geographical location of the receiver and the Earth's magnetic field. The broadcast ephemeris contains information for computing the group delay, using the broadcast model. The literatures report that the model correct 50 to 60% of the total effect of ionospheric refraction. Therefore, it is necessary a more effective strategy of eliminating the effects of the ionosphere. Some techniques and models have been developed to estimate these effects using data collected with double frequency GPS receivers. In Brazil, a regional model of the ionosphere (Mod_Ion) was developed in FCT/UNESP, which makes use of GPS data collected at the active stations of RBMC (Brazilian Network for Continuous Monitoring of GPS satellites) In this model, the ionosphere is represented analytically by a Fourier series type. In this research, other modelling and mapping functions of the ionosphere were implemented in Mod_Ion, seeking to improve the efficiency of the model for positioning with L1 receivers. The results of the experiments showed that the functions: Fourier series, Taylor series and the polynomial, were the most effective in the correction of the systematic effect due to the ionosphere, providing a improvement in the acuracy better than 79,5%, with values of discrepancies in the resultant of the cartesian coordinates better than 3 m, and the largest influence concentrates on the height. / Mestre

Orientador: Luiz Fernando Sapucci / Coorientador: João Francisco Galera Monico / Banca: Dirceu Luis Herdies / Banca: Daniele Barrocá Marra Alves / Resumo: O posicionamento com o GNSS (GNSS - Global Navigation Satellite System) é atualmente a técnica mais utilizada para se obter a localização sobre a superfície terrestre ou próxima a essa. Depois dos efeitos causados pela ionosfera, a refração que o sinal sofre ao ultrapassar a neutrosfera pode ser considerada como uma das maiores fontes de erro no sinal, a qual gera um atraso no mesmo, denominado Atraso Zenital Troposférico (em inglês, Zenithal Tropospheric Delay - ZTD). Esse atraso gera erros no posicionamento GNSS, quando não é devidamente modelado. Os modelos de Previsão Numérica de Tempo (PNT) são boas alternativas para minimizar esse problema, pois geram previsões do ZTD em uma grade regular. No Brasil está operacional no CPTEC/INPE um processo que gera tais previsões com resolução espacial de 15 km. No entanto, na elaboração da atual versão não se utiliza o melhor banco de dados atmosféricos sobre a América do Sul, o que é possível de se obter... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The positioning with the GNSS (GNSS - Global Navigation Satellite System) is the most used technique to obtain a location over terrestrial surface or close to it. After the effects generated by Ionosphere, the refraction that the signal suffers when it goes through the neutrosphere can be considered as one of the largest error sources in the signal, in which is generated a delay, called Zenithal Tropospheric Delay (ZTD). When the ZTD are not modeled, significant errors in the GNSS positioning are observed, Numerical Weather Prediction models are good alternatives to minimize this problem, because these models generate ZTD predictions in a regular grid. A process for the propose of generating ZTD predictions with 15 km of resolution is operational at CPTEC/INPE. However, in this version it is not utilized the best atmospheric data base over the region, which is possible to obtain with data... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

El trabajo realizado en esta tesis doctoral se basa en caracterizar la variabilidad espacial y temporal que presenta el plasma que se encuentra en la alta atmósfera, región conocida como la ionosfera, mediante el modelado de las leyes físicas que rigen su comportamiento. El parámetro más relevante a la hora de estudiar a la ionosfera es la densidad de electrones, cuya presencia se debe a la ionización de varias de las componentes neutras de la atmósfera al absorber la radiación solar ultravioleta, dando como resultado pares de electrón-ion libre. Luego, como por cada electrón existente en la ionosfera se encuentra un ion, la densidad de electrones libre es simplemente igual a la suma sobre las densidades de las distintas especies ionizadas. Dado que la distribución de los iones es inhomogénea respecto de la altura, la densidad de los electrones está controlada por distintas especies en función de la altura. Por esta razón, en lugar de tratar de modelar de manera directa la densidad de electrones, se la modela de manera indirecta, al calcular la densidad de las especies ionizadas. Este procedimiento permite un mejor entendimiento de los distintos procesos físicos y químicos que suceden en las distintas regiones de la ionosfera. Para este trabajo se eligío modelar 7 especies ionizadas que abarcan las diferentes regiones de la ionosfera: NO+, N2 + y O2 + para modelar la región E y la parte baja de la región F, el O+ y el N+ para modelar la región F y el He+ y el H+ para modelar la región por encima de la capa F. La ecuación que regula el comportamiento de la densidad es la llamada “ecuación de continuidad”, en la que se tiene en cuenta varios procesos: i) la producción de iones por fotoionización y reacciones de intercambio, ii) la pérdida de iones debido a interacciones químicas con los electrones y con los elementos neutros de la atmósfera, iii) efectos de transporte por movimientos convectivos originados en la interacción entre el campo magnético terrestre, los campos eléctricos presentes en la ionosfera y la acción de los vientos neutros. Se elige un sistema coordenado asociado con el campo magnético de la Tierra lo que permite llevar el problema de 3 dimensiones a 2 dimensiones y presenta la ventaja de desacoplar los movimientos en las direcciones paralela y perpendicular a las líneas de campo magnético. Como las especies ionizadas interactúan entre si a través de reacciones químicas y de colisiones, las ecuaciones para cada especie están acopladas y es necesario resolver el sistema en forma simultánea. De este manera, el sistema a resolver queda conformado por ecuaciones diferenciales parciales en su forma conservativa. Se utiliza el Método de Volúmenes Finitos con un esquema de <i>upwind</i> para su resolución. El resultado final es un modelo que permite estimar el comportamiento que presenta la ionosfera a latitudes bajas y medias a través de la evolución temporal y espacial de las densidades para 7 especies ionizadas y para los electrones sin la necesidad de alimentarlas con mediciones.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2005Bitstream added on 2014-06-13T19:29:38Z : No. of bitstreams: 1 aguiar_cr_me_prud.pdf: 7492218 bytes, checksum: 117035e4185d5091d476aa36427a4feb (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Os receptores GPS de uma freqüência são utilizados na maioria dos trabalhos de posicionamento com GPS. Dentre as diversas aplicações, pode-se citar aquelas em que é de suma importância obter as coordenadas da antena do receptor em tempo real, tais como navegação aérea, marítima e terrestre, monitoramento da troposfera e ionosfera, monitoramento de deslocamento de estruturas e tubulações, entre outras. Porém, uma das maiores fontes de erro para estas aplicações é o efeito da refração ionosférica. A determinação deste efeito tem sido feita com observações coletadas com receptores GPS de dupla freqüência, e a partir da estimativa dos valores da refração ionosférica, pode-se aplicar a correção nas medidas obtidas com receptores de uma freqüência. No Departamento de Cartografia da FCT/UNESP foi desenvolvido o modelo da ionosfera (Mod_Ion), onde a ionosfera é analiticamente representada pela série do tipo Fourier. Este modelo está implementado, em linguagem de programação Fortran, para ser executado no modo pósprocessado. O foco de interesse atual pela comunidade mundial é o que diz respeito à correção desses efeitos em tempo real. Um algoritmo utilizado para calcular a correção ionosférica, ou obter o TEC, em tempo real, é o filtro de Kalman. No Mod_Ion_FK foram introduzidas duas melhorias: a função de modelagem da ionosfera do Mod_Ion foi alterada; e o filtro de Kalman foi implementado. Os resultados dos experimentos realizados mostraram que a função de modelagem série de Fourier com 19 coeficentes e o processo aleatório Gauss-Markov, foram mais eficazes na correção do efeito sistemático devido à ionosfera, chegando à proporcionar uma melhora na acurácia resultante, do posicionamento por ponto em tempo real, de 90,75%, no período diário de máxima atividade da ionosfera. / Single frequency GPS receivers have been widely used in most of the GPS projects. Among the several applications, one can mention those that require to obtain the receiver's antenna coordinates in real time, such as aerial, maritime and terrestrial navigation, ionosphere and troposphere monitoring, and structure displacement monitoring. However, one of the main drawbacks of the GPS accuracy for L1 users is the ionospheric refraction, which affects, mainly, the point positioning. The determination of this error has been carried out with double frequency GPS measurements, and from these estimate values the corrections can be applied in the single frequency GPS measurements. In the FCT/UNESP, a regional ionosphere model (Mod_Ion) was developed for computing the ionosphere systematic error, as well as TEC (Total Electron Contents). The Mod_Ion was implemented to run in a batch processing mode. The current focus for the worldwide community is concerned to the correction of these error in real time. One of the algorithms used to calculate the ionosphere correction, as well as the TEC, in real time, is based on Kalman filtering. In the Mod_Ion_FK version two improvements were introduced: the function for ionosphere modeling in the Mod_Ion was modified; and the Kalman filter was implemented. The results of the experiments showed that the modeling function with 19 coefficient Fourier series and the Gauss-Markov process, were the most effective in the ionosphere systematic effect's corrections, providing a improvement in the accuracy of point positioning, of 90,75%, in period of the highest ionosphere activity.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2003Bitstream added on 2014-06-13T20:50:27Z : No. of bitstreams: 1 matsuoka_mt_me_prud.pdf: 1885726 bytes, checksum: c111876227d4fc8e79e6759aa7bbc250 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Atualmente, a maior fonte de erro sistemático no posicionamento com receptores GPS de uma freqüência é devido à refração ionosférica. O erro associado à refração ionosférica depende do conteúdo total de elétrons (TEC) na camada ionosférica, que por sua vez, é influenciado por diversas variáveis, tais como: ciclo solar, época do ano, hora do dia, localização geográfica e atividade geomagnética, e é difícil de ser corrigido. Os receptores GPS de dupla freqüência permitem efetuar correções do efeito da refração ionosférica, devido ao fato da mesma ser dependente da freqüência do sinal. Porém, receptores GPS de dupla freqüência são equipamentos caros, fazendo com que os de uma freqüência sejam amplamente empregados no posicionamento com GPS. As mensagens de navegação trazem informações que permitem efetuar correções da ionosfera para receptores GPS de uma freqüência, utilizando o modelo de Klobuchar. Porém vários estudos realizados mostraram que o modelo de Klobuchar pode remover apenas algo em torno de 50-60% do efeito total. Desta maneira, é necessário dispor de uma estratégia mais efetiva de eliminar os efeitos da ionosfera, a qual tem sido investigada a partir do uso de modelos regionais para a ionosfera. No Brasil, tem-se o modelo regional da ionosfera (Mod_Ion), desenvolvido na FCT/UNESP, que utiliza dados GPS da Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo (RBMC). Neste modelo, a ionosfera é representada analiticamente pela série de Fourier. Nesta pesquisa, outras funções de modelagem e de mapeamento da ionosfera foram implementadas no Mod_Ion, visando melhorar a eficiência do modelo para posicionamento com receptores de uma freqüência. Os resultados dos experimentos do posicionamento por ponto mostraram que as funções série de Fourier, de Taylor e a polinomial foram as mais eficazes na correção do efeito sistemático... / Nowadays, one of the main drawbacks of the GPS accuracy for L1 users is the ionospheric refraction, which affects, mainly, the point positioning. The error associated with the ionospheric refraction depends on the Total Electron Content (TEC) in the ionospheric layer, that is influenced by several variables, including the solar cycle, the season, the local time, the geographical location of the receiver and the Earth's magnetic field. The broadcast ephemeris contains information for computing the group delay, using the broadcast model. The literatures report that the model correct 50 to 60% of the total effect of ionospheric refraction. Therefore, it is necessary a more effective strategy of eliminating the effects of the ionosphere. Some techniques and models have been developed to estimate these effects using data collected with double frequency GPS receivers. In Brazil, a regional model of the ionosphere (Mod_Ion) was developed in FCT/UNESP, which makes use of GPS data collected at the active stations of RBMC (Brazilian Network for Continuous Monitoring of GPS satellites) In this model, the ionosphere is represented analytically by a Fourier series type. In this research, other modelling and mapping functions of the ionosphere were implemented in Mod_Ion, seeking to improve the efficiency of the model for positioning with L1 receivers. The results of the experiments showed that the functions: Fourier series, Taylor series and the polynomial, were the most effective in the correction of the systematic effect due to the ionosphere, providing a improvement in the acuracy better than 79,5%, with values of discrepancies in the resultant of the cartesian coordinates better than 3 m, and the largest influence concentrates on the height.