50 years of synergy between space geodesy and meteorology: from a GNSS positioning error to precipitation nowcasting applications

Abstract

The neutral atmosphere (or troposphere) causes refraction in radio frequency signals, which results in errors in Global Navigation Satellite Systems (GNSS) measurements. In meteorology, this effect can represent important measurements of the concentration of atmospheric constituents, especially in regions where conventional high-altitude atmospheric sounding (radiosondes) cannot be performed. There are two GNSS techniques used for this. In the first one, GNSS receivers are located on terrestrial stations that provide estimates of the vertically integrated moisture content (Precipitable Water Vapor - PWV). In the second case, receivers are in space platforms, which obtains profiles of atmospheric pressure, temperature and humidity, known as GNSS radio occultation. These measurements have significant potential for nowcasting applications (30 minutes in advance) of extreme precipitation events (>35 mm). This paper presents a review of the state of the art in the synergy between Geodesy and Meteorology for modeling the neutral atmosphere (neutrosphere), its effect on GNSS positioning and in the estimation of atmospheric constituents, and their applications. Furthermore, it offers the improvements and new challenges developed in modeling the delay for high accuracy positioning.

A atmosfera neutra (ou troposfera) causa refração nos sinais de radiofrequência, que resulta em erros nas medidas do Global Navigation Satellite Systems (GNSS) empregadas no posicionamento geodésico. Já para a Meteorologia esse efeito pode representar medidas importantes da concentração dos constituintes atmosféricos, principalmente em regiões onde não se pode realizar sondagem atmosférica convencional, por meio de radiossondas acopladas a balões. Duas técnicas GNSS podem ser empregadas para isso. A primeira utiliza receptores em estações terrestres que fornecem estimativas do conteúdo integrado verticalmente de umidade na atmosfera neutra (Precipitable Water Vapor - PWV). A segunda, com receptores localizados em plataformas espaciais, com os quais obtém perfis atmosféricos de pressão, temperatura e umidade, na técnica conhecida como Rádio-ocultação GNSS. Essas medidas têm um potencial significativo para aplicações em previsões de curtíssimo prazo (30 minutos) de eventos extremos de precipitação (>35 mm). O objetivo principal deste artigo é realizar uma revisão do estado da arte da sinergia entre a Geodésia e a Meteorologia na modelagem da atmosfera neutra (neutrosfera), seu efeito no posicionamento GNSS e na estimativa dos constituintes atmosféricos e suas aplicações. Além disso, apresenta os aprimoramentos e novos desafios desenvolvidos na modelagem do atraso para o posicionamento de alta acurácia.