Impacto da estimativa de gradientes horizontais troposféricos derivados de PNT no posicionamento por ponto preciso cinemático em regiões brasileiras

Abstract

Resumo: A acurácia do Posicionamento por Ponto Preciso (PPP) cinemático é significativamente afetada pelo atraso troposférico, também denominado atraso da atmosfera neutra, uma das principais fontes de erro no posicionamento pelo Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS). Para preencher a lacuna de pesquisa sobre o desempenho de estratégias robustas de modelagem da atmosfera neutra em regiões de alta variabilidade atmosférica, como o Brasil, este estudo avaliou diferentes abordagens aplicadas ao PPP cinemático em distintas regiões do país. O trabalho foi estruturado em três artigos que analisaram a influência da estimativa de gradientes troposféricos, do uso de diferentes Funções de Mapeamento (FMs) e de configurações de constelações GNSS, considerando distintas janelas de tempo de processamento e condições sazonais. Todos os processamentos foram realizados no software RTKLIB, no qual foram implementadas, mediante modificação do código fonte, as FMs de Viena 1 (VMF1) e de Viena 3 (VMF3). No primeiro artigo, com processamento de 4 horas de dados, foram comparados resultados com e sem a inclusão de gradientes troposféricos, além da avaliação do desempenho da VMF1 em relação à Função de Mapeamento de Niell (NMF Niell Mapping Function), evidenciando ganhos na acurácia planialtimétrica com a inclusão de gradientes, sobretudo na componente vertical e em regiões úmidas, como a Amazônia. No segundo artigo, com processamento de 24 horas, foi comparada a estimativa apenas do Atraso Zenital Troposférico (ZTD Zenith Tropospheric Delay) com a estimativa conjunta de ZTD e gradientes troposféricos, confirmando melhorias nas componentes horizontais em estações tropicais úmidas, especialmente no verão. No terceiro artigo, com processamento de 2 horas, a VMF3 foi comparada com a Estimativa do ZTD, considerando cenários com e sem gradientes troposféricos, e investigando também o impacto de diferentes máscaras de elevação (7°, 10°, 15°) e constelações (GPS e GPS+GLONASS). Os resultados evidenciaram a superioridade da Estimativa do ZTD no filtro de Kalman Estendido, principalmente na componente vertical, devido à sua capacidade adaptativa de se ajustar às condições atmosféricas locais. A análise integrada dos três artigos indicou que períodos mais longos de processamento favorecem a assimilação das variações atmosféricas, maximizando os benefícios da modelagem com gradientes, com melhorias na acurácia planialtimétrica. Adicionalmente, foi quantificada a superioridade da combinação GPS+GLONASS em relação ao uso exclusivo do GPS, sendo a máscara de elevação de 10° a mais adequada para a maioria dos cenários. Em síntese, os resultados reforçam que a estimativa de gradientes, o uso de múltiplas constelações e a escolha criteriosa da máscara de elevação são fundamentais para otimizar o PPP cinemático em ambientes atmosféricos complexos e dinâmicos, como os encontrados no Brasil

Abstract: The accuracy of kinematic Precise Point Positioning (PPP) is significantly affected by the tropospheric delay, also known as the neutral atmosphere delay, which is one of the main error sources in Global Navigation Satellite System (GNSS) positioning. To fill the research gap regarding the performance of robust neutral atmosphere modeling strategies in regions with high atmospheric variability, such as Brazil, this study evaluated different approaches applied to kinematic PPP in distinct regions of the country. The work was structured into three articles that analyzed the influence of estimating tropospheric gradients, the use of different Mapping Functions (MFs), and GNSS constellation configurations, considering distinct processing time windows and seasonal conditions. All processing was performed using the RTKLIB software, in which the Vienna Mapping Function 1 (VMF1) and Vienna Mapping Function 3 (VMF3) were implemented by modifying the source code. In the first article, with 4-hour data processing, results with and without the inclusion of tropospheric gradients were compared, in addition to evaluating the performance of VMF1 relative to the Niell Mapping Function (NMF), showing gains in horizontal and vertical accuracy with the inclusion of gradients, especially in the vertical component and in humid regions, such as the Amazon. In the second article, with 24-hour processing, the estimation of only the Zenith Tropospheric Delay (ZTD) was compared with the joint estimation of ZTD and tropospheric gradients, confirming improvements in the horizontal components at humid tropical stations, especially during summer. In the third article, with 2-hour processing, VMF3 was compared with ZTD estimation, considering scenarios with and without tropospheric gradients, and also investigating the impact of different elevation masks (7°, 10°, 15°) and constellations (GPS and GPS+GLONASS). The results highlighted the superiority of ZTD estimation within the Extended Kalman Filter, particularly in the vertical component, due to its adaptive capacity to adjust to local atmospheric conditions. The integrated analysis of the three articles indicated that longer processing periods favor the assimilation of atmospheric variations, maximizing the benefits of modeling with gradients, with improvements in horizontal and vertical accuracy. Additionally, the superiority of the GPS+GLONASS combination over the exclusive use of GPS was quantified, with the 10° elevation mask being the most suitable for most scenarios. In summary, the results reinforce that the estimation of gradients, the use of multiple constellations, and the careful choice of the elevation mask are fundamental to optimizing kinematic PPP in complex and dynamic atmospheric environments, such as those found in Brazil