Tecnologia Científica

Um passo para tornar o GPS mais resistente ao clima espacial
Para capturar os efeitos da cintilação ionosférica e explorar o benefício dos sinais GNSS de dupla frequência, os pesquisadores desenvolveram o novo modelo usando uma abordagem matemática conhecida como cadeia de Markov.
Por Sarah Stanley - 06/10/2021


Uma camada de partículas carregadas, conhecida como ionosfera, envolve a Terra, mostrada em roxo (fora da escala) aqui. Os sinais de satélite podem ser interrompidos quando passam por irregularidades no plasma carregado que constitui a ionosfera da Terra. Um novo modelo matemático captura com precisão essas interrupções. Crédito: Goddard Space Flight Center / Duberstein da NASA

Sociedades em todo o mundo agora dependem de sistemas de navegação por satélite, como GPS, para uma infinidade de aplicações, incluindo transporte, agricultura, munições militares, serviços de emergência e redes sociais, entre outros. No entanto, os riscos naturais, como o clima espacial, podem interromper os sinais desses Sistemas Globais de Navegação por Satélite (GNSS).

Para entender melhor essas interrupções, Sun et al. desenvolveram um modelo matemático que emula com precisão as interrupções dos sinais GNSS causadas por um fenômeno de clima espacial específico: manchas irregulares de baixa densidade no plasma de íons carregados que compõe a ionosfera da Terra.

Essas manchas de plasma de baixa densidade geralmente se formam acima do equador da Terra em torno do crepúsculo e são conhecidas como bolhas de plasma equatorial. Quando os sinais GNSS os encontram, os sinais passam por um tipo de modificação conhecido como cintilação ionosférica, que pode diminuir sua intensidade a ponto de não serem mais detectados por um receptor - o sinal pode ser perdido.

Muitos satélites GNSS usam sinais em duas frequências diferentes para neutralizar o desvanecimento causado pela cintilação ionosférica, com uma frequência agindo como backup. No entanto, um sinal ainda pode ser perdido se ambas as frequências forem interrompidas.

Para capturar os efeitos da cintilação ionosférica e explorar o benefício dos sinais GNSS de dupla frequência, os pesquisadores desenvolveram o novo modelo usando uma abordagem matemática conhecida como cadeia de Markov. Eles estimaram parâmetros para o modelo a partir de dados sobre interrupções de sinal reais causadas pela cintilação ionosférica acima de Hong Kong em 2 de março de 2014.

Para testar o modelo, os pesquisadores compararam suas previsões com dados do mundo real e descobriram que ele emulava com precisão o tempo e a duração das interrupções de sinal reais e o fazia com mais precisão do que um modelo anterior que não usava uma abordagem de cadeia de Markov. As simulações de modelo também sugerem que os sinais GNSS de dupla frequência podem, de fato, neutralizar significativamente os efeitos perturbadores da forte cintilação, especificamente no contexto da navegação de aeronaves.

No futuro, esta nova abordagem de modelagem pode ser estendida para melhorar a compreensão de outros efeitos da cintilação ionosférica em sinais GNSS, bem como seus efeitos em outras latitudes. Uma melhor compreensão dessas interrupções poderia, em última análise, informar os esforços para tornar os satélites GNSS mais resistentes à cintilação e outras formas de clima espacial.

 

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