Estimativa da umidade do solo por refletometria GNSS : uma revisão conceitual

Soil moisture monitoring enables efficient management and use of water resources, having great importance for several purposes, such as: monitoring of risk areas; delimitation of areas susceptible to flooding; geotechnical activities; and in agriculture development. GNSS Reflectometry (GNSS-R) is a scientific and technological development that allows one to perform proximal or remote sensing, depending on the antenna height concerning the surface, by means of navigation satellites. This method exploits GNSS signals indirectly reaching a receiver antenna after they are reflected on the surrounding surfaces. In this method, direct and indirect GNSS signals that reach the receiving antenna are exploited, after reflection on the surfaces existing around the antenna. The combination of these two signals causes the multipath effect, which affects GNSS observable and deteriorates positioning. On the other hand, when interacting with these reflecting surfaces one can estimate their properties. One of the main advantages of GNSS-R, when compared with the conventional methods, is the intermediate coverage area, as well as, the use of the well-defined structure of GNSS systems that guarantee appropriate temporal resolution. The scope of this paper is to present a conceptual review of GNSS-R applied to soil moisture monitoring.O monitoramento da umidade do solo possibilita o manejo e uso eficiente de recursos hídricos, sendo uma atividade importante em diversas áreas, tais como: no monitoramento de áreas de risco; delimitação de áreas suscetíveis a enchentes; atividades da geotecnia; e na agricultura. A Refletometria GNSS (GNSS-R) é um desenvolvimento científico e tecnológico que permite realizar sensoriamento remoto ou proximal, a depender da altura da antena em relação à superfície, com satélites de navegação. Neste método, explora-se os sinais GNSS que chegam à antena receptora de maneira direta e indireta, após reflexão nas superfícies existentes no entorno da antena. A combinação destes dois sinais ocasiona o efeito de multicaminho, que afeta as observáveis GNSS e deteriora o posicionamento. Por outro lado, ao interagir com estas superfícies, o sinal indireto permite estimar atributos acerca destas superfícies, como por exemplo a umidade do solo. Uma das principais vantagens em relação aos métodos convencionais reside no fato do GNSS-R proporcionar uma área de abrangência intermediária e o uso da estrutura bem estabelecida dos satélites GNSS, que garantem resolução temporal apropriada. O escopo deste trabalho é apresentar uma revisão conceitual acerca do GNSS-R aplicado no monitoramento da umidade do solo

ASSESSMENT OF NEUTRAL ATMOSPHERIC DELAY PREDICTIONS BASED ON THE TEMPORAL RESOLUTION OF AN ATMOSPHERIC MODEL

In Global Navigation Satellite Systems (GNSS), the effects of neutral atmosphere in electromagnetic signal propagation impacts directly on the quality of the final estimated position, leading to errors in the metric order. Using an atmospheric model is a good strategy to minimize these errors, because it becomes possible to obtain a neutral atmospheric delay with the same spatial and temporal resolution, taking into consideration particularities of the atmosphere treated by a numerical model. The regional model of the Center for Weather Forecasting and Climate Studies (CPTEC) used in this paper has a spatial resolution of 15 km and a temporal resolution of 3 hours. Usually, the delay prediction of 3 hours is interpolated in time to GNSS applications and this can influence the quality of the values obtained in each interpolated epoch. Higher temporal resolutions can lead to lower errors in the final position. In this paper, the quality of delay predictions is evaluated for this atmospheric model with resolutions of 6 and 3 hours. The estimated delay, derived from meteorological data in the same location as the geodetic data, is considered as “truth”. The temporal resolution of 3 hours shows better results than using 6 hours, particularly for the hydrostatic component in the initial prediction period, RMSE of 1.25 cm was reduced to 0.2 cm in NEIA station

50 anos de sinergia entre geodésia espacial e meteorologia: do erro no posicionamento GNSS a aplicações de previsão de precipitação de curtíssimo prazo

The neutral atmosphere (or troposphere) causes refraction in radio frequency signals, which results in errors in Global Navigation Satellite Systems (GNSS) measurements. In meteorology, this effect can represent important measurements of the concentration of atmospheric constituents, especially in regions where conventional high-altitude atmospheric sounding (radiosondes) cannot be performed. There are two GNSS techniques used for this. In the first one, GNSS receivers are located on terrestrial stations that provide estimates of the vertically integrated moisture content (Precipitable Water Vapor - PWV). In the second case, receivers are in space platforms, which obtains profiles of atmospheric pressure, temperature and humidity, known as GNSS radio occultation. These measurements have significant potential for nowcasting applications (30 minutes in advance) of extreme precipitation events (>35 mm). This paper presents a review of the state of the art in the synergy between Geodesy and Meteorology for modeling the neutral atmosphere (neutrosphere), its effect on GNSS positioning and in the estimation of atmospheric constituents, and their applications. Furthermore, it offers the improvements and new challenges developed in modeling the delay for high accuracy positioning.A atmosfera neutra (ou troposfera) causa refração nos sinais de radiofrequência, que resulta em erros nas medidas do Global Navigation Satellite Systems (GNSS) empregadas no posicionamento geodésico. Já para a Meteorologia esse efeito pode representar medidas importantes da concentração dos constituintes atmosféricos, principalmente em regiões onde não se pode realizar sondagem atmosférica convencional, por meio de radiossondas acopladas a balões. Duas técnicas GNSS podem ser empregadas para isso. A primeira utiliza receptores em estações terrestres que fornecem estimativas do conteúdo integrado verticalmente de umidade na atmosfera neutra (Precipitable Water Vapor - PWV). A segunda, com receptores localizados em plataformas espaciais, com os quais obtém perfis atmosféricos de pressão, temperatura e umidade, na técnica conhecida como Rádio-ocultação GNSS. Essas medidas têm um potencial significativo para aplicações em previsões de curtíssimo prazo (30 minutos) de eventos extremos de precipitação (>35 mm). O objetivo principal deste artigo é realizar uma revisão do estado da arte da sinergia entre a Geodésia e a Meteorologia na modelagem da atmosfera neutra (neutrosfera), seu efeito no posicionamento GNSS e na estimativa dos constituintes atmosféricos e suas aplicações. Além disso, apresenta os aprimoramentos e novos desafios desenvolvidos na modelagem do atraso para o posicionamento de alta acurácia

AVALIAÇÃO DAS PREVISÕES DO ATRASO ZENITAL TROPOSFÉRICO PARA A AMÉRICA DO SUL, OBTIDAS USANDO MODELO DE PREVISÃO NUMÉRICA DE TEMPO COM ALTA RESOLUÇÃO ESPACIAL

A Center for Weather Forecast and Climatic Studies of National Institute for Space Research (CPTEC/INPE) has provided to the Brazilian Geodetic community, since 2004, an alternative to correct the GNSS observables from the tropospheric refraction. Numerical Weather Prediction (NWP) Model is used to generate Zenital Tropospheric Delay (ZTD). For the version 1, it was developed a model with horizontal resolution of 100 km, which was updated with Eta model, with resolution of 20 km. This paper provides the most significative details of the current version, as well an evaluation of its quality, using for such ZTD estimates from GPS data collect at RBMC. Comparing to the old version, considerable improvement could be observed from the new model, mainly in Brasilia and Curitiba, reaching up to 55% improvement. When all stations were used in the quality control, almost null bias and RMS of about 4 to 5 cm could be observed.O Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (CPTEC/INPE) desde 2004 tem disponibilizado à comunidade geodésica uma alternativa para a modelagem dos efeitos dos gases atmosféricos na propagação dos sinais GNSS (Global Navigation Satellite Systems). Trata-se do emprego de modelos de Previsão Numérica de Tempo (PNT) para gerar previsões do Atraso Zenital troposférico (ZTD). Uma primeira versão foi desenvolvida utilizando um modelo de PNT com resolução horizontal de 100x100km, substituída posteriormente pela atual que passa a empregar o modelo regional Eta com resolução de 20x20km. O presente trabalho apresenta os detalhes mais significativos da atual versão, bem como uma avaliação utilizando estimativas do ZTD geradas a partir dos dados GPS da RBMC. Em uma comparação com a versão anterior, pode-se observar uma melhoria considerável na qualidade das previsões do ZTD em Brasília e Curitiba. Nessas regiões, onde a qualidade da versão anterior era comprometida, foram observadas melhorias na qualidade final de 50% e 55%, respectivamente. Nas demais estações da RBMC avaliadas observou-se que, independente das estações sazonais, o efeito sistemático é praticamente nulo e os valores do EMQ estão em torno de 4 a 5 cm

AVALIAÇÃO ROBUSTA DA MODELAGEM NEUTROSFÉRICA SOBRE O TERRITÓRIO BRASILEIRO BASEADA EM MODELOS DE PREVISÃO NUMÉRICA DE TEMPO DA AMÉRICA DO SUL

O posicionamento com o sistema GNSS (Global Navigation Satellite System) éatualmente a técnica mais utilizada para se obter a localização sobre a superfícieterrestre ou próxima a essa. Depois dos efeitos causados pela ionosfera, a refraçãoque o sinal sofre ao ultrapassar a neutrosfera pode ser considerada como uma dasmaiores fontes de erro no sinal, a qual gera um atraso, que rebatida na direçãozenital é denominado atraso zenital neutrosférico (ZND), ou ainda atraso zenitaltroposférico (ZTD – Zenithal Tropospheric Delay). Esse atraso gera erros noposicionamento GNSS quando o mesmo não é devidamente modelado. Os modelosde Previsão Numérica de Tempo (PNT) são boas alternativas para a modelagem doZND, pois como são alimentados diariamente por observações da atmosfera, osmesmos, geram previsões do ZND capazes de captar suas oscilações espaciais etemporais. No CPTEC/INPE são desenvolvidos e operacionalizados modelos de PNT globais e regionais, sendo os últimos dedicados ao melhor detalhamento sobrea América do Sul. No Brasil está operacional no CPTEC/INPE um processo quegera tais previsões com resolução espacial de 15 km e temporal de 3 horas, além deoutras versões que contemplam outras sofisticações. Para determinar o impactodessas melhorias na qualidade das previsões do ZND, o presente trabalho apresentauma avaliação robusta das versões disponibilizadas, utilizando como referência osvalores de ZND estimados a partir dos dados GNSS coletados pelas estações daRBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo), levando em consideração: avariação sazonal, a continentalidade e a variação da altitude e latitude

Estimativa do vapor d'água atmosférico e avaliação da modelagem do atraso zenital troposférico utilizando GPS

O posicionamento com GPS (Global Positioning System), consiste basicamente na determinação de distâncias entre satélites e receptores, obtidas por meio de observações de sinais de rádio-freqüência. Entre os vários erros que estão presentes nessas observações, encontra-se o atraso dos sinais causado pela influência do vapor d’água atmosférico. Depois de minimizados os demais erros, o atraso troposférico pode ser estimado a partir das observações GPS. Estas estimativas, além de serem utilizadas para avaliar os modelos que tratam os efeitos da troposfera, podem ser convertidas em estimativas do vapor d’água integrado na atmosfera (IWV-Integrated Water Vapor). Para essa conversão, utiliza-se uma relação entre essas quantidades baseada na temperatura média da coluna vertical troposférica. Este trabalho tem por objetivo apresentar a aplicação do GPS na quantificação do vapor d’água atmosférico e uma metodologia para avaliar a modelagem do atraso zenital troposférico. Para isso, campanhas de radiossondagens e coletas simultâneas de observações GPS foram realizadas. Os resultados, na estimativa do vapor d‘água atmosférico, apresentaram boa compatibilidade com os valores fornecidos pelas radiossondas (EMQ de 2 kg/m2), e são similares aos valores encontrados na literatura. Quanto à avaliação da modelagem troposférica, os resultados indicam que a metodologia proposta apresentou-se adequada.The GPS (Global Positioning System) positioning basically consists on determining the distances between satellites and receivers that are obtained by observing radio-frequency signals. There are several errors present in these observations. Among them we can find the delay of those signals caused by atmospheric water vapor. The tropospheric delay can be estimated by GPS observations processing after minimizing other errors. These estimates can be used to evaluate the models that attempt to reduce the tropospheric effects and may also be transformed into estimates of integrated water vapor (IWV). In this transformation is used a relationship between the delay and IWV values based on the tropospheric mean temperature. The main aims of this work are to present the GPS application related to atmospheric water vapor quantification and to propose a methodology to evaluate the zenithal tropospheric delay modeling. Launching radiosonde campaigns with simultaneous collections of GPS observations were accomplished. The results obtained by comparison the IWV values derived by GPS and radiosondes presented good compatibility (EMQ 2 kg/m2), which are similar to those found in the literature. The results supplied in the evaluation of tropospheric models indicated that the proposed methodology is adequate.Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP

Estimativas do IWV utilizando receptores GPS em bases terrestres no Brasil: sinergia entre a geodésia e a meteorologia

A quantificação do vapor d'água integrado na atmosfera (IWV - Integrated Water Vapor), ao contrário de outras variáveis meteorológicas, é algo que ainda se apresenta como um grande desafio para as Ciências Atmosféricas. Diversos mecanismos, envolvendo diferentes técnicas, têm sido empregados e testados para esse fim em diferentes regiões do globo por pesquisa dores das mais variadas áreas da ciência. Essa tese apresenta uma contribuição a esse tema ao empregar receptores GPS (Global Positioning System) em bases terrestres, localizados no Brasil, envolvendo instituições de pesquisa na área de Geodésia e de Meteorologia. Os objetivos principais desse trabalho são validar os valores do IWV obtidos a partir das observações GPS e contribuir com a viabilização da utilização de redes ativas de receptores GPS, existentes atualmente e futuras, no monitoramento do IWV como suporte às atividades da Meteorologia e Climatologia no Brasil. Os resultados obtidos mostram que, com a efetivação desse processo, poderá ser obtida uma fonte adicional de informações da umidade para Previsão Numérica de Tempo (PNT). Além disso, é mostrado também que a alta resolução temporal dos valores do IWV obtidos a partir das observações GPS pode contribuir para a melhoria dos resultados gerados por outras técnicas empregadas na mesma tarefa. Em contrapartida, um modelo de PNT é utilizado para gerar previsões da influência da troposfera nos sinais GPS, visando beneficiar aplicações GPS em tempo real. Os resultados gerados nesse trabalho são frutos da sinergia entre as duas áreas envolvidas e mostram que, atualmente, há boas perspectivas para essa parceria no Brasil.Quantification of Integrated Water Vapor (IWV), unlike other meteorological variables, still represents a significant challenge to the Atmospheric Sciences. In this task several techniques using different mechanisms have been employed and tested in different regions of the planet. Many researchers from several areas of science have been involved in this process. This thesis presents a contribution to this theme, employing ground-based GPS receivers installed on Brazilian territory, involving Geodesy and Meteorology research institutes. The main aim of this work is to contribute in order to make enable the use of the existing networks of continuously operating GPS receivers, and those that will be installed in the future, in IWV monitoring to support meteorological and climatological activities in Brazil. The results generated show that in this process it is possible to obtain an additional source of humidity information for Numerical Weather Prediction (NWP). Furthermore, the prospect of using the ground-based GPS receivers to monitor atmospheric water vapor is promising because thehigh temporal resolution of IWV values from GPS observations can improve the results generated from other techniques employed in the same task. At the same time, a NWP model is applied to generate predictions of the atmosphere's influence over radiofrequency signals, to improve real time GPS applications. The results of this work stem from the synergy between the two areas of science involved. They show that the current outlook for this partnership in Brazil is good, and that both Meteorology and Geodesy will benefit.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP

Modelagem da temperatura média troposférica no Brasil para quantificação do IWV utilizando GPS

A eficiência da aplicação do GPS (Global Positioning System) na quantificação do IWV (Integrated Water Vapor) está relacionada com a qualidade dos valores da temperatura média troposférica utilizados. Usualmente, são empregados modelos que relacionam a temperatura média com valores de temperatura medidos na superfície. No entanto, os modelos disponíveis foram desenvolvidos para regiões do Hemisfério Norte. Estimativas do IWV obtidas pela aplicação GPS no Brasil utilizando esses modelos são normalmente de precisão reduzida. O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo que relaciona variáveis medidas na superfície com os valores da temperatura média troposférica, especifico para o território brasileiro, considerando suas características geográficas e sazonais. Nessa modelagem foi usado um banco de dados contendo perfis de 89.614 radiossondas lançadas em 12 locais no território brasileiro. Utilizando componentes principais e regressão múltipla, foi obtido um modelo da temperatura média em função da temperatura e pressão à superfície. A análise de qualidade mostrou que o modelo obtido gera resultados bastante satisfatórios e melhores do que outros modelos já desenvolvidos. Enquanto que o modelo desenvolvido nos EUA gerou RMS de 4,74 K, e o modelo europeu de 3,26 K, o valor do RMS obtido nessa modelagem foi de 2,44 K. ABSTRACT: The GPS (Global Positioning System) efficiency in the quantification of IWV (Integrated Water Vapor) is related to the quality of the mean tropospheric temperature values. Usually, the mean tropospheric temperature values are obtained by models that relate them with surface temperature measurement. However, the available models were built for being used in the North Hemisphere. Therefore, the IWV retrievals from GPS in Brazil data using theses models are normally of reduced precision. This paper presents the development of a specific model relating surface variables to the mean tropospheric temperature, for the Brazilian territory, taking in account the geographical and seasonal characteristics. It was used a meteorological database containing profiles of 89,614 radiosondes launched at 12 stations in the Brazilian territory. A mean temperature model as function of surface temperature and pressure values was obtained using principal components analysis and multiple regression technique. The quality analysis showed that the model generates very satisfactory results, which are quite better than the other available models. While the RMS generated from USA and Europe models were, respectively, 4.74 and 3.26 K, in the developed model the RMS was around 2.44 K

Matriz de Covariâncias dos Erros de Previsão Aplicada ao Sistema de Assimilação de Dados Global do CPTEC: Experimentos com Observação Única

Resumo A matriz de covariâncias dos erros de previsão representa uma importante componente de um sistema de assimilação de dados. Pode-se mostrar matematicamente que os incrementos de análise são diretamente proporcionais à matriz de covariâncias. Considerando-se este resultado, é correto afirmar que a habilidade de um sistema de assimilação de dados está diretamente relacionada às características da matriz de covariâncias, sejam elas representadas por comprimentos de escala horizontais e verticais e amplitudes (desvios-padrão e variâncias). Se o sistema de assimilação de dados utiliza as observações para corrigir as previsões do modelo, ponderando-se os erros das observações e previsões, então o uso de uma matriz de covariâncias não ajustada pode impactar de forma significativa o processo de assimilação de dados. No CPTEC, tem-se investido esforços para o ajuste da matriz de covariâncias utilizada na assimilação de dados. Neste trabalho é feita, portanto, uma discussão conceitual da matriz de covariâncias, expressando a sua importância e a forma como é aplicada em um sistema operacional. Além disso, é apresentada uma caracterização quantitativa e qualitativa dessa matriz para o modelo de circulação geral da atmosfera do CPTEC, e quais são as características resultantes dos incrementos de análise produzidos no sistema GSI utilizado pelo centro

Avaliação de perfis atmosféricos de rádio ocultação GPS do satélite CHAMP sobre a América do Sul

Com o advento dos satélites artificiais Global Positioning System (GPS) em conjunto com os satélites Low Earth Orbiting (LEO), surge a Rádio Ocultação GPS (RO GPS), técnica que permite obter remotamente perfis atmosféricos com boas perspectivas para aplicações em modelagem numérica de tempo. O satélite LEO denominado Challenging Minisatellite Payload of Geophysical Research and Application (CHAMP), embora tenha sido lançado com o objetivo principal voltado para estudos geofísicos, tem permitido também acessar o potencial da RO GPS. Nesse trabalho objetiva-se avaliar a qualidade dos perfis atmosféricos obtidos com o satélite CHAMP sobre a América do Sul, comparando-os com os perfis provenientes de radiossondagens e da reanálise regional de 5 anos do CPTEC/INPE. Os resultados da comparação entre os perfis obtidos por RO GPS e por radiossondas, apontam uma diferença média na temperatura abaixo de 1K e um desvio padrão de até 3K, distribuídos na camada entre 9 e 18 km. Os resultados da comparação entre os perfis de temperatura advindos de RO GPS e da reanálise do CPTEC entre 9 e 13 km, mostram que o viés é praticamente nulo e o desvio padrão próximo a 1K.With the advent of Global Positioning System (GPS), together with Low Earth Orbit (LEO) satellites, the Radio Occultation GPS (RO GPS) technique appears as a possibility of obtaining atmospheric profiles remotely, with positive perspectives of applications in atmospheric numerical modeling. The LEO satellite mission denominated Challenging Minisatellite Payload of Geophysical Research and Application (CHAMP), although with the main objective being in the area of geophysical studies, it has also allowed studies about the potential of RO-GPS. This study is related to the evaluation of the atmospheric profiles quality obtained by the LEO CHAMP satellites over South America, comparing them to radiosondes profiles and of regional reanalysis of five years from CPTEC/INPE. The results of the comparisons between RO GPS and RSO profiles pointed out a mean temperature difference below 1 K and a standard deviation of up to 3 K, distributed in altitudes from 9 to 18 km. The comparisons of temperature profiles from RO GPS and CPTEC's reanalysis between 9 and 13 km showed that the bias is almost null and the standard deviation is around 1 K.Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP