2017_SBG_CTIG_paper_25

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IV Simpósio Brasileiro de Geomática – SBG2017
II Jornadas Lusófonas - Ciências e Tecnologias de Informação Geográfica - CTIG2017 
Presidente Prudente - SP, 24-26 de julho de 2017
p. 589-596 
G. O. Jerez; V. A. S. Pereira; D. B. M. Alves ISSN 1981-6251 
RELAÇÃO ENTRE ÍNDICES DE IRREGULARIDADES E DE 
CINTILAÇÃO IONOSFÉRICA PARA A REGIÃO BRASILEIRA 
GABRIEL OLIVEIRA JEREZ1
VINÍCIUS AMADEU STUANI PEREIRA1
DANIELE BARROCA MARRA ALVES2
Universidade Estadual Paulista – UNESP, Faculdade de Ciências e Tecnologia – FCT, Presidente Prudente – SP 
1 Programa de Pós-Graduação em Ciências Cartográficas 
2 Departamento de Cartografia 
gabrielojerez@gmail.com, vi_stuani@hotmail.com & danibarroca@fct.unesp.br 
RESUMO - Os sinais GNSS (Global Navigation Satellite System) estão sujeitos a diversos erros, 
podendo estes ser relacionados ao satélite, à propagação do sinal, ao receptor ou à própria estação. A 
atmosfera tem grande influência na propagação dos sinais GNSS, sendo a ionosfera uma das principais 
fontes de degradações e erros. Para investigação dos efeitos da ionosfera existem diversos índices que 
podem ser considerados. Entre esses existem os de irregularidades, como o IROT e o ROTI, e os de 
cintilação, como o S4 e o σϕ. O presente trabalho busca investigar a relação entre o índice de 
irregularidades ROTI e os de cintilação de amplitude, S4, e de fase, σϕ, para estações distribuídas pelo 
território brasileiro, utilizando dados das constelações GPS (Global Positioning System) e GLONASS 
(GLObal NAvigation Satellite System). Dos três dias considerados, dois apresentaram resultados com 
comportamento semelhante, enquanto o segundo dia se mostrou mais irregular. Os resultados obtidos 
indicaram correlação principalmente entre os índices S4 e ROTI, e menor relação entre os índices obtidos 
para a estação mais ao sul do país. 
Palavras chave: GNSS, Ionosfera, Índices de Irregularidades, Índices de Cintilação. 
ABSTRACT - GNSS (Global Navigation Satellite System) signals can be affected by several sources of 
errors, as the ones related to the satellite, to the signal propagation, to the receiver or even to the station. 
The atmosphere have great influence in the propagation of GNSS signals, and the ionosphere is one of the 
main sources of degradation and errors. To enable the ionosphere effects investigation there are several 
indexes that can be considered. Among these the irregularity ones, as IROT and ROTI, and the scintillation 
ones, as S4 and σϕ . In this research it was intended to investigate the relation between the irregularity 
index, ROTI, e the scintillation indexes, S4 and σϕ, for stations around the Brasillian territory, using data 
from GPS (Global Positioning System) and GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System) 
constellation. From the three days considered, two presented results more similar, the second day was the 
most irregular. The results obtained indicated correlation mainly between the S4 and ROTI indexes, and 
the smallest relation between the indexes obtained for the station from the South of the country. 
Key words: GNSS, Ionosphere, Irregularity Indexes, Scintillation Indexes. 
1 INTRODUÇÃO 
Os sinais GNSS (Global Navigation Satellite 
System) estão sujeitos a diversos erros, sejam relacionados 
ao satélite (órbita, relógio, relatividade, atraso de 
hardware, centro de fase da antena, fase wind-up), à 
propagação do sinal (troposfera, ionosfera, perda de 
ciclos, multicaminho, rotação da Terra), ao receptor 
(relógio, canais, centro de fase da antena, atraso de 
hardware, fase wind-up) ou à própria estação 
(coordenadas, marés terrestres, movimento do pólo, carga 
oceânica, pressão atmosférica) (MONICO, 2008). 
Do satélite ao receptor os sinais transmitidos se 
propagam por diferentes regiões atmosféricas de 
diferentes naturezas e estados variáveis. Isso pode causar 
perturbações levando a variações na direção de 
propagação, velocidade, polarização e potência do sinal. 
A atmosfera tem grande influência na propagação dos 
sinais GNSS, sendo a ionosfera uma das principais fontes 
de degradações e erros (SEEBER, 2003). 
IV Simpósio Brasileiro de Geomática – SBG2017
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ISSN 1981-6251G. O. Jerez; V. A. S. Pereira; D. B. M. Alves 
 
A ionosfera é responsável por diversas anomalias 
que podem causar diferentes tipos de influência e 
degradação do sinal GNSS, entre estas a cintilação. A 
cintilação ionosférica corresponde a flutuações da 
amplitude ou fase de uma onda de rádio em decorrência 
de sua propagação em uma região com irregularidades na 
densidade de elétrons. Ela pode causar o enfraquecimento 
do sinal recebido pelos receptores levando, em muitos 
casos, à perda do sinal (MENDONÇA, 2013; CONKER 
et al., 2003). 
A cintilação tem relação com a atividade 
geomagnética, estação do ano, ciclos solares e localização 
geográfica, sendo mais intensa nas regiões equatoriais, 
onde se situa grande parte do território brasileiro 
(SEEBER, 2003; MONICO, 2008). Isso faz com que o 
Brasil se encontre em uma região privilegiada para 
estudos sobre esse tema, uma vez que é fortemente 
afetado por esses efeitos. 
Para investigar o comportamento da ionosfera 
podem ser levados em conta diversos índices, entre estes 
os de irregularidades e os de cintilação ionosférica. 
Enquanto os primeiros se referem à classificação do 
comportamento da ionosfera, os de cintilação visam 
quantificar a intensidade da mesma. 
Enquanto alguns índices podem ser calculados a 
partir de dados coletados por receptores GNSS comuns, 
outros, como o S4 e o σϕ, são derivados de observações de 
receptores específicos (YANG e LIU, 2016). Diversos 
estudos investigaram a existência de alguma correlação 
entre índices de irregularidades e de cintilação ionosférica 
em diferentes abordagens, como Basu et al. (1999) e Xu 
et al. (2007). Yang e Liu (2016) realizaram um estudo 
com dados de Hong Kong (baixa latitude), encontrando 
correlação entre os índices de irregularidades e de 
cintilação, com exceção de observações provenientes de 
satélites com ângulos de elevação muito baixos. 
Resultados como esse se mostram promissores uma vez 
que indicam que estações GNSS podem ser utilizadas 
para monitoramento de ocorrência de cintilação 
(PEREIRA e CAMARGO, 2016b). 
Como dito anteriormente, o Brasil se encontra em 
região privilegiada para estudos relacionados à ionosfera. 
Além disso, conta com uma rede de estações de 
monitoramento de índices de cintilação, a Rede 
CIGALA/CALIBRA (Concept for Ionospheric 
Scintillation Mitigation for professional GNSS in Latin 
America / Countering GNSS high Accuracy applications 
Limitations due to Ionospheric disturbances in BRAzil). 
Com isso, no presente trabalho foi proposta a investigação 
da relação entre índices de irregularidades e de cintilação 
para regiões do território brasileiro. Para isso, foram 
considerados os comportamentos dos índices de cinco 
estações para três dias de outubro de 2015 e, além disso, 
foram calculados os coeficientes de correlação entre os 
índices considerados. 
 
2 IONOSFERA 
 
A atmosfera pode ser classificada de diversas 
formas de acordo com a área de estudo. Para o caso da 
propagação de ondas eletromagnéticas a divisão se dá em 
duas camadas, a troposfera e a ionosfera. A troposfera 
corresponde à camada mais próxima da superfície, até 
aproximadamente 50 km de altura, e a ionosfera a camada 
posterior, indo até em torno de 1000 km (SEEBER, 2003) 
Os efeitos da ionosfera são proporcionais ao TEC 
(Total Electron Content – Conteúdo Total de Elétrons), 
ou seja, ao número de elétrons presentes na atmosfera. O 
TEC corresponde à quantidade de elétrons contida em 
uma coluna que vai do satélite ao receptor, com base 
circular de um metro quadrado. Esses valores variam no 
tempo e no espaço tendo relação com o fluxo de ionização 
solar, atividade geomagnética, estação do ano, ciclos de 
manchas solares e localização noglobo (CAMARGO, 
1999). 
O campo geomagnético pode sofrer influência da 
atividade solar, como explosões e manchas solares. Esses 
eventos podem causar os chamados ventos solares que 
podem afetar as linhas de força do campo, fazendo com 
que as mesmas sejam comprimidas. Em decorrência disso 
podem ocorrer tempestades geomagnéticas que originam 
tempestades ionosféricas (CAMARGO, 1999). 
Em relação às variações temporais, estas podem 
ser diurnas, sazonais e em ciclos de longo período. As 
diurnas ocorrem devido a mudanças em regiões da 
ionosfera, que ocorrem devido a recombinações de 
elétrons e íons distribuídos em suas camadas. As 
mudanças sazonais se relacionam às variações na 
densidade de elétrons causadas pela mudança do ângulo 
zenital do Sol e pelo fluxo de ionização, que mudam 
devido às estações do ano, sendo a radiação incidente na 
Terra mais direta no verão, causando assim aumento da 
ionização. Já os ciclos de longo período correspondem 
aos ciclos solares, que ocorrem em intervalos de 
aproximadamente 11 anos, sendo associados às manchas 
solares. As manchas correspondem a regiões mais frias e 
escuras na superfície do Sol. Em volta dessas regiões 
existe um elevado nível de emissão de radiação 
ultravioleta. O aumento de manchas leva a um aumento 
da radiação solar e, consequentemente, mudança na 
densidade de elétrons da ionosfera (McNAMARA, 1991). 
Em relação à localização geográfica, os níveis de 
densidade de elétrons são mais intensos nas regiões 
equatoriais (onde se situa grande parte do território 
brasileiro), menos intensos nas latitudes médias e seguem 
comportamento menos previsível nas altas latitudes. Nas 
regiões equatoriais os efeitos da ionosfera são 
relacionados, entre outros, à Anomalia de Ionização 
Equatorial (AIE), com intensidade maior no pico local da 
anomalia (latitudes geomagnéticas aproximadas de ±15º) 
(SEEBER, 2003; MONICO, 2008). A ionosfera possui 
irregularidades que podem afetar o sinal GNSS, como as 
bolhas ionosféricas. Essas irregularidades na densidade de 
elétrons podem causar mudanças na fase e amplitude do 
sinal de rádio recebido, ocasionando muitas vezes a 
degradação ou até mesmo perda do sinal. A esse efeito é 
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dado o nome de cintilação ionosférica (CONKER et al., 
2003; MATSUOKA, 2007). 
A cintilação tem comportamento específico e 
relacionado à região, tendo relação com as variações na 
densidade de elétrons. De forma similar ao TEC, seus 
efeitos têm relação com a atividade geomagnética, estação 
do ano, localização no globo e ciclos solares. As regiões 
com maior ocorrência de cintilação são as do pico da AIE, 
conforme citado anteriormente, próximo às latitudes 
geomagnéticas de ±15º. As cintilações em altas latitudes 
são mais fracas que as observadas em regiões da AIE. 
Nessas regiões a ocorrência de cintilação está relacionada 
às irregularidades do plasma ionosférico. Já nas regiões 
de altas latitudes a ocorrência se relaciona às tempestades 
geomagnéticas (SKONE, 1998). 
As cintilações de fase acontecem devido às rápidas 
variações na fase do sinal ao atravessar regiões de 
irregularidades na ionosfera. Com isso podem acontecer 
perdas de ciclo e de sintonia do receptor com o satélite. Já 
as cintilações de amplitude ocorrem quando o índice de 
refração da ionosfera varia constantemente, o que faz com 
que o sinal seja disperso em direções diferentes a de 
propagação. Isso pode gerar mudanças na distância de 
propagação do sinal que continua sua propagação 
principal, podendo gerar interferência no sinal e 
consequente atenuação ou amplificação do sinal medido 
pelo receptor (CONKER et al., 2003). 
Para avaliar a influência da ionosfera podem ser 
levados em conta diversos índices, entre estes os de 
irregularidades e os de cintilação ionosférica. Enquanto os 
primeiros se referem à classificação do comportamento da 
ionosfera, os de cintilação buscam quantificar a 
intensidade da mesma. Na próxima seção são citados os 
principais índices e apresentados os utilizados no trabalho 
desenvolvido. 
 
3 ÍNDICES IONOSFÉRICOS 
 
Entre os índices de irregularidades pode-se citar o 
fp, o Fp (MENDILLO et al., 2000), o IROT (WANNIGER, 
1993) e o ROTI (PI et al., 1997), todos baseados na taxa 
de variação do valor do TEC (Rate Of TEC – ROT), ou 
seja, variação do TEC em duas épocas pelo intervalo de 
tempo entre as determinações. 
Pi et al. (1997) definem o índice ROTI (ROT 
Index), determinado a partir do desvio padrão da taxa de 
variação do TEC (ROT) em um intervalo de cinco 
minutos, que, segundo os autores, permite uma resolução 
temporal relativamente alta. A classificação a partir deste 
índice pode ser dada por: baixos níveis de irregularidade 
(ROTI ≤ 0,05), irregularidades moderadas (0,05 < ROTI 
≤ 0,2) e fortes níveis de irregularidade (ROTI ≥ 0,2) 
(PEREIRA e CAMARGO, 2014). 
Entre os índices de cintilação pode-se citar o S4 
(CONKER et al., 2003), o σϕ (WALTER et al., 2010), o 
Sϕ (FORTE, 2007) e o σCHAIN (MUSHINI et al., 2012), 
sendo que os mais utilizados são o S4, para cintilação de 
amplitude e o σϕ, para cintilação de fase. 
De maneira geral o índice S4 é o desvio padrão 
normalizado das observações da intensidade do sinal livre 
de tendências, amostradas em altas taxas em um intervalo 
de 60 segundos, consistindo em um indicador da 
magnitude das cintilações da amplitude (CONKER et al., 
2003). Em relação à classificação da potência da 
cintilação existem diversos tipos encontrados na literatura 
como o de Conker et al. (2003), que dividem a 
classificação entre ausência de cintilação (S4 ≈ 0,0) e 
cintilação forte (S4 ≈ 1,0). 
Outro indicador de cintilação é o índice σϕ, que é o 
desvio padrão das observações de fase do sinal livre de 
tendências. As mesmas são coletadas a altas frequências 
para um intervalo de 60 segundos, por isso o índice 
também é conhecido por σ60 (ou phi60). O índice pode 
ainda ser calculado para intervalos de 1, 3, 10 e 30 
segundos, casos em que deve ser feita uma normalização 
(VAN DIERENDONK et al., 1993). 
Diferente do S4 que é um índice adimensional, o 
σϕ é dado em radianos, podendo ser expresso em graus ou 
metros. A classificação do σϕ apresentada por Skone et al. 
(2005) divide as cintilações de fase para a portadora L1 
em fraca (σϕ ≈ 0,05 rad) e forte (σϕ ≈ 1,0 rad). 
 
4 METODOLOGIA 
 
 Para este trabalho foram utilizados dados de cinco 
estações da Rede CIGALA/CALIBRA em diferentes 
regiões do país. As estações selecionadas foram FRTZ em 
Fortaleza, MAN3 em Manaus, UFBA em Salvador, PRU2 
em Presidente Prudente e POAL em Porto Alegre. A 
escolha das estações foi realizada buscando manter a 
melhor distribuição possível no território nacional, dentro 
das possibilidades da Rede CIGALA/CALIBRA. A 
Figura 1 apresenta a distribuição das estações utilizadas. 
 
 
Figura 1 – Distribuição das estações utilizadas. 
 
Os dados utilizados foram dos dias 01 a 03 de 
outubro de 2015. A escolha dos dias foi realizada com 
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base no maior número de estações com dados disponíveis 
e também considerando um período com ocorrência de 
maior efeito ionosférico. Para todos os casos foram 
utilizados dados das constelações GPS (Global 
Positioning System) e GLONASS (GLObal Navigation 
Satellite System) e máscara de elevação de 10º. 
Para a obtenção dos índices S4 e σ60, foram 
realizadas consultas no banco de dados da Rede 
CIAGALA/CALIBRA com o software PGAdmin 
(www.pgadmin.org). Foram consultados os valores 
médios dos índices para os satélites visíveis. Para o 
cálculo do índice ROTI foi utilizado o programa 
Ion_Index desenvolvido por Pereira e Camargo (2016a;2016b). 
Para as análises foram observados os 
comportamentos dos índices ao longo do período 
selecionado e, além disso, foram calculados coeficientes 
de correlação de Pearson entre os mesmos. Os resultados 
obtidos e as análises realizadas são apresentados na seção 
5. 
 
5 RESULTADOS E ANÁLISES 
 
 A partir dos dados obtidos foram gerados gráficos 
para a análise visual do comportamento dos índices S4 
(vermelho), σ60 (azul) e ROTI (verde) dos três dias para 
cada uma das cinco estações. As Figuras 2, 3 e 4 
apresentam os resultados para os dias 01, 02 e 03 de 
outubro de 2015, respectivamente. 
 A maior similaridade que pode ser vista no 
comportamento dos índices se encontra nos períodos de 
maior intensidade do comportamento ionosférico, em 
geral no início (até 04h TUC – Tempo Universal) e no 
final (a partir das 21h TUC) dos dias. Os picos ao longo 
dos dias registrados em períodos específicos nos três tipos 
de índices, em geral, não apresentaram comportamento 
similar. 
 Foi possível notar maior similaridade no 
comportamento do índice S4 com o índice ROTI e o σ60 
principalmente para os dias 01 e 03. O segundo dia 
apresentou comportamento mais irregular de um índice 
para outro. Entre as estações, UFBA e FRTZ são as que 
apresentam comportamento mais similar entre os índices. 
A estação POAL apresentou os resultados com menor 
semelhança de um índice para outro. Vale lembrar que a 
estação se encontra em região com pouca influência da 
ionosfera, sendo que ruídos nas observáveis podem 
influenciar no cálculo dos índices de cintilação. Isso pode 
justificar, por exemplo, os picos observados próximo às 
12h – TUC para o índice S4. E, consequentemente, a falta 
de similaridade com o índice ROTI. 
 
 
Figura 2 – Comportamento dos índices S4 (vermelho), σ60 (azul) e ROTI (verde) por estação (01/10/2015). 
 
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Figura 3 – Comportamento dos índices S4 (vermelho), σ60 (azul) e ROTI (verde) por estação (02/10/2015). 
 
 
Figura 4 – Comportamento dos índices S4 (vermelho), σ60 (azul) e ROTI (verde) por estação (03/10/2015). 
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 A partir dos dados obtidos foram gerados 
coeficientes de correlação entre os três índices. Vale 
lembrar que os valores de correlação podem ir de 0 a ± 1. 
As correlações entre os índices S4 e σ60 são apresentadas 
na cor verde, as correlações entre S4 e ROTI na cor azul e 
as correlações entre os índices σ60 e ROTI em vermelho. 
As Figuras 5, 6 e 7 apresentam os resultados para os dias 
01, 02 e 03 de outubro de 2015, respectivamente. 
 
 
Figura 5 – Correlações entre os índices (01/10/15). 
 
O primeiro dia foi o que apresentou resultados 
mais regulares e, no geral, maiores coeficientes de 
correlação, principalmente para as estações localizadas 
em latitudes mais baixas. A correlação entre os índices de 
cintilação ficou em torno de 0,7 para as estações FRTZ, 
MAN3 e UFBA. A correlação entre S4 e ROTI foi 
inferior a 0,1 apenas para a estação POAL. A estação 
UFBA obteve a maior correlação chegando a 0,79. Esta 
estação também obteve a maior correlação entre σ60 e 
ROTI, sendo o coeficiente de 0,67. 
 
 
Figura 6 – Correlações entre os índices (02/10/15). 
 
Para o segundo dia os maiores coeficientes de 
correlação ocorreram entre os índices S4 e ROTI, sendo 
que a estação FRTZ obteve o maior valor, 0,56. A 
correlação entre os índices S4 e σ60 foi menor que no dia 
anterior, com exceção da estação POAL, que alcançou 
valor 0,34. A correlação entre os índices σ60 e ROTI 
foram negativas para todas as estações, sendo que a maior 
correlação ocorreu para os dados da estação FRTZ, -0,3. 
O terceiro dia apresentou coeficientes mais 
parecidos com o primeiro dia, ocorrendo apenas dois 
casos de correlação negativa, ambas para a estação 
MAN3. Os maiores valores de correlação entre os índices 
de cintilação foram nas estações POAL, UFBA e FRTZ, 
sendo esta a que obteve maior coeficiente, 0,7. A 
correlação entre os índices S4 e ROTI foi a que obteve 
maiores coeficientes em média para as estações, obtendo 
valor 0,69 para a estação FRTZ. Entre os índices σ60 e 
ROTI o menor coeficiente de correlação ocorreu na 
estação POAL, o maior na estação FRTZ, 0,42, e negativa 
para a estação MAN3. 
 
 
Figura 7 – Correlações entre os índices (03/10/15). 
 
6 CONCLUSÕES 
 
 Neste trabalho foi proposta a realização de testes 
para verificar a relação entre índices de irregularidades e 
de cintilação ionosférica. Para isso foram comparados 
dados de cinco estações distribuídas pelo território 
brasileiro e analisada a correção entre os índices S4, σϕ e 
ROTI para dados de três dias do mês de outubro de 2015. 
 Dos três dias, dois apresentaram resultados mais 
regulares, sendo possível nesses casos notar maior 
correlação entre os índices das estações mais próximas do 
equador geomagnético. De modo geral, a estação que 
apresentou maiores coeficientes de correlação entre os 
índices foi a estação UFBA. Enquanto a estação POAL 
apresentou os menores coeficientes, possivelmente por 
estar localizada em região com pouca influência da 
ionosfera. 
 O Brasil se encontra em uma região com variado 
comportamento ionosférico, portanto ferramentas para a 
investigação da ionosfera são de grande relevância. A 
determinação de índices como o ROTI pode ser realizada 
de forma mais simples, se comparado a outros índices. 
Com isso, a determinação de correlação entre os índices 
obtidos com dados coletados no país é de grande 
importância, uma vez que esses dados podem ser 
utilizados como indicativo de ocorrência de cintilação 
utilizando dados GNSS coletados por receptores comuns.
 Nesse sentido mais estudos devem ser realizados 
futuramente para verificação do comportamento dos 
índices abordados nesta pesquisa considerando mais dias 
e estações, além da possibilidade de serem considerados 
horários específicos de ocorrência de cintilação. 
 
 
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AGRADECIMENTOS 
 
 Os autores agradecem à CAPES e à FAPESP 
(processo 2015/20522-7) pelo fomento à pesquisa e aos 
projetos CIGALA/CALIBRA, financiados pelo European 
Commission (EC) no contexto do FP7-GALILEO-2009-
GSA e FP7–GALILEO–2011–GSA–1a, respectivamente, 
e pela FAPESP (processo 06/04008-2), pelos dados 
disponibilizados. 
 
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