A influência da ionosfera no posicionamento por ponto preciso pelo gps

Dependendo do método utilizado, sua precisão pode variar. O GNSS faz uma espécie de trajeto para localizar o usuário, “através de cálculos envolvendo o número de satélites, com cada satélite enviando um código em específicos intervalos, é possível então o aparelho transformar estas informações em posição, velocidade e tempo. ” [1] Técnicas estão sendo utilizadas para melhorar as precisões, por exemplo o método posicionamento por ponto preciso, o qual pode reduzir a variação da precisão de metros para centímetros. O sistema GPS Em 1973 iniciou-se o desenvolvimento do Global Positioning System (GPS), projetado pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América (EUA) para oferecer a posição instantânea, bem como a velocidade e o horário de um ponto qualquer sobre a superfície terrestre ou bem próxima a ela num referencial tridimensional.

Foi criado visando ser o principal sistema de navegação das Forças Armadas norte-americanas. Todos os satélites têm um número específico para serem identificados, mas transmitem na mesma frequência. Esta técnica é chamada de Code Division Multiple Access. Os erros envolvidos no GPS Os erros nos dados e na transmissão estão relacionados aos efeitos da Ionosfera, erros do satélite, órbitas da Terra, ações da atmosfera e erros no relógio do receptor. Fontes de erro como do satélite, propagação do sinal, receptor ou antena e a própria estação. Tabela 2 – Tabela de erros em satélite Os erros podem ser parametrizados, reduzidos e até eliminados fazendo uso de técnicas específicas. Erros com base na relatividade Estão relacionados também a propagação de sinal e relógios dos receptores.

Pelo fato de receptores terrestres e satélites estarem em campos gravitacionais e velocidades diferentes, um erro de frequência aparente é formado. No processamento com uso do método relativo os efeitos podem ser ignorados. Erros com base no centro de fase da antena do satélite O centro de fase não é o mesmo que o centro de massa do satélite, isso faz com que seja necessária a localização de um em relação ao outro para que seja calculada a órbita com alta precisão. O uso de dados calculados pela base pode ser acessado para evitar erros deste tipo. Erro com base na refração ionosférica A intensidade do erro está relacionada à quantidade de TEC (Total Electron Contents), outro problema é devido a variação desta quantidade em relação ao tempo, as variações são diurnas, sazonais e de longos períodos.

A localização também tem forte relação na quantidade, pelo fato de os elétrons não ficarem em um estado homogêneo, regiões equatoriais tem maior concentração, sendo maiores ainda em localizações de latitudes geomagnéticas de mais ou menos 20 e 30 graus. Figura – Regiões da Ionosfera [5] O campo geomagnético também é um forte fator neste quesito de variação de elétrons, pois qualquer alteração no campo magnético da Terra ocasionará na mudança das condições de transporte no meio ionizado. Índices de refração para a velocidade de fase são representados por: Para que a distribuição dos elétrons e íons seja determinada são utilizados dois métodos. Por meio do processo fotoquímico, o qual depende da insolação do sol.

Erros de Rotação da Terra Como o cálculo das coordenadas do satélite tem que ser feito no momento de envio do sinal, é necessária a correção do movimento da Terra já que a rotação continuará ocorrendo e alterando as coordenadas do satélite. As coordenadas do satélite devem ser rotacionadas sobre o eixo z de um ângulo alfa. Erros entre receptor e antena Para que os erros com base no relógio dos satélites sejam reduzidos é necessário que a base de erro seja conhecida na escala de 0,000001s. Erros entre canais afetam grande parte das informações enviadas, pois quando o receptor tem mais de um canal, pode haver interferências entre os canais e para a correção o receptor deve fazer o uso de antenas de fabricantes e modelos idênticos para reduzir os problemas nos sistemas GNSS pelo fato das discrepâncias serem quase iguais.

Erro fase wind-up Uma antena com fase polarizada à direita depende da orientação da antena com relação a fonte que gera o sinal. Estes já determinados são chamados de estações de referência ou estações base. Para realizar essa análise, o usuário faz uso de dois receptores que fazem uso do mesmo satélite, levando em consideração dados de referência que tenham ótima acurácia, para não propagar o erro na análise. Pode ser feito utilizando-se de fase da onda portadora e pseudodistância, a fase é calculada através da diferença entre a fase gerada pelo satélite e sua réplica gerada pelo receptor no instante que o sinal foi recebido. A pseudodistância ou PD, calculada pelo tempo de propagação do sinal desde sua geração até a sua chegada no satélite, multiplicado pela velocidade da luz e efeitos atmosféricos e multicaminho (é o efeito realizado pelo local em que a antena se encontra, podendo ser ocasionado por reflexos do sinal em superfícies próximas).

Figura 2 – Cálculo da pseudodistância [4] 2. Para que a precisão seja elevada, modelos do IGS por exemplo, podem ser utilizados. Os parâmetros têm um tempo de precisão, no caso do IGS podem variar a cada 15 minutos. As tabelas com os valores podem ser obtidas em sites como da NASA, as precisões variam apenas em poucos centímetros. As correções para os relógios dos satélites proporcionam precisão de 1 metro ou melhor, fazendo uso de todas as variáveis e das tabelas. A Ionosfera Localizada desde 60 até 500 km de altitude, a ionosfera é uma camada da atmosfera terrestre caracterizada pela presença do conteúdo de cargas elétricas. A propagação dos sinais dependerá da frequência do sinal transmitido. Efeitos da Ionosfera A variação do quanto a Ionosfera irá afetar a qualidade dos sinais GNSS está diretamente relacionada a densidade de elétrons presentes, o qual está relacionado a ionização da atmosfera.

Essa ionização ocorre a partir da incidência da radiação solar magnética, a qual com esse contato com a atmosfera produz uma grande quantidade de elétrons e íons através do processo chamado de fotoionização, gerando então a camada Ionosfera. O que realmente afeta a propagação das informações são os elétrons livres. Quando as informações e sinais viajam pela Ionosfera, os elétrons livres presentes iram atrasar as chegadas do sinal até o receptor [13]. Entre os modelos empíricos mais utilizados cita-se também o modelo Broadcast, o qual é o mais conhecido dentro da comunidade de usuários do GPS, cujos coeficientes são transmitidos nas mensagens de navegação. Modelo Broadcast O modelo de correção do efeito da ionosfera no GPS, foi desenvolvido por Klobuchar para atender os usuários de receptores GPS de simples frequência.

O modelo também conhecido por modelo de Klobuchar foi baseado no modelo de Bent. Nesse modelo e possível calcular a correção ionosférica para da pseudodistância entre o satélite e o receptor. Os coeficientes do modelo são transmitidos pelos satélites como parte das mensagens de navegação. Dentre os modelos baseados em funções podemos citar aqueles que usam função polinomial [17], harmônicos esféricos [18], série de Fourier, entre outros. Em Matsuoka, essas 3 funções matemáticas, bem como a série de Taylor, foram testadas. Os resultados no posicionamento por ponto mostraram que as funções série de Fourier, de Taylor e a polinomial foram funcionais na correção do erro sistemático devido à ionosfera na direção vertical, proporcionando uma melhora média na acurácia da ordem de 28% para a posição horizontal e de 67% para a posição vertical [19].

Uma característica comum destes modelos é que eles mapeiam as medidas do atraso ionosférico inclinado para uma fina camada ionosférica localizada entre 300 e 450 km de altitude. Neste modelo toda a densidade de elétrons está concentrada numa fina camada ou numa única casca e que o atraso ionosférico ocorre nesta fina camada. e foi financiado pela Battlespace Environment Division of the Air Force Research Laboratory (AFRL). O PIM é baseado na climatologia teórica e fornece perfis de parâmetros, perfis da composição de íon e densidade de elétrons a partir de modelo numérico baseado na física para várias condições geofísicas. Foi desenvolvido então um modelo em tempo real denominado de PRISM (Parameterized Real-Time Ionospheric Specification Model). Utiliza o PIM com dados obtidos de fontes espaciais e terrestres para atualizar o modelo climatológico em tempo quase real.

Para a localização e condições geofísicas especificadas pelo usuário, o PIM produz perfis de densidade de elétrons para altitudes entre 90 e 2500 km [19]. Disponível em: <https://edisciplinas. usp. br/pluginfile. php/3257521/mod_resource/content/1/GPS. pdf>. G. MONICO. Método de Posicionamento Relativo por Satélite GPS com Correção do Efeito do Multicaminho em Estações de Referência: Formulação Matemática, Resultados e Análises, TEMA Tend. Mat. Apl. oma. be/html/wolfaml. html>. Acesso em: 20 jan 2019 [7] MATSUOKA, M. T. DGA, IGCE,UNESP/Rio Claro, Lab. Geomatemática, Texto Didático 10, 31 pp. Disponível em. Acesso em: 21 jan 2019 [9] LETHAM, L. GPS Made easy: using global positioning systems in the outdoors. Cambridge: Cambridge Press, 1992. p. MCNAMARA, L. F. The ionosphere: communications, surveillance, and direction finding.

org/EGS/egsga/nice01/programme/abstracts/aai5679. pdf>. Acesso em: 21 jan 2019 [14] SHKAROFSKY, I. P. Generalized Appleton-Hartree Equation for Any Degree of Ionization and Application to the Ionosphere. Acesso em: 20 jan 2019 [16] https://gipsy-oasis. jpl. nasa. gov/ Acesso em 15/01/2019 [17] KLOBUCHAR, J. A. D. Dissertation. University of Bern, Bern, Switzerland. CAMARGO, P. O. CHAO, Y. C. Real Time Implementation of the Wide Area Augmentation System for the Global Positioning System with an Emphasis on Ionospheric Modeling. f. Ph. GPS Satellite Surveying, 2 ed. John Wiley & Sons, Inc. New York, NY, EUA, 1995.