4.4. Diagrama de Bloques

Transcripción

1 satélites GPS. La variación entre los valores medidos por cada satélite se podría asociar al efecto producido por las multitrayectorias. Figura 4.12: Curva de valores medios de vt EC incluyendo b s y b r para el 15 de marzo de 2007 Tomando valores medios para cada época de observación se obtiene la figura Se observa que la pendiente de producción de electrones crece a una rata de 3, electrones/hora que es la ionización producida por la presencia de la actividad solar sobre la alta atmósfera, teniendo un valor medio máximo de TECu. A partir de las 20 horas UT comienza un decremento en la densidad electrónica generada por recombinación donde los electrones liberados por la radiación retornan a los iones. La rata de disminución de electrones es de 5, electrones/hora, con un valor mínimo de TECu. Comparando los valores medios entre vtec y stec (figuras 4.9 y 4.12), se puede observar el incremento en el TEC para valores oblicuos, teniendo un comportamiento en stec siendo aproximadamente el doble de vtec Diagrama de Bloques Para obtener los resultados de la figura 4.11 se diseñó un software en C + + dividido en distintas clases (figura 4.13). La primera clase está enfocada en leer los archivos de observación provenientes de los receptores GPS (figura 3.4). La segunda 40

2 clase se encarga de leer los archivos de navegación (figura 3.5). La tercera clase está destinada a leer los archivos DCB (Differential Code Bias) para las correcciones de los errores sistemáticos de los satélites GPS (figuras 4.5 y 4.6). Posteriormente, de los archivos de observación se obtiene la posición de la antena receptora. Usando la información de las efemérides obtenida de los archivos de navegación, una clase se encarga de calcular las órbitas satelitales (sección 3.6). De la información obtenida de las clases de lectura de archivos de observación y la de lectura de archivos DCB y usando los cálculos de la sección 4.1 y 4.2, se obtiene el TEC oblicuo (Slant TEC)(figura 4.8). Trazando el rayo que se encuentra entre el satélite y la antena receptora (figura 4.10), se calcula el punto de corte sobre la ionosfera. Con el cálculo del TEC oblicuo y el punto de corte ionosférico se obtiene el TEC Vertical (Vertical TEC)(figura 4.11). Figura 4.13: diagrama de bloques 41

3 Capítulo 5 Comparación de Modelos Los modelos ionosféricos tratan de describir la ionosfera en función de la ubicación, la altitud, el tiempo, la actividad solar y la actividad geomagnética. Debido a la dificultad para la obtención de datos en la alta atmósfera, los modelos ionosféricos no tienen un grado de desarrollo como el presentado por los modelos meteorológicos o de clima. Sin embargo, los nuevos desarrollos para realizar medidas tanto directas como indirectas han contribuido a mejorar el entendimiento sobre esta zona de la atmósfera Modelos Ionosféricos Desde los primeros desarrollos hechos por Chapman en 1931; donde supone una atmósfera plana, estratificada y dependiente de la altura [13]; muchos progresos se han realizado en el entendimiento de la ionosfera, en modelos teóricos y experimentales. En el ámbito teórico, los modelos globales ionosfera-magnetosfera-termosfera han progresado en los últimos 20 años [43]. También se ha hecho grandes avances en el desarrollo de modelos magnetohidrodinámicos de interacción entre el viento solar y la magnetosfera. Entre los modelos teóricos están el TI-GCM y TIME-GCM desarrollado por el Centro Nacional de Investigación Atmosférica (EEUU) [23]. Los modelos empíricos se basan en descripciones estadísticas de un largo número de observaciones. Uno de los modelos más usados es IRI (international Reference Ionosphere). El modelo NeQuick es un modelo de cálculo de la densidad electrónica ionosférica desarrollado por el Laboratorio de Aeronomía y Radiopropagación del Centro Internacional de Física Teórica (ICTP) en Trieste, Italia y el Instituto de Geofísica, Astrofísica y Meteorología (IGAM) de la Universidad de Graz en Austria. El modelo NeQuick se basa en una suma de capas para representar analíticamente 42

4 la densidad electrónica de la ionosfera permitiendo su integración para obtener TEC oblicuo y vertical [24]. La inclusión de Sistemas de Posicionamiento Global ha contribuido en gran medida al estudio de la ionosfera principalmente en modelos para calcular Contenido Total de Electrones [1, 35, 36]. El modelo ionosférico de la Plata (La Plata Ionospheric Model LPIM) es un sistema basado en informaciones de una gran red de receptores GNSS que permiten la computación de Mapas Ionosféricos Globales (GIM) de vtec [7, 20]. LPIM computa los GIM en tres pasos: Un preproceso que analiza los datos que se van a usar para el cálculo ionosférico, Una Calibración del stec corrigiendo ambigüedades y bias [9] y un mapeo del vtec. MODELO IRI: (Ionosfera Internacional de Referencia) El modelo IRI es un proyecto internacional dirigido por el Comité de investigaciones Espaciales (Committee on Space Research COSPAR) y la Unión Internacional de Radiociencia (International Union of Radio Science URSI) con un comienzo en 1968 [28]. Este modelo está orientado a producir un esquema estándar de la Ionosfera basado en todas las fuentes de datos como ionosondas en tierra y en satélites, radares incoherentes y cohetes [3 6]. Para determinado lugar, fecha y hora, IRI estima promedios para densidad electrónica, temperatura electrónica, temperatura iónica, composición iónica y Contenido Total de Electrones para un rango de alturas de entre 50 y 2000km. Figura 5.1: Contenido Total de Electrones calculado con IRI para el 15 de marzo de 2007 para una latitud de 4,64, una longitud de 285,92 y altura de 2000 km 43

5 MODELO TECALCRNX: Es una subsección del modelo LISN-GPS creado por C. Valladares y P. Doherty en el Boston College (EEUU). Perteneciente al proyecto LISN (Low Latitude Ionospheric Sensor Network) que consiste en la adecuación de un observatorio distribuido sobre América del Sur. Consta de en una red de estaciones basadas en GPS, Magnetómetros y Ionosondas orientadas a estudiar el comportamiento de la ionosfera para latitudes bajas [38]. El Software TECALCRNX usa datos GPS para realizar un cálculo del TEC vertical, dependiente del tiempo, respectivo para cada satélite. Este programa usa archivos llamados almanaques 1 para calcular las orbitas satelitales. Figura 5.2: Contenido Total de Electrones calculado con TECALCRNX para el 15 de marzo de 2007 para una estación ubicada en Bogotá 5.2. Comparación con IRI y TECALCRNX En esta sección se muestra las comparaciones entre los resultados de este estudio y los modelos IRI y TECALCRNX. Esta comparación se realiza tomando los valores de vtec para cada uno de los modelos y calculando la diferencia de medias y el error cuadrático medio (ecm) entre estos. La figura 5.3 muestra los valores completos de vtec para cada uno de los modelos. 1 Estos archivos se pueden descargar de 44

6 a b Figura 5.3: Comparación gráfica entre el modelo realizado (negro) y los modelos a) TECALCRNX (rojo) y b) IRI (azul) para el 15 de marzo de 2007 Para un análisis mas claro sobre los valores obtenidos para cada modelo, calculamos el valor medio para cada época de observación en los resultados obtenidos y en el modelo TECALCRNX obteniendo la figura 5.4. La ecuación 5.1 y 5.2 muestran las expresiones para la Diferencia Media y el Error Cuadrático Medio (ecm). Media = ecm = N i=1 vt EC modelo vt EC T ECALCRNX, IRI N N (vt EC modelo vt EC T ECALCRNX, IRI ) 2 N i=1 (5.1) (5.2) Tomando los datos para cada uno de los 16 días (ver Apéndice A) se calculó la diferencia media siendo N el número de días. Para el modelo realizado y el modelo TECALCRNX la época de observación es de 10 s mientras que para IRI la época de observación es de 0,1 h. El cuadro 5.1 muestra valores obtenidos para la diferencia media y el error cuadrático medio diario y con intervalos de 2 horas. Se puede observar que las medias como los errores son mayores para las horas del día (LT), mientras que los errores en la noche son menores. La figuras 5.5a 5.5b muestran la diferencia media y el error cuadrático medio calculados para los resultados obtenidos en los 16 días de análisis para el modelo 45

7 Figura 5.4: Comparación gráfica entre los valores medios del modelo realizado (negro) y los modelos TECALCRNX (rojo) e IRI (azul) para el 15 de marzo de 2007 desarrollado y el modelo TECALCRNX. En la figura 5.5a se puede observar que la diferencia media entre los dos modelos es muy cercano a cero, también en 5.5b, el error cuadrático medio entre los dos modelos es pequeño, incrementándose para las dos gráficas los valores entre las 16 y las 24 horas. Las figuras 5.5c y 5.5e muestran la diferencia media mientras que las figuras 5.5d y 5.5f muestran el error cuadrático medio entre los datos obtenidos en este trabajo e IRI y TECALCRNX e IRI respectivamente. Para la comparación realizada entre los resultados obtenidos en el capítulo 4 y el modelo IRI, se obtuvo que, tanto la diferencia media (5.5c) como el error cuadrático medio (5.5d) es menor para horas de la noche en tiempo local, teniendo un incremento para las horas del día. Entre las 0 y las 10 horas (UT) la diferencia media tiene valores negativos, mientras que para las 10 a 24 horas, se tiene un valor positivo. 46

8 IRI TECALCRNX Tiempo (UT) Media ECM Media ECM Todas las horas :00 h :00 h :00 h :00 h :00 h :00 h :00 h :00 h :00 h :00 h :00 h Cuadro 5.1: media y ecm para todas las horas y en intervalos de dos horas para IRI y para TECALCRNX Comparando los modelos TECALCRNX e IRI (figuras 5.5e y 5.5f), los resultados son similares a los obtenidos en las gráficas 5.5c y 5.5d, teniendo uno error cuadrático medio mayor entre las 20 y las 24 horas UT. Se puede observar que, en términos generales, el comportamiento de los datos obtenidos se acerca a los resultados de los otros modelos. 47

9 a b c d e f Figura 5.5: Evolución temporal de las diferencias medias y los errores cuadráticos medios para 16 días comenzando el 15 de marzo de 2007 hasta el 30 de marzo de

10 Capítulo 6 Conclusiones y Perspectivas La física geoespacial ha tomado un papel muy importante en los últimos años debido al gran avance tecnológico que se ha dado en este campo. Los viajes espaciales, las telecomunicaciones, la navegación, la geodesia, la meteorología y muchos campos mas deben tener en cuenta la interacción entre el ambiente espacial y la atmósfera terrestre. Por consiguiente, el conocimiento de las características y propiedades de la ionosfera juegan un papel esencial en dichos campos. Los Sistemas Globales de Navegación Satelital han tenido un fuerte impacto en la sociedad y en el desarrollo industrial. El conocimiento del comportamiento de la ionosfera juega un muy importante papel en la mejora del posicionamiento global. El desarrollo de modelos ionosféricos puede ayudar a corregir errores generados por los comportamientos, tanto regulares como anómalos, de las capas altas de la atmósfera terrestre Conclusiones Partiendo de los archivos entregados por un receptor GPS se desarrolló un modelo para el cálculo del Contenido Total de Electrones sobre una estación ubicada en Bogotá (Colombia). Para esto, se diseñó un programa en C++ que partía del conocimiento de la información obtenida por el receptor GPS, los observables entregados como Pseudorango y Fase de arrastre y las efemérides de los satélites GPS. Tomando los archivos de Navegación se realizó un cálculo de las órbitas satelitales. Posteriormente se realizó el cálculo para el TEC oblicuo, para finalmente, combinar toda esta información y obtener el TEC vertical para la ciudad de Bogotá. Se hizo un cálculo del Contenido Total de Electrones Oblicuo que es un parámetro ionosférico, entregado en TECu (1T ECu = /m 2 ), obtenido a partir de los 49