GPS Satellite Kinematic Relative Positioning: Analyzing and Improving the Functional Mathematical Model Using Wavelets

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Application of the GPS system for preliminary satellite orbit determination

In this paper, we discuss a method of preliminary orbit determination for an artificial satellite based on the navigation message of the GPS constellation. Orbital elements are considered as state variables and a simple dynamic model, based on the classic two-body problem, is used. The observations are formed by range and range and range-rate with respect to four visible GPS. A discrete Kalman filter with simulated data is used as filtering technique. The data are obtained through numerical propagation (Cowell's method), which considers special perturbations for the GPS satellite constellation and a user satellite. © 1997 COSPAR. Published by Elsevier Science Ltd.

Mitigating systematic errors for single frequency GPS receivers employing a penalized least squares methodology

Among the positioning systems that compose GNSS (Global Navigation Satellite System), GPS has the capability of providing low, medium and high precision positioning data. However, GPS observables may be subject to many different types of errors. These systematic errors can degrade the accuracy of the positioning provided by GPS. These errors are mainly related to GPS satellite orbits, multipath, and atmospheric effects. In order to mitigate these errors, a semiparametric model and the penalized least squares technique were employed in this study. This is similar to changing the stochastical model, in which error functions are incorporated and the results are similar to those in which the functional model is changed instead. Using this method, it was shown that ambiguities and the estimation of station coordinates were more reliable and accurate than when employing a conventional least squares methodology.

Recuperação de perfis atmosféricos a partir de ocultação GPS: fundamentos, implementação e análise de resultados

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Taxa de absorção atmosférica sobre as cidades de Botucatu-SP e Rio de Janeiro-RJ

O segundo satélite da Missão Espacial Completa Brasileira (SCD2/MECB) foi colocado em órbita em 23 de Outubro de 1998 e carrega a bordo um experimento de células solares. Célula solar de silício é um dispositivo semicondutor, que pode medir a intensidade da radiação visível e parte da radiação infravermelha (400-1100 nm). O experimento permite medir simultaneamente a insolação direta e parte da radiação solar que é refletida pela Terra para o espaço. Os dados do experimento célula solar são transmitidos em tempo real pela telemetria do satélite e recebidos pela estação terrestre em Cuiabá, MT-Brasil (16°S; 56°W). Este fato limita a cobertura espacial para um círculo sobre a América do Sul. O albedo planetário é obtido dentro desta cobertura e seus valores podem ser agrupados em períodos temporais (anual, sazonal ou mensal), ou podem ser estudados para várias localizações (latitude e longitude) durante a vida do satélite. O coeficiente de transmissão atmosférica ou índice de claridade (Kt), medido em estações meteorológicas na superfície da Terra, junto com o valor medido simultaneamente do albedo planetário, permite calcular o coeficiente de absorção atmosférica (Ka). O método desenvolvido neste trabalho para avaliar Ka considera que o albedo planetário é composto por duas partes: uma refletividade local e uma refletividade não local. Considerando este novo conceito, é definida uma taxa de absorção atmosférica (denominada Ra) que é a razão entre Ka e a potência de irradiância solar líquida, que não atravessou a atmosfera (100%-Kt). A taxa de absorção atmosférica assim definida é independente da cobertura de nuvens. O histograma de freqüência de Ra mostra os valores de 0,86±0,07 e 0,88±0,09 sobre as cidades de Botucatu-SP e do Rio de Janeiro-RJ, durante os anos de 1999 até 2006, respectivamente.

Estrutura e composição da ictiofauna de riachos do rio Paranapanema, Sudeste e Sul do Brasil

Foram amostrados 17 trechos de riachos com 100 m de extensão, todos de ordem igual ou menor a três, ao longo de ambas as margens do canal principal do Rio Paranapanema, SP e PR. O ponto médio de cada trecho foi georreferenciado via satélite com receptor GPS e o uso de metodologia padronizada de coleta de dados ambientais e peixes (baseada principalmente na pesca elétrica), possibilitou a obtenção das seguintes informações em cada local: 1) composição taxonômica da ictiofauna e contribuição, em termos de número de indivíduos e biomassa, de cada espécie para a ictiofauna local como um todo; 2) documentação fotográfica de espécimes representativos de cada espécie coletada com sua coloração natural; 3) descrição de cada ambiente coletado, com ilustrações fotográficas coloridas, e seus principais parâmetros bióticos e abióticos. No total foram coletados 3.683 exemplares, pertencentes a seis ordens, 16 famílias, 37 gêneros e 52 espécies, com biomassa total de 16,8 kg. Das espécies coletadas, aproximadamente 36% pertencem a ordem Siluriformes, 36% a Characiformes, 11% a Gymnotiformes, 10% a Perciformes, 4% a Cyprinodontiformes e 2% a Synbranchiformes. As espécies mais abundantes em termos de número de indivíduos foram Astyanax altiparanae (15,2%) e Astyanax sp. 1 (12,3%); aquelas com maior biomassa foram A. altiparanae (28%) e Geophagus brasiliensis (13%). A composição da ictiocenose em termos de abundância e biomassa por família indica a predominância expressiva de Characidae, seguida por Loricariidae, Pimelodidae e Cichlidae. Dentre os trechos amostrados, o trecho 14 (24 espécies) e o 13 (cinco espécies), apresentaram a maior e a menor riqueza em espécies, respectivamente, coincidindo com os valores obtidos para o índice de diversidade específica de Shannon-Wienner (H´= 0,99 e 0,32, respectivamente). A riqueza média encontrada foi de 11 espécies por trecho de riacho. Na estimativa de riqueza por extrapolação para o conjunto total de riachos amostrados na bacia do rio Paranapanema, obtivemos um valor de 69 espécies (erro padrão igual a quatro) indicando ser necessário um esforço amostral adicional moderado para atingir a assíntota da curva. Das 52 espécies coletadas, oito (aproximadamente 15% do total) são seguramente novas, cinco (aproximadamente 10% do total) possuem status taxonômico ainda indefinido, enquanto outras três (aproximadamente 6% do total) são espécies introduzidas. Analisando a estrutura trófica e espacial da ictiocenose estudada, as 10 espécies numericamente dominantes nos riachos estudados dividem-se, em ordem decrescente de importância numérica, em quatro guildas: onívoros nectônicos; invertívoros bentônicos; perifitívoros; e onívoros bentônicos. Uma chave de identificação para todas as espécies de peixes coletadas durante este estudo é fornecida ao final deste trabalho.

Estrutura e composição da ictiofauna de riachos da bacia do Rio Grande no estado de São Paulo, sudeste do Brasil

O ponto médio de cada trecho foi georreferenciado via satélite com receptor GPS e o uso de metodologia padronizada de coleta de dados ambientais e peixes (baseada principalmente na pesca elétrica), possibilitou a obtenção das seguintes informações em cada local: 1) composição taxonômica da ictiofauna e contribuição, em termos de número de indivíduos e biomassa, de cada espécie para a ictiofauna local como um todo; 2) documentação fotográfica de espécimes representativos de cada espécie coletada com sua coloração natural; 3) descrição de cada ambiente coletado, com ilustrações fotográficas coloridas, e seus principais parâmetros bióticos e abióticos. No total foram coletados 3.070 exemplares, pertencentes a seis ordens, 18 famílias, 44 gêneros e 64 espécies, com biomassa total de 14,3 kg. Das espécies coletadas, aproximadamente 50% pertencem a ordem Characiformes, 26,5% a Siluriformes, 11% a Perciformes, 6% a Gymnotiformes, 5% a Cyprinodontiformes e 1,5% a Synbranchiformes. As espécies mais abundantes em termos de número de indivíduos foram Astyanax altiparanae (17,4%) e Hypostomus ancistroides (9%); aquelas com maior biomassa foram A. altiparanae (35%) e Geophagus brasiliensis (9%). em termos de abundância e biomassa por família, a composição da fauna de peixes estudada indica a predominância expressiva de Characidae, seguida por Loricariidae e Cichlidae. Dentre os trechos amostrados, o trecho SG6 (26 espécies) e o PG4 (três espécies), apresentaram a maior e a menor riqueza em espécies, respectivamente, coincidindo com os valores obtidos para o índice de diversidade específica de Shannon-Wiener (H'= 1,08 e 0,26, respectivamente). A riqueza média encontrada foi de 12 espécies por trecho de riacho. Na estimativa de riqueza por extrapolação para o conjunto total de riachos amostrados na bacia do Rio Grande, obtivemos um valor de 93 espécies (erro padrão igual a três) indicando ser necessário um esforço amostral adicional moderado para atingir a assíntota da curva. Das 64 espécies coletadas, quatro (aproximadamente 6% do total) são seguramente novas, sete (aproximadamente 11% do total) possuem status taxonômico ainda indefinido, enquanto outras duas (aproximadamente 3% do total) são espécies certamente introduzidas. Analisando a estrutura trófica e espacial da ictiofauna estudada as 10 espécies numericamente dominantes nos riachos amostrados dividem-se, com base em dados de literatura, em ordem decrescente de importância numérica, em cinco guildas: onívoros nectônicos; invertívoros bentônicos; perifitívoros; algívoros e onívoros bentônicos. Uma chave de identificação para todas as espécies de peixes coletadas durante este estudo é fornecida ao final deste trabalho.

Onboard and real-time artificial satellite orbit determination using GPS

An algorithm for real-time and onboard orbit determination applying the Extended Kalman Filter (EKF) method is developed. Aiming at a very simple and still fairly accurate orbit determination, an analysis is performed to ascertain an adequacy of modeling complexity versus accuracy. The minimum set of to-be-estimated states to reach the level of accuracy of tens of meters is found to have at least the position, velocity, and user clock offset components. The dynamical model is assessed through several tests, covering force model, numerical integration scheme and step size, and simplified variational equations. The measurement model includes only relevant effects to the order of meters. The EKF method is chosen to be the simplest real-time estimation algorithm with adequate tuning of its parameters. In the developed procedure, the obtained position and velocity errors along a day vary from 15 to 20 m and from 0.014 to 0.018 m/s, respectively, with standard deviation from 6 to 10 m and from 0.006 to 0.008 m/s, respectively, with the SA either on or off. The results, as well as analysis of the final adopted models used, are presented in this work. © 2013 Ana Paula Marins Chiaradia et al.

Metodologia para avaliação do desempenho de receptor de GPS de uso agrícola em condição cinemática

Activities that use Global Navigation Satellite System (GNSS) are countless and the most used one is the Global Positioning System (GPS) developed by the United States. In precision agriculture there are demands for static and cinematic positioning with distinct levels of accuracy for different applications; nevertheless cinematic performance data are not available as manufacturers of GPS receivers present only static performance information. For this reason it was developed an instrumented vehicle to test a methodology of performance evaluation of GPS receivers in kinematic conditions, which is representative to agricultural operations. A set of instrumentation was composed and used for collecting data under variable speed and rotation direction. Tests were conducted showing that the methodology allows to measure accuracy and precision, but improvements have to be implemented on the instrumentation equipment for long term tests.

Integration of a regional GPS network within ITRF using precise point positioning

GPS precise point positioning (PPP) can provide high precision 3-D coordinates. Combined pseudorange and carrier phase observables, precise ephemeris and satellite clock corrections, together with data from dual frequency receivers, are the key factors for providing such levels of precision (few centimeters). In general, results obtained from PPP are referenced to an arbitrary reference frame, realized from a previous free network adjustment, in which satellite state vectors, station coordinates and other biases are estimated together. In order to obtain consistent results, the coordinates have to be transformed to the relevant reference frame and the appropriate daily transformation parameters must be available. Furthermore, the coordinates have to be mapped to a chosen reference epoch. If a velocity field is not available, an appropriated model, such as NNR-NUVEL-IA, has to be used. The quality of the results provided by this approach was evaluated using data from the Brazilian Network for Continuous Monitoring of the Global Positioning System (RBMC), which was processed using GIPSY-OASIS 11 software. The results obtained were compared to SIRGAS 1995.4 and ITRF2000, and reached precision better than 2cm. A description of the fundamentals of the PPP approach and its application in the integration of regional GPS networks with ITRF is the main purpose of this paper.

On determining spectral parameters, tracking jitter, and GPS positioning improvement by scintillation mitigation

A method of determining spectral parameters p (slope of the phase PSD) and T (phase PSD at 1 Hz) and hence tracking error variance in a GPS receiver PLL from just amplitude and phase scintillation indices and an estimated value of the Fresnel frequency has been previously presented. Here this method is validated using 50 Hz GPS phase and amplitude data from high latitude receivers in northern Norway and Svalbard. This has been done both using (1) a Fresnel frequency estimated using the amplitude PSD (in order to check the accuracy of the method) and (2) a constant assumed value of Fresnel frequency for the data set, convenient for the situation when contemporaneous phase PSDs are not available. Both of the spectral parameters (p, T) calculated using this method are in quite good agreement with those obtained by direct measurements of the phase spectrum as are tracking jitter variances determined for GPS receiver PLLs using these values. For the Svalbard data set, a significant difference in the scintillation level observed on the paths from different satellites received simultaneously was noted. Then, it is shown that the accuracy of relative GPS positioning can be improved by use of the tracking jitter variance in weighting the measurements from each satellite used in the positioning estimation. This has significant advantages for scintillation mitigation, particularly since the method can be accomplished utilizing only time domain measurements thus obviating the need for the phase PSDs in order to extract the spectral parameters required for tracking jitter determination.

GPS/VRS positioning using atmospheric modeling

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Orbit determination using GPS including perturbations due to geopotential coefficients of high degree and order and solar radiation pressure

The main target here is to determine the orbit of an artificial satellite, using signals of the GPS constellation and least squares algorithms implemented through sequential Givens rotations as a method of estimation, with the aim of improving the performance of the orbit estimation process and, at the same time, minimizing the computational procedure cost. Geopotential perturbations up to high order and direct solar radiation pressure were taken into account. It was also considered the position of the GPS antenna on the satellite body that, lately, consists of the influence of the satellite attitude motion in the orbit determination process. An application has been done, using real data from the Topex/Poseidon satellite, whose ephemeris is available at Internet. The best accuracy obtained in position was smaller than 5 meters for short period (2 hours) and smaller than 28 meters for long period (24 hours) orbit determination. In both cases, the perturbations mentioned before were taken into consideration and the analysis occurred without selective availability on the signals measurements.

Avaliação de perfis atmosféricos de rádio ocultação GPS do satélite CHAMP sobre a América do Sul

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Simple orbit determination using GPS based on a least-squares algorithm employing sequential givens rotations

A low-cost computer procedure to determine the orbit of an artificial satellite by using short arc data from an onboard GPS receiver is proposed. Pseudoranges are used as measurements to estimate the orbit via recursive least squares method. The algorithm applies orthogonal Givens rotations for solving recursive and sequential orbit determination problems. To assess the procedure, it was applied to the TOPEX/POSEIDON satellite for data batches of one orbital period (approximately two hours), and force modelling, due to the full JGM-2 gravity field model, was considered. When compared with the reference Precision Orbit Ephemeris (POE) of JPL/NASA, the results have indicated that precision better than 9 m is easily obtained, even when short batches of data are used. Copyright (c) 2007.