Quality of TEC Estimated with Mod_Ion Using GPS and GLONASS Data

One of the largest sources of error in positioning and navigation with GNSS is the ionosphere, and the associated error is directly proportional to the TEC and inversely proportional to the square of the signal frequency that propagates through the ionosphere. The equatorial region, especially in Brazil, is where the highest spatial and temporal value variations of the TEC are seen, and where these various features of the ionosphere, such as the equatorial anomaly and scintillation, can be found. Thus, the development and assessments of ionospheric models are important. In this paper, the quality of the TEC was evaluated, as well as the systematic error in the L1 carrier and the inter-frequency biases of satellites and receivers estimated with the Mod_Ion, observable from GPS and integration with the GLONASS, collected with dual frequency receivers

Efeitos da ionosfera nas observáveis GPS e no posicionamento por ponto na Região Brasileira : revisão e síntese das investigações realizadas

Em especial na região brasileira e em períodos de alta atividade solar a ionosfera é uma das principais fontes de erro no posicionamento com GPS, afetando principalmente os usuários de receptores de uma freqüência. O erro devido à ionosfera nas observáveis GPS é diretamente proporcional ao TEC (Total Electron Content – Conteúdo Total de Elétrons) presente na trajetória do sinal entre o satélite e a antena receptora. No Brasil estão presentes altos valores de TEC e alta variação temporal e espacial, o que faz com que o estudo de seu comportamento seja de suma importância para o entendimento de seus efeitos no posicionamento. Além disso, é comum no Brasil a ocorrência de irregularidades ionosféricas que afetam o rastreio dos sinais GPS, podendo causar até perdas do sinal. Diversos estudos nessa linha têm sido realizados pelos autores nos últimos anos. Neste capítulo são apresentadas uma revisão sobre os efeitos da ionosfera e uma síntese dos resultados de pesquisas referentes ao estudo do comportamento do TEC na região brasileira e dos efeitos no posicionamento por ponto em um local de forte influência da ionosfera brasileira

Modelo regional da ionosfera para uso em posicionamento com receptores GPS de uma freüência

Orientadores: João Francisco Galera Monico, Luiz Danilo Damasceno FerreiraTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciencias da Terra, Programa de Pós-Graduaçao em Ciências GeodésicasResumo: A maior fonte de erro no posicionamento e navegação com GPS, na ausência da disponibilidade seletiva (SA), é devida à refração ionosférica. Seu efeito causa um atraso no código e avanço na fase, de uma mesma quantidade. A magnitude desse erro é afetada pelo movimento diurno do sol, estação do ano, ciclo solar, localização geográfica do receptor e campo magnético da Terra. Como é bem conhecido, o efeito sistemático provocado pela ionosfera é o principal fator limitante no posicionamento de precisão, quando se utilizam receptores de uma freqüência, quer seja no posicionamento por ponto ou no posicionamento relativo de linhas-base médias e longas. Um modelo representado pela série do tipo de Fourier foi implementado e os parâmetros estimados, a partir de dados coletados pelas estações ativas da RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo dos Satélites GPS). Os dados de entrada do modelo podem ser as observáveis pseudodistâncias, pseudodistâncias filtradas pelas fases das portadoras ou fase das portadoras, coletadas nas portadoras Li e L2. Controle de qualidade baseado no teste estatístico Qui-quadrado (%) foi implementado para a análise da qualidade do ajustamento, bem como o teste de significância dos parâmetros, com o objetivo de validar os coeficientes da série. As observáveis pseudodistâncias filtradas pelas fases das portadoras proporcionaram parâmetros com melhor precisão. Experimentos foram realizados no Brasil, usando dados coletados com receptores de dupla freqüência. A fim de validar o modelo, valores estimados para as coordenadas de algumas estações de referências foram comparados com os considerados verdadeiros. Para o posicionamento por ponto, foram consideradas como valores verdadeiros as coordenadas conhecidas da estação. Já no relativo, consideraram-se as coordenadas obtidas, a partir do processamento da combinação linear livre do efeito da ionosfera. As discrepâncias em relação aos valores considerados verdadeiros indicaram uma redução do erro, em média, da ordem de 80,7% e 41,7%, respectivamente, para o posicionamento por ponto e relativo de linhas de base entre 10 km e 215 km. Estes resultados indicam que mais pesquisas devem ser realizadas, a fim de prover suporte aos usuários de receptores GPS de uma freqüência, necessitando de realizar posicionamento relativo. Porém, no posicionamento por ponto, os resultados proporcionaram discrepâncias da ordem de 1 (um) metro para as coordenadas cartesianas, o que mostra a potencialidade do modelo.Abstract: The largest error source in the positioning and navigation with GPS, in the absence of the selective availability (SA), is due to the ionospheric refraction. Its effects cause code delay and phase advance, of the same amount. The magnitude of this error is affected with time of day, season, solar cycle, geographical location of the receiver and magnetic field of the Earth. As it is well known, the ionosphere is the main drawback for high accuracy positioning when using single frequency receivers either for point positioning or relative positioning of medium and long baselines. The effect of the ionosphere is investigated in the determination of point positioning and relative positioning using single frequency data. A model represented by a Fourier series type was implemented and the parameter estimated from data collected by the active stations of RBMC (Brazilian Network for Continuous Monitoring of GPS satellites). The model data input can be the pseudo range, pseudo range filtered by carrier phase or carrier phase observables, collected by both carriers, L1 and L2. Quality control based on the Chi-square (%2) statistical test was implemented for the analysis the quality of the adjustment, as well as the parameter significance test, with the objective to validate the estimated parameters of the series. The observables pseudo range filtered by carrier phase provided parameters with better precision. Experiments were carried out in Brazil, using data collected with dual frequencies receivers. In order to validate the model, the estimated values for coordinates station were compared with "ground truth". For point positioning the known coordinates of the station were considered as "ground truth". In the relative positioning the coordinates obtained by processing the ionospheric free combination were the "ground truth". The discrepancies - "ground truth" minus estimated value - indicated a reduction better than 80,7% and 41,7% respectively, for the point positioning and relative positioning of baselines ranging from 10 km to 215 km. These results give an indication that more research has to be carried in order to provide support to the single frequency GPS users, who need to realize relative positioning. However, in the point positioning, the results provided discrepancies better than 1 m for the cartesian coordinates, indicating the potentiality of the model

Real Time Modeling of the Systematic Error in GPS Observables Due to Ionosphere

Single frequency GPS receivers have been many used in GPS surveys. Among the several applications, one can mention those that are to obtain the receiver's antenna coordinates in real time. One of the main error sources to these applications is the ionosphere systematic error. In the FCT/UNESP a regional ionosphere model (Mod_Ion) was developed. It has been implemented to execute after collecting of GPS data. At real time applications two improvements in the Mod_Ion were introduced, consisting of an alteration of the function of modeling and implementation of the Kalman Filter. The results of the experiments showed that the modifications were the most effective in the ionosphere systematic effects corrections, providing a improvement in the accuracy of point positioning, of 90,75%, in period of the highest ionosphere activity.Os receptores GPS de uma freqüência são muito utilizados nos trabalhos de posicionamento com GPS. Dentre as diversas aplicações, pode-se citar aquelas em que é de interesse obter as coordenadas da antena do receptor em tempo real. Uma das maiores fontes de erro para estas aplicações é o efeito devido à ionosfera. No Departamento de Cartografia da FCT/UNESP foi desenvolvido o modelo da ionosfera (Mod_Ion) que está implementado para ser executado após a coleta dos dados GPS. Para aplicações em tempo real foram introduzidas duas melhorias no Mod_Ion, que consistiram na alteração da função de modelagem e implementação do Filtro de Kalman. Os resultados dos experimentos mostraram que as modificações foram eficazes na correção do efeito sistemático devido à ionosfera, chegando a proporcionar uma melhora na acurácia resultante do posicionamento por ponto em tempo real, de 90,75%, no período diário de máxima atividade da ionosfera

CORREÇÃO IONOSFÉRICA UTILIZANDO OS MAPAS GLOBAIS DO TEC DO IGS: Avaliação no posicionamento por ponto na região brasileira

One of the main drawbacks of the GPS accuracy for L1 users is the error due toionosphere. This error depends on the total electron content presents in theionosphere, as well as of the carrier frequency. Some models have been developedto correct GPS observables of the systematic error due to the ionosphere. The modelmore known and used is the Klobuchar model, which corrected 50-60% of theionospheric error approximately. Alternatively, IGS (International GNSS Service)also has developed a model called Global Ionospheric Map (GIM). These maps, informat IONEX, are available in the site of the IGS, and one of the applications ofthem is to correct the GPS observables of the error due to ionosphere. This workaims at evaluating the quality of GPS point positioning using the IGS ionosphericmodel in the Brazilian region. Tests carried out had shown an average improvementin the horizontal and vertical determination of 72% and 26%, respectively, whenGIM is used in the point positioning.Um dos principais fatores que limita a acurácia do posicionamento com receptoresGPS de uma freqüência é o erro devido à ionosfera. Este erro é proporcional aoconteúdo total de elétrons presente na ionosfera e inversamente proporcional aoquadrado da freqüência do sinal. Alguns modelos têm sido desenvolvidos para acorreção das observáveis GPS do erro sistemático devido à ionosfera. O exemplomais conhecido e utilizado é o modelo de Klobuchar que corrigi algo em torno de50 a 60% do erro ionosférico. Alternativamente, o IGS (International GNSSService) também possui um modelo conhecido como Mapa Global da Ionosfera(GIM – Global Ionospheric Map). Estes mapas são disponibilizados gratuitamentepelo IGS na internet a partir de arquivos no formato IONEX e, uma das aplicações,é utilizá-los para realizar a correção das observáveis GPS do erro devido àionosfera. Este trabalho tem como objetivo avaliar a qualidade do posicionamentopor ponto utilizando as pseudodistâncias corrigidas do efeito da ionosfera, a partirdos arquivos IONEX do IGS, para a região brasileira. Os experimentos realizadosmostraram uma melhora média na determinação planimétrica de 26% e na altitudegeométrica de 72%, quando utilizado o modelo da ionosfera do IGS

RESOLUÇÃO ESPACIAL DA GRADE IONOSFÉRICA E DO GIVE

O estado da arte na modelagem da ionosfera está em desenvolver e/ou aprimorarmétodos capazes de fornecer aos usuários do GNSS correções ionosféricasconfiáveis, em tempo real e utilizando estruturas simples de transmissão de dados.Dentro desta necessidade e com o surgimento dos sistemas de apoio à navegação, talcomo os SBASs (Satellite Based Augmentation Systems), esforços estão voltadosem fornecer informações de correções do erro sistemático da ionosfera utilizandouma estrutura de grade regular de pontos. Além disto, esforços também vêm sendodirecionados para corrigir a limitação na performance dos atuais métodos degeração de grade ionosférica em regiões equatoriais. Neste contexto, num trabalhopioneiro no Brasil, foi proposto um método para a geração da Grade Ionosférica(GI) e seu nível de confiança (GIVE – Grid Ionospheric Vertical Error) a fim demelhorar a acurácia de posicionamento e navegação pelo GNSS, além de forneceruma ferramenta que possa ser utilizada na área de estudos da ionosfera. Estetrabalho apresenta uma análise para definir a resolução espacial mais viável para aGI e para o GIVE, bem como o impacto da distribuição das estações de referênciana definição de tal resolução

ESTIMATION AND ANALYSIS OF PROTECTION LEVELS FOR PRECISE APPROACH AT RIO DE JANEIRO INTERNATIONAL AIRPORT USING REAL TIME σVIG FOR EACH GPS AND GLONASS SATELLITE

Determinations of the vertical ionospheric gradient standard deviation (σvig) in real time to each Global Positioning System (GPS) and Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (GLONASS) satellite available in Ground-Based Augmentation System (GBAS) of the Rio de Janeiro International Airport (SBGL) were used in the estimates of Horizontal and Vertical Protection Level (HPL/VPL). For this purpose two software were developed: MoR_Ion_RT (real time ionospheric threat assessment for GBAS in Brazil) and SBGL_PL (calculation of SBGL HPL/VPL), whose methods and equations are presented in this paper. Since such determinations transmit the real ionospheric condition at the time of an approaching aircraft, they also allow performing the screening of the data, based on the Conterminous United States (CONUS) Threat Model threshold. Experiments carried out indicate that it is possible to attend CAT-I during the autumn (most affected season) at SBGL using GPS or GLONASS satellites, provided that the restrictions established by a temporal ionospheric threat model developed for the region are applied (avoid satellites with elevations between 10° and 37°). It was also found that the use of GLONASS in conjunction with GPS satellites makes it possible to meet CAT-III Horizontal and Vertical Alert Limit (HAL/VAL), since it has a better geometric configuration

MODELAGEM DE DISTORÇÕES ENTRE SAD 69 E SIRGAS 2000 PELO MÉTODO DE SHEPARD E GRADES REGULARES

Brazil follows the tendency of some countries to update and/or review their fundamental geodetic network. The adoption of geocentric referentials like SIRGAS 2000, the new official reference system of the Geodetic Brazilian System has been an advance. Changes in referential implies in coordinates changes on the network stations as well as the network geometry. To make use of analogical and digital products which are already known in the old referentials are necessary approaches to the coordinate conversion, which minimize the distortions between the used reference frames. This paper presents  a distortion modeling approach between reference frames, based on distortion grid generation by using the  Shepard’s method. To analyze the approach some experiments were performed with the generation of a 1º×1º distortion grid to model the distortions between SAD 69 (1996) and SIRGAS (2000) frames. The results in the test stations were promising, with an average reduction of 50% in the RMS coordinates after the distortions modeling.O Brasil acompanha as tendências de alguns países na atualização e/ou revisão da rede geodésica de referência. Um avanço nesse sentido tem sido a adoção de referenciais geocêntricos como o  SIRGAS2000, o novo referencial oficial do Sistema Geodésico Brasileiro (SGB). A mudança de referencial implica na alteração das coordenadas de estações que materializam a rede geodésica, bem como da sua própria geometria. Para o aproveitamento de produtos analógicos e digitais já existentes nos antigos referenciais são necessárias metodologias para conversão de coordenadas que minimizem as distorções  entre as diferentes realizações. Nesse contexto, este trabalho apresenta uma metodologia de modelagem de distorções entre realizações de sistemas geodésicos, baseada na geração de grades de distorção com utilização do método de Shepard. Para analisar a metodologia foram realizados testes com uma grade regular de espaçamento de 1º×1º na modelagem das distorções entre o sistema SAD 69 (realização de 1996) e SIRGAS (realização de 2000). Os resultados obtidos nas estações de teste foram promissores, com uma redução média de 50% no EMQ das coordenadas após a modelagem das distorções

TRANSFORMAÇÃO DE COORDENADAS COM MODELAGEM DE DISTORÇÕES ENTRE SAD69 E SIRGAS2000 COM O USO DE THIN-PLATE SPLINES

Diversos países têm passado por processos de mudança na estrutura geodésicafundamental, convergindo na adoção de referenciais geodésicos geocêntricos. NoBrasil, a adoção do SIRGAS2000 envolve a existência conjunta de duas realizaçõesdo sistema Córrego Alegre, duas realizações do sistema SAD69 e uma realização dosistema SIRGAS2000. Para o aproveitamento de produtos nos referenciais antigossão necessários métodos para transformação de coordenadas entre os referenciaisexistentes. Neste contexto, este artigo apresenta uma solução para a transformaçãode coordenadas entre referenciais, baseado em Thin-Plate Splines (TPS), que reúnecaracterísticas para a modelagem de dados provenientes de uma transformaçãolinear, juntamente com distorções de natureza não linear. O modelo foidesenvolvido para trabalhar com coordenadas cartesianas tridimensionais, sendoapresentados neste artigo resultados com dados simulados bem como com dados doSGB (Sistema Geodésico Brasileiro). Em pontos de verificação em SAD69(realização de 1996 - SAD69/96) foram obtidos valores de RMSE (Root MeanSquare Error) de 78,2 mm em latitude e 67,5 mm em longitude após a transformação para SIRGAS2000. Na comparação entre o modelo TPS e oproporcionado pelo ProGriD os indicadores estatísticos foram reduzidos em 97% aoutilizar o modelo TPS, indicando que o uso deste modelo é promissor,possibilitando uma maior qualidade no processo de transformação de coordenadas emodelagem da distorção entre referenciais geodésicos