PROJETO CALIBRA MITIGAÇÃO E MODELAGEM DOS … · NO POSICIONAMENTO GNSS DE ALTA ACURÁCIA Eng. Cart. Vinícius Amadeu Stuani Pereira Mestrando do PPGCC – FCT/UNESP ... •Autor

PROJETO CALIBRA -

MITIGAÇÃO E MODELAGEM

DOS EFEITOS DA IONOSFERA

NO POSICIONAMENTO GNSS DE

ALTA ACURÁCIA

Eng. Cart. Vinícius Amadeu Stuani Pereira

Mestrando do PPGCC – FCT/UNESP

[email protected]

Reunião GEGE

19 de abril de 2013

• Graduado em Engenharia Cartográfica pela FCT/UNESP

2008 - 2012

• IC/FAPESP - “Estimativa, análise e disponibilidade de índices de

irregularidades da ionosfera utilizando dados GPS de redes ativas”

Orientador: Prof. Dr. Paulo de Oliveira Camargo

2010 - 2012

• Autor do software ION_INDEX, que disponibiliza valores e gráficos de

índices de irregularidades da ionosfera (Fp, Irot e ROTI)

download: http://www.fct.unesp.br/#!/pesquisa/grupos-de-estudo-e-pesquisa/gege/softwares/

CV

Reunião GEGE – 19 de abril de 2013 1

http://www.fct.unesp.br/









• Exemplo: estação RECF

Baixa atividade solar (novembro de 2007) e alta atividade solar (outubro de 2003)

CV


• Mestrando do PPGCC – FCT/UNESP – “Mitigação e Modelagem dos

Efeitos da Ionosfera no Posicionamento GNSS de Alta Acurácia”.

Bolsa CAPES -> FAPESP...

Orientador: Prof. Dr. Paulo de Oliveira Camargo

Co-orientador: Prof. Dr. João Francisco Galera Monico

• Um dos responsáveis pelo Projeto CALIBRA na FCT/UNESP

• GEGE Mailer

CV


• Projeto CALIBRA e Projeto de Mestrado -> concatenados

o CALIBRA

o Parceiros do projeto

o Contextualização e Definições

o Objetivos

o Metodologia

o Work Packages (WP100, 200, 300, 400, 500, 600 e 700)

o D1.4 – Deployment of New Receivers

o Cronograma

o Reuniões

o Gerenciamento

• Disciplinas

• Bolsa de Estágio de Pesquisa no Exterior (BEPE/FAPESP)

SUMÁRIO


CALIBRA


Início: novembro de 2012

Duração: 2 anos

• Trata-se de um projeto colaborativo financiado pela European GNSS

Agency, dentro do Seventh Framework Programme (FP7) da União

Europeia.

o FP7: assuntos relacionados com o transporte terrestre e aéreo, suporte ao

sistema global de navegação por satélite europeu (Galileo) e o EGNOS.

• O projeto visa estudar e desenvolver soluções comerciais aplicáveis para

mitigar o impacto dos efeitos ionosféricos (em especial a Cintilação) nas

técnicas de posicionamento GNSS de alta acurácia (pos. relat., RTK, PPP).

CALIBRA


• Resumo:

o GNSS vem proporcionando um impacto significativo no suporte às

operações onde alta acurácia é requerida, como em agricultura de precisão,

levantamentos topográficos e geodésicos, gerenciamento de terra, controle

geodésicos de estruturas...

o Métodos de posicionamento como o relativo, RTK, RTK em rede, PPP, PPP

em tempo real que exploram a precisão dos sinais GNSS, em especial a fase

da onda portadora, são os métodos principais dessas aplicações.

o Entretanto são sensíveis aos efeitos da ionosfera, os quais são dependentes

de diversas variáveis: ciclo solar, época do ano, hora local, localização

geográfica e atividade geomagnética.

CALIBRA


• Resumo:

o BR -> localizado numa das regiões mais afetada da Terra e pode ser

considerado como um local excelente para realizar testes.

o Problemas relacionados com a solução das N, crucial nos métodos de alta

acurácia, tem se manifestado, mesmo antes de se atingir o ápice do ciclo

solar 24 (2013-2014), impedindo de se obter os níveis de acurácia esperado

pela indústria e comunidade científica.

o O impacto das altas atividades solares proporciona certo risco, não só de

desabilitar o uso do GNSS, mas também de levar os usuários em não confiar

no sistema para aplicações de alta acurácia.

o Essas particularidades são relevantes para o desenvolvimento do Galileo,

principalmente para a entrada do mesmo no mercado brasileiro.

CALIBRA


• Resumo:

o O projeto visa o desenvolvimento de algoritmos para serem aplicados nas

observáveis de fase da onda portadora visando mitigar os efeitos adversos

da ionosfera, bem como contribuir para o estabelecimento do Galileo.

o Serão identificadas como essas observações e os algoritmos existentes são

degradados pelos fenômenos relacionados com a ionosfera, avaliando o

impacto no Pos. Relativo, RTK, PPP e derivados em termos de acurácia,

integridade e disponibilidade.

o A partir disto serão desenvolvidos métodos de mitigação baseados nas

evidências experimentais.

CALIBRA


PARCEIROS DO PROJETO


1

2 3

4 5

6

• GNSS

o GPS (Global Positioning System)

o GLONASS (Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema)

o Galileo

o Beidou/Compass

o Sistemas aumentados: SBAS – WASS, EGNOS..

• Há a disposição vários modelos de receptores, que podem ser de simples,

dupla e até de três frequências.

• Em aplicações onde a precisão deve ser melhor deve-se utilizar

receptores de duas ou mais frequências. Entretanto, para alguns

trabalhos, se utilizam de receptores de uma frequência devido ao baixo

custo.

CONTEXTUALIZAÇÃO E DEFINIÇÕES


• Os sinais ser afetados por vários efeitos sistemáticos, no qual se destaca

a influência da ionosfera, que por sua vez passou a ser maior fonte de

erro após a desativação da técnica SA (Selective Availability).

• TEC varia no tempo e no espaço, em razão do fluxo de ionização solar,

atividade geomagnética, ciclo de manchas solares, ângulo zenital do Sol,

estações do ano, hora local, direção do raio vetor do satélite e localização

geográfica.



A dimensão do efeito sistemático é

diretamente proporcional ao TEC, que

consiste no número total de elétrons

presente ao longo da trajetória percorrida

pelo sinal, do satélite ao receptor.

• Devido ao efeito sistemático da ionosfera sobre os sinais GNSS ser de

natureza dispersiva, então a partir de receptores de dupla frequência

pode-se eliminar o efeito de primeira ordem por meio de uma combinação

linear entre as observáveis L1 e L2 .

• Em consequência da alta radiação solar na região equatorial e aos

campos magnético e elétrico da Terra, a densidade de elétrons nesta

região sofre sensíveis efeitos, sendo uma delas denominada de efeito

fonte.

• O efeito fonte gera a anomalia equatorial, que consiste em duas faixas de

alta densidade do plasma ionosférico, localizadas nas regiões tropicais

que circulam paralelamente ao Equador magnético



• A ionosfera também provoca diversos efeitos nos sinais GNSS, onde pode-

se citar o atraso do grupo e o avanço da fase, e a variação na densidade

de elétrons provocam a Cintilação Ionosférica.

• A CI provoca variações de amplitude, de fase, no ângulo e na polarização

do sinal, quando o mesmo passa através de uma região de plasma de

densidade irregular da ionosfera.

• As CI’s são fortes nas zonas aurorais e nas regiões equatoriais durante as

noites, próximos aos equinócios de primavera e outono.

• A ocorrência da cintilação aumenta durante os períodos de alta atividade

solar.



• No Brasil, as ocorrências de cintilações são mínimas de abril a agosto e

máximas de setembro a março. Os horários de cintilação mais intensos

são limitados à uma hora, após o pôr do Sol, até aproximadamente à

meia noite local.

• Com os experimentos já realizados verifica-se que é possível, a partir de

Redes Ativas, realizar estudos do comportamento da camada ionosférica

utilizando dados GNSS coletados com receptores de dupla frequência.

• Com esses dados podem calcular o TEC, o ROT, FP, IROT, ROTI, S4, Phi60,

gerar mapas da ionosfera, que por sua vez possibilitam mitigar e modelar

os efeitos da ionosfera no posicionamento GNSS de alta acurácia.



• Devida à eminência do ápice do ciclo solar 24 (biênio 2013-2014) e ao

desenvolvimento e estabelecimento do sistema de posicionamento

europeu Galileo, principalmente com relação à disponibilização e

comercialização de receptores no território brasileiro, estudos

relacionados aos efeitos da ionosfera na propagação dos sinais GNSS são

imprescindíveis, principalmente para a obtenção de ótimos resultados

utilizando técnicas de posicionamento GNSS de alta acurácia.



• Projeto CALIBRA + Projeto de Mestrado -> mitigar os efeitos da ionosfera

no posicionamento GNSS de alta acurácia para a região brasileira, dando

enfoque a CI e aos efeitos provocados pelo ciclo solar 24, bem como o

desenvolvimento de algoritmos para modelagem dos referidos efeitos,

visando à possibilidade de contribuição para o estabelecimento do

Galileo.

• Os objetivos secundários:

o Abordar a vulnerabilidade das técnicas GNSS baseadas na fase da onda

portadora (RTK, PPP, posicionamento relativo e seus derivados), que estão

se tornando usuais no suporte de aplicações que exigem alta acurácia, tais

como: agricultura de precisão, controle geodésico de estruturas,

levantamento topográficos e geodésicos, tráfego aéreo, dentre outros;

OBJETIVOS


o Demonstrar através de experimentos que essas técnicas são

particularmente vulneráveis aos efeitos ionosféricos;

o Estudar como os efeitos ionosféricos afetam as aplicações em termos de

precisão, integridade e disponibilidade;

o Desenvolver soluções, modelagem, algoritmos, explorando o uso dos novos

sinais GNSS;

o Explorar os resultados obtidos com o Projeto CIGALA; e

o Refinar e validar soluções através de uma área de teste e também por meio

de simulações.

OBJETIVOS


METODOLOGIA


METODOLOGIA


• Primeiramente -> levantamento do estado da arte sobre os efeitos

ionosféricos na propagação dos sinais GNSS, em particular a CI.

• Estudos relacionados à camada ionosférica, como o seu comportamento

diário, sazonal e ciclos de longos anos (ciclo solar 24), anomalia

equatorial, tempestades geomagnéticas e ionosféricas, Conteúdo Total de

Elétrons dentre outros assuntos também serão abordados.

• Revisão sobre os sistemas de posicionamento que compõem o GNSS

(GPS, GLONASS, Galileo, Beidou/Compass e sistemas aumentados) será

realizada, dando enfoque principalmente às características,

configurações, sistemas de implementação, sinais, etc. do sistema de

posicionamento europeu.

METODOLOGIA


• Por fim, as técnicas GNSS de alta acurácia, tais como o posicionamento

relativo, PPP, RTK e seus derivados, serão investigadas, através do estudo

de produções e referências clássicas e também recentes, bem como

através da realização de experimentos.

• Após a parte bibliográfica, o projeto é dividido em 6 etapas:

o Etapa 1: Identificar e descrever a vulnerabilidade das técnicas GNSS,

baseadas na medida da fase da onda portadora, devido aos efeitos

ionosféricos (CI, anomalia equatorial, bolhas ionosféricas, etc.). Identificar e

descrever como esses efeitos afetam as diferentes aplicações em termos de

precisão, integridade e disponibilidade. Para esses estudos será utilizada a

Rede GNSS-SP, bem como os dados de receptores a serem implantados

pelo Projeto CALIBRA, e dados dos receptores do Projeto CIGALA.

METODOLOGIA


o Etapa 2: Compreender o comportamento dos fenômenos ionosféricos

através da degradação observada nas técnicas GNSS de alta acurácia.

Investigar o melhor local para a implantação de receptores de

monitoramento da cintilação ionosférica, com o objetivo de estabelecer uma

área de teste. Estimar valores de TEC e desenvolver modelo de cintilação

com base nos dados dos Projetos CIGALA e CALIBRA e nos dados da área de

teste.

o Etapa 3: Com base nas atividades realizadas nas etapas 1 e 2, identificar e

analisar as fraquezas dos algoritmos existentes relacionados a modelagem

dos fenômenos ionosféricos, incorporando ao mesmo tempo todos os sinais

GNSS; Projetar melhorias estratégicas em algoritmos de posicionamento e

navegação, para técnicas GNSS baseadas na fase da onda portadora

(posicionamento relativo, PPP, RTK e derivados), com o intuito de mitigar os

efeitos ionosféricos.

METODOLOGIA


o Etapa 4: Desenvolver e implementar os algoritmos de mitigação projetados

na etapa 3.

o Etapa 5: Testar todos os algoritmos projetados na etapa 3 e implementados

na etapa 4; Validar os algoritmos de mitigação através da possível

identificação de ajustes necessários e testes contra a realidade no terreno.

o Etapa 6: Redação da dissertação de Mestrado e relatório técnico do

CALIBRA, que abrangerá o estado da arte, experimentos, análises,

conclusões e recomendações a respeito do tema proposto. Além disto, no

decorrer da pesquisa os resultados obtidos serão divulgados em periódico

nacionais e internacionais e em eventos relacionados ao assunto e também

na página do GEGE e do CALIBRA.

WORK PACKAGES


WP100 – PROBLEM CHARACTERISATION


WP200 – GEOPHYSICS AND MODELLING


WP300 – ALGORITHM DEVELOPMENT


WP400 – ALGORITHM IMPLEMENTATION


WP500 – TESTING AND VALIDATION


WP600 – DISSEMINATION AND AWARENESS


WP700 – MANAGEMENT


• Investigate optimal location and deployment of new receivers, considering

model development requirements as well as network densification for

data analysis and testing/validation – UNESP leads, UNOTT, UNG, CSG,

SSN, INGV (with subcontractor ISC-CNR) involved.

D1.4 – DEPLOYMENT OF NEW RECEIVERS


CRONOGRAMA


CRONOGRAMA


a) Disciplinas e atividades complementares

b) Estado da arte do assunto objeto da pesquisa;

c) Mitigação e caracterização dos efeitos ionosféricos;

d) Comportamento dos efeitos e modelagem;

e) Desenvolvimento dos algoritmos;

f) Implementação dos algoritmos;

g) Teste e validação dos algoritmos; e

h) Redação da dissertação de Mestrado e publicação dos resultados em

periódicos e eventos nacionais e internacionais, bem como na página do

GEGE.

REUNIÕES


23/11/12

23,24/05/13

set/13

dez/13

maio/14

set/14

nov/14

GERENCIAMENTO


N° Disciplina Docente Créditos/Carga

Horária Conceito

1 Introdução as Ciências

Cartográficas Chaves e Galo 04/60 -

2 Organização do Trabalho

Científico João Fernando 04/60 -

3 Introdução a Teoria da

Estimação Aluir e Galera 04/60 -

4 Seminários do GEGE Galera e Dani 02/30 -

5 Processamentos de Dados

GNSS Galera e Dani 03/45 -

6 Análise Multivariada Vilma 06/90 -

7 Elementos de Geodésia e

Referenciais Geodésicos Chaves e Galera 05/75 (C)

8 Teoria da Estimação Paulo 04/60 -

9 Posicionamento por Satélite Galera, Dani e

Paulo 06/90 B

Total 38

10 Atividade Complementar

Estágio de Docência Paulo 3

11 Artigo 2

12 Congresso 1

Total 44

DISCIPLINAS


ESTÁGIO DE PESQUISA EM NOTTINGHAM (BEPE)


Período:

março a junho/2014

Supervisor:

Marcio Aquino

OBRIGADO


Documents

PROJETO CALIBRA MITIGAÇÃO E MODELAGEM DOS … · NO POSICIONAMENTO GNSS DE ALTA ACURÁCIA Eng. Cart. Vinícius Amadeu Stuani Pereira Mestrando do PPGCC – FCT/UNESP ... •Autor