Contributions to ionospheric electron density retrieval

• Autores: María Ángeles Aragón Ángel
• Directores de la Tesis: Manuel Hernández Pajares (dir. tes.), José Miguel Juan Zornoza (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2010
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Michael Schmidt (presid.), Jaime Sanz Subirana (secret.), Miquel García Fernández (voc.), Sonya Kalinova Todorova (voc.), Enric Monte Moreno (voc.)
• Materias:
  • Matemáticas
    • Investigación operativa
      • Programación no lineal
  • Ciencias tecnológicas
    • Ingeniería y tecnología aeronáuticas
    • Tecnología de los sistemas de transporte
      • Líneas aéreas y control del trafico aéreo
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: TDX
• Resumen

  • La transformada de Abel es una técnica de inversión usada frecuentemente en radio ocultaciones (RO) que, en el contexto ionosférico, permite deducir densidades electrónicas a partir de datos de STEC (Slant Total Electron Content) derivados a partir de observaciones de la fase portadora. Esta técnica está basada en medidas precisas en doble frecuencia de fase portadora ( banda L) de un receptor GPS a bordo de un satélite de órbita baja (Low Earth Orbit -LEO-) rastreando un satélite GPS detrás del limbo de la tierra. Al combinar tales medidas con la información de posiciones y velocidades de los satélites GPS y LEO, es posible deducir el cambio en el camino de la señal debido a la presencia de la atmósfera y, consecuentemene, convertirlo en ángulos de curvatura (bending angles). A partir de ellos, información sobre el índice de refracción vertical puede ser obtenida a través de técnicas de inversión, y transformarlo en perfiles verticales de densidad electrónica y/o perfiles de atmósfera neutra. Una de las hipótesis básicas de la inversión clásica es suponer que el campo de densidades electrónicas tiene simetría esférica en la vecindad de una ocultación. Sin embargo, a la práctica, la huella de una ocultación generalmente cubre regiones de miles de km que puede presentar variabilidad ionosférica importante; por lo cuál, la hipótesis de simetría esférica no puede ser garantizada. De hecho, las inhomogeneidades de la densidad electrónica en la dirección veritcal para una ocultación dada son una de las principales causas de error cuando se usa la inversión de Abel inversion. Para corregir el error debido a la hipótesis de simetría esférica, se introduce el concepto de separabilidad. Ello implica que la densidad electrónica puede ser expresada como una combinación de datos de Vertical Total Electron Content (VTEC) derivados externamente, los cuales asumen la dependencia horizontal de la densidad, y una función de forma, que a su vez asume la dependencia en altura que es común a todas las observaciones para una ocultación dada. Nótese que el espesor de capa permanece constante cerca de la región de la ocultación debido a la hipótesis de separabilidad en vez de la densidad, como ocurriría en el caso de usar simetría esférica. Esta técnica fue aplicada exitosamente a la combinación lineal de fases de GPS L1 y L2, , LI= L1-2, la cuál proporcionar un observable libre de geometría que depende sólo del retraso ionosférico, la ambigüedad de fase, biases instrumentales y wind-up. Los resultados presentaban una mejora del 40% en RMS al comparar frecuencias del pico de la capa F2 con datos de ionosonda respecto la inversión clásica de Abel. Sin embargo, la potencial influencia de la diferencia de caminos ópticos entre L1 y L2 fue despreciada. Esta tesis doctoral muestra que ello no es un problema para la inversión a alturas ionosféricas. Una alternativa para la inversión de perfiles que evita esta desventaja es usar la curvatura de la señal como dato principal. La implementación de la separabilidad para ángulos de curvatura no es inmediata y ha sido uno de los objetivos de esta tesis. En este sentido, el principio de la separabilidad ha sido aplicado a los ángulos de curvatura de L1 en vez de la la combinación LI como en trabajos anteriores. Además, trabajando con ángulos de curvatura, la separabilidad puede ser también trasladada a la obtención de perfiles troposféricos. Varias aproximaciones para obtener la contribución de las partes altas de la ionosfera han sido también estudiadas, aparte del hecho de simplemente prescindir de esta contribución. Se ha usado un modelo climatológico, una extrapolación exponencial y el hecho de considerar las implicaciones de usar separabilidad. También se ha propuesto una manera para obtener funciones de mapeo (mapping functions) deducidas a partir de perfiles RO. Sin embargo, trabajando sólo con datos derivados únicamente de RO, se está sistematicamente despreciando la contribución de la protonosfera al TEC. Con la propuesta inicial de función de mapeo sólo la contribución ionosférica es tenida en cuenta. La solución ideal para aplicaciones de datos de tierra GNSS sería usar un modelo de dos capas, una para modelar la ionosfera y otra para la protonosfera, o alternativamente, si se quisiera alta resolución tomográfica, combinar observaciones RO y con elevación positiva de LEOs con datos de tierra. Se ha probado que modelando con dos capas, los resultados que se habían obtenido con el análisis de datos RO han podido ser validados. La conclusión más importante es que la proporción entre la contribución ionosférica y protonosférica es el parámetro que explica la localización de las alturas efectivas.