This thesis is executed in cooperation with RUAG Space AB, which specializes in highly reliable on-board satellite equipment. The thesis focuses on the effect, which disturbs the amplitude and phase of a Global Positioning System (GPS) signal, called scintillation effect. It has a substantial impact on a GPS signal, during Radio Occultation (RO). RO is a method of analysis of a refracted signal which passes through the atmosphere. RO can be used for measuring climate change and for weather forecasting. By retrieving the bending angle of a GPS signal, three basic parameters of the Earth’s atmosphere can be obtained at different heights: temperature, pressure and humidity. As the scintillation effect causes prominent errors in the bending angle calculations, it is crucial to provide possibly the most precise mathematical model, which allows to conceive proper ionospheric corrections. In this thesis, the model using Rytov approach is implemented and optimised with different optimisation functions. It is shown that the scintillation model can be optimized, which may contribute to a more accurate retrieval of the atmospheric profiles.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:25Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-05-29Bitstream added on 2014-06-13T18:08:13Z : No. of bitstreams: 1 silva_ha_me_prud.pdf: 2618530 bytes, checksum: b2c909f5a51e515ca736f8c6a5a4def3 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Atualmente, o GNSS, em especial o GPS, é uma das tecnologias mais utilizadas para realizar posicionamento. Os modelos funcionais relacionados com as observações GNSS são mais conhecidos do que os modelos estocásticos, visto que o desenvolvimento destes últimos é mais complexo. Normalmente, no posicionamento GNSS são utilizados modelos estocásticos numa forma simplificada, com um modelo padrão, o qual assume que todas as medidas das observações GNSS têm a mesma variância e são estatisticamente independentes. Porém, atualmente os modelos estocásticos relacionados ao GNSS vêm sendo pesquisados com maior profundidade, por exemplo, considerando efeitos de cintilação ionosférica. Este efeito pode ser considerado na modelagem estocástica já que atualmente receptores GNSS permitem a extração de parâmetros de cintilação ionosférica. Além dessa, outro tipo de modelagem estocástica pode ser realizada, no caso, trata-se da consideração da variação dos ângulos de elevação dos satélites durante o rastreio dos dados. Sendo assim, nessa pesquisa foram desenvolvidos e analisados esses dois casos de modelagem estocástica, tanto no posicionamento relativo, quanto no absoluto (por ponto). No posicionamento relativo, ao se considerar a modelagem estocástica em função da cintilação ionosférica, os resultados atingiram melhorias em torno de 93,0% em relação à modelagem padrão. No processamento e análise foram utilizados dados GPS coletados no Norte da Europa, os quais estão sob condições de cintilação ionosférica. No posicionamento relativo considerando a modelagem estocástica em função dos ângulos de elevação dos satélites, as melhorias foram em torno de 89,2%. No caso do posicionamento por ponto, as melhorias em relação a modelagem estocástica padrão atingiram valores de aproximadamente 45,1% e 42,1% considerando, respectivamente... / Nowadays, the GNSS, especially the GPS, is one of the most used techniques to accomplish positioning. The functional models related with the GNSS observables are more known than the stochastic models, considering that the development of the last ones is more complex. Usually, they are used in a simplified form, as the standard model, which assumes that all the GNSS observable have the same variance and are statistically independent. However, the stochastic models are being investigated with more property, for example, considering the ionospheric scintillation effects. This effect can be considered in the stochastic modelling since now receivers GNSS allow the extraction of ionospheric scintillation parameters. Besides that, others stochastic modelling can be accomplished, e.g. considering the variation of the satellites elevation angles during the data tracking. Thus, in this dissertation it was investigated the two cases of stochastic modelling cited above, either in the relative or in the absolute positioning... (Complete abstract click electronic access below)

Submitted by Gabriel Oliveira Jerez null (gabrielojerez@gmail.com) on 2017-04-14T21:10:24Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Gabriel.pdf: 58918950 bytes, checksum: c672d2677b4cddee82e8492deec6b6f9 (MD5) / Approved for entry into archive by Luiz Galeffi (luizgaleffi@gmail.com) on 2017-04-18T14:47:18Z (GMT) No. of bitstreams: 1 jerez_go_me_prud.pdf: 58918950 bytes, checksum: c672d2677b4cddee82e8492deec6b6f9 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-18T14:47:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 jerez_go_me_prud.pdf: 58918950 bytes, checksum: c672d2677b4cddee82e8492deec6b6f9 (MD5) Previous issue date: 2017-03-17 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Com o desenvolvimento dos sistemas globais de navegação por satélite as atividades que envolvem posicionamento passaram por uma revolução. Os pioneiros, GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System) e GPS (Global Positioning System), são atualmente os principais sistemas, e únicos com constelação completa. A utilização combinada de dados GPS e GLONASS passou por uma perda de interesse no final da década de noventa devido à rápida degradação que o GLONASS sofreu. Porém, em 2001 teve início um plano de restabelecimento do sistema que em 2011 voltou a contar com constelação completa de 24 satélites e cobertura global. O GLONASS passa ainda por um processo de modernização, com novas gerações de satélites sendo desenvolvidas, refinamentos dos sistemas de tempo e referência e novas estações de controle sendo instaladas. Além do uso de dados combinados, outros fatores que influenciam a qualidade do posicionamento são os métodos empregados e os erros aos quais os sinais transmitidos estão sujeitos. Nas metodologias de integração devem constar as diferenças de estrutura dos sistemas, sendo as principais, para este caso, os sistemas de referência, sistemas de tempo e a tecnologia relacionada às frequências. Em relação aos erros, a ionosfera é uma importante fonte, principalmente para usuários de receptores de apenas uma frequência. Ela exige atenção especial, pois além de degradar a acurácia do posicionamento há uma grande dependência entre perdas do sinal e irregularidades ionosféricas, como a cintilação ionosférica. Na presente pesquisa buscou-se analisar as melhorias apresentadas no posicionamento utilizando dados combinados GPS/GLONASS sob efeito de cintilação ionosférica, avaliar a influência da cintilação nos sinais GLONASS e realizar um estudo da estrutura do sistema. Foram realizados três experimentos, relacionados à aplicação do PPP (Posicionamento por Ponto Preciso), do posicionamento relativo estático e do posicionamento em redes (especificamente no conceito de VRS – Virtual Reference Station). Para possibilitar o posicionamento em redes foi adaptada a ferramenta VRS-UNESP, para permitir a geração de bases virtuais com dados GLONASS ou GPS/GLONASS. Para as três metodologias foram selecionadas estações em três regiões do Brasil com comportamentos ionosféricos distintos visando possibilitar também a análise do efeito da cintilação. Para isso foram escolhidas regiões próximas ao equador geomagnético, próximas a área afetada pelo efeito fonte e ao sul do país, onde se tem menor influência da ionosfera. Para o PPP considerando-se todos os casos, independente da configuração, houve melhoria em 92,28% dos dias com o uso de dados GPS e GLONASS. Para o posicionamento relativo os resultados obtidos foram mais irregulares que para o PPP, sendo que a melhoria ocorreu em 69,18% dos casos. Os dados virtuais foram processados de maneira análoga ao experimento com PPP, obtendo melhoria em 100% os casos analisados ao se utilizar dados GPS e GLONASS. / With the development of the Global Navigation Satellite Systems (GNSS) the activities involving positioning passed by a great revolution. Currently, the pioneers, GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System) and GPS (Global Positioning System), are the main systems with full constellation. The interest in the combined use of GPS and GLONASS data had a great fall in the late nineties due to the fast degradation of GLONASS. However, in 2001 a restoration plan of the system began and in 2011 GLONASS recovered the full constellation of 24 satellites with global coverage. Furthermore GLONASS is going through a modernization process, with the development of new satellite generations, time and reference systems refinements and new control stations. Besides the use of combined data, other factors that influence the positioning quality are the applied methods and the errors that can affect the transmitted signals. The integration methodologies must consider the differences in the systems structures, the main differences, for this case, are reference and time systems and the technology related to the frequencies. About the errors, the ionosphere is an important source, mainly for users of single frequency receivers. It requires special attention, because besides of degrading the positioning accuracy there is a great dependency between the loss of signal and ionospheric irregularities, as ionospheric scintillation. In this research it was intended to analyze the improvement of the combined use of GPS/GLONASS data at positioning under ionospheric scintillation effect, evaluate the influence of scintillation at GLONASS signals and perform a study about the structure of the system. Three experiments were performed, the first one is related to the application of PPP (Precise Point Positioning), the second one is about static relative positioning and the third one is about network based positioning (specifically in the Virtual Reference Station concept).To enable the network based positioning the software VRS-UNESP was adapted, in order to allow the generation of virtual stations with GLONASS or GPS/GLONASS data. In the three methodologies were selected three regions of Brazil with distinct ionospheric behavior, in order to evaluate the scintillation effect in the positioning. It was selected regions near to the geomagnetic equator, regions near the fountain effect and in the south of the country, where the ionosphere effect is less intense. For the PPP, considering all the configurations adopted, there was improvement with the use of GPS and GLONASS combined data in 92,28% of the days analyzed. For the relative positioning the results obtained were more irregulars than the ones from PPP. In such case it was achieved improvement in 69,18% of the cases with the use of combined data. The virtual data were processed in a procedure similar to the one used in the PPP experiment. It was achieved improvement in 100% of the cases that were used GPS and GLONASS data.

Submitted by Bruno César Vani (brunovani22@gmail.com) on 2018-04-24T14:58:48Z No. of bitstreams: 1 tese-vani-final.pdf: 20308847 bytes, checksum: 6ca432e31093b56b561a864e475e55a1 (MD5) / Approved for entry into archive by ALESSANDRA KUBA OSHIRO ASSUNÇÃO (alessandra@fct.unesp.br) on 2018-04-24T18:26:17Z (GMT) No. of bitstreams: 1 vani_bc_dr_prud.pdf: 20308847 bytes, checksum: 6ca432e31093b56b561a864e475e55a1 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-24T18:26:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 vani_bc_dr_prud.pdf: 20308847 bytes, checksum: 6ca432e31093b56b561a864e475e55a1 (MD5) Previous issue date: 2018-03-01 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Cintilações Ionosféricas são rápidas variações na amplitude e/ou fase de um sinal de rádio ao se propagar por irregularidades na densidade de elétrons na ionosfera. Este fenômeno degrada a performance do posicionamento pelo GNSS, uma vez que pode acarretar, dentre outros aspectos, a degradação na acurácia de observáveis e em perdas de sincronismo no receptor. No Brasil, verifica-se a maior suscetibilidade de ocorrência de cintilação algumas horas após o pôr-do-sol, nas épocas do ano compreendidas entre os equinócios de primavera e outono nos anos de alta atividade solar. Redes GNSS de monitoramento de cintilações estão implantadas no território brasileiro, incluindo a rede CIGALA/CALIBRA – a qual é mantida pela FCT/UNESP com o apoio de parceiros nos últimos sete anos. Os dados de monitoramento permitem a realização de diversas pesquisas sobre características e efeitos da cintilação, incluindo as investigações conduzidas neste projeto. Foram investigados aspectos sobre a modelagem da cintilação ionosférica no Brasil, com ênfase na mitigação dos seus efeitos no PPP e na predição de ocorrência de cintilação. No contexto da mitigação, abordagens existentes foram avaliadas e uma nova proposta foi desenvolvida. A abordagem proposta para mitigação consiste em um novo modelo funcional, novo modelo estocástico e uma estratégia para minimizar os efeitos de perdas de sincronismo. A abordagem proposta foi testada com o suporte do software científico RT-PPP e os resultados obtidos foram promissores, incluindo casos de recuperação da acurácia esperada do PPP, mesmo sob influência de cintilação forte. No contexto da predição, uma integração de bases de dados de monitoramento oriundos de três redes (CIGALA/CALIBRA, ICEA e LISN) permitiu o desenvolvimento de um modelo preditivo (guiado por dados) baseado em redes neurais artificiais. A rede neural é treinada para obter uma estimativa das localidades e horários onde a cintilação é esperada em uma determinada noite, com base em dados de monitoramento obtidos em noites anteriores. Dados de monitoramento de diferentes regiões coletados no começo da mesma noite (logo após o pôr-do-sol) também são utilizados com o objetivo de inferir padrões acerca do surgimento das irregularidades que causam as cintilações e sua relação com o nível de cintilação observado no restante da noite. O modelo permite obter mapas de cintilação preditos com antecedência de uma a quatro horas, os quais são acompanhados de estimativas de qualidade das predições. Em resumo, este projeto apresenta contribuições com potencial para trazer benefícios ao cenário científico-tecnológico nacional. Além disso, os dados de monitoramento da base de dados integrada foram disponibilizados pela internet à comunidade através do software científico ISMR Query Tool, proporcionando suporte à realização de pesquisas adicionais em diversas instituições do Brasil e do mundo. / Ionospheric scintillations are rapid variation in amplitude and/or phase of a radio signal as it propagates through irregularities on electron density in the ionosphere. Such phenomenon degrades the performance of GNSS positioning, because it may cause accuracy degradation on observables and losses of lock, among other aspects. In Brazil, there is more susceptibility to occurrence of scintillations after sunset time between the spring and autumn equinoxes of years with high solar activity. Monitoring networks based on GNSS receivers are deployed over the Brazilian territory such as the CIGALA/CALIBRA network, managed by FCT/UNESP (with support from partners) in the last seven years. Monitoring data allows to develop several research regarding the scintillation effects, as in this thesis. Aspects regarding the modeling of ionospheric scintillation effects in Brazil were investigated, with emphasis on the mitigation of these effects on PPP and predictions of scintillation occurence. In the field of mitigation, existing approaches were investigated and a new one was proposed. The new approach for mitigation relies in both new functional and stochastic models for PPP, as well as a strategy to model effects of losses of lock. The proposed approach was tested with the scientific software RT-PPP and the achieved results were promising, including cases in which the expected accuracy for the PPP was recovered. In the field of the predictions, a database integration was conducted with data from three different networks (CIGALA/CALIBRA, ICEA e LISN). The integration allowed the development of a data-driven predictive model based on artificial neural network. The neural network is trained with data from previous nights. Data from the same night (around the sunset time) is also used to detect patterns regarding the emerging of the irregularities driving scintillation occurrence on the whole night. The model allows to generate maps of predicted scintillation with antecedence from one to four hours. In summary, this thesis shows contributions with potential to create benefits on the scientific and technological scenarios in Brazil. Furthermore, monitoring data from the integrated database was made available to the scientific community via the software ISMR Query Tool, providing support to conduct new research in different institutions from Brazil and the world. / CAPES: 88881.134266/2016-01

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A full solar eclipse is going to be visible from a range of states in the contiguous United States on August 21, 2017. Since the atmosphere of the Earth is charged by the sun, the blocking of the sunlight by the moon may cause short term changes to the atmosphere, such as density and temperature alterations. There are many ways to measure these changes, one of these being ionospheric scintillation. Ionospheric scintillation is rapid amplitude and phase fluctuations of signals passing through the ionosphere caused by electron density irregularities in the ionosphere. At mid-latitudes, scintillation is not as common of an occurrence as it is in equatorial or high-altitude regions. One of the theories that this paper looks into is the possibility of the solar eclipse producing an instability in the ionosphere that will cause the mid-latitude region to experience scintillations that would not normally be present. Instabilities that could produce scintillation are reviewed and altered further to model similar conditions to those that might occur during the solar eclipse. From this, the satellites that are being used are discuses, as is hardware and software tools were developed to record the scintillation measurements. Although this work was accomplished before the eclipse occurred, measurement tools were developed and verified along with generating a model that predicted if the solar eclipse will produce an instability large enough to cause scintillation for high frequency satellite downlinks. / Master of Science

Resumo: Atualmente, o GNSS, em especial o GPS, é uma das tecnologias mais utilizadas para realizar posicionamento. Os modelos funcionais relacionados com as observações GNSS são mais conhecidos do que os modelos estocásticos, visto que o desenvolvimento destes últimos é mais complexo. Normalmente, no posicionamento GNSS são utilizados modelos estocásticos numa forma simplificada, com um modelo padrão, o qual assume que todas as medidas das observações GNSS têm a mesma variância e são estatisticamente independentes. Porém, atualmente os modelos estocásticos relacionados ao GNSS vêm sendo pesquisados com maior profundidade, por exemplo, considerando efeitos de cintilação ionosférica. Este efeito pode ser considerado na modelagem estocástica já que atualmente receptores GNSS permitem a extração de parâmetros de cintilação ionosférica. Além dessa, outro tipo de modelagem estocástica pode ser realizada, no caso, trata-se da consideração da variação dos ângulos de elevação dos satélites durante o rastreio dos dados. Sendo assim, nessa pesquisa foram desenvolvidos e analisados esses dois casos de modelagem estocástica, tanto no posicionamento relativo, quanto no absoluto (por ponto). No posicionamento relativo, ao se considerar a modelagem estocástica em função da cintilação ionosférica, os resultados atingiram melhorias em torno de 93,0% em relação à modelagem padrão. No processamento e análise foram utilizados dados GPS coletados no Norte da Europa, os quais estão sob condições de cintilação ionosférica. No posicionamento relativo considerando a modelagem estocástica em função dos ângulos de elevação dos satélites, as melhorias foram em torno de 89,2%. No caso do posicionamento por ponto, as melhorias em relação a modelagem estocástica padrão atingiram valores de aproximadamente 45,1% e 42,1% considerando, respectivamente... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Nowadays, the GNSS, especially the GPS, is one of the most used techniques to accomplish positioning. The functional models related with the GNSS observables are more known than the stochastic models, considering that the development of the last ones is more complex. Usually, they are used in a simplified form, as the standard model, which assumes that all the GNSS observable have the same variance and are statistically independent. However, the stochastic models are being investigated with more property, for example, considering the ionospheric scintillation effects. This effect can be considered in the stochastic modelling since now receivers GNSS allow the extraction of ionospheric scintillation parameters. Besides that, others stochastic modelling can be accomplished, e.g. considering the variation of the satellites elevation angles during the data tracking. Thus, in this dissertation it was investigated the two cases of stochastic modelling cited above, either in the relative or in the absolute positioning... (Complete abstract click electronic access below) / Orientador: Paulo de Oliveira Camargo / Coorientador: João Francisco Galera Monico / Banca: Mauricio Alfredo Gende / Banca: Silvio Jacks dos Anjos Garnés / Mestre

Electron density irregularities influence Global Navigation Satellite System (GNSS) signals, manifesting as ionospheric scintillation. Scintillation poses a service risk to safety-critical GNSS applications at high latitudes. It is difficult to predict, as ionospheric instability processes are not yet fully characterised. This research combines the fields of ionospheric imaging and scintillation monitoring, to investigate the causes of scintillation in the Antarctic and Arctic. Results revealed a plasma patch structure above Antarctica, in response to the impact of a solar wind shock front. Measurements from a network of Global Positioning System scintillation receivers across the continent revealed moderate levels of phase scintillation associated with Total Electron Content (TEC) gradients at the patch break-off point. Scintillation was also driven by solar particle precipitation at E and F region altitudes, verified with in situ spectrometers on polar-orbiting satellites. The current receiver coverage in the region provided the Multi-Instrument Data Analysis Software (MIDAS) tomography tool with sufficient data to track the lifetime of the plasma patch without a convection model. A second experiment was performed at the South Pole, using a collocated GPS scintillation receiver and auroral imager. This allowed simultaneous line-of-sight tracking of GPS signals through the optical auroral emissions. Results showed the first statistical evidence that auroral emissions can be used a proxy for ionospheric irregularities causing GPS scintillation. The relationship was strongest during the presence of discrete auroral arcs. Correlation levels of up to 74% were found over periods of 2-3 hours. The use of multiple emission wavelengths provided basic altitude discrimination. Current capability of ionospheric TEC mapping in the Arctic was tested, where GPS receiver distribution is extensive compared to present Antarctic coverage. Analysis of the ionosphere’s response to a storm event revealed a sequential picture of polar cap patch activity, without the aid of plasma convection modelling. The electron density enhancements of the auroral oval were imaged in completeness for the first time using GPS tomography. Reconstructions were verified using ultraviolet auroral imagery from polar-orbit satellites, and vertical profiles from an incoherent scatter radar.