REVIEW OF TOMOGRAPHIC RECONSTRUCTION METHODS OF THE IONOSPHERE USING GNSS

Abstract

ABSTRACT. Spatial and temporal variation of the electron density in the atmosphere makes the ionosphere a difficult region to model. A major difficulty arises due to the incomplete geometrical coverage of the Global Navigation Satellite System (GNSS) for tomographic applications, making the ionospheric tomographic system an ill-conditioned problem. Although the tomographic system is ill-conditioned, several techniques have been developed to partially overcome the problem. There is great interest in using tomographic techniques for ionospheric imaging, because it allows describing the ionosphere in terms of electron density, which is an important parameter for studying the behavior of the physical processes that occur in the upper atmosphere. In Brazil, there are additional interests in the tomographic techniques, due to the peculiar characteristics of the ionosphere and of the geomagnetic field over the region. In this direction, methods of ionospheric tomographic reconstruction are presented and discussed in this review. Particular emphasis is given to the mathematical formulation from grid-based and function-based methods and are presented some of their main advantages and limitations.

Keywords: TEC, Inverse Problem, Grid-Based Tomography, Function-Based Tomography, Ionospheric Imaging.

RESUMO. A variação espaço-temporal da densidade eletrônica na atmosfera terrestre torna a ionosfera uma região de difícil modelagem. A principal dificuldade no imageamento da ionosfera com o GNSS (Global Navigation Satellite System ) é devido à geometria dos satélites, pois torna o sistema tomográfico mal condicionado. Muito embora a geometria não permita solução direta do sistema, diversas técnicas foram desenvolvidas para parcialmente superar tal problema. Há grande interesse no uso de técnicas de tomografia para o imageamento da ionosfera, pois permitem descrever a ionosfera ao nível da densidade eletrônica, sendo este um importante parâmetro para compreender os processos físicos que ocorrem na alta atmosfera. No Brasil, existem interesses adicionais no imageamento ionosférico por meio de técnicas tomográficas devido às características peculiares da ionosfera e do campo geomagnético sobre a região. Neste sentido, métodos utilizados para a reconstrução tomográfica da ionosfera são apresentados e discutidos nesta revisão. Uma ênfase especial é dada para a formulação matemática dos métodos baseados em células e em funções, além da apresentação de algumas de suas principais vantagens e limitações.

Palavras-chave: TEC, Problema Inverso, Tomografia Baseada em Células, Tomografia Baseada em Funções, Imageamento Ionosférico.