Investigação do posicionamento pelo GNSS na navegação aérea : aplicação de correções atmosféricas SSR e do monitoramento da integridade

Abstract

Resumo: Uma das mais importantes aplicações do GNSS (Global Navigation Satellite System) é a navegação aérea. Para dar suporte às fases de aproximação precisa e de pouso de aeronaves foi o desenvolvido o GBAS (Ground-Based Augmentation System) devido à sua capacidade de atender acurácia e garantir segurança de voo. O GBAS, fundamentado no DGNSS (Differential GNSS), pode mitigar uma grande parcela dos erros que incidem na observável de pseudodistância, enviando correções diferenciais estimadas por uma rede de receptores dispostos nos arredores de um aeroporto. Contudo, uma das principais fontes de erro que afeta a qualidade da navegação em tempo real é decorrente do atraso ionosférico. Nesse contexto, experimentos conduzidos em uma estação GBAS instalada no aeroporto do Galeão (RJ) certificaram que, por conta de sua localização em zona ionosférica de baixa latitude, sua operação é restrita a determinadas estações do ano e horários do dia. Por isso, uma investigação sobre a possibilidade de consolidação de um sistema GBAS no Brasil é fundamental, haja vista que o território brasileiro está sujeito à intensa atividade ionosférica. O GBAS, derivado do DGNSS, se baseia no princípio da OSR (Observation-Space Representation), no qual todos os erros observados pelas estações de referência em solo são agrupados e, em seguida, transmitidos para corrigir a posição da aeronave. Todavia, o Posicionamento por Ponto Preciso (PPP) com resolução de ambiguidades, denominado na literatura como PPP-RTK (PPP - Real- Time Kinematic), está fundamentado no conceito da SSR (State-Space Representation). Por meio da SSR, os erros sistemáticos (ionosfera, troposfera, órbitas, relógio e tendência instrumental dos satélites) são modelados individualmente, possibilitando uma representação mais próxima da realidade física desses efeitos. Sendo assim, o objetivo desta pesquisa visa investigar a contribuição do PPP-RTK na navegação aérea, com a aplicação de correções atmosféricas SSR em uma área de estudo na região brasileira. Por este motivo, foram feitas comparações entre dois experimentos. No primeiro, foram processados dados de duas estações da rede global do IGS (International GNSS Service) situadas em Cachoeira Paulista (SP), sendo uma referência e a outra simulando o usuário móvel, formando uma linha de base de, aproximadamente, 1,85 km, semelhante à realidade de uma estação GBAS. Nesta investigação, as ambiguidades foram fixadas no PPP, com e sem a aplicação de correções atmosféricas SSR. Constatou-se que o uso de correções SSR permitiu a separação de erros que incidem no posicionamento GNSS e, mesmo com a presença de irregularidades ionosféricas no período analisado, a solução de ambiguidades se manteve estável. No segundo experimento foi avaliada uma simulação operacional do GBAS no software PEGASUS, desenvolvido pela empresa EUROCONTROL. Através de uma rede local de receptores de referência, a finalidade deste experimento foi analisar a performance da categoria de aproximação de precisão GAST-C para dois períodos distintos, considerando um dia com máxima atividade ionosférica e outro com mínima. Verificou-se instabilidade para o dia com maiores perturbações na ionosfera e um percentual menor de disponibilidade dos serviços de navegação, os quais permaneceram inoperantes durante metade do período considerado e não atenderam ao requisito exigido.

Abstract: One of the most important applications of GNSS (Global Navigation Satellite System) is air navigation. In order to support aircraft phases of precision approach and landing, GBAS (Ground-Based Augmentation System) was developed due to its ability to meet accuracy and to ensure flight safety. GBAS, based on DGNSS (Differential GNSS), can mitigate a large share of errors that exert influence on pseudorange observable, by sending differential corrections estimated from a receivers' network located in airport surroundings. However, one of the major error sources that affects the quality of real-time navigation is on account of ionospheric delay. In this context, experiments performed in a GBAS station deployed at Galeão airport (RJ) certified that, due to its location in an ionospheric zone of low latitude, its operation is restricted to certain seasons of the year and hours of day. For this reason, an investigation into the possibility of consolidating a GBAS system in Brazil is essential, given that the location of the Brazilian territory is prone to intense ionospheric activity. GBAS, derived from DGNSS, is grounded in the principle of OSR (Observation-Space Representation), in which all errors observed by ground reference stations are lumped together and then sent to correct the aircraft's position. Nevertheless, PPP with ambiguity resolution, known in the literature as PPP-RTK (PPP - Real-Time Kinematic), is founded on the concept of SSR (State-Space Representation). Through SSR, systematic errors (ionosphere, troposphere, orbits, clock, and satellite biases) are individually modeled, enabling a closer representation of the physical reality of these effects. Therefore, the purpose of this research is to investigate the contribution of PPP-RTK with SSR atmospheric corrections in a study area in the Brazilian region. For this reason, comparisons were made between two experiments. In the first one, data from two IGS global network stations located in Cachoeira Paulista (SP) were processed, one being a reference and the other simulating the rover user, forming a baseline of approximately 1.85 km, similar to the reality of a GBAS station. In this investigation, ambiguities were fixed in PPP, with and without application of SSR atmospheric corrections. It was found that the use of SSR corrections allowed the separation of errors that affect the GNSS positioning and, even with the presence of ionospheric irregularities in the analyzed period, the fixing of ambiguities was kept stable. In the second experiment an operational simulation of GBAS was evaluated in PEGASUS software, developed by EUROCONTROL. There was instability for the day with superior disturbances in ionosphere and a lower percentage of availability of navigation services, which remained inoperative for half the period considered and did not meet the required requirement.