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

An Attempt to Analyse Baarda’s Iterative Data Snooping Procedure based on Monte Carlo Simulation

William Sealy Gosset, otherwise known as “Student”, Fisher's disciple, was one of the pioneers in the development of modern statistical method and its application to the design and analysis of experiments. Although there were no computers in his time, he discovered the form of the “t distribution” by a combination of mathematical and empirical work with random numbers. This is now known as an early application of the Monte Carlo simulation. Today with the fast computers and large data storage systems, the probabilities distribution can be estimated using computerized simulation. Here, we use Monte Carlo simulation to investigate the efficiency of the Baarda’s iterative data snooping procedure as test statistic for outlier identification in the Gauss-Markov model. We highlight that the iterative data snooping procedure can identify more observations than real number of outliers simulated. It has a deserved attention in this work. The available probability of over-identification allows enhancing the probability of type III error as well as probably the outlier identifiability. With this approach, considering the analysed network, in general, the significance level of 0.001 was the best scenario to not make mistake of excluding wrong observation. Thus, the data snooping procedure was more realistic when the over-identifications case is considered in the simulation. In the end, we concluded that for GNSS network that the iterative data snooping procedure based on Monte Carlo can locate an outlier in the order of magnitude 4.5σ with high success rate

PROPOSTA DE MÉTODO DE REDE GNSS POR PPP E ANÁLISE DE CONFIABILIDADE

Embora o método de posicionamento GNSS tradicionalmente utilizado em redes geodésicas seja o relativo. O nível de acurácia obtido com o método de Posicionamento por Ponto Preciso (PPP) abre uma nova perspectiva. No PPP são utilizados dados de apenas um receptor GNSS e é fundamental o uso de efemérides e correções dos relógios dos satélites, ambas com alta precisão. Neste artigo é apresentada uma metodologia de desenvolvimento de rede utilizando dados GNSS processados pelo método de PPP e a verificação da sua potencialidade em aplicações geodésicas. Os dados utilizados são de estações GNSS pertencentes à RBMC/IBGE. O serviço de processamento de PPP utilizado é o fornecido pelo IBGE. A partir dos resultados foram feitas análises para verificar a aplicabilidade da metodologia descrita em rede com dados GNSS de 24, 6 e 4 horas de rastreio. Após o ajustamento, os testes global e data snooping foram aplicados e também foi analisada a confiabilidade da rede com o objetivo de avaliar o método proposto, além de verificar a influência do tempo de rastreio nos resultados

Posicionamento relativo estático com receptor GPS de navegação

O uso convencional de um receptor GPS de navegação possibilita obter normalmente posições com precisão métrica, no qual o receptor faz uso da pseudodistância (C/A) para realizar o posicionamento por ponto (absoluto) simples. O receptor não armazena as informações provenientes de pseudodistância e fase da onda portadora em L1, impossibilitando um pós-processamento utilizando métodos mais precisos de posicionamento, como é o caso do posicionamento relativo. Este trabalho apresenta um protótipo capaz de coletar e armazenar as observações de pseudodistância e fase da onda portadora recebidas por um receptor GPS de navegação. O protótipo é uma alternativa de baixo custo para o posicionamento por GPS devido a maneira que é concebido. Após a coleta em campo, um aplicativo computacional livre específico é utilizado para extrair as informações advindas dos sinais dos satélites GPS e armazená-las em um arquivo digital. A seguir, este arquivo é transformado com o uso de outro programa livre para o formato RINEX, possibilitando realizar o processamento dos dados utilizando o método de posicionamento relativo. Os resultados obtidos do posicionamento relativo estático com linhas-base curtas utilizando os dados do protótipo desenvolvido conseguiram, na maioria dos casos, obterem qualidade decimétrica e centimétrica, quando comparados aos resultados advindos de um receptor Topográfico. Como ponto base do posicionamento relativo foi utilizada a estação POAL da RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo), cujos dados são disponíveis gratuitamente pelo IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística)

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

COMO ESTIMAR O PODER DO TESTE MÍNIMO E VALORES LIMITES PARA O INTERVALO DE CONFIANÇA DO DATA SNOOPING.

O Data Snooping (DS) é o método mais bem estabelecido para identificar errosgrosseiros (outliers) em dados geodésicos, com uma determinada probabilidade. O poder do teste do DS é a probabilidade deste identificar corretamente um erro grosseiro, enquanto o intervalo de confiança do DS é a probabilidade deste não rejeitar uma observação não contaminada por erro grosseiro. Na prática, o poder do teste é sempre desconhecido. Desta forma, o objetivo deste trabalho é apresentar uma revisão teórica sobre como determinar o poder do teste mínimo e valores limites para o intervalo de confiança do DS, em um cenário n-dimensional, ou seja, considerando todas as observações envolvidas. Além da revisão teórica, um exemplo numérico envolvendo uma rede de nivelamento geométrico simulada é apresentado. Os resultados obtidos nos experimentos foram concordantes com os valores teóricos previamente calculados, ou seja, a metodologia revista apresentou desempenho satisfatório na prática. O exemplo apresentado também evidencia a  importância da metodologia revista na etapa de planejamento (ou pré-análise) de redes geodésicas

Sobre o novo modelo do geopotencial EGM2008

A determinação do campo de gravidade tem provado ser uma tarefa formidável. Atualmente, os dados coletados a partir de uma dezena de satélites são utilizados para determinar o campo de gravidade da Terra, que contém informações importantes para o conhecimento da forma, da estrutura e dos processos dinâmicos que ocorrem no interior do planeta. Nos últimos anos, os satélites artificiais, o desenvolvimento de novos algoritmos e a evolução da informática, possibilitaram o processamento dessas informações com extraordinária rapidez, e estão alterando a coleta e a integração de dados geodésicos, permitindo ampliar a resolução e a escala da representação do campo de gravidade. Atualmente, esses integram os sistemas de referência geodésicos e vem sendo usados como esferóides combinados com dados locais para a representação do campo de gravidade anômalo de alta resolução. A eficiência desses modelos depende da técnica e dos dados utilizados no calculo dos coeficientes. A comunidade cientifica aguardava a substituição do modelo do geopotencial Earth Gravitational Model 1996 (EGM96), que contém coeficientes do potencial gravitacional expresso em harmônicos esféricos até o grau e ordem 360, o que significa uma resolução espacial de 30 minutos de arco Em razão dos dados provenientes, principalmente, das missões CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload), e GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), que foi possível o conhecimento do comportamento do campo de gravidade com maior resolução e exatidão. Permitindo assim, o lançamento de uma dezena de modelos do geopotencial a partir dos dados coletados dessas missões. Entre eles, está o modelo geopotencial Earth Gravitational Model 2008 (EGM2008), divulgado na ultima Assembléia Geral da União Européia de Geociências em 2008 (European Geosciences Union - General Assembly 2008), ocorrida em Viena na Áustria. O EGM2008 contém coeficientes do potencial gravitacional expresso em harmônicos esféricos até o grau 2160, o que significa uma resolução espacial aproximada de 5’ minutos de arco

Posicionamento por GPS na Região Brasileira Durante a Intensa Tempestade Geomagnética de 29 de Outubro de 2003

The error due to the ionosphere in the GPS observables depends on the 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. However, the TEC can suffer abrupt modifications in its behavior due to the occurrence of intense magnetic storm. On 28 October 2003, at 1110 UT, a major solar flare took place from a sunspot directly in line with the Earth. A coronal mass ejection was observed to leave the Sun in the direction of the Earth, causing an intense magnetic storm that started at 0611 UT of the following day. In this paper, GPS data from RBMC and IGS network and Digisonde data were used, to analyze the influence of the intense magnetic storm that occurred on October 29, 2003 in the behavior of TEC and in the performance of the point positioning in the Brazilian regionThe error due to the ionosphere in the GPS observables depends on the 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. However, the TEC can suffer abrupt modifications in its behavior due to the occurrence of intense magnetic storm. On 28 October 2003, at 1110 UT, a major solar flare took place from a sunspot directly in line with the Earth. A coronal mass ejection was observed to leave the Sun in the direction of the Earth, causing an intense magnetic storm that started at 0611 UT of the following day. In this paper, GPS data from RBMC and IGS network and Digisonde data were used, to analyze the influence of the intense magnetic storm that occurred on October 29, 2003 in the behavior of TEC and in the performance of the point positioning in the Brazilian regio

Analysis of on-line PPP service (GDGPS - APPS) for Dual-frequency Receivers: a study involving data from RBMC stations

O PPP (Posicionamento por Ponto Preciso) é um método de posicionamento por GNSS (Global Navigation Satellite System) que vem sendo amplamente utilizado graças aos serviços on-line de processamento, muitos deles disponibilizados de forma gratuita. O PPP requer fundamentalmente dados GNSS de um único receptor e o emprego de efemérides e correções precisas do relógio dos satélites. Um dos serviços on-line de processamento PPP é o APPS (Automatic Precise Positioning Service), disponibilizado de maneira pós-processada pela NASA e derivado do GDGPS (Global Differential GPS), um sistema de monitoramento GPS (Global Positioning System) em tempo real, com mais de 100 estações de monitoramento contínuo e distribuídas globalmente. Neste artigo, foi avaliado o serviço APPS processando dados GPS correspondentes a um período de 30 dias em duas estações do sul e norte do Brasil (POAL-Porto Alegre/RS, e IMPZ-Imperatriz/MA), pertencentes à rede oficial do referencial SIRGAS. Cada arquivo diário continha 24 horas de observações, com taxa de coleta de 15 segundos, e foram processados tempos de rastreio de 2, 4, 6 e 24 horas para cada arquivo. As coordenadas diárias destas estações, estimadas pelo serviço APPS, foram atualizadas para a época de referência do SIRGAS2000 (2000,4) e comparadas com as coordenadas oficiais das estações. As discrepâncias (para o tempo de rastreio de 24 horas) apresentaram erro médio quadrático inferior a 2 cm para as duas estações, tanto na componente vertical, quanto na resultante horizontal, evidenciando o potencial de uso do serviço PPP/APPS em aplicações de alta acurácia, como, por exemplo, em estudos geodinâmicos. Em relação à melhora da exatidão com o aumento do tempo de rastreio, uma ocupação de 4 horas se mostra a mais vantajosa, segundo o estudo realizado (para ambas as estações, as variâncias dos erros são estatisticamente semelhantes para os tempos de rastreio de 4 e 6 horas). Palavras-chave: GPS, GDGPS, Posicionamento por Ponto Preciso, APPS.The PPP (Precise Point Positioning) is a positioning method by GNSS (Global Navigation Satellite System) that has gained great popularity, due to on-line services for processing, most of them available for free. The PPP requires GNSS data from a unique receiver and the use of precise ephemeris and corrections. One of these freely available on-line PPP processing services is the APPS (Automatic Precise Positioning Service), a post-processed mode from NASA, and derivated from GDGPS (Global Differential GPS), which is a real-time GPS monitoring system with more than 100 globally distributed stations. This paper is focused on the evaluation of the APPS processing service to GPS data corresponding to a period of 30 days from the Brazilian stations POAL and IMPZ, respectively located in the South and North of Brazil, which belong to the official network of SIRGAS reference system. Each daily file contains 24 hours of observations with collection rate of 15 seconds, and it was processed time tracking of 2, 4, 6 and 24 hours. The daily coordinates of these stations, estimated by the PPP, have been updated to the SIRGAS2000 reference’s epoch (2000,4), and compared with the official station coordinates. The discrepancies to a time tracking of 24 hours showed root mean square error less than 2 cm, both in planimetry and altimetry, which attests the potential use of PPP/APPS in high-accuracy applications, as geodynamic studies. It also shows an improve of accuracy of few millimeters when the time tracking increases to four hours, and minor or statically similar error variances when the time was six hours. Key words: GPS, GDGPS, Precise Point Positioning, APPS

TEORIA DE CONFIABILIDADE GENERALIZADA PARA MÚLTIPLOS OUTLIERS: APRESENTAÇÃO, DISCUSSÃO E COMPARAÇÃO COM A TEORIA CONVENCIONAL

Após o ajustamento de observações pelo método dos mínimos quadrados (MMQ) ter sido realizado, é possível a detecção e a identificação de erros não aleatórios nas observações, por meio de testes estatísticos. A teoria da confiabilidade faz uso de medidas adequadas para quantificar o menor erro detectável em uma observação, e a sua influência sobre os parâmetros ajustados, quando não detectado. A teoria de confiabilidade convencional foi desenvolvida para os procedimentos de teste convencionais, como o data snooping, que pressupõem que apenas uma observação está contaminada por erros grosseiros por vez. Recentemente  foram desenvolvidas medidas de confiabilidade generalizadas, relativas a testes estatísticos que pressupõem a existência, simultânea, de múltiplas observações com erros (outliers). O objetivo deste trabalho é apresentar, aplicar e discutir a teoria de confiabilidade generalizada para múltiplos  outliers. Além da formulação teórica, este artigo também apresenta experimentos realizados em uma rede GPS (Global Positioning System), onde erros propositais foram inseridos em algumas observações e medidas de confiabilidade e testes estatísticos foram calculados utilizando a abordagem para múltiplos  outliers. Comparações com a teoria de confiabilidade convencional também são realizadas. Por fim, apresentam-se as discussões e conclusões obtidas com estes experimentos.