erros envolvidos no gnss e formas de atenuaÇÃo20-%20... · a diferença chega a ser, para o caso...
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ERROS ENVOLVIDOS NO
GNSS E FORMAS DE
ATENUAÇÃO
Prof. Dra. Daniele Barroca Marra Alves
TIPOS DE ERROS
As observáveis GNSS, assim como outras medidas, estão
sujeitas a diversos tipos de erros:
Grosseiros (outliers): Interferem diretamente nos resultados;
Podem ser eliminados através do processo de controle de
qualidade. Um procedimento extensivamente utilizado no campo
da Geodésia é denominado Detection, Identification and
Adaptation (DIA).
Aleatórios: São inevitáveis, sendo, portanto, considerados
uma propriedade inerente das observações.
Sistemáticos: Podem ser modelados ou eliminados por
técnicas adequadas de processamento e/ou observação.
ERROS NO POSICIONAMENTO GNSS
Diversos são os tipos de erros que afetam as observáveis
GNSS.
A maioria deles pode ser eliminada, minimizada ou até mesmo
evitada.
Os principais tipos de erros que afetam o posicionamento
GNSS serão vistos a seguir.
ERROS/EFEITOS NO POSICIONAMENTO GNSS
FONTES DE ERRO ERROS
SATÉLITE
Erro da órbita
Erro do relógio
Relatividade
Atraso entre as duas portadoras no
hardware do satélite
Centro de fase da antena do satélite
Fase wind-up
PROPAGAÇÃO DO
SINAL
Refração troposférica (ou neutrosférica)
Refração ionosférica
Perdas de ciclo
Multicaminhamento ou sinais refletidos
Rotação da Terra
RECEPTOR/ANTENA
Erro do relógio
Erro entre os canais
Centro de fase da antena
Atraso entre as duas portadoras no
hardware do receptor
Fase wind-up
ESTAÇÃO
Erro nas coordenadas
Multicaminhamento ou sinais refletidos
Marés terrestres
Movimento do Pólo
Carga dos oceanos
Carga da atmosfera
Variações que devem ser
consideradas para os
casos de posicionamento
de alta precisão,
especialmente em linhas de
bases longas
RESUMO
Para cada um dos erros/efeitos apresentados fazer um
resumo, considerando:
Definição;
Magnitude;
Formas de atenuar;
O que ocorre no posicionamento.
SATÉLITE
ERRO DA ÓRBITA DO SATÉLITE
Definição: É o erro devido à diferença entre a órbita prevista e
a efetivamente realizada pelo satélite;
Informações orbitais:
efemérides transmitidas pelos satélites;
efemérides precisas: IGS, IGR, IGU.
Tempo Real: Efemérides transmitidas ou IGU.
ERRO DA ÓRBITA DO SATÉLITE
As coordenadas dos satélites são, geralmente, injuncionadas
como fixas durante o processo de ajustamento dos dados dos
satélites.
Erros nas coordenadas do satélite se propagam para a posição
do usuário.
No posicionamento por ponto, os erros serão propagados
quase que diretamente para a posição do usuário.
No posicionamento relativo, os erros orbitais são
praticamente eliminados.
Os erros remanescentes degradam a acurácia das componentes
da linha base, na medida em que essa se torna mais longa.
ERRO DA ÓRBITA DO SATÉLITE
Regra que expressa o erro na linha base como função do erro
na posição do satélite:
onde:
b é o erro resultante na linha base;
b é o comprimento da linha base (km);
r é o erro na posição do satélite;
r é a distância do satélite ao receptor ( 20 000 km).
Tem sido sugerido que a equação é pessimista - representa os
erros orbitais sobre a componente vertical (MONICO, 2008).
r
rbb
ERRO DA ÓRBITA DO SATÉLITE
Exemplo:
Calcule o erro na linha base considerando:
Efemérides transmitidas e linhas base de 20, 200, 2000 e
5000km;
Efemérides precisas e linhas base de 20, 200, 2000 e 5000km;
ERRO DO RELÓGIO DO SATÉLITE
Definição: Erro que ocorre devido ao relógio existente no
satélite.
Os satélites possuem relógios atômicos;
Embora altamente precisos, os relógios atômicos a bordo dos
satélites não acompanham o sistema de tempo a eles
associados.
A diferença chega a ser, para o caso do GPS, no máximo, de 1
milissegundo (WELLS et al., 1986).
Os relógios são monitorados pelo segmento de controle.
Os erros dos relógios dos satélites podem ser obtidos:
Efemérides precisas: IGS, IGR ou IGU;
Mensagens de navegação: coeficientes de um polinômio.
ERRO DO RELÓGIO DO SATÉLITE
Quando as efemérides transmitidas são usadas, tem-se o
polinômio (MONICO, 2008):
dts(t) é o erro do relógio no instante t;
tSV é o instante de referência do satélite;
toc é o instante de referência do relógio (clock);
a0 é o estado do relógio no instante de referência;
a1 é a marcha linear do relógio;
a2 é a variação da marcha do relógio;
é uma pequena correção devido aos efeitos
relativísticos no relógio ( são a posição e a velocidade do
satélite e c a velocidade da luz).
RocSVocSV
s tttattaatdt 2
210 )()()(
2/**2 cXXtR
ERRO DO RELÓGIO DO SATÉLITE
A SA ocorria através da manipulação da frequência dos
relógios dos satélites.
Resultava em erros nas observáveis;
Os efeitos podiam atingir algo em torno de 80 nano-segundos (ns), o
que correspondia a um erro da ordem de 24 m;
Com a SA ativa, o polinômio não modelava adequadamente os erros
dos relógios dos satélites.
Forma de eliminar os erros dos relógios dos satélites: uso
do método de posicionamento relativo.
Ao formar as duplas diferenças (veremos em breve), os erros dos
relógios dos satélites e receptores são cancelados.
Relógio Atômicohttp://www.kowoma.de/en/gps/satellites.htm
RELATIVIDADE
Os relógios dos receptores situados na Terra e nos satélites
estão em campos gravitacionais diferentes, além de se
deslocarem com velocidades diferentes.
RELATIVIDADE
Efeitos da relatividade:
Não são restritos somente aos satélites (órbitas e relógios), mas
também à propagação do sinal e aos relógios dos receptores.
Provoca uma aparente alteração na frequência dos relógios de
bordo com relação aos terrestres.
No GPS, os efeitos são compensados antes do lançamento do
satélite.
Apesar desses cuidados, alguns efeitos não são eliminados.
Posicionamento relativo - efeitos resultantes são desprezíveis.
ATRASO ENTRE AS DUAS PORTADORAS NO
HARDWARE DO SATÉLITE E RECEPTOR
Definição: decorrente da diferença entre os caminhospercorridos pelas portadoras L1 e L2, através do hardware dosatélite ou receptor.
Satélites:
A magnitude do atraso é determinada e introduzida como partedas mensagens de navegação.
TGD (Timing Group Delay).
É distinto para cada satélite.
Também podem ser obtidos no site do CODE.
ftp://ftp.unibe.ch/aiub/CODE/ - arquivos mensais.
Literatura inglesa: Interfrequency biases (IFB), bem comoDifferential Code Biases (DCB).
Receptores:
Os valores de DCB são importantes para o cálculo do valor
absoluto do TEC (Total Electron Contents) a partir de receptores
de dupla frequência.
Esses valores devem ser estimados durante o processamento ou
calibrados de forma independente.
Os valores do DCB de receptores que fazem parte da rede de
estações ativas do IGS, também podem ser obtidos no site do
CODE.
ATRASO ENTRE AS DUAS PORTADORAS NO
HARDWARE DO SATÉLITE E RECEPTOR
CENTRO DE FASE DA ANTENA DO SATÉLITE
Definição: O centro de fase da antena do satélite, ponto dereferência da emissão dos sinais, difere do centro de massado mesmo, ponto de referência para as coordenadas.
O centro de fase eletrônico não coincide com o centro mecânicoda antena.
A correta localização do centro de fase em relação ao centrode massa é necessária para a determinação das órbitas comalta precisão.
Os deslocamentos do centro de fase, bem como suasvariações, são calculados por:
NGS e alguns centro de análises do IGS, como o CODE e GFZ;
Os valores estão disponíveis em conjunto com várias antenas dereceptores GNSS.
ROTAÇÃO DE FASE - FASE WIND-UP
Sinais eletromagnéticos podem ser polarizados de diferentes
maneiras (MARQUES, 2012):
elíptica, circular, etc.
No caso do GPS, os sinais são polarizados circularmente à
direita.
A observável fase de batimento da onda portadora depende da
orientação mútua das antenas do satélite e receptor.
ROTAÇÃO DE FASE - FASE WIND-UP
Qualquer rotação de uma das antenas (satélite ou receptor)em torno de seu próprio eixo mudará a fase da ondaportadora;
Este efeito é chamado de fase wind-up;
Em geral, a antena do receptor mantém sua orientaçãovoltada para uma direção, geralmente, o Norte.
Mas, a antena do satélite submete-se a lentas rotaçõesdependendo da direção dos seus painéis solares, os quais sãoorientados em relação ao Sol.
Assim, ocorrem alterações na geometria estação-satélite.
No período em que o satélite entra ou sai da sombra da Terra(eclipses), ocorre o giro do meio dia ou da meia noite (noon andmidnight turn) para reorientar os painéis solares e esse fatotambém provoca rápidas rotações, os quais também afetam afase portadora coletada.
ROTAÇÃO DE FASE - FASE WIND-UP
Posicionamento Relativo - A correção da fase windup,
geralmente, é negligenciada com aplicação das duplas
diferenças.
PPP - os efeitos são significantes podendo alcançar metade
de um comprimento de onda.
A negligência da correção da fase windup para o PPP ao se fixar
as órbitas e erro dos relógios dos satélites pode resultar em erros
da ordem de decímetros no posicionamento.
Desde 1994, a maioria dos centros de análises do IGS aplica
essa correção na determinação de órbitas, erro dos relógios
dos satélites e produtos combinados (MARQUES, 2012).
PROPAGAÇÃO DO SINAL
PROPAGAÇÃO DO SINAL
PROPAGAÇÃO DO SINAL
Na propagação dos sinais, dos satélites até os receptores,
eles atravessam uma atmosfera dinâmica:
Atravessam diversas camadas;
Sofrem diferentes influências;
Provocando variações na direção e velocidade de propagação,
além de alterarem a polarização e potência do sinal.
As camadas onde ocorrem os principais fenômenos de
interesse para posicionamento GNSS são:
Troposfera;
Ionosfera;
Cada uma com características muito diferentes.
PROPAGAÇÃO DO SINAL
No que concerne à divisão entre troposfera e ionosfera,
existem diferentes definições com relação à altitude dessas
camadas.
Troposfera – vai da superfície terrestre até aproximadamente 50
km;
Ionosfera – vai de aproximadamente 50 até1000 km.
TROPOSFERA
Definição: A troposfera é a camada compreendida entre a
superfície terrestre e até aproximadamente 50 km de altura.
Sua influência na propagação dos sinais GNSS varia em função
do ângulo de elevação do satélite e da densidade da
atmosfera;
Sapucci (2001)
TROPOSFERA
Entre os efeitos causados pela troposfera pode-se citar:
Atenuação atmosférica
Diminuição da potência da onda eletromagnética, exercida peloselementos que constituem a atmosfera.
GNSS - não utilizar obs. abaixo de ângulo de elevação de 5º.
Cintilação troposférica
Oscilação na amplitude da onda eletromagnética, causada porirregularidades e variações bruscas no índice de refratividadetroposférica.
GNSS - não utilizar obs. com ângulo de elevação baixos.
Atraso troposférico
O atraso troposférico é o gerado pela influência da atmosferahidrostática (seca) e úmida;
Gera erros nas observações GNSS em escalas maiores e, porisso, deve ser tratado de forma adequada
TROPOSFERA
Para a frequência dos sinais GNSS, o atraso troposfériconão depende da frequência, ou seja, a troposfera é um meionão dispersivo;
A influência da troposfera nas medidas GNSS é expressa emduas componentes:
Componente úmida - depende da quantidade de vapor d’águana atmosfera e é difícil de modelar. Mas ela é responsável porapenas 10% da refração troposférica total.
Componente Seca ou Hidrostática - É precisamente descritapor modelos.
Os erros causados pelas componentes úmida e seca no zênitepodem alcançar 0,35 m e 2,3 m, respectivamente,aumentando aproximadamente 10 vezes próximo ao horizonte(10° de elevação) (SEEBER, 2003).
Até aproximadamente 30m no horizonte.
TROPOSFERA
Monico (2008)
TROPOSFERA
O atraso troposférico pode ser aproximado como a soma dos
efeitos das componentes hidrostática e úmida.
TROPOSFERA
Em geral, cada uma das componentes é expressa como o
produto do atraso zenital (vertical) com uma função de
mapeamento.
Função de mapeamento - relaciona o atraso vertical com o
atraso para outros ângulos de elevação (E).
TROPOSFERA
Atraso Troposférico
TZH representa o atraso zenital da componente hidrostática;
TZW representa o atraso zenital da componente úmida;
mh(E) e mw(E) são, respectivamente, as funções de mapeamento
que relacionam o atraso das componentes hidrostática e úmida
com o ângulo de elevação (E).
TZH e TZW são obtidos com modelos troposféricos;
mh(E) e mw(E) são obtidos com funções de mapeamento.
)(.)(. EmwTEmhTT ZWZH
s
r
s
rT
TROPOSFERA - MODELOS
Um dos modelos empíricos mais conhecidos é o de Hopfield
(SEEBER, 2003).
Existem outros modelos empíricos, como por exemplo o de
Saastamoinen.
TROPOSFERA - MODELOS
Previsão Numérica do tempo – PNT
Brasil – Modelo Disponibilizado pelo CPTEC/INPE
Para baixar os dados, acesse
o site:
http://satelite.cptec.inpe.br/zenital/
TROPOSFERA - MODELOS
TROPOSFERA - MODELOS
Hopfield
PNT
TROPOSFERA - MODELOS
Também existe o modelo de PNT do ECWMF.
http://mars.hg.tuwien.ac.at/~ecmwf1/
Basta acessar o site que os arquivos estão disponíveis 4
vezes ao dia.
TROPOSFERA – TESTES ETA15KM
Observe que alguns modelos da troposfera já dispõe de uma
função de mapeamento, quer seja implícita, ou explícita.
TROPOSFERA – FUNÇÕES DE MAPEAMENTO
TROPOSFERA – FUNÇÕES DE MAPEAMENTO
Marini Chao
Davis Herring
Várias funções de mapeamento têm sido desenvolvidas nos últimos 20 anos
Essa função é acurada apenas para altos ângulos de elevação
A função de mapeamento mais simples é dada por 1/sen(E)
Essas funções têm sua acurácia limitada devido à
dependência da temperatura da superfície terrestre
NiellAs únicas informações requeridas são o dia do
ano e as coordenadas da estação
IMF
VMF
Empregam previsão numérica do tempo
GMFOs coeficientes foram obtidos de uma expansão
dos parâmetros da VMF1 em harmônicos esféricos
em uma grade global
3101
1
1
111
1
H
cEsen
bEsen
aEsen
c
b
a
Esen
cEsen
bEsen
aEsen
c
b
a
Em
ht
ht
ht
ht
ht
ht
h
h
h
h
h
h
h
w
w
w
w
w
w
w
cEsen
bEsen
aEsen
c
b
a
Em
1
1
1
Niell
TROPOSFERA – FUNÇÕES DE MAPEAMENTO
Chao
Tabela com
os valores
de a, b e c
017,0)(
00035,0)sen(
1)(
0445,0)(
00143,0)sen(
1)(
EtgE
Em
EtgE
Em
W
H
Função de Mapeamento Recomendada – VMF1
TROPOSFERA – FUNÇÕES DE MAPEAMENTO
http://mars.hg.tuwien.ac.at/~ecmwf1/
TROPOSFERA - CURIOSIDADES
TROPOSFERA - CURIOSIDADES
TROPOSFERA - CURIOSIDADES
TROPOSFERA - CURIOSIDADES
TROPOSFERA - CURIOSIDADES
TROPOSFERA - CURIOSIDADES
TROPOSFERA - CURIOSIDADES
TROPOSFERA - CURIOSIDADES
TROPOSFERA - CURIOSIDADES
TROPOSFERA - TRABALHO
Escolher três modelos troposféricos e calcular o atraso
troposférico seco, úmido e total, variando de 0 a 90 graus de
elevação – fazer gráfico. Apresente a diferença entre os
diferentes modelos.
Escolher 2 estações da RBMC e calcular ZHD (componente
seca) e ZWD (componente úmida), usando os mesmos
modelos, dia úmido e seco.
Fazer relatório.
Entrega: 13/nov.
IONOSFERA
Definição: Região da atmosfera onde existem íons e elétrons
em quantidade suficiente para afetar a propagação de ondas
de rádio.
A ionosfera é a camada compreendida entre
aproximadamente 50 km e 1000 km de altura.
A refração ionosférica depende da frequência do sinal GNSS.
Efeito diferente para cada frequência.
Pode aumentar até 3 vezes próximo ao horizonte.
O efeito ionosférico é proporcional ao TEC (Total Electron
Contents – Conteúdo Total de Elétrons),
Número de elétrons presentes ao longo do caminho percorrido
pelo sinal entre o satélite e o receptor.
IONOSFERA
O TEC sofre diversos tipos de variação:
Variação diurna;
Variação sazonal;
Localização Geográfica;
Atividade solar - ciclo de 11 anos e explosões solares;
Anomalias e Irregularidades - Anomalia Equatorial, bolhas,
cintilação.
A cintilação pode fazer com que o receptor perca o sinal.
IONOSFERA
Variações diurnas – causadas por mudanças que ocorrem
em algumas regiões da ionosfera, que desaparecem à noite.
Ocorrem principalmente devido à radiação solar.
No Brasil, seu valor máximo ocorre por volta das 14h local e ao
por do sol.
IONOSFERA
Variação Sazonal – As estações do ano influenciam na
variação da densidade de elétrons.
Mudança do ângulo zenital do Sol e da intensidade do fluxo de
ionização.
Matsuoka(2007):
Maiores valores: março, abril, setembro e outubro (equinócio);
Menores valores: junho, julho (solstício de inverno);
IONOSFERA
Localização Geográfica - tem forte influência na variação da
densidade de elétrons na ionosfera;
Altas latitudes - polos sul e norte - a ionosfera é extremamente
instável;
Região equatorial - alto nível de densidade de elétrons, e vários
fenômenos ocorrem nessa região;
Latitudes médias - consideradas relativamente livres das
anomalias ionosféricas.
IONOSFERA
Ciclos de longos períodos - ciclos de aproximadamente 11
anos.
Estão associadas às ocorrências de manchas solares, o aumento
de ionização é proporcional ao número de manchas.
As manchas solares são regiões mais frias e escuras que aparecem
na superfície do sol. O período de duração da mancha solar é
variável:
http://www.crh.noaa.gov/fsd/?n=sunspots
Imagem da superfície do Sol - manchas solareshttp://solarscience.msfc.nasa.gov/predict.shtml
IONOSFERA
Ciclos de longos períodos - Numero de manchas solares
http://sidc.oma.be/html/wolfaml.html
IONOSFERA
Campo Geomagnético - Próximo à superfície da Terra, o
campo magnético terrestre ou campo geomagnético, pode ser
aproximado a um dipolo não coincidente com o eixo de
rotação da Terra.
O campo magnético da Terra
exerce grande influência na
variação da densidade de elétrons.
O campo geomagnético controla o
movimento das partículas ionizadas
.
Qualquer perturbação no campo
geomagnético resultará em
modificações nas condições de
transporte do meio ionizado.
IONOSFERA
Após eventos solares, por ex. explosões solares, as linhas de
força do campo geomagnético podem ser comprimidas de
forma significativa, afetando o comportamento da ionosfera.
MAGNETOPAUSA
MAGNETOSFERA
IONOSFERA
Dependendo da intensidade da perturbação,
o limite da magnetopausa (linha de contorno
da magnetosfera) é comprimido, podendo
passar de 10 para 6 raios terrestres.
Índices Geomagnéticos –
Dados que pretendem descrever
a atividade geomagnética.
Exemplos:
DST
KPhttp://www.ngdc.noaa.gov/stp/geomag/kp_ap.html
http://www.swpc.noaa.gov/ftpdir/plots/kp/20120906_kp.gif
IONOSFERA
Explosões Solares
http://www.flickr.com/photos/gsfc/7936905134/in/set-72157631408160534/
IONOSFERA
Explosões Solares
IONOSFERA
Artigo “Fúria solar” http://viajeaqui.abril.com.br/materias/tempestade-solar-espaco-clima?foto=6&pw=2
De acordo com a Nasa, a Estação Espacial Internacional perde mais de 300 metros por dia emaltitude quando há muita atividade solar.
IONOSFERA
Artigo “Fúria solar”
“uma enorme explosão eletromagnética que arremessoubilhões de toneladas de partículas carregadas de eletricidadeem direção à Terra. Quando essa onda invisível se chocoucom o campo magnético de nosso planeta, ela provocou umsúbito aumento nas correntes elétricas das linhas detelegrafia”
“O impacto interrompeu o serviço em vários postos, mas emoutros locais os telegrafistas constataram que podiam desligaras baterias e retomar as operações usando apenas aeletricidade geomagnética. “Estamos funcionando só com acorrente fornecida pela aurora boreal”, comunicou-se umtelegrafista de Boston com outro, em Portland, no estado doMaine”
http://viajeaqui.abril.com.br/materias/tempestade-solar-espaco-clima?foto=6#6
IONOSFERA
Anomalia Equatorial
Efeito fonte – Movimento de elevação do plasma na região
equatorial e posterior descida ao longo das linhas do campo
geomagnético até baixas latitudes.
Nome dado devido a similaridade do movimento de uma fonte,
chafariz, de água (MATSUOKA, 2007).
Uma consequência da combinação dos movimentos de subida e
descida do plasma é que dois picos de ionização são formados
nas regiões subtropicais ao norte e ao sul do equador
geomagnético, entre 10º e 20º de latitude.
No equador geomagnético a ionização fica menos intensa.
Tal distribuição latitudinal de ionização é denominada de
anomalia equatorial.
IONOSFERA
Anomalia Equatorial
IONOSFERA
Bolhas ionosféricas ou bolhas de plasma - São regiões de
densidade de plasma muito baixas, quando comparadas com
o plasma em suas vizinhanças.
Originam-se após o por do sol e podem apresentar dimensões de
centenas de quilômetros (Material INPE).
IONOSFERA
a) Dois ciclos solares completos: período de 22 anos, 1977-1998 (934 noites de
observação);
b) Período de alta atividade solar, 1978-1982, 1988-1992 (442 noites; número de
manchas solares médio 129.9);
(c) Período de baixa atividade solar, 1977, 1983-1987 e 1993-1998 (492 noites;
número de manchas solares médio 33.1).
Ocorrência de bolhas em
Cachoeira Paulista detectadas por
fotômetro de varredura all sky
(Sobral et al., 2002);
Material INPE
Bolhas ionosféricas
IONOSFERA
Cintilação - flutuações da amplitude ou fase de uma onda de
rádio, resultado da sua propagação através de uma região na
qual existem irregularidades na densidade de elétrons;
A cintilação causa enfraquecimento no sinal recebido pelos
receptores GNSS, fazendo com que ocorra em muitos casos, a
perda do sinal.
Os fenômenos de cintilação ocorrem com maior frequência
nas regiões de altas latitudes e equatorial.
As bolhas ionosféricas aumentam a incidência da cintilação
ionosférica.
IONOSFERA
Cintilação – serviço de monitoramento
http://scintillations.cls.fr/index.html
IONOSFERA
Cintilação
IONOSFERA
Cintilação – Projeto Cigala/calibra – Ferramenta
Março/12
Junho/12
http://200.145.185.118/cigala/
IONOSFERA
Modelagem: Através de algumas manipulações (MONICO,
2008) chega-se que para a fase da onda portadora a refração
ionosférica é dada por:
Para o código:
Vários modelos têm sido desenvolvidos para estimar a
densidade de elétrons.
Mas, é difícil encontrar um que estime o TEC com precisão
adequada aos levantamentos geodésicos de precisão.
TEC f
40,3 - = I
2
s
r
TEC f
40,3 = I
2
s
r
IONOSFERA
Efeito do atraso de propagação, devido à ionosfera sobre as distâncias medidas
com observações de uma frequência, e erros residuais para observações de
dupla frequência (SEEBER, 2003)
Efeito sistemático máximo devido à ionosfera na direção da vertical
Ion-Free
IONOSFERA
Eliminação dos efeitos de Ionosfera
Observável Ion Free – Dados de dupla frequência. Elimina os
efeitos de primeira ordem da ionosfera.
A eliminação dos efeitos da ionosfera é a maior vantagem para quem
utiliza receptores GNSS de dupla frequência em levantamento de
bases longas (maiores que 20 km).
Mas os efeitos residuais ainda permanecem na combinação linear
resultante, pois simplificações são realizadas nos modelos.
Para usuários de simples frequência a ionosfera é a maior
fonte de erros.
No posicionamento relativo, sobre distâncias curtas (até aprox.
20 km), a maioria dos erros é reduzida.
Para linhas de base maiores existe a necessidade de
empregar modelos.
IONOSFERA
Modelos
Klobuchar – pode remover algo em torno de 50% do erro da
ionosfera. Os coeficientes do modelo são transmitidos nas
mensagens de navegação dos satélites.
Mapas Globais da ionosfera – Disponíveis online pelo IGS;
http://igscb.jpl.nasa.gov/igscb/data/format/ionex1.pdf
Modelos Regionais da Ionosfera – Obtenção dos valores de
TEC a partir de dados GNSS de redes e estações de referência;
Ex: Mod-Ion (Camargo, 1999);
Excelente alternativa pois a realidade dos países é a criação e
densificação de redes de estações de referência.
IONOSFERA
Mapas em tempo real
http://iono.jpl.nasa.gov/latest_rti_global.html
IONOSFERA
http://www.inpe.br/scintec/pt/
PERDAS DE CICLO
Definição: A perda de ciclo (cycle slip) ocorre se o receptor
perde o sinal do satélite que está sendo rastreado.
Afetando a estimativa e solução das ambiguidades da fase da
onda portadora.
Quando ocorre perdas de ciclos, essas devem ser corrigidas ou
uma nova ambiguidade incógnita deve ser determinada no
processo de ajustamento dos dados.
Causas - A obstrução do sinal GNSS é a principal causa da
ocorrência de perda de ciclos.
Relacionada à presença de prédios, árvores e montanhas nas
proximidades da estação que está sendo rastreada.
PERDAS DE CICLO
Mas, as causas das perdas de ciclos não estão restritas ao
bloqueio do sinal, outros fatores podem contribuir (Souza et
al., 2007):
Ruído do sinal, causado por multicaminho ou cintilação
ionosférica, por exemplo;
Sinais fracos, causados por interferência do sinal ou ângulo de
elevação baixo;
Falha no software do receptor, o que conduz a um
processamento incorreto do sinal.
Existem várias técnicas de mitigação das perdas de ciclos nas
observações GNSS;
Primeiro passo - localizar o instante em que ocorreu o salto, e
sua respectiva dimensão.
Souza et al. (2007) apresenta um método prático e eficaz para
correção de perdas de ciclos.
PERDAS DE CICLO
Métodos para localizar o instante em que ocorreu.
http://www2.fct.unesp.br/departamentos/cartografia/event
os/2007_II_SBG/artigos/A_025.pdf
PERDAS DE CICLO
Existem diversos métodos para corrigir as perdas de ciclo,dentre eles:
Modificar a MVC dos parâmetros quando ocorre uma perda deciclos.
Na prática, deve-se atribuir um valor grande a variância da DD deambiguidades que envolve o satélite em que ocorreu a perda de ciclosna MVC.
Introduzir uma nova DD de ambiguidades na mesma época emque a perda de ciclos for detectada.
Entretanto, caso ocorram diversas perdas de ciclo, poderá serimpossível sua correção e, assim, o posicionamento poderáestar comprometido.
Melhor opção: Tentar evitar.
Para mais detalhes consulte:
SOUZA, E. M.; MONICO, J. F. G.; MACHADO, W. C. Avaliação de Estratégias de detecção ecorreção de Perdas de Ciclos na Portadora L1. In: Anais do II Colóquio Brasileiro de Geomática eV Colóquio Brasileiro de Ciências Geodésicas. Presidente Prudente. 2007.
MULTICAMINHO
Definição: Além do sinal que chega diretamente a antena, o
receptor pode receber sinais refletidos em superfícies vizinhas
à mesma, tais como:
Construções, carros, árvores, massa d’água, cercas etc.
Reflexões também podem ocorrer no próprio satélite, mas é
menos frequente.
Quando ocorre multicaminho, o sinal chega ao receptor por
dois caminhos diferentes: um direto e um indireto.
os sinais recebidos no receptor podem apresentar distorções na
fase da onda portadora e na modulação sobre ela.
MULTICAMINHO
MULTICAMINHO
De acordo com Leick (1995):
O impacto nas medidas de fase é:
Erro máximo - aproximadamente um quarto do comprimento de
onda, ou seja, 4,8 cm para a portadora L1.
Na pseudodistância:
Comportamento similar a fase, mas a magnitude é várias vezes
maior;
Quanto maior a frequênciamenor será o erro máximo
MULTICAMINHO
Multicaminho para o código P é
menor que para o C/A
Está relacionado com a taxa de
transmissão dos códigos
Quanto maior a taxa de transmissão menor será o erro máximo
C/A: (1,023 MHz)
P: (10,23 MHz)
Quanto menor o ângulo de elevação, mais possibilidade de
ocorrer multicaminho.
MULTICAMINHO
Tipos de Reflexão (SOUZA, 2008):
Reflexão especular: proveniente da reflexão em uma
superfície suave (lisa);
Difração: proveniente de reflexões nas bordas e nos cantosdos objetos refletores;
Reflexão difusa: proveniente da reflexão em superfíciesrugosas, semelhante a várias reflexões especulares.
MULTICAMINHO
Receptor estacionário
Geometria muda lentamente
Parâmetros de multicaminho
essencialmente constantes por vários
minutos
Receptor em movimento
Geometria mudarapidamente
Flutuações rápidas em fração de
segundos
MULTICAMINHO
O multicaminho depende:
Modelagem muito difícil
Depende do local
do ângulo de elevação do satélite;
da refratividade do meio onde se posiciona a antena;
das características da antena;
do objeto refletor;
das técnicas utilizadas nos receptores para reduzir os sinais
refletidos.
MULTICAMINHO
Técnicas para atenuação:
Seleção de antenas construídas com base na polarização do
sinal GPS, o qual é polarizado circularmente à direita.
O sinal refletido uma única vez, dependendo do ângulo de
incidência, será polarizado à esquerda.
Em tese, todos sinais polarizados à esquerda seriam rejeitados pela
antena.
Mas, isso não ocorre na prática. Apenas parte dos sinais
polarizados à esquerda é atenuada.
Essa técnica deve então ser utilizada em conjunto com outras
proteções, como por exemplo o uso de antena choke rings.
1/4 comprimento de onda
Também existe a tecnologia
pinwheel - com performance
similar às antenas choke ring
(KUNYSZ, 2001).
MULTICAMINHO
Técnicas para atenuação (SOUZA, 2008):
Arranjo de várias antenas;
Estratégia de localização de antena;
Calibração de estações;
Métodos de processamento no receptor;
Métodos de processamento dos dados.
MULTICAMINHO
Fatores indicadores do Multicaminho:
MP1 e MP2(teqc)
Repetibilidade em dias consecutivos GPS tem período de 12h siderais ( 4min de variação)
21112111
2
1
21
1
2
1
211
MMBMPDMP PDLLL
21222121
2
1
2
1
2
1
22
MMBMPDMP PDLLL
MULTICAMINHO
Estação BRAZ
MP1 e MP2 obtidos com o
TEQC
http://facility.unavco.org/soft
ware/teqc/teqc.html
Alves et al. 2013
MULTICAMINHO
Time
BR
AZ
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5 R+A F FR+A
Time
BR
AZ
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5 R+A F FR+A
Time
PO
AL
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5
R+AA R
Time
PO
AL
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5
R+AA R
Time
PO
LI
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5
R+A
Time
PO
LI
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5
R+A
Time
PP
TE
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5
F R R+AF
Time
PP
TE
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5
F R R+AF
Time
RE
CF
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5
R+A F R+A
Time
RE
CF
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5
R+A F R+A
Time
VIC
O
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5 R+A F R+A R+A
Time
VIC
O
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5 R+A F R+A R+A
UB
ER
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5
UB
ER
2006 2008 2010 20120.0
1.5
VICO
Time
BR
AZ
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5 R+A F FR+A
Time
BR
AZ
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5 R+A F FR+A
Time
PO
AL
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5
R+AA R
Time
PO
AL
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5
R+AA R
Time
PO
LI
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5
R+A
Time
PO
LI
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5
R+A
Time
PP
TE
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5
F R R+AF
Time
PP
TE
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5
F R R+AF
Time
RE
CF
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5
R+A F R+A
Time
RE
CF
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5
R+A F R+A
Time
VIC
O
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5 R+A F R+A R+A
TimeV
IC
O
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5 R+A F R+A R+A
UB
ER
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5
UB
ER
2006 2008 2010 2012
0.0
1.5
MP1 MP2
Ocorrência de 2 picos por ano Grande parte das estações
UFPR – 2008/1012
MULTICAMINHO
Comportamento comum em muitas estações
Motivo??
TRABALHO
Selecionar 3 estações da RBMC e calcular os índices MP para
10 dias de junho e outubro. Tentar correlacionar com os efeitos
ionosféricos.
Analisar o MP durante diferentes horários do dia.
Data de Entrega: 20/nov
ROTAÇÃO DA TERRA
Definição: Ocorre a rotação da Terra desde o instante de
transmissão do sinal pelo satélite até o instante de recepção
no receptor.
O cálculo das coordenadas do satélite deve ser feito para o
instante de transmissão do sinal e num sistema de
coordenadas fixo a Terra.
É necessário efetuar a correção do movimento de rotação da
Terra;
Visto que durante a propagação do sinal, o sistema de
coordenadas terrestre rotaciona com relação ao satélite,
alterando suas coordenadas.
Esse efeito também é conhecido como Sagnac.
ROTAÇÃO DA TERRA
Marques (2012)
ROTAÇÃO DA TERRA
Correção (MONICO, 2008):
As coordenadas originais do satélite devem ser rotacionadas
sobre o eixo Z de um ângulo , definido como o produto do tempo
de propagação pela velocidade de rotação da Terra.
sendo X’, Y’ e Z’ as coordenadas originais do satélite, e X, Y e Z
as corrigidas.
'
'
'
100
01
01
Z
Y
X
Z
Y
X
ew
RECEPTOR/ANTENA
ERRO DO RELÓGIO DO RECEPTOR
Definição - Os receptores GNSS são normalmente equipados
com osciladores de quartzo, os quais possuem boa
estabilidade interna e são de custo relativamente baixo.
Cada receptor possui a sua própria escala de tempo, definida
pelo seu oscilador interno, a qual difere da escala de tempo
GNSS.
Alguns receptores possuem osciladores altamente estáveis,
podendo também aceitar padrões externos de tempo.
São equipamentos de custo elevado, normalmente utilizados em
redes de alta precisão.
Posicionamento relativo - os erros dos relógios são
praticamente eliminados.
Posicionamento por ponto - os erros dos relógios dos
receptores devem ser estimados em cada época.
ERRO ENTRE CANAIS
Definição – Quando o receptor possui mais que um canal.
Pode ocorrer erro sistemático entre os canais, pois o sinal decada satélite percorrerá um caminho eletrônico diferente.
Atualmente a maioria dos receptores geodésicos possuicanais múltiplos, e cada um deles registra os dados de umsatélite particular, resultando nesse tipo de erro (MONICO,2008).
Para corrigi-lo, o receptor dispõe de dispositivo que realizauma calibração no início de cada levantamento.
Posicionamento relativo – os efeitos residuais sãopraticamente eliminados.
Posicionamento por ponto - Recomenda-se incluir o efeitoresidual como parâmetro a ser estimado (SEEBER, 1993).
CENTRO DE FASE DA ANTENA DO RECEPTOR
Definição - O centro de fase eletrônico da antena (ponto
virtual onde as medidas dos sinais são referenciadas)
geralmente não coincide com o centro mecânico da antena.
Não é possível acessar diretamente o centro de fase (usando
uma trena por ex), assim é necessário conhecer a relação
entre o centro de fase e um ponto de referência na antena que
seja acessível às medidas.
Em geral, esse ponto é o ARP (Antenna Reference Point);
Através do ARP relaciona-se a posição determinada com o GNSS
e a marca de referência num monumento geodésico.
http://hayeshelp.com/gps/documents/topcon/HiPerGdGgd_om_REVB.pdf
O problema maior é que o centro de fase não é estável.
Ele varia com a intensidade e direção (elevação principalmente e
azimute) dos sinais;
É diferente para cada uma das portadoras (L1 (cfL1), L2 (cfL2), e
L5 (cfL5) no caso do GPS).
Para levantamentos de alta precisão, todas as antenas
envolvidas no projeto devem ser calibradas.
Os parâmetros de calibração proporcionam a relação entre o
ARP e o centro de fase.
Essa relação é usualmente parametrizada em função:
Deslocamento do centro de fase em relação ao ARP (PO - phase
offset );
Variação do centro de fase (PCV – Phase center variation).
CENTRO DE FASE DA ANTENA DO RECEPTOR
CENTRO DE FASE DA ANTENA DO RECEPTOR
MONICO (2008)
A partir de 30/06/96, o IGS passou a aplicar essas correções
na geração de seus produtos (http://igscb.jpl.nasa.gov/mail/igsmail/2005/msg00111.html), e
o procedimento adotado tem-se tornado um padrão geral.
Uma das organizações envolvidas com a calibração de
antenas tem sido o NGS.
Detalhes em http://www.ngs.noaa.gov/ANTCAL/.
CENTRO DE FASE DA ANTENA DO RECEPTOR
Inicialmente - calibração relativa.
Todas as antenas eram calibradas com respeito à antena DorneMargolin;
Como todas as antenas eram calibradas com respeito a umamesma antena, no processo de diferenciação das observáveis oPO e o PCV da antena de referência são cancelados.
Esta técnica fica limitada pelo comprimento da linha base.
No processo de calibração assume-se que as observações para cadasatélite são realizadas com o mesmo ângulo de elevação a partir decada uma das antenas.
O uso de antenas de mesmo fabricante e modelos iguais devereduzir o problema nas aplicações mais comuns do GNSS,pois as discrepâncias devem ser praticamente iguais.
Basta que todas as antenas sejam orientadas numa mesmadireção.
Ao realizar a diferenciação das observáveis, os efeitos sãopraticamente cancelados (SEEBER, 2003).
CENTRO DE FASE DA ANTENA DO RECEPTOR
A partir de Out/2006, com a adoção do ITRF2005 pelo IGS, a
recomendação passou a ser pela adoção da calibração
absoluta (http://igscb.jpl.nasa.gov/mail/igsmail/2006/msg00161.html).
Essa mudança advém de vários estudos realizados no decorrer
do período em que se utilizam calibração relativa, conforme
consta em (http://igscb.jpl.nasa.gov/mail/igsmail/2005/msg00111.html) e
que apontavam alguns problemas.
O princípio de calibração absoluta de antenas GPS foi
apresentado em Wübbena et al. (1997; 2000).
O método também é conhecido como IfE/GEO++, em razão da
parceria entre o instituto de Geodésia e Levantamentos (IfE) da
Universidade de Hannover e a empresa Geo ++.
Um serviço de calibração de antenas vem sendo oferecido pela
empresa Geo++, podendo a calibração ser realizada em tempo real.
CENTRO DE FASE DA ANTENA DO RECEPTOR
Calibração absoluta - A ideia
básica do método é a eliminação
dos efeitos de multicaminho.
Coletando dados em dias
consecutivos ou usando um robô de
alta precisão que rotaciona e inclina
a antena a ser calibrada.
Observações de uma antena
instalada nas proximidades do robô
são utilizadas para eliminar erros
dependentes da distância.
São obtidos valores absolutos de
PCV, os quais são dados em função
do ângulo de elevação e azimute do
satélite.
CENTRO DE FASE DA ANTENA DO RECEPTOR
www.geopp.de/media/docs/AOA_DM_T/index.html
As correções, em função do ângulo de elevação, devem ser
aplicadas nas observações em cada época do processamento.
O IGS disponibiliza um arquivo contento os parâmetros de
calibração absoluta de um grande número de antenas,
inclusive dos satélites GPS.
O arquivo é denominado igs_05.atx.
ftp://ftp.igs.org/pub/station/general/
Softwares científicos como Bernese, Gipsy utilizam os
arquivos de centro de fase absoluto.
CENTRO DE FASE DA ANTENA DO RECEPTOR
Os Temas:
Atraso entre as duas portadoras no hardware do receptor
e
Fase Wind-up
Já foram abordados
ESTAÇÃO
ESTAÇÃO
Em relação a estação podem comparecer:
Erros presentes nas coordenadas da estação base.
Principalmente no caso em que elas são fixadas no processamento.
Variações:
Resultantes de fenômenos geofísicos que tenham ocorrido durante o
período de coleta das observações;
Essas variações podem afetar as coordenadas das estações
envolvidas no levantamento.
Obs: Embora o erro devido ao multicaminho tenha sido
apresentado dentro dos erros relacionados com a propagação
do sinal, ele também depende da localização da estação.
ERROS NAS COORDENADAS DA ESTAÇÃO
Posicionamento relativo - um ponto deve ter suas
coordenadas injuncionadas no processamento.
Coordenadas “conhecidas”;
Erro nas coordenadas do ponto de partida irá ser propagado para
as coordenadas dos pontos determinados a partir dele.
Esses erros podem ser devidos a:
Valores incorretos de coordenadas: leitura, digitação, informação,
origem;
Transformação incorreta entre sistemas de referência;
Não atualização das coordenadas.
MARÉS TERRESTRES
Definição - Deformação da crosta da Terra, devido às forças
de maré (Sol e Lua), é denominada marés terrestres (Earth
Body Tides).
As marés terrestres têm comportamento bastante suave ao longo
da superfície terrestre.
Só podem ser medidas a partir de observações de sistema de
satélites ou gravímetros de alta sensibilidade.
Posicionamento Relativo - são geralmente desprezadas;
Posicionamento por ponto preciso (PPP) - os efeitos das
marés terrestres devem ser considerados.
Próximo ao equador, em razão das marés terrestres, a
superfície desloca-se quase 40 cm durante um período de 6
horas.
MOVIMENTO DO PÓLO
Definição: O movimento do pólo é a rotação do pólo celeste
verdadeiro (eixo de rotação instantâneo) em relação ao pólo
de um sistema de referência convencional fixo a Terra.
Esse movimento é causado por variações na distribuição de
massa da Terra e de sua atmosfera.
O movimento do pólo ocasiona uma variação das
coordenadas das estações.
Pode atingir até 25 mm na componente radial, e não se cancela
quando se aumenta a duração da sessão.
Posicionamento relativo - é praticamente eliminado.
Os valores do xp e yp referentes ao movimento do pólo são
disponibilizados no site do IERS.
http://www.iers.org
MOVIMENTO DO PÓLO
https://datacenter.iers.org/eop/-
/somos/5Rgv/plotname/6/BulletinA_ALL_X_Y_PLAN.jpg
CARGA DOS OCEANOS
Definição - Carga que as marés oceânicas exercem sobre a
crosta terrestre.
Produz deslocamentos periódicos sobre a superfície
OTL - ocean tide loading.
Efeito (MONICO, 2008):
Pode alcançar cerca de 10 cm na componente vertical;
Em regiões afastadas da costa esse valor decresce;
Pode alcançar cerca de 1 cm para uma distância oceano-estação da
ordem de 1.000 km.
Modelos:
Disponível na internet
http://www.oso.chalmers.se/~loading/
Rotina em Fortran: ftp://tai.bipm.org/iers/convupdt/chapter7/
CARGA DA ATMOSFERA
Definição: Variações da distribuição da massa atmosférica,
que podem ser inferidas a partir da medida de pressão da
atmosfera, induzem deformações sobre a crosta,
principalmente na direção vertical.
Estudos teóricos, apontam para deslocamento vertical de até
25 mm (MONICO, 2008).
A maioria dos programas para processamento de dados
GNSS ainda não apresenta modelos para correções desta
natureza, mesmo os de natureza científica.
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