SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GTL-04 19 a 24 Outubro de 2003 Uberlândia - Minas Gerais
GRUPO XVI
GRUPO DE ESTUDO DE TELECOMUNICAÇÕES EM SISTEMAS DE POTÊNCIA -GTL
ALGUNS EFEITOS DO CLIMA ESPACIAL NAS COMUNICAÇÕES POR SATÉLITE NA REGIÃO SUDESTE DO BRASIL
Alexandre Pinhel Soares* Furnas Centrais Elétricas S. A.
RESUMO :
Esse artigo apresenta alguns efeitos causados nas comunicações por satélite na Região Sudeste do Brasil por variações nas características da Ionosfera a partir de fenômenos associados ao Clima Espacial. Os resultados foram obtidos a partir da coleta automatizada de dados de um enlace geoestacionário na Banda-C (Brasilsat B2) durante os anos 2000, 2001 e 2002, na cidade do Rio de Janeiro.
PALAVRAS-CHAVE :
Comunicações por satélite - Ionosfera - Clima Espacial - Monitoração
1 - INTRODUÇÃO :
A Ionosfera terrestre é o resultado da interação entre os componentes atômicos e moleculares da Atmosfera e as radiações solares e cósmicas. Essa região é composta por um plasma (elétrons livres e íons positivos) cujas propriedades físicas influenciam na propagação de ondas eletromagnéticas, sendo o tipo e a grandeza da influência (absorções, reflexões, refrações) dependentes da freqüência da onda.
Apesar do plasma ionosférico possuir algumas características básicas que permitem uma classificação em camadas (atualmente D, E, F1 e F2 - figura 1) conforme a altura, ele sofre constantes flutuações de densidade, tanto no tempo, quanto no espaço, sendo portanto um meio com um comportamento complexo quanto aos seus índices de refração.
Nas comunicações por satélite na Banda C (~4GHz), as freqüências empregadas não sofrem muita absorção nem reflexão, porém as constantes variações dos
índices de refração podem causar espalhamento do sinal e, em casos extremos, perdas de comunicação. Esse trabalho apresentará alguns problemas registrados em um enlace de comunicação por satélite entre as cidades do Rio de Janeiro e Vitória, ambas situadas na Região Sudeste do Brasil, e procurará correlacioná-los à alguns fenômenos geofísicos baseando-se na premissa de que tais fenômenos têm a capacidade de afetar as densidades do plasma ionosférico e, com isso, fazer variar os índices de refração do meio de transmissão, causando perda de comunicação a partir do espalhamento do sinal.
Figura 1 : Perfis das densidades eletrônicas da Ionosfera conforme o ciclo solar (máximo e mínimo) e o
horário local (dia ou noite). Fonte : INPE. 2 - O EXPERIMENTO :
A monitoração foi feita sobre a freqüência intermediária (FI) do sinal do satélite Brasilsat B2 recebido no Escritório Central da empresa brasileira * Rua Real Grandeza 219 bloco E sala 109 - Rio de Janeiro - RJ - Brasil - CEP 22283-900 - (021) 2528-4049 – pinhel@furnas.com.br
Furnas Centrais Elétricas S. A., no Rio de Janeiro. Dessa forma o sistema de monitoração não precisou ficar no local da antena além de não ter havido a necessidade de desligamento do enlace pois utilizou-se um derivador já existente no receptor para a conexão deste com o sistema de monitoração (um analisador de espectro controlado por computador através de uma interface GPIB - General Purpose Interface Bus).
A partir de janeiro de 2002, o experimento foi ampliado, passando a enviar e a monitorar o conteúdo de uma seqüência preestabelecida de caracteres, possibilitando dessa forma uma correlação mais direta e conclusiva entre as alterações no sinal do satélite e as falhas nas comunicações (figuras 2 e 3).
Transceiver + Antena Transceiver + Antena
Multiplex
Modem Modem
Multiplex Seqüência de 64 caracteres em
formato texto (3 vezes por minuto).
LOOPBACK Satélite
Site 1 : Rio de Janeiro (RJ) Site 2 : Vitória (ES)
(22o 57' S, 43o 11' W) (20o 10' S, 40o 10' W) BRASIL Site 1 Site 2 Brasilsat B2 Geosync 70oW ~4GHz
Figura 2 Visão geral do experimento.
Transceiver + Antena Analisador de espectro Multiplex PABX Multiplex Multiplex Rede de pacotes Placa GPIB Modem Modem Derivadores FI (70MHz) RS232 PC
Seqüência com 64 caracteres em formato texto (3 vezes por minuto)
3 - METODOLOGIA :
Nos estudos das interações Sol-Terra, uma das fontes de informação mais utilizadas pela comunidade científicas são os índices geomagnéticos [1]. Esses valores são produzidos e disponibilizados (algumas vezes em tempo real) em vários locais do planeta e refletem a atividade geomagnética daquele momento. Dentre os diversos índices tem-se o Kp (Índice Planetário - planetarische Kennziffer) que é obtido a cada três horas pela média dos níveis de duas componentes horizontais do campo magnético da Terra observadas em treze estações localizadas em altas latitudes, a maioria delas no Hemisfério Norte. A partir de Kp obtém-se o índice Ap (Planetary Equivalent Daily Amplitude), que é um indicador diário da atividade geomagnética (tabela 1).
Tabela 1 : Níveis de atividade geomagnética conforme o índice Ap.
Classificação do dia Faixa de valores de Ap
Calmo < 8
Indefinido >= 8 <= 15 Com distúrbio > 15 < 30 Com tempestade fraca >= 30 < 50 Com tempestade forte >= 50 < 100 Com tempestade severa >= 100
Fonte : Royal Observatory of Belgium.
Apesar da grande quantidade de índices disponíveis, os fenômenos que se pressupõem responsáveis pelos problemas nas comunicações por satélite necessitam de monitoração específica para serem detectados. Porém uma vez que se sabe que tais fenômenos ocorrem em determinadas condições geomagnéticas tentou-se encontrar uma correlação indireta entre os fenômenos e as falhas através da utilização da classificação diária proporcionada pelo índice Ap.
Primeiramente fez-se um levantamento de quais fenômenos ionosféricos transitórios conseguem produzir modificações significativas nas densidades do plasma ionosférico nas latitudes do enlace sob monitoração. Em seguida estudou-se em que condições de atividade geomagnética esses fenômenos têm maior probabilidade de ocorrência. Finalmente fez-se, a partir dos índices Ap, um levantamento das classificações dos dias em que foram observadas perdas de comunicação no enlace monitorado.
Dentre os fenômenos ionosféricos transitórios observáveis nas latitudes estudadas, dois mostraram-se com capacidade de causar alterações significativas nas densidades do plasma ionosférico. São eles :
TID - Travelling Ionospheric Disturbance : Os deslocamentos de ar na alta Atmosfera conhecidos por Ondas de Gravidade (AGW - Atmospheric Gravity Waves) por vezes interagem com o plasma ionosférico causando os Distúrbios Ionosféricos Viajantes [2]. Há uma série de mecanismos formadores de AGW porém quando elas originam-se nas regiões dos pólos magnéticos normalmente são devidas a aquecimentos causados pela precipitação de partículas de origem solar que causa também um aumento na atividade geomagnética (com reflexos em Kp e Ap) de forma que pode-se pressupor que alguns dos problemas em comunicações por satélite ocorridos em dias com distúrbios ou tempestades magnéticas podem estar associados a TIDs.
Bolhas Ionosféricas : São regiões do plasma ionosférico onde sua densidade é menor. Aparecem à noite e são originadas a partir de perturbações que causam deriva vertical no plasma [3,4]. Sua dinâmica de formação é normalmente inibida durante a ocorrência de tempestades magnéticas de forma que pode-se pressupor que os problemas noturnos em comunicações por satélite devidos às Bolhas Ionosféricas devem estar mais associados à baixa atividade geomagnética.
4 - RESULTADOS :
A análise dos resultados foi feita somente sobre os dados de 2002 (98 dias com falhas, alguns deles em mais de um horário), pois são mais conclusivos na medida que foram obtidos a partir de falhas reais no enlace monitorado. As falhas foram classificadas em diurnas e noturnas.
Falhas diurnas : Pelas figuras 4 e 5 percebe-se que as falhas diurnas têm uma distribuição aleatória ao longo do ano e do dia e, pela tabela 2, pode-se observar que somente cerca de um terço das falhas ocorreram em dias ativos ou com tempestades magnéticas. Foram registradas 55 falhas diurnas, cerca de 54% com menos de 1 minuto de duração, 36% entre 1 e 10 minutos e 10% com mais de 10 minutos. As falhas com grandes durações ocorreram somente em Fevereiro, Julho e Novembro.
Falhas noturnas : Quanto às ocorrências noturnas, observa-se (tabela 2 e figuras 4 e 5) que a distribuição de falhas se assemelha às sazonalidades das Bolhas Ionosféricas [3], e que há somente dois casos de falhas (24/mar e 2/out) em presença de tempestades magnéticas. Parece, portanto, aceitável a pressuposição de que as Bolhas Ionosféricas são os principais eventos responsáveis pelas falhas noturnas nas latitudes estudadas. Foram registradas 75 falhas noturnas, cerca de 81% com menos de 1 minuto, 14% entre 1 e 10 minutos e 5% com mais de 10 minutos. As falhas com grandes durações ocorreram somente em Março e
Novembro. A figura 6 exemplifica o efeito de uma Bolha Ionosférica sobre o espectro do sinal recebido.
Tabela 2 : Distribuição das falhas em 2002 com os índices Ap entre parênteses Mês Dias com falhas
diurnas
Dias com falhas noturnas Jan - 8(11), 9(2), 16(4), 21(11) Fev 1(14), 9(11), 23(4) 8(11), 10(9), 12(9), 14(3), 15(3), 16(5), 23(4), 24(5), 25(6), 26(8), 27(6) Mar 4(10), 25(7), 29(5) 2(6), 4(10), 5(21), 6(17), 7(9), 8(4), 11(10), 12(11), 13(5), 14(3), 15(5), 16(3), 17(2), 18(14), 19(19), 20(9), 24(45), 27(4), 28(2), 30(20) Abr 1(18), 2(14), 15(6), 16(7), 17(62), 18(63), 24(7) 5(3) Mai 11(49), 20(10), 23(78) 29(7) Jun 4(13), 8(14) 30(12) Jul 1(14), 8(8), 10(7), 22(16), 30(6) 20(18) Ago 12(12), 13(8), 17(8) 29(8) Set 3(7), 7(57), 28(5) 27(6) Out 28 (19) 2(53), 10(16), 11(6), 12(6), 13(5), 20(10), 21(8), 23(11), 29(14) Nov 2(28), 3(35), 9(6), 14(8), 17(7), 20(25), 26(13) 15(12), 16(7), 17(7), 24(15) Dez 3(11), 16(8), 18(6), 31(11) 3(11), 8(12), 9(6), 13(4), 14(13), 15(8) Totais 41 13 calmos (31.5%) 17 indefinidos (41.5%) 5 c/ distúrbio (12.5%) 6 c/ tempest. (14.5%) 60 28 calmos (47%) 24 indefinidos (40%) 6 c/ distúrbio (10%) 2 c/ tempestades (3%)
Obs1 : Índices AP obtidos nos sites do GeoForschungsZentrum (GFZ-Potsdam – Alemanha) e do National Geophysical Data Center (NGDC-NOAA – USA).
Obs2: Dias 1, 2 e 3 de janeiro; 1 de julho; 16, 17, 18 e 19 de agosto e 29 e 30 de setembro, sem monitoração devido à problemas técnicos.
Obs3 : Negrito : Calmos, Sublinhado : Indefinidos, Itálico : Com distúrbios,
Itálico e sublinhado : Com tempestade magnética.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 N 4 11 20 1 1 1 2 1 1 9 4 6 D 0 3 3 7 3 2 6 3 3 1 7 4
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
N = Número de dias com falhas noturnas. D = Número de dias com falhas diurnas.
Obs.: Falhas noturnas e diurnas em 23/Fev, 4/Mar e 17/Nov.
Figura 4 : Distribuição da quantidade de dias com falhas em função do mês.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Dias com falhas
Figura 5 : Distribuição da quantidade de dias com falhas em função da hora.
-50 -45 -40 -35 -30 -25 3 7 4 2 - 3 7 7 8 M H z dBm S i n a l n o r m a l D i a 0 7 / 0 3 / 2 0 0 2 à s 2 0 h 5 8 m 2 0 s
Figura 6 : Exemplo de anomalia no espectro durante uma falha noturna de comunicação.
5 - CONCLUSÕES :
A literatura sobre Clima Espacial é muito rica em estudos sobre as influências dos fenômenos ionosféricos nas comunicações por satélite em freqüências até a banda L (~1.5GHz), especialmente no sistema GPS [5], porém há pouca literatura a respeito das influências em freqüências superiores.
Devido à indisponibilidade de dados que pudessem proporcionar uma análise comparativa mais direta entre causa (fenômeno ionosférico) e efeito (falha na comunicação), adotou-se uma abordagem que, apesar de simples e indireta, apresentou fortes evidências das influências do Clima Espacial nas comunicações transionosféricas na banda C (~4GHz).
As falhas diurnas, apesar de ocorrerem em menor número (cerca de 42% do total), apresentaram 25 dos 39 eventos de maior duração (cerca de 64%), estando estes distribuídos ao longo de quase todo o ano. Elas ocorreram com maior freqüência em Abril, Julho e Novembro, porém a distribuição apresentou características aleatórias, não parecendo seguir qualquer tipo de sazonalidade.
Somente cerca de um terço dos dias que apresentaram falhas diurnas estavam com distúrbios ou tempestades magnéticas que poderiam estar associadas a AGW/TID originados por precipitação de partículas solares nos pólos. As falhas diurnas em dias com baixa atividade geomagnética podem ter ocorrido devido a AGW/TID gerados por outros mecanismos que causem grandes deslocamentos de ar (atividade vulcânica, relevos) ou talvez estejam associadas à própria dinâmica da Ionosfera na região ou à alguma interferência solar direta no satélite, já que nesses períodos ele estava iluminado pelo Sol. Esse grau de indefinição sugere a necessidade de estudos mais abrangentes e conclusivos sobre as causas das falhas diurnas.
Os dados indicam que, nas latitudes estudadas, as Bolhas Ionosféricas são a principal fonte noturna de problemas. Após o pôr do Sol as falhas ocorreram mais entre 19 e 21 horas, nos períodos de Janeiro a Março e Outubro a Dezembro com poucos eventos entre Abril e Setembro, mostrando grande correlação com as sazonalidades anuais e diárias das bolhas. Apesar do grande número de falhas (75) elas se caracterizaram por serem de curta duração (81% com menos de 1 minuto, 14% entre 1 e 10 minutos e 5% com mais de 10 minutos), sendo que mais da metade das falhas noturnas com mais de um minuto ocorreu em Março. As falhas noturnas ocorridas em dias de grande atividade geomagnética (24/mar e 2/out) podem estar associadas a TIDs ou a Bolhas Ionosféricas formadas em condições mais raras.
Uma outra constatação é que, dos 98 dias com falhas, somente em três (23/Fev, 4/Mar e 17/Nov) elas foram diurnas e noturnas, sugerindo um estudo a respeito. Em síntese pode-se concluir que, apesar das comunicações por satélite dependerem do Clima Espacial, parece não haver necessidade, nas latitudes estudadas, de condições muito especiais (tempestades magnéticas, por exemplo) para que falhas ocorram, i.e., pode-se ter falhas, diurnas ou noturnas, de diversas durações, em qualquer época do ano e, provavelmente, em qualquer ano dentro do ciclo solar, sendo que as falhas noturnas têm maior probabilidade de ocorrerem entre Outubro e Março enquanto que as falhas diurnas apresentaram distribuição aleatória ao longo do ano. Por fim, a constatação de que há regiões no território brasileiro onde falhas em comunicações por satélite devidas ao Clima Espacial são freqüentes deve ser considerada cuidadosamente pelos usuários quando da escolha de suas soluções tecnológicas pois, apesar da maior parte dessas falhas serem de curta duração, o tempo de restabelecimento de alguns sistemas pode ser longo. Não pretende-se com essa recomendação diminuir as inúmeras e inegáveis vantagens dos sistemas satelitais, mas somente difundir certas informações que normalmente não estão disponíveis. 6 - REFERÊNCIAS :
[1] M. M. Fares Saba, W. D. Gonzalez, A. L. Clúa de Gonzalez, "Relationships between the AE, ap and Dst indices near solar minimum (1974) and at solar maximum (1979)", Ann. Geophysicae 15, 1265-1270, 1997, Springer-Verlag. [2] R. L. Balthazor, R. J. Moffett, "A study of atmospheric gravity waves and travelling ionospheric disturbances at equatorial latitudes", Ann. Geophysicae 15, 1048-1056, 1997, Springer-Verlag.
[3] J. H. A. Sobral, M. A. Abdu, H. Takahashi, E. R. de Paula, I. S. Batista, C. J. Zamluti, “Ionospheric plasma bubbles over South America : Scientific studies and evidences of their interference in Telecommunications”, Anais 7° Congresso Internacional da Sociedade Brasileira de Geofísica, Salvador, 2001.
[4] I. S. Batista, M. A. Abdu, R. T. de Medeiros, J. H. A. Sobral, “Equatorial Spread F and Plasma Bubbles : A step towards prediction”, Anais 6° Congresso Internacional da Sociedade Brasileira de Geofísica, Rio de Janeiro, Ago 1999. [5] E. R. de Paula, A. A. Pallaoro, P. M. Kintner, T. L. Beach, H. Kil, I. J. Kantor, J. H. A. Sobral, I. S. Batista, M. A. Abdu, F. C. de Oliveira, “Ionospheric scintillation effects on DGPS positioning”, Anais 6° Congresso Internacional da Sociedade Brasileira de Geofísica, Rio de Janeiro, Ago 1999.
