Thesis (Ph.D. (Physics & Electronics)) - Rhodes University, 2008.

Thesis (Ph.D. (Physics & Electronics)) - Rhodes University, 2009 / A thesis submitted in partial fulfilment of the requirements for the degree of Master of Science

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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 2014-06-11T19:30:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-11-03Bitstream added on 2014-06-13T19:00:44Z : No. of bitstreams: 1 dalpoz_wr_dr_prud.pdf: 7310354 bytes, checksum: 0dad0c578066121061e36552e4e9f136 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / 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)... / 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)

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-02-28Bitstream added on 2014-06-13T21:01:19Z : No. of bitstreams: 1 matsuoka_mt_dr_prud.pdf: 13818049 bytes, checksum: ffbf4629b778855c81e385452f044bfb (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / 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.

Submitted by Emanuel Varela Cardoso (emanuel.varela@ufcg.edu.br) on 2018-10-17T19:57:09Z No. of bitstreams: 1 LEIDE PRICILA DA SILVA – DISSERTAÇÃO (PPGFísica) 2015.pdf: 15628100 bytes, checksum: 6c279dc226419936cd83d14dd259bcab (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-17T19:57:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LEIDE PRICILA DA SILVA – DISSERTAÇÃO (PPGFísica) 2015.pdf: 15628100 bytes, checksum: 6c279dc226419936cd83d14dd259bcab (MD5) Previous issue date: 2015-08-07 / Capes / Foi investigado o acoplamento vertical em baixas latitudes no sistema atmosfera ionosfera na região MLT equatorial impulsionado pela onda de 3-4 dias. Neste trabalho, se identifi cou eventos da onda 3-4 dias durante o per odo de janeiro a dezembro de 2005 nos ventos neutros obtidos por medições de radar localizados em São João do Cariri-PB, Brasil. A variação de 3-4 dias nas correntes elétricas ionosféricas na região E registrado por perturbações no campo geomagnético, foi estudada através de 4 magnetômetros localizados na região equatorial. Os resultados mostraram que as oscilações ocorridas nos ventos zonais em fevereiro-março, maio-junho, agosto e outubro-novembro, são compatíveis com a propagação de ondas ultra-rápido Kelvin. A estrutura de fase vertical foi descendente, compatível com a energia da onda ascendente, e comprimentos de onda verticais de cerca de 45 km foram encontrados nos primeiro, segundo e quarto eventos, o terceiro evento apresenta comprimento de onda vertical de 62 km. Os resultados mostraram eventos quase simultâneos da onda de 3-4 dias no campo geomagnético e nos ventos MLT, cuja propagação é para leste, que pode ser interpretado como devido à onda ultra-rápida de Kelvin, exceto para o terceiro acontecimento que mostrou propagação para oeste. O parâmetro que parece ser afetado é o dínamo campo elétrico. / Vertical coupling in the low latitude atmosphere-ionosphere system driven by the 3-4 day wave in the equatorial MLT region was investigated. In this work a 3-4 day wave event during the period from January to December of 2005 identi ed in the neutral winds by radar measurements located at São João do Cariri-PB, Brazil. The 3-4 day variation in the ionospheric electric currents in the E region registered by perturbations in the geomagnetic eld, was detected in the data from 4 magnetometer located in the equatorial region. The results showed that only the oscillations that occurred in the zonal winds in February-March, May-June, August, and October-November, are compatible with the ultra-fast Kelvin wave propagation. The vertical phase structure was descendent, compatible with ascending wave energy, and vertical wavelengths of about 45 km were found for in the rst, second and fourth events, the third event 62 km. The results showed quasi-simultaneous 3-4 day oscillation in the geomagnetic eld and in the MLT winds, in which the of propagation is eastward, it can be interpreted as due to ultra-fast Kelvin wave, except for the third event that showed westward propagation. The parameter that appears to be a a ected is the dynamo electric eld.

Incoherent scatter radar (ISR) measurements were used in conjunction with plasma simulations to study two micro-scale plasma processes that commonly occur in the auroral ionosphere. These are 1) ion acoustic turbulence and 2) Langmuir turbulence. Through an ISR experiment we investigated the dependence of ion acoustic turbulence on magnetic aspect angle. The results showed a very strong aspect angle sensitivity which could be utilized to classify the turbulence according to allowable generation mechanisms and sources of free energy. In addition, this work presents results that led to the discovery of a new type of ISR echo, explained as a signature of cavitating Langmuir turbulence. A number of incoherent scatter radar experiments, exploiting a variety of beam and pulse patterns, were designed or revisited to investigate the Langmuir turbulence underlying the radar echoes. The experimental results revealed that Langmuir turbulence is a common feature of the auroral ionosphere. The experimental efforts also led to uncovering a relationship between Langmuir turbulence and one type of natural electromagnetic emission that is sometimes detected on the ground, so-called “medium frequency burst”, providing an explanation for the generation mechanism of these emissions. In an attempt to gain insights into the source mechanism underlying Langmuir turbulence, 1-dimensional Zakharov simulations were employed to study the interactions of ionospheric electron beams with a broad range of parameters with the background plasma at the F region peak. A variety of processes were observed, ranging from a cascade of parametric decays, to formation of stationary wave packets and density cavities in the condensate region, and to direct nucleation and collapse at the initial stage of the turbulence. The simulation results were then compared with the ISR measurements where inconsistencies were found in the spectral details and intensity of the simulated and measured Langmuir turbulence echoes, suggesting the possibility that the direct energy for the turbulence was provided by unstable low-energy (5 − 20 eV) electron populations produced locally in the F region of the ionosphere rather than by electron beams originating from the magnetosphere.

This thesis describes an analysis of the F1 layer data obtained from the Grahamstown (33.32°S, 26.500 E), South Africa ionospheric station and the use of this data in improving a Neural Network (NN) based model of the F1 layer of the ionosphere. An application for real-time ray tracing through the South African ionosphere was identified, and for this application real-time evaluation of the electron density profile is essential. Raw real-time virtual height data are provided by a Lowell Digisonde (DPS), which employs the automatic scaling software, ARTIST whose output includes the virtual-toreal height data conversion. Experience has shown that there are times when the ray tracing performance is degraded because of difficulties surrounding the real-time characterization of the F1 region by ARTIST. Therefore available DPS data from the archives of the Grahamstown station were re-scaled manually in order to establish the extent of the problem and the times and conditions under which most inaccuracies occur. The re-scaled data were used to update the F1 contribution of an existing NN based ionospheric model, the LAM model, which predicts the values of the parameters required to produce an electron density profile. This thesis describes the development of three separate NNs required to predict the ionospheric characteristics and coefficients that are required to describe the F1 layer profile. Inputs to the NNs include day number, hour and measures of solar and magnetic activity. Outputs include the value of the critical frequency of the F1 layer, foF1, the real height of reflection at the peak, hmFl, as well as information on the state of the F1 layer. All data from the Grahamstown station from 1973 to 2003 was used to train these NNs. Tests show that the predictive ability of the LAM model has been improved by incorporating the re-scaled data.

A ionosfera é uma das principais fontes de erro sistemático das observáveis GPS (Global Positioning System - Sistema de Posicionamento Global), pois, por ser um meio dispersivo, ela afeta a propagação de ondas eletromagnéticas, fazendo com que a modulação e a fase das ondas portadoras transmitidas pelos satélites GPS sofram, respectivamente, um retardo e um avanço, o que, por sua vez, provoca um erro na distância medida entre o satélite e o receptor. Esse erro é inversamente proporcional ao quadrado da freqüência do sinal e diretamente proporcional ao TEC (Total Electron Content - Conteúdo Total de Elétrons), ou seja, à densidade de elétrons presentes na ionosfera ao longo do caminho entre o satélite e a antena receptora. O TEC sofre variações regulares, cujo comportamento pode ser verificado ao longo do dia, ao longo das estações do ano e também ao longo de ciclos de aproximadamente onze anos (associados à ocorrência de manchas solares). Além dessas variações, eventos solares extremos (explosões solares, ejeções coronais de massa, entre outros) podem causar abruptas e significativas mudanças no comportamento do TEC, exercendo grande influência no posicionamento com GPS, principalmente com receptores de uma freqüência. No Brasil, o fator ionosfera é ainda mais relevante, pois essa região é afetada por fenômenos como a Anomalia Equatorial (AE), a Anomalia Magnética do Atlântico Sul (AMAS) e até mesmo pela ocorrência de irregularidades ionosféricas. Pretendendo aprofundar o entendimento da relação entre a ionosfera e o posicionamento com GPS na região brasileira, essa pesquisa analisou dados de TEC e dados de GPS em períodos de alta e baixa atividade solar, bem como em um período geomagneticamente perturbado. Os resultados demonstraram uma relação direta entre a redução do TEC, no período de baixa atividade solar, e a melhora no posicionamento com GPS. Essa melhora se traduziu, no posicionamento por ponto, por uma redução de 59% no erro planimétrico e 64% no erro altimétrico e, no posicionamento relativo, por uma redução de 65% no erro planimétrico e 63% no erro altimétrico. Já durante o período afetado por uma severa tempestade geomagnética verificou-se um comportamento completamente atípico da ionosfera, piorando muitos os resultados do posicionamento relativo, em horários e locais inesperados. / The ionosphere is one of the main sources of systemathic error of the observable GPS (Global Positioning System) because as it is a dispersive environment it affects the propagation of electromagnetics waves making the modulation and the phase of signals transmitted by GPS sattelites go through, respectivelly, delay and advance which will cause an error in the measure of the distance between the sattelite and the receptor. This error is inversely proportional to the square of the frequency of the signal and directly proportional to the TEC (Total Electron Content), what means the density of electrons on the ionosphere between the sattelite and the reception antenna. The TEC goes through regular variances, which behaviour can be verified during the day, throughout seasons and also throughout cycles of approximately eleven years (related to the ocorrence of sunspot). Besides these variances, extreme solar events such as solar flares and coronal mass ejection may cause abrupt and significant changes to TEC behavior, exerting big influence in GPS positioning, mainly to monofrequency receptors. In Brazil, the ionosphere factor is even more relevant because this region is affected by phenomena such as the Equatorial Anomaly (EA), the South Atlantic Magnetic Anomaly (SAMA) and even by the ocorrence of ionospheric irregularities. In order to develop knowledge about the relation between ionosphere and GPS positioning in Brazil, on this research TEC and GPS data were analised in periods of high and low solar activity, as well as in a geomagnetic perturbed period. The results showed direct relation between the decreasing of TEC, in the low solar activity period, and the improving of GPS positioning. This improving has resulted in a reduction of 59% in the planimetric error and 64% in the altimetric error in the point positioning and a reduction of 65% in the planimetric error and 63% in the altimetric error in the relative positioning. During the period affected by a severe geomagnetic storm, a completely atypical behavior was identified in the ionosphere, making the results of the relative positioning much worse in unexpected times and locations.