QUAL A MELHOR SOLUÇÃO NO PPP ON-LINE MAGICGNSS: GPS, GLONASS OU A COMBINAÇÃO ENTRE AMBOS?

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1 QUAL A MELHOR SOLUÇÃO NO PPP ON-LINE MAGICGNSS: GPS, GLONASS OU A COMBINAÇÃO ENTRE AMBOS? Matheus Henrique Maia Lisboa Raiane Rintielle Vaz Menezes William Rodrigo Dal Poz Afonso de Paula dos Santos Universidade Federal de Viçosa UFV Centro de Ciências Exatas CCE Departamento de Engenharia Civil Setor de Engenharia de Agrimensura e Cartográfica, Viçosa, MG {matheus.lisboa, raiane.menezes, william.dalpoz, afonso.santos RESUMO Atualmente o GNSS (Global Navigation Satellite System) é a tecnologia mais utilizada para fins de posicionamento e navegação, no qual engloba vários sistemas de navegação por satélites artificiais, sendo seus principais componentes o GPS (Global Positioning System) e o GLONASS (Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) que se encontram em plena operação. Dentre os métodos de posicionamento GNSS, o Posicionamento por Ponto Preciso (PPP) desponta-se pela praticidade e confiabilidade de seus resultados. O objetivo deste trabalho é avaliar, através do uso do PPP on-line magicgnss/ppp, a discrepância posicional de 20 estações da RBMC (Rede de Monitoramento Contínuo de Sistemas GNSS) em dois diferentes intervalos de tempo (10-18h e 12-16h), levando-se em consideração os dados obtidos apenas no sistema GPS, no sistema GLONASS e em ambos os sistemas. A discrepância posicional será calculada entre as coordenadas de referência das estações da RBMC, disponibilizadas no sítio do IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística), com as coordenadas estimadas no magicgnss/ppp. Salienta-se que as coordenadas de referência, dadas em SIRGAS2000, época 2000,4, para fins de comparação, foram transformadas e atualizadas na época de coleta dos dados (02/06/2013), para o referencial IGb08 (sistema de referência atual das efemérides precisas), o qual é alinhado ou ajustado ao ITRF2008. Para isso, foram utilizados os parâmetros de transformação determinados e disponibilizados pelo IBGE. As velocidades das estações da RBMC foram calculadas com o uso do VEMOS (VElocity MOdel of Sirgas). Foram propostas duas formas de se eleger qual a melhor solução. A primeira forma considerou o caso em que a menor discrepância foi na ordem do centímetro, enquanto na segunda forma considerou a ordem do milímetro De acordo com os resultados obtidos com relação ao primeiro caso, considerando-se o intervalo de 8 horas, no caso da resultante planimétrica (UTM), a combinação GPS e GLONASS proporcionaram os melhores resultados em 67% dos casos. Na componente altimétrica o GPS mostrou-se superior também em 67% dos casos. No caso do intervalo de 4 horas a combinação GPS e GLONASS se destacou em 57% dos casos da resultante planimétrica. Na componente altimétrica, o GPS foi superior em 41% dos casos. Verifica-se, desta forma, que o GPS proporcionou os melhores resultados na componente altimétrica, enquanto na resultante planimétrica a integração GPS e GLONASS proporcionam os melhores resultados. No caso da análise milimétrica, considerando-se o intervalo de 8 horas para a resultante planimétrica (UTM) a combinação GPS e GLONASS se destacou em 67% dos casos. Na componente altimétrica o GPS ressaltou-se em 65% dos casos. No intervalo de 4 horas de observação, em 61% dos casos destacou-se a combinação GPS e GLONASS, e na altimétrica o GLONASS mostrou-se uma menor discrepância em 40% dos casos analisados. Salienta-se, que de uma forma geral, na componente altimétrica, os maiores valores de discrepâncias foram obtidos com GLONASS, atingindo discrepâncias da ordem de 13 cm. Palavras chaves: GPS, GLONASS, PPP. ABSTRACT Currently GNSS (Global Navigation Satellite System) is the most used technology for the purpose of positioning and navigation, which encompasses several navigation systems for satellites, being their main components GPS (Global Positioning System) and GLONASS (Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) that are in the middle of the

2 operation. Among the methods of GNSS positioning, the Precise Point Positioning (PPP) emerges by the practicality and reliability of its results. The objective of this work is to evaluate, through the use of on-line magicgnss/ppp, positional discrepancy of 20 RBMC stations (Network for Continuous Monitoring of GNSS Systems) at two different time intervals (10-18h and 12-16h), taking into account only the data in the GPS system, in the GLONASS system and in both systems. The positional discrepancy is calculated from the reference coordinates of the RBMC stations, available on the website of the IBGE (Brazilian Institute of Geography and Statistics), as estimated coordinates in the magicgnss / PPP. It is noted that the reference coordinates, given in SIRGAS2000, epoch 2000,4, for comparison purposes, were transformed and updated at the time of data collection (06/02/2013), for the reference IGb08 (current reference system the precise ephemeris), which is aligned or adjusted to ITRF2008. For this, the transformation parameters determined and provided by IBGE were used. The speeds of RBMC stations were calculated using the VEMOS (Velocity Model of SIRGAS). Two ways to choose the best solution were proposed. The first way considered the case in which the discrepancy was smaller in the order of centimeters, whereas in the second form it considered the order of the millimeter. In agreement with the results obtained regarding the first case, being considered the interval of 8 hours, in the case of the resulting planimetric (UTM), the combination GPS and GLONASS provided the best results in 67% of the cases. In the altimetry component, GPS was superior in 67% of cases. In the case of 4 hours combination GPS and GLONASS stood in 57% of cases the resulting planimetric. In altimetric component, the GPS was superior in 41% of cases. It is apparent, therefore, that the GPS gave the best results in altimetry component, while the resulting GPS and GLONASS planimetric integration provides the best results. In the case of millimeter analysis, considered the interval of 8 hours for the resulting planimetric (UTM) GPS and GLONASS combination excelled in 67% of cases. Altimetric component in the GPS said in 65% of cases. At the 4-hour observation period, in 61% of cases stood out combining GPS and GLONASS, GLONASS and altimetry proved to be a minor discrepancy in 40% of cases analyzed. That in general, the altimetric component, higher values were obtained with GLONASS discrepancy is noted, reaching differences of the order of 13 cm Keywords: GPS, GLONASS, PPP. 1. INTRODUÇÃO Atualmente o GNSS (Global Navigation Satellite System) é a forma mais rápida e eficiente de posicionamento. Para posicionamento em tempo real, deve-se dispor de no mínimo quatro satélites a serem rastreados, sem necessidade de intervisibilidade entre as estações, e independente das condições climáticas. Devido a sua praticidade e confiabilidade é possível sua utilização para várias finalidades como navegação e posicionamento preciso. Os principais métodos utilizados no posicionamento GNSS são: o posicionamento relativo, no qual necessita de no mínimo dois receptores coletando dados simultaneamente, onde as coordenadas são determinadas em relação a um referencial materializado por um ou mais vértices conhecidos; já o posicionamento absoluto, onde necessita-se de apenas um receptor tendo suas coordenadas associadas diretamente ao geocentro. Apesar deste último apresentar menor precisão do que o posicionamento relativo há a possibilidade de torna-lo tão preciso quanto, sendo conhecido este método como Posicionamento por Ponto Preciso (PPP) (FAUSTINO, 2006). Segundo MATSUOKA (2009) citando Monico (2007) e Witchayangkoon (2000), os requisitos fundamentais do PPP são o uso de efemérides e correções dos relógios dos satélites, ambos com alta precisão, cujas informações têm sido produzidas e disponibilizadas pelo IGS (Internacional GNSS Service) e centros associados, sem nenhum custo. Atualmente, o IGS produz três tipos de efemérides e correções para o relógio dos satélites, denominadas de efemérides IGS (resultante da combinação de orbitas de vários centros de análises disponíveis a partir do 13º dia após a coleta dos dados), IGR (órbitas IGS rápidas, disponíveis com latência de 17 horas) e IGU (órbitas IGS ultra-rápidas disponível com latência de 3 horas). Com o intuito de facilitar o processamento dos dados, algumas agências e instituições passaram a oferecer gratuitamente serviços de processamento on-line (ABREU e FONSECA JR, 2005). Os serviços de processamento PPP on-line, tais como IBGE, NRCAN e magicgnss/ppp utilizam os dados no formato RINEX (Receiver Independent Exchange Format) para o seu processamento. Ao finalizar o processamento os resultados são enviados ao usuário por meio de endereço eletrônico informado ou disponibilizado para download na própria página do serviço. O PPP requer fundamentalmente dados GNSS de um único receptor e o emprego de efemérides e correções precisas, proporcionando uma maior precisão para o posicionamento, mas mesmo com esta eficiência alguns cuidados ainda devem ser tomados quanto a confiabilidade posicional do mesmo. Assim, este trabalho tem como objetivo avaliar, através do magicgnss/ppp on-line, a discrepância posicional de 20 estações RBMC em dois diferentes intervalos de tempo (10-18h e 12-16h), levando-se em consideração os resultados obtidos através do processamento de dados apenas no sistema GPS, no GLONASS e na integração de ambos os sistemas.

3 2. POSICIONAMENTO POR PONTO PRECISO (PPP) O posicionamento por ponto preciso é um tipo de posicionamento absoluto onde são utilizadas as efemérides precisas disponibilizadas pela IGS. Este órgão disponibiliza efemérides precisas dos satélites de três formas que são as efemérides IGS (precisas), IGR (rápidas) e IGU (ultra-rápidas), disponibilizadas em um período de 13 dias, 17 horas e 3 horas, respectivamente. Segundo MATSUOKA (2009) a qualidade do posicionamento GNSS esta associada a dois aspectos importantes, as efemérides utilizadas nas correções das observações (transmitidas ou precisas) e ao efeito da combinação linear da ionosfera (ion-free). Isso não significa que, os receptores de uma frequência não possam ser utilizados no PPP porém limitando-se a baixas precisões devido a erros (efeito da ionosfera e impossibilidade de formar a ion-free) que podem ser minimizados com o uso de alguns modelos de ionosfera como, por exemplo, o Modelo de Klobuchar /ou Modelo Global de Ionosfera do IGS (2008). Para minimizar os efeitos da ionosfera, são utilizados modelos matemáticos aos dados provindos de receptores de dupla frequência (L1 e L2), dos quais tratam tanto a pseudodistância quanto a fase de onda da portadora. As expressões 1 e 2 permitem eliminar os efeitos de primeira ordem da ionosfera Monico (2008). (1) (2) Onde: = pseudodistância resultante da combinação linear ion-free; = fase obtida da combinação linear ion-free; = distância geométrica entre o centro de fase da antena do satélite e do receptor; = erro do relógio do receptor; = erro do relógio do satélite; = ambiguidade da observável ion-free; = atraso troposférico aproximado por algum modelo disponível; = é uma correção residual de, a ser estimada no modelo; = é uma função de mapeamento utilizada; c = velocidade da luz no vácuo; e f 1 = é a frequência da observável ion-free (igual a da portadora L1). Neste modelo matemático, apresentamos os erros mais comuns envolvidos no posicionamento. Existem outros erros relacionados ao centro da fase da antena e dos satélites que são considerados no processamento PPP Serviço magicgnss PPP A GMV Aerospace and Defense S.A é um grupo empresarial tecnológico com sede em Madrid Espanha, de capital privado que apresenta soluções, serviços e produtos em diversos setores como: Aeronáutica, Aeroespacial, Defesa, Banco e Finanças, Saúde, Segurança, Transporte, Telecomunicações e Tecnologias de Informação para Administração Pública e Grandes Empresas, e atua no mercado desde Um dos seus produtos na área de processamento de dados e sistemas de navegação é o magicgnss, que oferece um serviço de processamento PPP online via . A versão PPP via do magicgnss processa tanto posicionamento estático quanto cinemático GPS e GLONASS em tempo real, mas até o momento é suportado apenas dados de receptores de dupla frequência. Resulta do processamento um relatório gráfico, arquivos com coordenadas cartesianas referenciadas ao ITRF2008, correções dos relógios do receptor da estação e estimativa do atraso zenital troposférico. 3. METODOLOGIA Neste estudo foram utilizadas vinte estações da RBMC, sendo elas localizadas em diferentes latitudes, como apresentado na Figura 1:

4 Fig. 1 Localização das estações RBMC utilizadas. Os dados de GNSS utilizados neste estudo são advindos de estações da RBMC referentes ao dia 02/06/2013, sendo avaliadas em diferentes intervalos de rastreio de 10h às 18h e 12h às 16h do sistema de Tempo Universal (TU). Com o uso do software magicgnss foram obtidas as coordenadas geodésicas no sistema de referência ITRF 2008 (International Terrestrial Reference Frame). Foi tomado como referencia as coordenadas contidas nos descritivos de cada estação disponibilizados pelo IBGE no sistema SIRGAS 2000 na época 2000,4. Para o cálculo das discrepâncias essas coordenadas foram atualizadas para a época de coleta dos dados. Para isso, foi desenvolvida uma rotina no ambiente Scilab para transformar e atualizar as coordenadas contidas nos descritivos das estações da RBMC, de Sirgas2000, época , para o ITRF2008 (IGb08), época da coleta dos dados. Salienta-se que este procedimento é o mesmo adotado pelo PPP online oferecido pelo IBGE. Para isso foram utilizados os parâmetros de transformação disponibilizados pelo IBGE, bem como os vetores de velocidades das estações. Para obtenção dos vetores de velocidades para cada estação da RBMC, utilizou-se o modelo de velocidade VEMOS 2009 (Velocity Model for SIRGAS). Verifica-se que todas as discrepâncias foram calculadas na época de coleta dos dados, minimizando, desta forma, o deslocamento da placa tectônica desde a época até a época de coleta dos dados. Para avaliar as discrepâncias planimétricas e altimétricas transformou-se as coordenadas geodésicas obtidas através do PPP (época dos dados) e pelo descritivo disponibilizado pelo IBGE atualizadas e transformadas para o ITRF2008, época de coleta dos dados, em coordenadas UTM (Universal Tranversal de Mercartor), com o auxílio do Progrid, sendo este um software oficial de transformação de coordenadas adotados no Brasil, disponível gratuitamente no site do IBGE. Assim para a realização da analise da discrepância dos resultados obtidos pelo PPP nos diferentes intervalos de tempo e em diferentes componentes do GNSS em relação às coordenadas oficiais disponibilizadas pelo IBGE utilizouse a seguinte expressão: [ ] [ ] (3) (4) (5)

5 Discrepância (m) Sendo para a equação 3, E (REFERÊNCIA), N (REFERÊNCIA) e h (REFERÊNCIA) as coordenadas oficiais atualizadas e transformadas para o ITRF2008, na época dos dados, já E (CALCULADO), N (CALCULADO) e h (CALCULADO) se referem as coordenadas estimadas no magicgnss/ PPP no ITRF2008, época de coleta dos dados. A partir das discrepâncias encontradas na equação 3, encontrou-se a resultante planimétrica apresentada na equação 4 e a resultante altimétrica apresentada pela equação RESULTADOS E DISCUSSÕES Após todo o processamento e cálculos das discrepâncias, foram gerados tabelas e gráficos para melhor visualização e comparação dos resultados obtidos. As tabelas 1 e 2, e as figuras 2, 3, 4 e 5 mostram as discrepâncias calculadas. TABELA 1 VALORES DAS DISCREPÂNCIAS NO INTERVALO DE QUATRO HORAS. DISCREPÂNCIAS 12h às 16h Estação Planimetria Altimetria Planimetria Altimetria Planimetria Altimetria APSA 0,049 0,002 0,054 0,050 0,042 0,036 BABR 0,030 0,007 0,064 0,030 0,030 0,003 MABA 0,040 0,033 0,049 0,006 0,038 0,021 MTSF 0,034 0,017 0,048 0,029 0,031 0,027 PISR 0,034 0,026 0,073 0,116 0,025 0,003 RECF 0,049 0,001 0,059 0,096 0,041 0,015 RNNA 0,040 0,041 0,040 0,010 0,034 0,027 SALU 0,043 0,016 0,033 0,024 0,036 0,026 SAVO 0,028 0,027 0,008 0,011 0,022 0,020 TOGU 0,031 0,034 0,019 0,006 0,028 0,020 BRAZ 0,022 0,033 0,016 0,015 0,018 0,022 GOJA 0,023 0,035 0,024 0,049 0,022 0,042 IMBT 0,036 0,062 0,022 0,076 0,012 0,052 MGMC 0,028 0,029 0,044 0,016 0,023 0,019 POAL 0,051 0,020 0,064 0,056 0,059 0,007 SJRP 0,038 0,019 0,049 0,111 0,030 0,055 SMAR 0,061 0,034 0,047 0,031 0,060 0,022 SPBO 0,017 0,019 0,013 0,060 0,011 0,031 UFPR 0,006 0,047 0,006 0,032 0,028 0,079 VICO 0,009 0,039 0,009 0,031 0,026 0,043 Planimetria 0,075 0,065 0,055 0,045 0,035 0,025 0,015 0,005-0,005 Fig. 2 Gráfico das discrepâncias planimétricas no intervalo de 12h às 16h.

6 Discrepância (m) Altimetria 0,135 0,115 0,095 0,075 0,055 0,035 0,015-0,005 Fig. 3 - Gráfico das discrepâncias altimétricas no intervalo de 12h às 16h. TABELA 2 VALORES DAS DISCREPÂNCIAS NO INTERVALO DE OITO HORAS. DISCREPÂNCIAS 10h às 18h GPS GLONASS GPS+GLONASS Planimetria Altimetria Planimetria Altimetria Planimetria Altimetria APSA 0,032 0,004 0,012 0,056 0,019 0,037 BABR 0,034 0,010 0,025 0,040 0,020 0,025 MABA 0,034 0,025 0,040 0,035 0,028 0,037 MTSF 0,031 0,032 0,044 0,054 0,028 0,050 PISR 0,036 0,005 0,030 0,043 0,035 0,023 RECF 0,041 0,045 0,058 0,053 0,031 0,002 RNNA 0,046 0,019 0,050 0,020 0,043 0,018 SALU 0,032 0,003 0,031 0,035 0,025 0,033 SAVO 0,025 0,011 0,021 0,038 0,028 0,029 TOGU 0,031 0,036 0,047 0,041 0,025 0,040 BRAZ 0,022 0,033 0,039 0,015 0,018 0,022 GOJA 0,027 0,044 0,049 0,051 0,027 0,046 IMBT 0,036 0,048 0,051 0,082 0,031 0,041 MGMC 0,028 0,030 0,040 0,034 0,019 0,027 POAL 0,051 0,011 0,034 0,024 0,066 0,007 SJRP 0,038 0,033 0,048 0,130 0,020 0,059 SMAR 0,061 0,039 0,044 0,007 0,065 0,022 SPBO 0,017 0,019 0,022 0,085 0,014 0,026 UFPR 0,006 0,043 0,043 0,073 0,015 0,045 VICO 0,009 0,022 0,023 0,066 0,011 0,029

7 Discrepância (m) Discrepância (m) Planimetria 0,075 0,065 0,055 0,045 0,035 0,025 0,015 0,005-0,005 Fig. 4 - Gráfico das discrepâncias planimétricas no intervalo de 10h às 18h. Altimetria 0,135 0,115 0,095 0,075 0,055 0,035 0,015-0,005 Fig. 5 - Gráfico das discrepâncias altimétricas no intervalo de 10h às 18h. De acordo com os resultados apresentados, verifica-se que o maior valor de discrepância planimétrica foi obtida com o GLONASS, atingindo aproximadamente 07 cm, como mostra a figura 02. O mesmo ocorreu com relação a discrepância altimétrica, atingindo aproximadamente 13 cm, como mostra a figura 05. Na componente altimétrica, como mostram as figuras 03 e 05, verifica-se que de uma forma geral, as maiores discrepâncias foram obtidas com o GLONASS. Contudo, em alguns casos, como por exemplo, as estações MABA e TOGU (ver figura 03) apresentaram discrepâncias milimétricas. Com relação a combinação entre os sistemas é importante destacar que em várias situações proporcionaram os maiores valores de discrepâncias. Isso pode ser verificado nas estações UFPR e VICO, como mostram as figuras 2 e 3, nas estações POAL e SMAR, como mostra a figura 4 e na estação MABA, como mostra a figura 5, embora, neste caso, a diferença seja pequena. Considerando apenas o GPS, verifica-se também que em alguns casos apresentaram os maiores valores de discrepância, como mostram as figuras 2, 3, 4 e 5. As figuras 6, 7, 8 e 9 mostram quais sistemas apresentaram os melhores desempenhos para os dois períodos de coleta dos dados em porcentagem. Para esses casos foram considerados duas situações: quando a diferença entre os dois melhores resultados foram da ordem do centímetro e do milímetro. Os resultados encontrados com discrepância centimétrica são apresentados nas Figuras 6 e 7, para a discrepância milimétrica são apresentados nas Figuras 8 e 9. Tanto para a planimetria quanto para a altimetria nos dois intervalos de tempo (10-18h e 12-16h).

8 Planimetria 12h-16h 0% Altimetria 12h-16h 43% 25% 35% 57% 40% (a) (b) Fig. 6 Resultados em porcentagem da planimetria (a) e altimetria (b) na análise centimétrica. Planimetria 10h-18h Altimetria 10h-18h 67% 16% 17% 13% 20% 67% (a) (b) Fig. 7 Resultados em porcentagem da planimetria (a) e altimetria (b) na análise centimétrica. Planimetria 12h-16h Altimetria 12h-16h 61% 8% 31% 25% 40% 35% (a) (b) Fig. 8 Resultados em porcentagem da planimetria (a) e altimetria (b) na análise milimétrica.

9 Planimetria 10h-18h 5% Altimetria 10h-18h 67% 28% 12% 23% 65% (a) (b) Fig.9 Resultados em porcentagem da planimetria (a) e altimetria (b) na análise milimétrica. 5. CONCLUSÃO Ficou evidenciado nos resultados que na componente planimétrica a melhor solução no PPP online Magic GNSS se refere a combinação entre os sistemas GPS e GLONASS, embora o GLONASS tenha apresentado um bom resultado no período de coleta dos dados das 12 as 16 TU, como mostra a figura 06a. Contudo, salienta-se que o GLONASS é responsável pelos piores resultados. Contudo, na componente altimétrica não é possível afirmar qual solução foi a melhor, pois ora o GPS foi melhor, ora o GLONASS foi melhor. Salienta-se que na combinação entre os sistemas em nenhuma situação proporcionou a melhor solução. 6. REFERÊNCIAS DAL POZ, W. R. Notas de Aula Geodésia Espacial, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, GMV, magicgnss. Precise Point Positioning Solution <http://www.gmv.com/en/space/magicppp/index.html> Acesso: 22 de agosto de Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IBGE RBMC <http://www.ibge.gov.br/home/geociencias/geodesia/rbmc/rbmc.shtm>acesso: 10 de agosto de MONICO, J.F.G. Posicionamento pelo GNSS-Descrição, fundamentos e aplicações. 2.ed. São Paulo: Editora UNESP, MATSUOKA, M.T.; AZAMBUJA, J.L.F.; SOUZA, S.F. Potencialidades do serviço on-line de Posicionamento por Ponto Preciso (CSRS-PPP) em aplicações geodésicas. Gaea - Journal of Geoscience, vol. 5, n. 1,jan/jun 2009, p INCRA. Norma Técnica para Georreferenciamento de Imóveis Rurais. Instituto Nacional de Colonização e Reforma Agraria. Ministério do Desenvolvimento Agrário. Setembro de FAUSTINO, C. R. Posicionamento por ponto preciso est[ático e cinemático: implementação e análise. Tese ( mestrado) Universidade Estadual Paulista, Campus de Presidente Prudente Presidente Prudente-Sào Paulo, p. ABREU, M.A.; FONSECA JR, E.S Comparação de ferramentas on-line para processamento de dados GPS. In: COLÓQUIO BRASILEIRO DE CIÊNCIAS GEODÉSICAS, IV, Curitiba-PR. MONICO, J. F. G.; DAL PÓZ, A. P.; GALO, M. ; DOS SANTOS, M C.; OLIVEIRA, L. C. Acurácia E Precisão: Revendo Os Conceitos De Forma Acurada. Boletim de Ciências Geodésicas, Secretária de Comunicações, Curitiba, v. 15, no3, p , 2009.

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