Efeitos da cintilação ionosférica nos sinais GNSS

Na edição 34 da InfoGNSS, foi abordado nesta coluna o assunto referente às ameaças que a ionosfera pode provocar no posicionamento e navegação com GNSS, em especial aquelas advindas da cintilação ionosférica. Na coluna desta edição iremos apresentar detalhes adicionais sobre esse efeito.

Quando um sinal GNSS atravessa regiões da ionosfera que apresentam densidade irregular de elétrons, ele sofre variações na fase e na amplitude, fenômeno conhecido como cintilação ionosférica. Esses distúrbios, a depender de sua intensidade, podem causar séria degradação na funcionalidade do GNSS, em especial na acurácia, disponibilidade e integridade. Nas regiões de baixa latitude, incluindo grande parte do território brasileiro, a cintilação ocorre com frequência, podendo ser intensa. Na região equatorial, a cintilação ionosférica se dá, principalmente, devido a algumas características da anomalia equatorial, relacionada com a densidade do plasma e da frequente ocorrência das bolhas ionosféricas, que podem ter dimensões variando de poucos metros até centenas de quilômetros. Elas ocorrem após o por do Sol, até meia noite, com maior frequência a partir do mês de setembro, prolongando-se até início de abril, período em que nossa região está mais exposta aos raios solares. Durante tempestades magnéticas, o período diário de ocorrência pode-se estender ainda mais, indo além da meia noite.

Os efeitos que a cintilação ionosférica pode causar são os seguintes: a degradação da qualidade do sinal (sua variância se torna maior); ocorrência de perdas de ciclos nas medidas de fase da onda portadora, o que prejudica a solução das ambiguidades e perda completa de sintonia com o satélite sendo rastreado. Logo, a solução para o problema requer não apenas melhorias dos modelos matemáticos envolvidos no processamento e aquisição dos dados, mas também nos circuitos digitais, em especial o Phase Locked Loop (PLL) e o Delay Locked Loop (DLL), responsáveis pelas medidas da fase e pseudodistância.

A modernização do GPS, com a introdução do código L2C na portadora L2, presente no momento em nove satélites GPS, deverá reduzir alguns desses efeitos.

O próximo ciclo solar, que deverá alcançar pico máximo em maio de 2013, ocorrerá num momento em que o uso do GNSS de alta acurácia tem se expandido de forma acentuada. Desta forma, entender e monitorar a cintilação ionosférica serão etapas essenciais no contexto do GNSS, de modo que alertas e previsões possam ser disponibilizadas para os usuários. Por outro lado, os fabricantes de equipamentos e desenvolvedores de programas computacionais para processamento de dados GNSS trabalham no aperfeiçoamento de ferramentas que possam mitigar esses efeitos. No entanto, não é de se esperar que passemos imunes a esses problemas no ciclo solar que se aproxima.

Dois parâmetros muito utilizados para caracterizar o nível de cintilação ionosférica são os índices S4 e Sigma phi. O índice S4, que indica o nível de cintilação em amplitude, é uma medida vinculada com o desvio padrão da intensidade do sinal, sendo calculado a cada minuto. Sigma phi, por outro lado, é um índice que apresenta o nível de cintilação em fase. Na figura mostra-se a distribuição das estações monitoras da ionosfera sobre o território brasileiro vinculadas com o projeto Cigala (http://www.fp7cigala.eu). Essas estações são as mais modernas disponíveis atualmente no mercado, sendo capazes de rastrear dados GPS, Galielo, Glonass e Compass e disponibilizar os índices S4 e Sigma phi, além de valores de Total Electron Contents (TEC), Ratio of TEC (RoT), além de outros. Trata-se de um projeto que em muito contribuirá com o desenvolvimento de métodos e técnicas para mitigação dos efeitos da cintilação ionosférica.

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Distribuição das estações de monitoramento da ionosfera do projeto Cigala

 

pag48 1 galera A ameaça que vem do céuJoão Francisco Galera Monico é graduado em engenharia cartográfica pela Universidade Estadual Paulista, com mestrado em ciências geodésicas pela Universidade Federal do Paraná e doutorado em engenharia de levantamentos e geodésia espacial pela Universidade de Nottingham. Professor e líder do Grupo de Estudo em Geodésia Espacial da Unesp. Autor do livro Posicionamento pelo GNSS
galera@fct.unesp.br