Orientador: Paulo de Oliveira Camargo / Banca: João Francisco Galera Monico / Banca: Márcio H. O. Aquino / Banca: Inez Staciarini Batista / Banca: Claudio Antonio Brunini / Após a desativação da técnica SA, a ionosfera tornou-se a principal fonte de erro no posicionamento com GPS. O erro associado à ionosfera é diretamente proporcional ao conteúdo total de elétrons (TEC - Total Electron Content) presente ao longo do caminho da trajetória percorrida pelo sinal na ionosfera e inversamente proporcional ao quadrado da freqüência do sinal. O TEC, e conseqüentemente o erro devido à ionosfera, variam no tempo e no espaço e é influenciado por diversas variáveis, tais como: ciclo solar, época do ano, hora do dia, localização geográfica, atividade geomagnética, entre outros. A região brasileira é um dos locais que apresenta os maiores valores e variações espaciais do TEC e onde estão presentes diversas particularidades da ionosfera, tais como, a anomalia equatorial e o efeito da cintilação ionosférica. Desta forma, é importante a realização de pesquisas que visam estudar o comportamento do TEC, e conseqüentemente do erro devido à ionosfera no Brasil, que é um trabalho complexo devido aos diversos fatores que influenciam a variação do TEC, além das particularidades presentes na região brasileira. Estudos desta natureza podem auxiliar a comunidade geodésica brasileira, e demais usuários do GPS, no entendimento das limitações impostas pela ionosfera nas regiões de interesse. Devido à natureza dispersiva da ionosfera, o estudo do comportamento do TEC no Brasil pode ser realizado utilizando os dados GPS de receptores de dupla freqüência pertencentes à RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo). Adicionalmente, para uma melhor análise, pode-se também utilizar dados das estações da rede IGS (International GNSS Service) da América do Sul. / In the SA absence, the ionosphere is the largest error source in GPS positioning. The error due to the ionosphere in the GPS observables depends on the signal frequency and Total Electron Content (TEC) in the ionospheric layer. The TEC varies regularly in time and space in relation to the sunspot number, the season, the local time, the geographic position, and others. The Brazilian region is one of the regions of the Earth that presents largest values and space variations of the TEC, being influenced by the equatorial anomaly of ionization and ionospheric scintillation. Therefore, it is important to study the TEC behavior in the Brazilian region. Due to the ionosphere dispersive nature, the TEC behavior in Brazil can be studied using GPS data from RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo - Brazilian Network for Continuous Monitoring of GPS). Additionally, GPS data from IGS (International GNSS Service) network of the South America can also be used in the experiments. / Doutor

Orientador: Paulo de Oliveira Camargo / Banca: João Francisco Galera Monico / Banca: Edvaldo Simões da Fonseca Junior / Banca: Cláudia Pereira Krueger / Banca: Moisés Ferreira Costa / Resumo: O erro devido à ionosfera nas observáveis GNSS (Global Navigation Satellite System) é diretamente proporcional à densidade de elétrons presente na ionosfera e inversamente proporcional a frequência do sinal. Da mesma forma que no posicionamento por ponto, os resultados obtidos no posicionamento relativo são afetados pelo efeito sistemático da ionosfera, que é uma das maiores fontes de erro no posicionamento com GNSS. Mesmo considerando que parte dos erros devido à ionosfera é cancelada na dupla diferenciação, a ionosfera pode causar fortes impactos no posicionamento relativo. O problema principal neste método de posicionamento é a variação espacial na densidade de elétrons, que pode ocorrer em função de vários fatores, tais como hora local, variação sazonal, localização do usuário, ciclo solar e atividade geomagnética. Dependendo das condições do clima espacial, que é controlado pelo Sol, a atividade geomagnética pode ser alterada de forma significativa, dando origem a uma tempestade geomagnética. Nesta pesquisa foram avaliados os efeitos da ionosfera no posicionamento relativo, com observações GNSS da fase da onda portadora (L1), nas regiões ionosféricas de latitude média e alta e na região equatorial. Nas duas primeiras regiões foram analisados os efeitos da ionosfera em períodos de irregularidades, decorrentes de tempestades geomagnéticas. Na região equatorial, que engloba o Brasil, foram analisados os efeitos da ionosfera em função da variação diária e sazonal. No processamento dos dados GNSS foi utilizado o GPSeq, que processa os dados na forma recursiva e fornece os Resíduos Preditos da Dupla Diferença da Fase (RPDDF) ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The error caused by ionosphere on GNSS (Global Navigation Satellite System) is directly proportional to the density of electrons from ionosphere and inversely proportional to the frequency squared of the signal GNSS. As in the case of point positioning, results in relative positioning are affected by systematic effect from ionosphere, which is one of major error sources in the GNSS positioning. Although some errors caused by ionosphere are canceled in double difference, strong impacts may be caused by ionosphere on the relative positioning. In this positioning the main problem is the spatial variation in electron density that can occur due local time, seasonal variation, user location, solar cycle, geomagnetic activity, etc. Depending on the conditions of space weather, in which is controlled by the Sun, the geomagnetic activity can be changed inducing geomagnetic storms. In this research the effects from ionosphere has been evaluated in GNSS relative positioning using L1 carrier phase observations, at the three regions of the ionosphere: middle and high latitudes and equatorial region. In regions of middle and high latitudes have been analyzed the effects from ionosphere in irregularities periods, caused by geomagnetic storms. In the equatorial region, including Brazil, have been analyzed the effects from ionosphere according daily and seasonal variation. In the processing GNSS data has been used GPSeq software. This software processes the data in a recursive form and provides the Predicted Residual of Carrier Phase Double Difference (PRCPDD) ... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Orientador: Eniuce Menezes de Souza / Banca: Thelma Sáfadi / Banca: Daniele Barroca Marra Alves / Resumo: O estudo da cintilação ionosférica, causada por flutuações na amplitude e na fase de um sinal eletromagnético quando este passa por irregularidades na densidade de elétrons da ionosfera, tem assumido um papel muito importante na pesquisa ionosférica e também no posicionamento por satélite. Isso se deve à crescente influência do GNSS na navegação e no sensoriamento remoto e também pelo fato da cintilação degradar severamente o desempenho desses sistemas. Ainda existem muitas lacunas a serem preenchidas para que possa ser proposto algum método efetivo para correção dos efeitos causados nos sinais GNSS ou mesmo previsão da cintilação, principalmente para a região equatorial, em que está situado o Brasil. Portanto, nessa dissertação objetiva-se investigar a cintilação sob uma perspectiva multiescala, abordando para tanto, a análise multirresolução a partir de wavelets não decimadas. Como consequência, os resultados desta investigação das séries temporais obtidas dos índices S4 de cintilação mostram a presença de um padrão que se repete na série em dias consecutivos em que há presença de dados. Tal comportamento periódico, que apresenta formato de "U" mostra estar relacionado com o efeito do multicaminho e pode influenciar na análise do índice S4 de cintilação ionosférica, fazendo-se necessário eliminá-lo. Através da decomposição em multiescala do período com baixos índices de cintilação é possível estimar o efeito do multicaminho, cuja repetibilidade é evidenciada nas escalas mais suaves. Uma vez estimado, esse efeito pode ser removido da série dos índices S4 no período de forte cintilação... / Abstract: The study of the ionospheric scintillation, which is caused by fluctuations in the amplitude and phase of an electromagnetic signal when it passes through irregularities in the density of electrons in the ionosphere, has become very important in ionospheric research and also in satellite positioning. This is due to the increasing influence of GNSS navigation and remote sensing, and also because the scintillation severely degrade the performance of these systems. There are still many gaps to be fulfilled before the propositon of some effective method for correcting of the effects of the scintillation on GNSS signals or even its prediction, especially for equatorial region, which includes Brazil. This dissertation aims to investigate the ionospheric scintillation under a multiscale aspects using a multiresolution analysis from non-decimated wavelets. The investigation of the time series obtained of the S4 scintillation index showed the presence of a pattern that is repeated in the series on consecutive days in which there are data. This periodic behavior, which has "U" format and can be related to the effect of the multipath, influences the analysis of S4 ionospheric scintillation index, and should be eliminated. Through multiscale decomposition of the period with low scintillation index it is possible to estimate the multipath effect, which is evident in the smoother scales. Once identified and estimated, this effect can be removed from the S4 index series in the strong scintillation period... / Mestre

Dentre as técnicas de posicionamento utilizando os sistemas de navegação por satélite globais (GNSS - Global Navigation Satellite Systems), merece destaque a que utiliza dados de uma rede de estações GNSS para gerar estações de referência virtuais. Desde que as estações da rede não estejam separadas por mais de 100 km e o receptor do usuário esteja dentro da região interna à rede de referência, esta técnica de posicionamento pode proporcionar posicionamento com precisão melhor que 10 cm a usuários de receptores de uma frequência. No entanto, o posicionamento em tempo-real pode ser inviabilizado caso ocorra problema de comunicação com as estações da rede de referência. Tendo em vista a relação do conteúdo total de elétrons (TEC - Total Electron Content) com o atraso ionosférico de primeira ordem, esta pesquisa apresenta uma forma de se prever 72 horas do TEC na direção vertical (VTEC - Vertical Total Electron Content) regionalmente com a arquitetura de redes neurais artificiais (RNA) denominada perceptrons de múltiplas camadas (MLP MultiLayer Perceptrons). A metodologia de previsão do VTEC proposta foi empregada na geração de estações de referência virtuais, onde arquivos de previsão do atraso troposférico zenital, produzidos pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), foram utilizados para considerar o atraso provocado pela atmosfera neutra e as efemérides preditas pelo serviço internacional do GNSS (IGS - International GNSS Service) foram empregadas para calcular a posição dos satélites. As RNA foram treinadas e avaliadas com dados de VTEC extraídos dos mapas da ionosfera globais (GIM - Global Ionospheric Map) produzidos pelo IGS e dos arquivos produzidos com o software Mod_Ion, ambos no formato IONEX (IONosphere Map EXchange), mostrando que o VTEC pode ser previsto por 72 horas com diferença média quadrática (RMS Root Mean Square) que varia de 1,2 unidades de TEC (TECU - TEC Units) a 12,5 TECU, em baixa e alta atividade solar, respectivamente. Dezoito linhas de base, localizadas no oeste do Estado de São Paulo, foram calculadas utilizando estações de referência virtuais e estações de referência reais, verificando-se que o posicionamento relativo tridimensional empregando a metodologia proposta apresentou RMS de aproximadamente 46 cm. Quando avaliada no posicionamento absoluto preciso (PPP Precise Point Positioning), o RMS relacionado com o posicionamento tridimensional foi de 26 cm. / The positioning technique that uses data from a network of GNSS reference stations to generate virtual reference stations should be detached among the Global Navigation Satellite Systems (GNSS) positioning techniques. Since the inter reference station distances are up to 100 km and the user receiver is within the internal region of the network, this technique can provide single frequency receiver users positioning with better accuracy than 10 cm. However, real-time positioning can be impracticable if communication breakdown involving such reference stations occurs. Given the relation between the Total Electron Content (TEC) and the first-order ionospheric delay, this research presents a way to predict 72 hours of vertical TEC (VTEC) regionally using the Artificial Neural Networks (ANN) architecture called MultiLayer Perceptorns (MLP). The proposed VTEC prediction methodology was employed in the generation of virtual reference stations, where files of prediction of zenithal tropospheric delay, produced by the National Institute For Space Research (INPE Instituto de Pesquisas Espaciais), were used to take the neutral atmospheric delay into account and the precise ephemeris predicted by the GNSS International Service (GNSS) were employed to compute satellites positioning. ANN were trained and assessed using VTEC data from the Global Ionospheric Maps (GIM) produced by IGS and the files produced by Mod_Ion software, both in IONEX (IONosphere Map EXchange) format, showed VTEC can be predicted for 72 hours with Root Mean Square difference (RMS) of about 1.2 TEC units (TECU) and 12.5 TECU, respectively, in low solar activity and high solar activity. Eighteen baselines, in the west region of Sao Paulo State, were computed using virtual reference stations and real reference stations, verifying that the three-dimensional relative positioning using the proposed methodology showed RMS of 46 cm. When assessed by precise point positioning (PPP), the three-dimensional RMS positioning was of 26 cm.

[pt] Esta tese apresenta um estudo dos efeitos ionosféricos em um Sistema de Aumento Baseado no Solo (GBAS) em regiões equatorial e de baixas latitudes. A ionosfera afeta a propagação dos sinais de GPS e pode reduzir a precisão do posicionamento nas regiões equatorial e de baixas latitudes. Sistemas auxiliares foram desenvolvidos para atender aos requisitos de segurança da aviação. Nesse contexto, o GBAS fornece maior precisão para correções diferenciais. Para avaliar o desempenho de um GBAS, um modelo de simulação do sinal-no-espaço GPS L1 foi desenvolvido, considerando o retardo ionosférico baseado nas distribuições estatísticas dos resíduos de Conteúdo Eletrônico Total vertical obtido do modelo IRI e estimativas da Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo, em combinação com representação para a cintilação ionosférica de amplitude, simulada com base em distribuições de probabilidade (Alfa) - (Mi), bem como a cintilação de fase, gerada de acordo com as relações empíricas entre os índices (s)4 and (Sigma)(Fi). O modelo de sinal do GPS L1 também considera erros de relógios e aleatórios, retardos troposféricos, ambigüidade de ciclo e efeitos de multipercurso, para uma descrição completa. Os resultados de sinal-no-espaço são injetados em um modelo de simulação da instalação terrestre do GBAS, implementado para detectar uma variedade de possíveis anomalias ou falhas no sinal-no-espaço e para gerar correções diferenciais baseadas em algoritmos de monitoramento. O GBAS gera correções e seu desempenho é avaliado para aproximações de aeronaves em diferentes condições ionosféricas nos aeroportos do Rio de Janeiro e Fortaleza, enfatizando a Categoria de aproximação I. Os erros horizontais e verticais são estimados usando correções de GBAS para avaliar a precisão. A integridade do GBAS também é analisada calculando os níveis de proteção horizontal e vertical. / [en] This research presents a study on ionospheric effects on a Ground Based Augmentation System (GBAS) in equatorial and low latitude regions. The ionosphere affects the propagation of GPS signals and can reduce the positioning accuracy in the equatorial and low-latitude regions. Auxiliary systems have been developed to meet the safety requirements of aviation. In this context, GBAS provide higher accuracy for differential corrections. To evaluate the performance of a GBAS, a simulation model of the GPS L1 signal-in-space has been developed, considering ionospheric delay based on statistical distributions of vertical Total Electron Content residuals obtained from IRI model and Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo estimates, in combination with amplitude ionospheric scintillation simulated based on (Alfa) - (Mi) probability distributions, as well as phase scintillation, generated according to empirical relationships between the indices (S)4 and (Sigma)(Fi). The GPS L1 signal model also considers clock and random errors, tropospheric delays, ambiguity, and multipath, for a complete description. The signal in space results are injected into a GBAS ground facility simulation model, implemented to detect a varied array of possible anomalies or failures in the signal in space and to generate differential corrections based on monitoring algorithms. The GBAS generates corrections and its performance is evaluated for aircraft approaches under different ionospheric conditions at the Rio de Janeiro and Fortaleza Airports, emphasizing Approach Category I. The horizontal and vertical errors are estimated using GBAS corrections to evaluate the accuracy. The GBAS integrity is also analyzed by computing the horizontal and vertical protection levels.

[pt] A ionosfera de baixas latitudes tem características que poderiam causar problemas à operação do GPS/SBAS. Entre elas se encontra a anomalia equatorial, cuja densidade eletrônica pode apresentar intensos gradientes horizontais (e, portanto, no índice de refração do meio). Estes gradientes podem ser intensos o suficiente para introduzir erros nas previsões resultantes do GPS/SBAS. Para avaliar este problema, foi desenvolvido um programa de simulação em computador que integra modelos para: (i) a previsão das posições dos satélites da constelação GPS; (ii) a evolução temporal e espacial da densidade eletrônica da ionosfera equatorial; e (iii) uma rede de estações de referência de posições fornecidas para analisar os efeitos da anomalia equatorial sobre os erros causados pela ionosfera nos sinais dos satélites GPS recebidos pelas estações. Em cada passo da simulação, diversos procedimentos são realizados. Estes procedimentos são repetidos um grande número de vezes e, ao final da simulação, estatísticas dos erros são apresentadas. Este programa de simulação em computador foi utilizado para analisar a influência do número de estações de referência, assim como de suas localizações, nos erros de posicionamento de aeronaves. / [en] The low-latitude ionosphere has some features that could cause problems even to the joint GPS/SBAS operation. Among them, one finds the equatorial anomaly, whose electronic density - and thus its refractive index - can present intense horizontal gradients. These gradients can be intense enough to induce errors in the predictions by the GPS/SBAS. To analyze this problem, a computer simulation program has been developed. This program integrates models for: (i) forecasting the satellite orbital positions of the GPS constellation; (ii) the temporal and spatial evolution of the electronic density of the low-latitude ionosphere; and (iii) a given network of reference stations to analyze the effects of the equatorial anomaly on the GPS satellite signals received by the stations and users. In each step of the simulation, several procedures are performed. These procedures are repeated several times and, at the end of the simulation, error statistics are presented. This computer simulation program has been used to analyze the influence of the equatorial anomaly and of the number and layout of reference stations upon the errors in aircraft positions provided by the GPS/SBAS.

O sistema global de navegação por satélite (GNSS - Global Navigation Satellite System) tem potencial de se tornar um sistema primário de navegação em aeronaves civis, entretanto, necessita de melhoria no seu desempenho (acurácia, integridade, continuidade e disponibilidade). Ele apresenta a falta de uma característica fundamental para sistemas críticos de segurança, ele não provê limites de acurácia no cálculo da posição do usuário. Mesmo que na maioria do tempo a sua acurácia é excelente, mesmo assim o erro na posição pode ser muito grande sem que qualquer aviso seja dado ao seu usuário. Entre as várias fontes de erros no sistema GPS, a ionosfera é uma das maiores em sistemas com única portadora. Para corrigir tais deficiências, o sistema Satellite Based Augmentation System (SBAS) foi desenvolvido para auxiliar o sistema GPS na correção e limitação rígida dos seus erros. No sistema SBAS desenvolvido nos Estados Unidos da América, Wide Area Augmentation System (WAAS) existe, entre várias informações, o envio de mensagem para correção específica do atraso ionosférico sobre o sinal L1 do sistema GPS (Global Positioning System). Este efeito é estimado através de estações de referência espalhadas pelo continente norte-americano. Os dados das várias estações de referência são então enviados para estações principais, também chamados de WMS (WAAS Master Station), onde uma grade, com dados do atraso na vertical do sinal do sistema GPS devido ao efeito da ionosfera, será formada. Mostra-se neste trabalho como este sistema de auxílio aos usuários GPS trabalha e principalmente como pode ajudar na estimação do erro devido ao atraso de grupo no sinal do sistema GPS por conseqüência dos fenômenos que ocorrem na camada ionosférica. Neste trabalho o objetivo principal é a simulação através de um dos possíveis algoritmos em desenvolvimento para esta estimação do atraso ionosférico no sinal L1 do sistema GPS, o método LMMSE (Linear Minimum Mean Squared Error), que é gerado pelo segmento de controle. Através deste algoritmo serão gerados os valores dos atrasos ionosféricos para alguns pontos próximos a região sul e sudeste do Brasil e estes são então plotados juntamente com o atraso ionosférico estimado através do modelo IRI-2001 para um dado dia. Também serão estimados os valores dos erros pós-processamento do algoritmo. Os dados GPS utilizados neste trabalho são provenientes principalmente das estações que compõem a rede RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo) e controlada pelo IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística).

La transformada de Abel es una técnica de inversión usada frecuentemente en radio ocultaciones (RO) que, en el contexto ionosférico, permite deducir densidades electrónicas a partir de datos de STEC (Slant Total Electron Content) derivados a partir de observaciones de la fase portadora. Esta técnica está basada en medidas precisas en doble frecuencia de fase portadora ( banda L) de un receptor GPS a bordo de un satélite de órbita baja (Low Earth Orbit -LEO-) rastreando un satélite GPS detrás del limbo de la tierra. Al combinar tales medidas con la información de posiciones y velocidades de los satélites GPS y LEO, es posible deducir el cambio en el camino de la señal debido a la presencia de la atmósfera y, consecuentemene, convertirlo en ángulos de curvatura (bending angles). A partir de ellos, información sobre el índice de refracción vertical puede ser obtenida a través de técnicas de inversión, y transformarlo en perfiles verticales de densidad electrónica y/o perfiles de atmósfera neutra. Una de las hipótesis básicas de la inversión clásica es suponer que el campo de densidades electrónicas tiene simetría esférica en la vecindad de una ocultación. Sin embargo, a la práctica, la huella de una ocultación generalmente cubre regiones de miles de km que puede presentar variabilidad ionosférica importante; por lo cuál, la hipótesis de simetría esférica no puede ser garantizada. De hecho, las inhomogeneidades de la densidad electrónica en la dirección veritcal para una ocultación dada son una de las principales causas de error cuando se usa la inversión de Abel inversion. Para corregir el error debido a la hipótesis de simetría esférica, se introduce el concepto de separabilidad. Ello implica que la densidad electrónica puede ser expresada como una combinación de datos de Vertical Total Electron Content (VTEC) derivados externamente, los cuales asumen la dependencia horizontal de la densidad, y una función de forma, que a su vez asume la dependencia en altura que es común a todas las observaciones para una ocultación dada. Nótese que el espesor de capa permanece constante cerca de la región de la ocultación debido a la hipótesis de separabilidad en vez de la densidad, como ocurriría en el caso de usar simetría esférica. Esta técnica fue aplicada exitosamente a la combinación lineal de fases de GPS L1 y L2, , LI= L1-2, la cuál proporcionar un observable libre de geometría que depende sólo del retraso ionosférico, la ambigüedad de fase, biases instrumentales y wind-up. Los resultados presentaban una mejora del 40% en RMS al comparar frecuencias del pico de la capa F2 con datos de ionosonda respecto la inversión clásica de Abel. Sin embargo, la potencial influencia de la diferencia de caminos ópticos entre L1 y L2 fue despreciada. Esta tesis doctoral muestra que ello no es un problema para la inversión a alturas ionosféricas. Una alternativa para la inversión de perfiles que evita esta desventaja es usar la curvatura de la señal como dato principal. La implementación de la separabilidad para ángulos de curvatura no es inmediata y ha sido uno de los objetivos de esta tesis. En este sentido, el principio de la separabilidad ha sido aplicado a los ángulos de curvatura de L1 en vez de la la combinación LI como en trabajos anteriores. Además, trabajando con ángulos de curvatura, la separabilidad puede ser también trasladada a la obtención de perfiles troposféricos. Varias aproximaciones para obtener la contribución de las partes altas de la ionosfera han sido también estudiadas, aparte del hecho de simplemente prescindir de esta contribución. Se ha usado un modelo climatológico, una extrapolación exponencial y el hecho de considerar las implicaciones de usar separabilidad. También se ha propuesto una manera para obtener funciones de mapeo (mapping functions) deducidas a partir de perfiles RO. Sin embargo, trabajando sólo con datos derivados únicamente de RO, se está sistematicamente despreciando la contribución de la protonosfera al TEC. Con la propuesta inicial de función de mapeo sólo la contribución ionosférica es tenida en cuenta. La solución ideal para aplicaciones de datos de tierra GNSS sería usar un modelo de dos capas, una para modelar la ionosfera y otra para la protonosfera, o alternativamente, si se quisiera alta resolución tomográfica, combinar observaciones RO y con elevación positiva de LEOs con datos de tierra. Se ha probado que modelando con dos capas, los resultados que se habían obtenido con el análisis de datos RO han podido ser validados. La conclusión más importante es que la proporción entre la contribución ionosférica y protonosférica es el parámetro que explica la localización de las alturas efectivas. / La transformada d’Abel és una tècnica emprada freqüentment en radio ocultacions (RO) que, en el context ionosfèric, permet deduir densitats electròniques a partir de dades de STEC (Slant Total Electron Content) derivats a partir d’observacions de la fase portadora. Aquesta tècnica està basada en mesures precises en doble freqüència de fase portadora (banda L) d’un receptor GPS a bord d’un satèl·lit d’òrbita baixa (Low Earth Orbit-LEO-) rastrejant un satèl·lit GPS darrere del limb de la terra. En combinar les dites mesures amb la informació de posicions i velocitats dels satèl·lits GPS i LEO, és possible deduir el canvi en el camí del senyal degut a la presència de l’atmosfera i, conseqüentment, convertir-lo en angles de curvatura (bending angles). A partir d’ells, informació sobre l’índex de refracció vertical pot ser obtinguda mitjançant tècniques d’inversió i transformar-lo en perfils verticals de densitat electrònica i/o perfils d’atmosfera neutra. Una de les hipòtesis bàsiques de la inversió clàssica és suposar que el camp de densitats electròniques té simetria esfèrica en el veïnatge d’una ocultació. Tanmateix, a la pràctica, la petjada d’una ocultació generalment cobreix regions de milers de quilòmetres que pot presentar variabilitat ionosfèrica important; per la qual cosa, la hipòtesi de simetria esfèrica no pot ser garantida. De fet, les inhomogeneitats de la densitat electrònica en la direcció vertical per a una ocultació donada són una de les principals causes d’error quan es fa servir la inversió d’Abel. Per a corregir l’error a causa de la hipòtesi de simetria esfèrica, s’introdueix el concepte de separabilitat. Això implica que la densitat electrònica pot ser expressada com una combinació de dades de Vertical Total Electron Content (VTEC) derivats externament, els quals assumeixen la dependència horitzontal de la densitat, i una funció de forma, la qual alhora assumeix la dependència en altura que és comuna a totes les observacions per a una ocultació donada. Cal notar que l’espessor de capa roman constant a prop de la regió de l’ocultació a causa de la hipòtesi de separabilitat en comptes de la densitat, tal i com succeiria en el cas de fer servir simetria esfèrica. Aquesta tècnica fou aplicada amb èxit a la combinació lineal de fases de GPS L1 i L2, LI=L1-2, la qual proporciona un observable lliure de geometria que depèn només del retard ionosfèric, l’ambigüitat de fase, biases instrumentals i wind-up. Els resultats presenten una millora del 40% en RMS en comparar freqüències del pic de la capa F2 amb dades de ionosonda respecte la inversió clàssica d’Abel. No obstant, la potencial influència de la diferència de camins òptics entre L1 i L2 fou menyspreada. Aquesta tesi doctoral mostra que això no és pas un problema per a la inversió a altures ionosfèriques. Una alternativa per a la inversió de perfils que evita aquesta desavantatge és emprar la curvatura del senyal com a dada principal. La implementació de la separabilitat per a angles de curvatura no és immediata i ha estat un dels objectius d’aquesta tesi. En aquest sentit, el principi de la separabilitat ha esta aplicat als angles de curvatura de L1 en comptes de la combinació LI com en treballs anterior. A més, treballant amb angles de curvatura, la separabilitat pot ser també traslladada a l’obtenció de perfils troposfèrics. Varies aproximacions per a obtenir la contribució de les parts altes de la ionosfera han estat també estudiades, apart del fet de prescindir simplement d’aquesta contribució. S’ha fet servir un model climatològic, una extrapolació exponencial i el fet de considera les implicacions d’usar separabilitat. També s’ha proposat una manera pera obtenir funcions de mapeo (mapping functions) deduïdes a partir de perfils RO. Tanmateix, treballant només amb dades derivades únicament de RO, s’està menyspreant sistemàticament la contribució de la protonosfera al TEC. Amb la proposta inicial de funció de mapeo només tenim en compte la contribució ionosfèrica. La solució ideal per a aplicacions de dades de terra GNSS seria fer servir un model de dues capes, una per a modelar la ionosfera i una altra per la protonosfera, o alternativament, si es volgués alta resolució tomogràfica, combinar observacions RO i amb elevació positiva de LEOs amb dades de terra. S’ha provat que modelant amb dues capes, els resultats obtinguts amb l’anàlisi de dades RO han pogut estar validats. La conclusió més important és que la proporció entre la contribució ionosfèrica i protonosfèrica és el paràmetre que explica la localització de les altures efectives. / The Abel transform is a frequently used radio occultation (RO) inversion technique which, in the ionospheric context, allows retrieving electron densities as a function of height from STEC (Slant Total Electron Content) measurements derived from carrier phase observations. The GPS RO technique is based on precise carrier dual-frequency phase measurements (L-band) of a GPS receiver onboard a Low Earth Orbit satellite (LEO) tracking a rising or setting GPS satellite behind the limb of the earth. When combining such measurements with the information from the positions and velocities of GPS and LEO satellites, it is possible to derive the phase path change due to the atmosphere during an occultation event which subsequently can be converted into bending angles. From these, information about the vertical refraction index can be obtained by means of inversion techniques, which can then be converted into ionospheric vertical electron density profiles and/or neutral atmospheric profiles. One of the basic assumptions in the classical approach is to assume the spherical symmetry of the electron density field in the vicinity of an occultation. However, in practice, the footprint of an occultation generally covers wide regions of thousands of kilometres in length that may show significant ionospheric variability; therefore this hypothesis cannot be guaranteed. Indeed, inhomogeneous electron density in the horizontal direction for a given occultation is believed to be one of the main sources of error when using the Abel inversion. In order to correct the error due to the spherical symmetry assumption, the separability concept is introduced and applied. This implies that the electron density can be expressed by a combination of externally derived Vertical Total Electron Content (VTEC) data, which assumes the horizontal dependency, and a shape function, which in turn assumes the height dependency that is common to all the observations for a given occultation. Note that the slab thickness remains constant near the occultation due to the separability hypothesis instead of the density as is the case of the spherical symmetry. This technique was successfully applied to the linear combination of the GPS carrier phases L1 and L2, , LI= L1-2 which is a geometric free observable that depends only on the ionospheric delay, phase ambiguity, instrumental bias and wind-up. The result was an improvement of about 40% in RMS when comparing frequencies of the F2 layer peak with ionosonde data and the classical Abel inversion. The main advantage of such developed technique is its simple computation. Nevertheless, the potential influence of the different signal paths between L1 and L2 was neglected. Regarding this aspect, this Ph.D. dissertation shows that is not a problem for inversion at ionospheric heights. An alternative to inverting the profile, which overcomes this disadvantage, is to use the bending angle of the signal as the main input data. The implementation of separability when using the bending angle is not immediate and was, actually, one of the goals of this thesis. In this sense, the separability approach has been applied to measured L1 bending angle, instead of LI combination as reported in previous work. Additionally, this approach could also be translated to tropospheric profile retrievals. Several approaches to account for the upper ionospheric contribution have been also tackled, apart from the fact of neglecting such contribution: a climatological model, an exponential extrapolation and condisering the nature of the separability concept. it has been proposed a way to obtain mapping functions derived from RO profiles. Such mapping functions can be easily derived from usual ionospheric parameters. For the contribution of this part of the ionosphere, it has been shown that it is capable to account for the total electron content (TEC). However, by working solely with RO derived data, we are systematically neglecting the contribution of the protonosphere to the total electron content. With the initial proposed mapping function based on the analysis of effective heights derived from RO, only the ionospheric contribution is accounted for. The ideal solution for ground-based GNSS data applications would be to use a two-layer model, one to model the ionosphere and another one for the protonosphere, or alternatively, if we are looking for high tomographic resolution, to combine RO and topside LEO observations with ground data. It has been shown that by modelling in such way, the results that were obtained with RO data analysis can be validated. The most important conclusion is that the ratio between ionospheric and protonospheric contribution is the driver for the location of the effective heights.

Após a desativação da técnica SA, a ionosfera tornou-se a principal fonte de erro no posicionamento com GPS. O erro associado à ionosfera é diretamente proporcional ao conteúdo total de elétrons (TEC – Total Electron Content) presente ao longo do caminho da trajetória percorrida pelo sinal na ionosfera e inversamente proporcional ao quadrado da freqüência do sinal. O TEC, e conseqüentemente o erro devido à ionosfera, variam no tempo e no espaço e é influenciado por diversas variáveis, tais como: ciclo solar, época do ano, hora do dia, localização geográfica, atividade geomagnética, entre outros. A região brasileira é um dos locais que apresenta os maiores valores e variações espaciais do TEC e onde estão presentes diversas particularidades da ionosfera, tais como, a anomalia equatorial e o efeito da cintilação ionosférica. Desta forma, é importante a realização de pesquisas que visam estudar o comportamento do TEC, e conseqüentemente do erro devido à ionosfera no Brasil, que é um trabalho complexo devido aos diversos fatores que influenciam a variação do TEC, além das particularidades presentes na região brasileira. Estudos desta natureza podem auxiliar a comunidade geodésica brasileira, e demais usuários do GPS, no entendimento das limitações impostas pela ionosfera nas regiões de interesse. Devido à natureza dispersiva da ionosfera, o estudo do comportamento do TEC no Brasil pode ser realizado utilizando os dados GPS de receptores de dupla freqüência pertencentes à RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo). Adicionalmente, para uma melhor análise, pode-se também utilizar dados das estações da rede IGS (International GNSS Service) da América do Sul. Esta pesquisa tem como principal meta o estudo do comportamento do erro devido à ionosfera na região brasileira em diferentes situações ionosféricas com base em valores de TEC advindos das estações GPS da RBMC e da rede IGS da América do Sul. Outro objetivo é avaliar a performance e as limitações do Mapa Global da Ionosfera do IGS aplicado no posicionamento por ponto na região brasileira. / In the SA absence, the ionosphere is the largest error source in GPS positioning. The error due to the ionosphere in the GPS observables depends on the signal frequency and Total Electron Content (TEC) in the ionospheric layer. The TEC varies regularly in time and space in relation to the sunspot number, the season, the local time, the geographic position, and others. The Brazilian region is one of the regions of the Earth that presents largest values and space variations of the TEC, being influenced by the equatorial anomaly of ionization and ionospheric scintillation. Therefore, it is important to study the TEC behavior in the Brazilian region. Due to the ionosphere dispersive nature, the TEC behavior in Brazil can be studied using GPS data from RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo – Brazilian Network for Continuous Monitoring of GPS). Additionally, GPS data from IGS (International GNSS Service) network of the South America can also be used in the experiments. The goal of this research is to study the ionospheric error behavior in the Brazilian region, considering different ionosphere situations, using TEC values computed by GPS data from RBMC and IGS network. Other goal is to evaluate the performance and limitations of Global Ionospheric Map of IGS applied in the GPS point positioning in Brazil.

Submitted by Paulo Sérgio de Oliveira Júnior null (psergio.jr@hotmail.com) on 2017-11-17T14:41:41Z No. of bitstreams: 1 d_oliveira-jr_ps_thesis.pdf: 14260833 bytes, checksum: ebcb000a304456bb9bc42d8d1ccaa566 (MD5) / Approved for entry into archive by LUIZA DE MENEZES ROMANETTO (luizamenezes@reitoria.unesp.br) on 2017-11-17T17:10:17Z (GMT) No. of bitstreams: 1 oliveirajunior_ps_dr_prud.pdf: 14260833 bytes, checksum: ebcb000a304456bb9bc42d8d1ccaa566 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-11-17T17:10:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 oliveirajunior_ps_dr_prud.pdf: 14260833 bytes, checksum: ebcb000a304456bb9bc42d8d1ccaa566 (MD5) Previous issue date: 2017-09-05 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / PPP (Precise Point Positioning) is a positioning method by GNSS (Global Navigation Satellite Systems), based on SSR (State Space Representation) concept that can provide centimeter accuracy solutions. Real-time PPP (RT-PPP) is possible thanks to the availability of precise products, for orbits and clocks, provided by the International GNSS Service (IGS), as well as by its analysis centers such as CNES (Center National d'Etudes Spatiales). One of the remaining challenges on RT-PPP is the mitigation of atmospheric effects (troposphere and ionosphere) on GNSS signals. Thanks to recent improvements in atmospheric models, RT-PPP can be enhanced, allowing accuracy and centimeter initialization time, comparable to the current NRTK (Network Real-Time Kinematic) method. Such performance depends on topology of permanent stations networks and atmospheric conditions. The main objective of this project is to study the RT-PPP and the optimized infrastructure in terms of costs and benefits to realize the method using atmospheric corrections. Therefore, different configurations of a dense and regular GNSS network existing in France, the Orpheon network, are used. This network has about 160 sites and is owned by Geodata-Diffusion (Hexagon Geosystems). The work was divided into two main stages. Initially, ‘float PPP-RTK’ was evaluated, it corresponds to RT-PPP with improvements resulting from network corrections, although with ambiguities kept float. Further on, network corrections are applied to improve “PPP-RTK” where ambiguities are fixed to their integer values. For the float PPP-RTK, a modified version of the RTKLib 2.4.3 (beta) package is used to take into account for the network corrections. First-order ionospheric effects were eliminated by the iono-free combination and zenith tropospheric delay estimated. The corrections were applied by introducing a priori constrained tropospheric parameters. Periods with different tropospheric conditions were chosen to carry out the study. Adaptive modeling based on OFCs (Optimal Fitting Coefficients) has been developed to describe the behavior of the troposphere, using estimates of tropospheric delays for Orpheon stations. This solution allows one-way communication between the server and the user. The quality of tropospheric corrections is evaluated by comparison to external tropospheric products. The gains achieved in convergence time to 10 centimeters accuracy were statistically quantified. Network topology was assessed by reducing the number of reference stations (up to 75%) using a sparse Orpheon network configuration to perform tropospheric modeling. This did not degrade the tropospheric corrections and similar performances were obtained on the user side. In the second step, PPP-RTK is realized using the PPP-Wizard 1.3 software and CNES real-time products for orbits, clocks and phase biases of satellites. RT-IPPP (Real-Time Integer PPP) is performed with estimation of tropospheric and ionospheric delays. Ionospheric and tropospheric corrections are introduced as a priori parameters constrained to the PPP-RTK of the user. To generate ionospheric corrections, it was implemented a solution aligned with RTCM (Real-Time Maritime Services) conventions, regarding the transmission of ionospheric parameters SSR, which is a standard Inverse Distance Weighting (IDW) algorithm. The choice of the periods for this experiment was made mainly with respect to the ionospheric activity. The comparison of the atmospheric corrections with the external products and the evaluation of different network topologies (dense and sparse) were also carried out in this stage. Statistically, the standard RT-IPPP takes ~ 25 min to achieve a 10 cm horizontal accuracy, which is significantly improved by our method: 46% (convergence in 14 min) with dense network corrections and 24% (convergence in 19 min) with the sparse network. Nevertheless, vertical positioning sees its convergence time slightly increased, especially when corrections are used from a sparse network solution. However, improvements in horizontal positioning due to external SSR corrections from a (dense or sparse) network are promising and may be useful for applications that depend primarily on horizontal positioning. / O PPP (Precise Point Positioning) é um método de posicionamento pelo GNSS (Global Navigation Satellite Systems), baseado no conceito SSR (State Space Representation) o qual pode fornecer soluções de acurácia centimétrica. O PPP em tempo real (RT-PPP) é possível graças à disponibilidade de produtos precisos, para órbitas e relógios, fornecidos pelo IGS (International GNSS Service), bem como por seus centros de análise, como o CNES (Centre National d’Etudes Spatiales). Um dos desafios restantes no RT-PPP é a mitigação dos efeitos atmosféricos (troposfera e ionosfera) nos sinais GNSS. Graças às melhorias recentes nos modelos atmosféricos, o RT-PPP pode ser aprimorado, permitindo tempo de inicialização com acurácia centimétrica, comparável ao atual método NRTK (Network Real-Time Kinematic). Esse desempenho depende da topologia das redes de estações permanentes e das condições atmosféricas. O objetivo principal deste projeto é estudar o RT-PPP e a infraestrutura optimizada em termos de custos e benefícios para realizar o método usando correções atmosféricas. Portanto, são utilizadas diferentes configurações de uma rede GNSS densa e regular existente na França, a rede Orphéon. Esta rede tem cerca de 160 estações, sendo propriedade da Geodata-Diffusion (Hexagon Geosystems). O trabalho foi dividido em duas etapas principais. Inicialmente, foi avaliado o "float PPP-RTK", que corresponde ao RT-PPP com melhorias resultantes de correções de rede, embora mantendo as ambiguidades como float. Em um segundo momento, as correções de rede são aplicadas para aprimorar o "PPP-RTK", onde ambiguidades são fixadas para seus valores inteiros. Para o float PPP-RTK, uma versão modificada do software RTKLib 2.4.3 (beta) é empregada de modo a levar em consideração as correções de rede. Os efeitos ionosféricos de primeira ordem são eliminados pela combinação iono-free e atraso zenital troposférico é estimado. As correções são aplicadas introduzindo parâmetros troposféricos a priori injuncionados. Períodos com diferentes condições troposféricas foram escolhidos para realizar o estudo. Uma modelagem adaptativa baseada em OFCs (Optimal Fitting Coefficients) foi implementada para descrever o comportamento da troposfera, utilizando estimativas de atraso troposférico para estações da rede Orphéon. Tal solução permite a comunicação unidirecional entre o servidor e o usuário. A qualidade das correções troposféricas foi avaliada através de comparação com produtos externos troposféricos. Os ganhos alcançados no tempo de convergência para acurácia de 10 centímetros foram quantificados estatisticamente. A topologia de rede foi avaliada reduzindo o número de estações de referência (em até 75%) usando uma configuração da rede Orphéon esparsa para realizar a modelagem troposférica. Isso não degradou as correções troposféricas e foram obtidas performances similares para os usuários simulados. Na segunda etapa, o PPP-RTK é realizado usando o software PPP-Wizard 1.3, bem como os produtos para tempo real do CNES de órbitas, relógios e biases de fase dos satélites. O RT-IPPP (Real-Time Integer PPP) é realizado com estimativa de atrasos troposféricos e ionosféricos. As correções ionosféricas e troposféricas são introduzidas como parâmetros a priori injuncionados no PPP-RTK do usuário. Para gerar correções ionosféricas, foi implementada uma solução alinhada com as convenções RTCM (Real-Time Maritime Services), em relação à transmissão de correções ionosféricas SSR, o qual é um algoritmo baseado na ponderação pelo inverso da distância (IDW – Inverse Distance Weighting). A escolha dos períodos para este experimento foi realizada principalmente em relação à atividade ionosférica. A comparação das correções atmosféricas com produtos externos, assim como a avaliação de diferentes topologias de rede (densa e esparsa) também foram realizadas nesta etapa. Estatisticamente, o RT-IPPP padrão leva ~ 25 min para alcançar uma acurácia horizontal de 10 cm, a qual é significativamente melhorada pelo método implementado: 46% (convergência em 14 min) com correções de rede densa e 24% (convergência em 19 min) com a rede esparsa. No entanto, o posicionamento vertical vê o seu tempo de convergência ligeiramente aumentado, especialmente quando as correções são usadas a partir de uma solução de rede esparsa. No entanto, as melhorias no posicionamento horizontal com o uso das correções de SSR externas de uma rede (densa ou esparsa) são promissoras e podem ser úteis para aplicações que dependem principalmente do posicionamento horizontal. / Le PPP (Precise Point Positioning) est une méthode de positionnement par GNSS (Global Navigation Satellite Systems), basée sur le concept SSR (State Space Representation), qui peut générer solutions de précision centimétrique. Le PPP en temps réel (RT-PPP) est possible grâce à la disponibilité des produits précis, pour les orbites et horloges, fournis par l’IGS (International GNSS Service), ainsi que par ses centres d'analyse, tels que le CNES (Centre National d'Etudes Spatiales). Un des défis restants sur le RT-PPP est la mitigation des effets atmosphériques (troposphère et ionosphère) sur les signaux GNSS. Grâce aux améliorations récentes des modèles atmosphériques, le RT-PPP peut être amélioré, ce qui permet une précision et un temps d'initialisation au niveau du centimètre, comparables à la méthode NRTK (Network Real-Time Kinematic) actuelle. De telles performances dépendent de la topologie du réseau de stations GNSS permanentes et des conditions atmosphériques. L'objectif principal de ce projet est d'étudier le RT-PPP et l'infrastructure optimisée en termes de coûts et d'avantages pour réaliser la méthode en utilisant des corrections atmosphériques. Pour cela, différentes configurations d'un réseau GNSS dense et régulier existant en France, le réseau Orphéon, sont utilisées. Ce réseau compte environ 160 sites, propriété de Geodata-Diffusion (Hexagon Geosystems). Le travail est divisé en deux étapes principales. Dans un premier temps, le mode «PPP-RTK flottant» a été évalué, il correspond au RT-PPP avec des améliorations issues des corrections de réseau, mais avec les ambiguïtés flottantes. Ensuite, des corrections de réseau sont appliquées pour améliorer le mode « PPP-RTK » où les ambiguïtés sont fixées à leurs valeurs entières. Pour le PPP-RTK flottant, une version modifiée du package RTKLib 2.4.3 (beta) est utilisée pour prendre en compte les corrections réseau. Les effets ionosphériques de premier ordre ont été éliminés par la combinaison iono-free et le retard troposphérique zénithal est estimé. Les corrections ont été appliquées en introduisant des paramètres troposphériques a priori contraints. Des périodes avec différentes conditions troposphériques ont été choisies pour réaliser l'étude. Une modélisation adaptative basée sur les OFCs (Optimal Fitting Coefficients) a été mise en place pour décrire le comportement de la troposphère, en utilisant des estimations des retards troposphériques pour les stations Orphéon. Cette solution permet une communication mono-directionnelle entre le serveur et l'utilisateur. La qualité des corrections troposphériques est évaluée par comparaison avec des produits troposphériques externes. Les gains réalisés sur le temps de convergence pour obtenir un positionnement de 10 centimètres de précision ont été quantifiés statistiquement. La topologie du réseau a été évaluée, en réduisant le nombre de stations de référence (jusqu'à 75%), via une configuration de réseau Orphéon lâche pour effectuer la modélisation troposphérique. Cela n'a pas dégradé les corrections troposphériques et des performances similaires ont été obtenues du côté de l'utilisateur. Dans la deuxième étape, le PPP-RTK est réalisé grâce au logiciel PPP-Wizard 1.3 et avec les produits temps réel CNES pour les orbites, les horloges et les biais de phase des satellites. Le RT-IPPP (Real-Time Integer PPP) est réalisé avec estimation des délais troposphériques et ionosphériques. Les corrections ionosphériques et troposphériques sont introduites en tant que paramètres a priori contraints au PPP-RTK de l'utilisateur. Pour générer des corrections ionosphériques, il a été mis en place une solution alignée avec les conventions RTCM (Real-Time Maritime Services) pour la transmission des paramètres ionosphériques SSR, un algorithme standard d'interpolation à distance inversée (IDW – Inverse Distance Weighting). Le choix des périodes pour cette expérience a été fait principalement en regard de l'activité ionosphérique. La comparaison des corrections atmosphériques avec les produits externes et l'évaluation de différentes topologies de réseau (dense et lâche) ont également été effectuées dans cette étape. Statistiquement le RT-IPPP standard prend ~25 min pour atteindre une précision horizontale de 10 cm, ce que nous améliorons significativement par notre méthode : 46% (convergence en 14 min) avec le réseau dense et 24% (convergence en 19 min) avec le réseau restreint. Néanmoins le positionnement vertical voit son temps de convergence légèrement augmenté, en particulier lorsque l'on utilise des corrections à partir d'une solution de réseau lâche. Cependant, les améliorations apportées au positionnement horizontal dues aux corrections atmosphériques SSR externes provenant d’un réseau (dense ou lâche) sont prometteuses et peuvent être utiles pour les applications qui dépendent principalement du positionnement horizontal. / CNPq: 229828/2013-2