Towards forecasting and mitigating ionospheric scintillation effects on GNSS

The effect of the ionosphere on the signals of Global Navigation Satellite Systems (GNSS), such as the Global Positionig System (GPS) and the proposed European Galileo, is dependent on the ionospheric electron density, given by its Total Electron Content (TEC). Ionospheric time-varying density irregularities may cause scintillations, which are fluctuations in phase and amplitude of the signals. Scintillations occur more often at equatorial and high latitudes. They can degrade navigation and positioning accuracy and may cause loss of signal tracking, disrupting safety-critical applications, such as marine navigation and civil aviation. This paper addresses the results of initial research carried out on two fronts that are relevant to GNSS users if they are to counter ionospheric scintillations, i.e. forecasting and mitigating their effects. On the forecasting front, the dynamics of scintillation occurrence were analysed during the severe ionospheric storm that took place on the evening of 30 October 2003, using data from a network of GPS Ionospheric Scintillation and TEC Monitor (GISTM) receivers set up in Northern Europe. Previous results [1] indicated that GPS scintillations in that region can originate from ionospheric plasma structures from the American sector. In this paper we describe experiments that enabled confirmation of those findings. On the mitigation front we used the variance of the output error of the GPS receiver DLL (Delay Locked Loop) to modify the least squares stochastic model applied by an ordinary receiver to compute position. This error was modelled according to [2], as a function of the S4 amplitude scintillation index measured by the GISTM receivers. An improvement of up to 21% in relative positioning accuracy was achieved with this technnique.

Posicionamento por ponto preciso estático e cinemático: implementação e análise

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Estudo e implementação de técnicas de sincronismo de dispositivos para o georreferenciamento de imagens digitais

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Variabilidade espacial da resistência mecânica do solo à penetração em áreas mecanizadas de cana-de-açúcar (Saccharum officinarum)

Pós-graduação em Agronomia (Ciência do Solo) - FCAV

Grade ionosférica para aplicações em posicionamento e navegação com GNSS

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Caminhamento fotogramétrico utilizando o fluxo óptico filtrado

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Imageamento homeomórfico de refletores sísmicos

Neste trabalho é apresentada uma nova técnica para a realização do empilhamento sísmico, aplicada ao problema do imageamento de refletores fixos em um meio bidimensional, suavemente heterogêneo, isotrópico, a partir de dados de reflexão. Esta nova técnica chamada de imageamento homeomórfico tem como base a aproximação geométrica do raio e propriedades topológicas dos refletores. São utilizados, portanto, os conceitos de frente de onda, ângulo de incidência, raio de curvatura da frente de onda, cáustica e definição da trajetória do raio; de tal modo que a imagem obtida mantém relações de homeomorfismo com o objeto que se deseja imagear. O empilhamento sísmico é feito, nesta nova técnica de imageamento, aplicando-se uma correção local do tempo, ∆ t, ao tempo de trânsito, t, do raio que parte da fonte sísmica localizada em x_o, reflete-se em um ponto de reflexão, C_o, sendo registrado como uma reflexão primária em um geofone localizado em x_g, em relação ao tempo de referência t_o no sismograma, correspondente ao tempo de trânsito de um raio central. A fórmula utilizada nesta correção temporal tem como parâmetros o raio de curvatura R_o, o ângulo de emergência β_o da frente de onda, no instante em que a mesma atinge a superfície de observação, e a velocidade v_o considerada constante nas proximidades da linha sísmica. Considerando-se uma aproximação geométrica seguido um círculo para a frente de onda, pode-se estabelecer diferentes métodos de imageamento homeomórfico dependendo da configuração de processamento. Sendo assim tem-se: 1) Método Elemento de Fonte (Receptor) Comum (EF(R)C). Utiliza-se uma configuração onde se tem um conjunto de sismogramas relacionado com uma única fonte (receptor), e considera-se uma frente de onda real (de reflexão); 2) Método Elemento de Reflexão Comum (ERC). Utiliza-se uma configuração onde um conjunto de sismogramas é relacionado com um único ponto de reflexão, e considera-se uma frente de onda hipoteticamente originada neste ponto; 3) Método Elemento de Evoluta Comum (EEC). Utiliza-se uma configuração onde cada sismograma está relacionado com um par de fonte e geofone coincidentemente posicionados na linha sísmica, e considera-se uma frente de onda hipoteticamente originada no centro de curvatura do refletor. Em cada um desses métodos tem-se como resultados uma seção sísmica empilhada, u(x_o, t_o); e outras duas seções denominadas de radiusgrama, R_o (x_o, t_o), e angulograma, β_o(x_o, t_o), onde estão os valores de raios de curvatura e ângulos de emergência da frente de onda considerada no instante em que a mesma atinge a superfície de observação, respectivamente. No caso do método denominado elemento refletor comum (ERC), a seção sísmica resultante do empilhamento corresponde a seção afastamento nulo. Pode-se mostrar que o sinal sísmico não sofre efeitos de alongamento como consequência da correção temporal, nem tão pouco apresenta problemas de dispersão de pontos de reflexão como consequência da inclinação do refletor, ao contrário do que acontece com as técnicas de empilhamento que tem por base a correção NMO. Além disto, por não necessitar de um macro modelo de velocidades a técnica de imageamento homeomórfico, de um modo geral, pode também ser aplicada a modelos heterogêneos, sem perder o rigor em sua formulação. Aqui também são apresentados exemplos de aplicação dos métodos elemento de fonte comum (EFC) (KEYDAR, 1993), e elemento refletor comum (ERC) (STEENTOFT, 1993), ambos os casos com dados sintéticos. No primeiro caso, (EFC), onde o empilhamento é feito tendo como referência um raio central arbitrário, pode-se observar um alto nível de exatidão no imageamento obtido, além do que é dada uma interpretação para as seções de radiusgrama e angulograma, de modo a se caracterizar aspectos geométricos do model geofísico em questão. No segundo caso, (ERC), o método é aplicado a série de dados Marmousi, gerados pelo método das diferenças finitas, e o resultado é comparado com aquele obtido por métodos convecionais (NMO/DMO) aplicados aos mesmos dados. Como consequência, observa-se que através do método ERC pode-se melhor detectar a continuidade de refletores, enquanto que através dos métodos convencionais caracterizam-se melhor a ocorrência de difrações. Por sua vez, as seções de radiusgrama e angulograma, no método (ERC), apresentam um baixo poder de resolução nas regiões do modelo onde se tem um alto grau de complexidade das estruturas. Finalmente, apresenta-se uma formulação unificada que abrange os diferentes métodos de imageamento homeomórfico citados anteriormente, e também situações mais gerais onde a frente de onda não se aproxima a um círculo, mas a uma curva quadrática qualquer.

Automatic Orientation of Multi-Scale Terrestrial Images for 3D Reconstruction

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

Topografia convencional na aferição de áreas obtidas por georreferenciamento e Google Earth

Pós-graduação em Agronomia (Energia na Agricultura) - FCA

Digital Vertical Aerial Camera System for High-resolution Site Inspections in Conservation Easment Monitoring

A three-level satellite to ground monitoring scheme for conservation easement monitoring has been implemented in which high-resolution imagery serves as an intermediate step for inspecting high priority sites. A digital vertical aerial camera system was developed to fulfill the need for an economical source of imagery for this intermediate step. A method for attaching the camera system to small aircraft was designed, and the camera system was calibrated and tested. To ensure that the images obtained were of suitable quality for use in Level 2 inspections, rectified imagery was required to provide positional accuracy of 5 meters or less to be comparable to current commercially available high-resolution satellite imagery. Focal length calibration was performed to discover the infinity focal length at two lens settings (24mm and 35mm) with a precision of O.1mm. Known focal length is required for creation of navigation points representing locations to be photographed (waypoints). Photographing an object of known size at distances on a test range allowed estimates of focal lengths of 25.lmm and 35.4mm for the 24mm and 35mm lens settings, respectively. Constants required for distortion removal procedures were obtained using analytical plumb-line calibration procedures for both lens settings, with mild distortion at the 24mm setting and virtually no distortion found at the 35mm setting. The system was designed to operate in a series of stages: mission planning, mission execution, and post-mission processing. During mission planning, waypoints were created using custom tools in geographic information system (GIs) software. During mission execution, the camera is connected to a laptop computer with a global positioning system (GPS) receiver attached. Customized mobile GIs software accepts position information from the GPS receiver, provides information for navigation, and automatically triggers the camera upon reaching the desired location. Post-mission processing (rectification) of imagery for removal of lens distortion effects, correction of imagery for horizontal displacement due to terrain variations (relief displacement), and relating the images to ground coordinates were performed with no more than a second-order polynomial warping function. Accuracy testing was performed to verify the positional accuracy capabilities of the system in an ideal-case scenario as well as a real-world case. Using many welldistributed and highly accurate control points on flat terrain, the rectified images yielded median positional accuracy of 0.3 meters. Imagery captured over commercial forestland with varying terrain in eastern Maine, rectified to digital orthophoto quadrangles, yielded median positional accuracies of 2.3 meters with accuracies of 3.1 meters or better in 75 percent of measurements made. These accuracies were well within performance requirements. The images from the digital camera system are of high quality, displaying significant detail at common flying heights. At common flying heights the ground resolution of the camera system ranges between 0.07 meters and 0.67 meters per pixel, satisfying the requirement that imagery be of comparable resolution to current highresolution satellite imagery. Due to the high resolution of the imagery, the positional accuracy attainable, and the convenience with which it is operated, the digital aerial camera system developed is a potentially cost-effective solution for use in the intermediate step of a satellite to ground conservation easement monitoring scheme.

Statistical mechanics analysis of LDPC coding in MIMO Gaussian channels

Using analytical methods of statistical mechanics, we analyse the typical behaviour of a multiple-input multiple-output (MIMO) Gaussian channel with binary inputs under low-density parity-check (LDPC) network coding and joint decoding. The saddle point equations for the replica symmetric solution are found in particular realizations of this channel, including a small and large number of transmitters and receivers. In particular, we examine the cases of a single transmitter, a single receiver and symmetric and asymmetric interference. Both dynamical and thermodynamical transitions from the ferromagnetic solution of perfect decoding to a non-ferromagnetic solution are identified for the cases considered, marking the practical and theoretical limits of the system under the current coding scheme. Numerical results are provided, showing the typical level of improvement/deterioration achieved with respect to the single transmitter/receiver result, for the various cases. © 2007 IOP Publishing Ltd.

The wavelet method as an alternative for reducing ionospheric effects from single-frequency GPS receivers

The ionospheric effect is one of the major errors in GPS data processing over long baselines. As a dispersive medium, it is possible to compute its influence on the GPS signal with the ionosphere-free linear combination of L1 and L2 observables, requiring dual-frequency receivers. In the case of single-frequency receivers, ionospheric effects are either neglected or reduced by using a model. In this paper, an alternative for single-frequency users is proposed. It involves multiresolution analysis (MRA) using a wavelet analysis of the double-difference observations to remove the short- and medium-scale ionosphere variations and disturbances, as well as some minor tropospheric effects. Experiments were carried out over three baseline lengths from 50 to 450 km, and the results provided by the proposed method were better than those from dual-frequency receivers. The horizontal root mean square was of about 0.28 m (1 sigma).

Application of ionospheric corrections in the equatorial region for L1 GPS users

In the absence of the selective availability, which was turned off on May 1, 2000, the ionosphere can be the largest source of error in GPS positioning and navigation. Its effects on GPS observable cause a code delays and phase advances. The magnitude of this error is affected by the local time of the day, season, solar cycle, geographical location of the receiver and Earth's magnetic field. As it is well known, the ionosphere is the main drawback for high accuracy positioning, when using single frequency receivers, either for point positioning or relative positioning of medium and long baselines. The ionosphere effects were investigated in the determination of point positioning and relative positioning using single frequency data. A model represented by a Fourier series type was implemented and the parameters were estimated from data collected at the active stations of RBMC (Brazilian Network for Continuous Monitoring of GPS satellites). The data input were the pseudorange observables filtered by the carrier phase. Quality control was implemented in order to analyse the adjustment and to validate the significance of the estimated parameters. Experiments were carried out in the equatorial region, using data collected from dual frequency receivers. In order to validate the model, the estimated values were compared with ground truth. For point and relative positioning of baselines of approximately 100 km, the values of the discrepancies indicated an error reduction better than 80% and 50% respectively, compared to the processing without the ionospheric model. These results give an indication that more research has to be done in order to provide support to the L1 GPS users in the Equatorial region.