Modelagem ionosférica local em redes GPS para o posicionamento absoluto de estações de uma frequência

Abstract

Resumo: Uma alternativa para o posicionamento geodésico em países de dimensões como as do Brasil é o posicionamento por ponto preciso pelo fato dele independer de linhas de base. A acurácia alcançada por ele pode ser da ordem de decímetros a centímetros, porém, observa-se a necessidade do usuário utilizar um receptor de dupla-frequência. Essa exigência decorre da necessidade em reduzir o efeito da refração ionosférica por meio da combinação linear livre da ionosfera. Outra possibilidade para reduzir esse erro sobre as observações GPS é o emprego de modelos ou de mapas regionais/globais da ionosfera. Neste estudo foi proposto um modelo local de ionosfera que utilizada uma rede de estações de referência com receptores de dupla frequência. O modelo estima coeficientes independentes para cada um dos satélite em cada época. Parte-se do princípio que os erros para cada satélite apresentam um comportamento aproximadamente linear na região coberta pela rede, assim, um modelo matemático simples é utilizado para descrever o erro. Além disso, coeficientes são gerados a cada época permitindo monitorar rápidas variações do conteúdo total de elétrons. Experimentos foram conduzidos em regiões com condições ionosféricas diversas: a primeira na Europa Central, em latitudes médias, e a segunda no Sul do Brasil, na região equatorial. O modelo proposto foi testado por meio do posicionamento por ponto, que emprega somente observações de código, onde foram utilizados produtos precisos (órbita e relógio) e foi gerada uma única solução envolvendo todas as épocas de observação. Uma série de processamentos foi realizada em estações que operam receptores de dupla frequência, onde foram adotadas as seguintes estratégias: a) empregando a combinação livre da ionosfera do código; b) código na frequência L1 sem qualquer correção ionosférica; c) código na frequência L1 com mapas regionais da ionosfera; d) código na frequência L1 com o modelo ionosférico proposto. Os melhores resultados foram obtidos quando se empregou a combinação linear livre da ionosfera. Como esperado, o processamento sem levar em conta qualquer correção ionosférica apresentou discrepâncias da ordem de alguns metros, especialmente para a componente altimétrica. O processamento com mapas regionais da ionosfera mostraram altas discrepâncias para as componentes planimétricas. O processamento com o modelo proposto mostrou discrepâncias menores que o metro para todas as estações testadas com desvios-padrão de até 0,60 m, mostrando valores comparáveis aos obtidos com a combinação livre da ionosfera. Os resultados obtidos da modelagem ionosférica desenvolvida mostram que as correções geradas conseguiram eliminar 92% do efeito da ionosfera para as estações européias e 87% para as brasileiras, em média, quando comparadas com as correções geradas pela própria estação empregando a mesma observável (código).

Abstract: One alternative for geodetic positioning in countries as big as Brazil is the precisepoint positioning due to its independence concerning baselines. The accuracyreached by this method can reach decimeters or centimeters, however one can seethe need for using double-frequency receivers. Double-frequency observations canbe used in an ionosphere-free linear combination to reduce the ionosphericrefraction. Other possibilities for reducing this error source in GPS observations areionospheric models or global/regional ionospheric maps. This study an ionosphericlocal model was proposed. It uses a network of double-frequency receivers andestimates independent coefficients for each satellite at each epoch. It is assumedthat the errors for each satellite are approximately linear in an area covered by thenetwork, then a simple model is used to describe the error. As network coefficientsare generated for each epoch, quick changes in the total electron content can bemonitored. Experiments were carried out in regions with different ionosphericconditions: the first in Central Europe, in mid latitudes, and the second one in SouthBrazil, in the equatorial region. The developed model was tested using the pointpositioning method, that works with code observations only, and precise products(orbits and clocks) are taken into account. Just one solution is obtained consideringobservations of all epochs. Several data processing procedures were performedusing double-frequency stations, and the processing strategies were: a) using thecode ionosphere-free linear combination; b) code at L1 frequency without anyionospheric correction; c) code at L1 frequency and regional ionospheric maps; d)code at L1 frequency and corrections from the proposed model. The best solutionswere obtained when the ionosphere-free linear combination was used. As expected,positioning without any ionospheric corrections showed discrepancies of somemeters, mainly in the height component. Data processing using regional ionosphericmaps provided solutions with high discrepancies for planimetric components. Resultsfrom processing with the developed model showed discrepancies smaller than onemeter for all tested stations, and the standard deviations were smaller than 0,60 m.The results are comparable with the results from the ionosphere-free linearcombination strategy. The results showed that the model removed 92% of allionospheric effect for European stations and 87% for Brazilian stations, on average,when comparing with corrections generated for the own station and using the sameobservable (code).