Relatório da ListEx 4 (Relatório Final) CE-235 Sistemas Embarcados de Tempo Real

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1 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA ITA DIVISÃO DE ENGENHARIA ELETRÔNICA E COMPUTAÇÃO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELETRÔNICA E COMPUTAÇÃO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO Relatório da ListEx 4 (Relatório Final) CE-235 Sistemas Embarcados de Tempo Real Alunos: Glêvson Diniz Franco Débora Chagas Caio Monteiro Profs.: Dr. Adilson Marques da Cunha (CTA - ITA) Dr. Luiz Alberto Vieira Dias (CTA - ITA) Dr. Márcio Xavier (CTA - ITA) Data de entrega: 27/11/2006 São José dos Campos 2006

2 1. INTRODUÇÃO 1.1. Motivação Tendo em vista a atual conjuntura mundial e a possibilidade de participação do Brasil em conflitos de fronteira, utilizando Veículos Aéreos Não Tripulados - VANT's, mobiliados com Sistemas de Software Embarcados e de Tempo Real, foi necessário traçar requisitos funcionais tais como: Controle de Vôo, Controle de Potência e Controle de Combustível. O requisito de Controle de Vôo é de fundamental importância para o funcionamento do VANT uma vez que este permite a realização de funções básicas do vôo, tais como controle de altitude, direção e velocidade Contexto Contextualizado nos Componentes de Softwares de Computador (CSC's) do VANT, integrantes do Item de Configuração de Software de Computador (ICSC) dos Pontos de Coleta de Dados Dinâmicos. Os CSC's de um 1º VANT de reconhecimento deverão propiciar a transmissão de seus dados mínimos necessários e suficientes para o CSC's dos SAT's ou das EMC's (que estiverem dentro do seu alcance), confirmando, em alta resolução a existência de Atividades Ilícitas de queimadas, invasões ou contravenções, numa Área de Interesse pré-selecionada, viabilizando a transmissão de seus dados mínimos necessários e suficientes para o ICSC das EMC's; Para execução desta tarefa é necessário o desenvolvimento de uma cápsula de controle de vôo que será integrante de todo um contexto Objetivação do protótipo de sistemas de software O Enunciado do problema consiste em: Dotar o CSC Controle do VANT de um Protótipo de Projeto de USC de Controle de Vôo, visando propiciar o suprimento de necessidades de controle de vôo, reduzindo desperdícios de recursos e aumentando a capacidade de suporte ao funcionamento de VANT s, até o final do 2º semestre de

3 Enunciado da alternativa escolhida: problema: Desenvolver uma USC de Controle de Vôo de Dados de um VANT genérico para o CSC Suporte do VANT, visando propiciar o suprimento de necessidades de comunicação, reduzindo desperdícios de recursos e aumentando a capacidade de suporte ao funcionamento de VANT's, até o final do 2º semestre de Intitulação: Unidade de Software de Computador de Controle de Vôo Redução do Escopo O escopo deste projeto foi restringido apenas para atender os requisitos acadêmicos, será desenvolvido um Protótipo do Sistema de Software Embarcado e de Tempo Real para o Projeto VANT-EC- SAME. Esta pesquisa irá abordar somente os aspectos de software, não tratando de características específicas e nem tão pouco implementação em hardware. O escopo se restringe apenas à implementação em software de algumas das muitas funcionalidades de controle de vôo, qualquer aspecto que fuja a este enfoque não pertence ao escopo deste projeto Especificação de Requisitos O CSC V-CTR, quanto à função de controle de vôo deverá ser capaz de propiciar: O CSC V-CTR O controle de direção, velocidade e altitude do VANT, sincronizado com a disponibilidade do combustível; A alteração da potência de acordo com a solicitação da cápsula de controle; O controle do nível de combustível, alterando o seu fluxo de acordo com a potência solicitada. 3

4 1.6. Ordem de Apresentação do Projeto Final Na Seção 1, apresenta-se a Motivação, o Contexto, o Enunciado do Problema e da Solução Escolhida, a Redução do Escopo e a Especificação de Requisitos deste Projeto Final. Na Seção 2, descreve-se o Desenvolvimento a USC até chegar à Integração de 3º Nível (ICSC). Na Seção 3 são sintetizadas as principais Conclusões do Protótipo, Recomendações para o Aperfeiçoamento do Protótipo e Sugestões para Trabalhos Futuros e para a melhoria das disciplinas ministradas neste semestre. E depois as Referências Bibliográficas. 2. DESENVOLVIMENTO 2.1. Protótipo de Sistema de Software Embarcado e de Tempo Real Fases do Processo Unificado Rational - PUR O desenvolvimento do CSC Suporte do VANT baseou-se no PUR (Rational Unified Process- RUP) onde se realizou uma pequena customização por se tratar de um projeto de pequeno porte. As fases do processo encontram-se na figura a seguir. 4

5 Fase de Iniciação A Fase de iniciação contemplou a Linha Base Funcional. Realizou-se o início do desenvolvimento dos 10 principais Artefatos do RUP, para desenvolvimento da USC Armazenamento de Dados. (Os 10 documentos foram elaborados pelo autor). 01) Caso de Desenvolvimento (CD); 02) Plano de Desenvolvimento de Software (PDS); 03) Visão (VS); 04) Solicitações dos Principais Envolvidos (SPE); 05) Especificações Suplementares (ES); 06) Glossário (GLO); 07) Lista de Riscos (LR); 08) Plano de Iteração (PI); 09) Modelo de Casos de Uso (MCU); e 10) Plano de Gerenciamento de Requisitos.(PGR). Levantou-se o Caso de Desenvolvimento apresentando a maneira como o RUP e sua metodologia de desenvolvimento foi utilizada para o protótipo de projeto de Unidade de Software de Computador UCS (Computer Software Unit - CSU) V-CTR. A finalidade do Plano de Desenvolvimento de Software foi reunir todas as informações necessárias para controlar e gerenciar o protótipo de projeto de UCS V-CTR. Ele descreve a abordagem dada ao desenvolvimento do software e é o plano de nível mais alto gerado e usado pelos gerentes para coordenar o esforço de desenvolvimento. O objetivo do documento de Visão é coletar, analisar e definir as necessidades e características de alto nível da Meta Física ou Protótipo de Projeto de UCS V-CTR. Ele enfoca os recursos que os envolvidos e usuários-alvo (Stackeholders) precisam, e descreve porque essas necessidades existem. Os detalhes de como o V-CTR atende a essas necessidades encontram-se descritos nos documentos de Especificações Suplementares e de Casos de Uso. Sua finalidade principal tem por base propiciar a melhor definição possível dos requisitos de alto nível do Protótipo de Projeto da UCS V-CTR, em termos de necessidades do Protótipo de Projeto Sistema de Software de Computador SSC VANT-EC-SAME e conseqüentemente as necessidades dos usuários finais de Veículos Aéreos Não Tripulados, sejam para aplicações civis ou militares. O artefato de Visão refere-se a uma Unidade de Software de Computador - USC que implementa algumas das principais funcionalidades para um Controle de Vôo para o Veículo Aéreo Não Tripulado VANT. Esta USC, V-CTR completa um Componente de Software de Computador CSC denominado Controle de Vôo (V-CONT-VANT), o qual contempla outras USC's afins. Este projeto vem atender de forma acadêmica, pelo menos no princípio, a necessidade de um instituto do CTA, o Instituto de Aeronáutica e do Espaço IAE, além de uma necessidade da ANA (Agencia Nacional das Águas). 5

6 USC Controle de Combustível (V-COMB) (Desenvolvido por Débora Chagas) Quanto às solicitações da USC V-COMB, faz-se necessário ler a quantidade de combustível e calcular se o consumo necessário para a rota solicitada, como também alterar a vazão de combustível. USC Controle de Potência (V-POT) Quanto às solicitações da USC POT, fazem-se necessário atender as solicitações de aumento de potência exigidas pela V-CTR, e comunicar-se com V-COMB pedindo à alteração da vazão de combustível. O documento de Especificações Suplementares aplica-se a USC V-CTR e define requisitos nãofuncionais para este protótipo de projeto como: requisitos de usabilidade, confiabilidade, desempenho e suportabilidade, bem como alguns requisitos de funcionalidade, comuns a vários Casos de Uso, que foram identificados inicialmente. A finalidade do documento de Lista de Riscos é assinalar os riscos identificados, inicialmente, para a USC V-CTR classificando a importância associada a ações específicas de contingência ou diminuição desses riscos. O Plano de Iteração descreve um plano detalhado para a Iteração Preliminar da Meta Física da USC V-CTR do Projeto VANT-EC-SAME, referente à Fase de Iniciação proposta pelo RUP. Esta primeira iteração conduzirá, principalmente, a uma análise dos requisitos para o Protótipo de Projeto de Unidade de Software de Computador USC V-CTR, que será utilizada na Modelagem do Armazenamento de Dados e no desenvolvimento e/ou reutilização de Componentes de Software que implementem as funcionalidades da Estação de Controle. O artefato, Modelos de Caso de Uso, apresenta uma Visão dos Casos de Uso organizando o Modelo dos Casos de Uso do Protótipo de Projeto de Unidade de Software USC V-CTR. Por final, o documento de Plano de Gerenciamento de Requisitos descreve as diretrizes utilizadas pelo Protótipo de Projeto de Unidade de Software de Computador USC V-CTR, e estabelece os documentos, tipos, atributos e rastreabilidade dos seus requisitos, a fim de propiciar o seu gerenciamento apropriado. Ele também serve como documento base para a configuração da ferramenta de gerenciamento de requisitos Rational RequisitePro. Nesta respectiva fase, não se realizou nenhum tipo de implementação ou codificação de software. 6

7 Fase de Elaboração A Fase de Elaboração (Elaboration) contemplou a Linha Base Alocada. Realizou-se uma atualização, em grupo, dos 10 principais Artefatos do RUP, para desenvolvimento do CSC Controle de Vôo. A divisão realizada apresenta-se na figura abaixo. Os documentos, neste ponto, focam a Integração de 1º Nível de CSC. O autor deste relatório atuou ativamente dentro do grupo, desempenhado o papel de Elaborador dos Artefatos de Requisitos e de Gerência de Projeto Vide artefato Caso de Desenvolvimento (CD) [ListEx2 CE Artefatos Caio Débora Glêvson 01) Caso de Desenvolvimento (CD) X 02) Plano de Desenvolvimento de Software (PDS) X 03) Visão (VS) X X X 04) Solicitações dos Principais Envolvidos (SPE) X X X 05) Especificações Suplementares (ES) X 06) Glossário (GLO) X 07) Lista de Riscos (LR) X 08) Plano de Iteração (PI) X 09) Modelo de Casos de Uso (MCU) X X X 10) Plano de Gerenciamento de Requisitos (PGR) X A partir deste ponto, começou-se a utilizar a ferramenta CASE Rational Rose RealTime, para o desenvolvimento de uma primeira versão de protótipo do CSC Controle do VANT. O problema passou a ser Dotar o Item de Configuração de Software de Computador - ICSC PCD de um Protótipo de Projeto de Componente de Software de Computador CSC Controle de Vôo, que possa ser integrado, numa outra fase, a outras CSC's, visando propiciar o controle de consumo de combustível e de aumento de potência, descrito no documento de visão. A seguir podem-se visualizar os principais envolvidos. Nome Descrição Responsabilidades Equipe do CSC Estação de Controle. Professor e Alunos de pósgraduação da matéria CE- 235: Sistemas Embarcados de Tempo Real do ITA Define os objetivos e o escopo do CSC; Elabora as suas especificações preliminares, distribuindo-as pelas Equipes; Participa das pesquisas de soluções tecnológicas para o desenvolvimento de um 7

8 envolvidos com o desenvolvimento do CSC ESTAÇÃO DE CONTROLE Componente de Software de Computador que mapea as principais necessidades de uma Estação de Controle; e Verifica e valida os Relatórios Periódicos apresentados pelas Equipes; Equipe do CSC Satélie Universitário INPE-ITA. Professor e Alunos de pósgraduação da matéria CE- 235: Sistemas Embarcados de Tempo Real do ITA envolvidos com o desenvolvimento do CSC SATÉLITE UNIVERSITÁRIO INPE- ITA Define os objetivos e o escopo do CSC; Elabora as suas especificações preliminares, distribuindo-as pelas Equipes; Participa das pesquisas de soluções tecnológicas para o desenvolvimento de um Componente de Software de Computador que mapea as principais necessidades de um Satélite Universitário; e Verifica e valida os Relatórios Periódicos apresentados pelas Equipes; Fase de Construção A Fase de Construção (Construction) contemplou ainda a Linha Base Alocada. Realizou-se uma atualização, de forma organizada e coesa, passando por revisões internas, para esta 2ª Iteração da respectiva fase, em grupo, dos 10 principais Artefatos do RUP, para desenvolvimento do CSC Suporte do VANT. A divisão realizada apresenta-se na figura abaixo. Os documentos, neste ponto, focam a 2ª Iteração da Integração de 1º Nível de CSC. Artefatos Caio Débora Glêvson 01) Caso de Desenvolvimento (CD) X 02) Plano de Desenvolvimento de Software (PDS) X 03) Visão (VS) X X X 04) Solicitações dos Principais Envolvidos (SPE) X X X 05) Especificações Suplementares (ES) X 06) Glossário (GLO) X 07) Lista de Riscos (LR) X 08) Plano de Iteração (PI) X 8

9 09) Modelo de Casos de Uso (MCU) X X X 10) Plano de Gerenciamento de Requisitos (PGR) X Nesta 2ª Iteração completou-se, através ferramenta CASE Rational Rose RealTime, o desenvolvimento de uma primeira versão de protótipo do CSC Controle de Vôo, propiciando então a possibilidade de uma integração de 2º nível, ou seja, integração entre CSCs para formar a ICSC PCD A integração pôde ser realizada através de um único arquivo de modelo na ferramenta CASE (figura abaixo). A partir deste ponto, utilizou-se de vários conceitos como, Relay Ports, Agregação de Estrutura, Hierarquia, Criação de Pacotes, entre outros, aprendidos com a realização dos oito Warm-Ups (exercícios de aquecimento) e com a realização dos sete Case Study Labs (laboratórios de estudo de caso) do ambiente Rose RealTime. Apresenta-se abaixo todas as USCs que compõe o CSC Controle, com maior nível de detalhamento. USC Controle de Vôo Compilação de Caso de Uso Vide Diagramas de Caso de Uso V-CTR - Fase de Construção. 9

10 Diagrama de Seqüência Vide Diagramas de Seqüência V-CTR Fase de Construção. Compilação Diagramas de Estado Vide Diagrama de Estado V-CTR Fase de Construção. Compilação Diagramas de Estrutura Vide Diagrama de Estrutura V-CTR Fase de Construção. USC Controle de Combustível Compilação Diagramas de Caso de Uso. Vide Diagrama de Caso de Uso V-COMB Fase de Construção. Diagrama de Seqüência Vide Diagramas de Seqüência V-COMB Fase de Construção. Compilação Diagramas de Estado Vide Diagrama de Estado V-COMB Fase de Construção. Compilação Diagramas de Estrutura Vide Diagrama de Estrutura V-COMB Fase de Construção. USC Controle de Potência Compilação Diagramas de Caso de Uso. Vide Diagrama de Caso de Uso V-POT Fase de Construção. Diagrama de Seqüência Vide Diagramas de Seqüência V-POT Fase de Construção. Compilação Diagramas de Estado Vide Diagrama de Estado V-POT Fase de Construção. Compilação Diagramas de Estrutura Vide Diagrama de Estrutura V-POT Fase de Construção. 10

11 Utilização do Rational RequisitePro A ferramenta CASE Rational RequisitePro tem por finalidade fazer o gerenciamento de requisitos (funcionais e Suplementares) através, por exemplo, dos documentos de Especificações Suplementares, Visão e Solicitação dos Principais envolvidos. Note para o detalhe de que o RequisitePro gera os relatórios através da ferramenta Microsoft Word,e somente as versões 2000 e XP, a versão do Office 2003 não é suportada nem pelo RequisitePro e SoDA, conforme comprovado pelos testes feitos pelos alunos no decorrer do semestre. Criou-se um projeto e adicionaram-se estes três arquivos na ferramenta. 11

12 Já no ambiente do Rational RequisitePro pode-se observar os três documentos devidamente incluídos na árvore de projeto. Gerou-se código em C++, a partir do modelo criado (Rational Rose RealTime), C++, para esta versão inicial. Maiores detalhes e download do modelo e código completos podem ser obtidos através do site 12

13 Primeiro Nível de Integração CSC V-CTR Nessa fase as USCs: CTR, COMB e POT foram integradas formando o CSC V-CTR, a seguir encontra-se uma contendo o Diagrama de Estrutura da Top Capsule desta CSC, com as comunicações das portas de todas as cápsulas. / CONTROLE : Caps_VCTR / POTENCIA : Caps_VPOT / COMBUSTIVEL : Caps_VCOMB + / Porta_VCTR_SolicitaN_Comb : PortaGenerica + / Porta_VCOMB_Recebe_Ped_N_Comb : PortaGenerica~ + / Porta_VCOMB_Recebe : PortaGenerica~ + / Porta_VPOT_Envia : PortaGenerica + / P ort a_ VCTR_Env ia : PortaGenerica + / Porta_VPOT_Recebe : PortaGenerica~ + / Porta_VCTR_Recebe : PortaGenerica~ A seguir encontra-se uma figura contendo o Diagrama de Seqüência, que demonstra como são feitas as transações de uma cápsula para outra dentro da Top Capsule da CSC V-CTR. Resultados: Após a Integração das USCs os modelos foram testados, injetando valores nas cápsulas de forma a simular a alteração da altura no VANT. Gerando os seguintes resultados: 13

14 Segundo Nível de Integração ICSC VANT Neste Segundo Nível todas as CSCs que compunham o ICSC VANT foram integradas conforme mostra a figura a seguir. Todos os CSCs podem se comunicar, entre si, através do Barramento de Dados. 14

15 CSC V-CTR Diagrama de Estrutura do 2º Nível de Integração Esse diagrama contém todos os CSCs representados por cápsulas agregadas. Todas as cápsulas estão ligadas no Barramento de Dados através de um mesmo protocolo de entrada e um de saída. 15

16 Fase de Transição A Fase de Transição (Transition) contemplou a Linha Base de Produto. Realizou-se uma atualização, de forma organizada e coesa, passando por revisões internas, para esta integração de 2º Nível, ICSC, dos 10 principais Artefatos do RUP, para desenvolvimento do ICSC PCD. A divisão realizada apresenta-se na figura abaixo. Os documentos, neste ponto, focam a Integração de 2º Nível de CSC. Artefatos nome 01) Caso de Desenvolvimento (CD) Aldo Martinazzo 02) Plano de Desenvolvimento de Software (PDS) Glêvson Franco 03) Visão (VS) Aldo Martinazzo 04) Solicitações dos Principais Envolvidos (SPE) Rachid 05) Especificações Suplementares (ES) Camila Ushiwata 06) Glossário (GLO) Camila Ushiwata 07) Lista de Riscos (LR) Rafael Takeda 08) Plano de Iteração (PI) Rafael Takeda 09) Modelo de Casos de Uso (MCU) Rachid 10) Plano de Gerenciamento de Requisitos (PGR) Rachid O autor deste relatório atuou dentro do grupo, desempenhado o papel de Gerente de Projeto. Para maiores detalhes consulte o artefato Plano de Desenvolvimento de Software s(vant)_v04.zip. Traçabilidade dos Requisitos 16

17 Terceiro Nível de Integração No terceiro nível de integração as ICSCs VANT, IC e SAME foram integradas formando um Sistema de Software de Computador SSC. 17

18 3. CONCLUSÃO Com a realização das fazes do RUP partindo do nível individualizado e logo depois para o nível integrado pôde-se perceber que essa técnica tornou-se um ferramental indispensável na elaboração de componentes de softwares mais complexos. Assessorado pelo ferramental de controle de versão e pelos tutorias sobre estas ferramentas é capaz de se produzir um software mesmo possuindo relativa á alta abstração do sistema que esta implementando partindo-se da traçabilidade de requisitos, uma vez que essa técnica inicia o desenvolvimento a parti da documentação (artefatos) já elaborados. Partindo-se da máxima de que os requisitos do sistema a ser desenvolvido já foram traçados facilitase tanto manter o escopo do projeto, quanto disponibilizar documentação em tempo recorde. Recomendações Implementar em outra ocasião os requisitos que foram excluídos devido à necessidade da redução de escopo, que estão disponibilizados nas versões dos artefatos; Nos requisitos de controle de vôo estabelecer e executar requisitos mais aprimorados relacionados ao controle (algoritmos de vôo); e Após executadas as recomendações anteriores, usar os conceitos de tempo real (prioridades, preempções) e embarcar em qualquer base de processamento utilizada on-board em aeronaves. Referências Bibliográficas Notas de aula 2º Semestre/06 CE-230 e CE-235 Prof. Dr. Adilson Marques da Cunha Site IBM-Rational Rational Test RealTimeUser Guide 18

19 4. ANEXO Contextualização Considerando a atual conjuntura mundial e a possibilidade, embora remota, de participação do Brasil em conflitos de fronteira, utilizando Veículos Aéreos Não Tripulados - VANTs, mobiliados com Sistemas de Software Embarcados e de Tempo Real, de concepção nacional, os alunos integrantes das Turmas de Graduação e de Pós-Graduação em Engenharia Eletrônica e Computação de 2006 do ITA foram convidados pelo Ministério da Defesa do Brasil a colocar em prática os conhecimentos recebidos nas Disciplinas CES-63 e CE-235 Sistemas Embarcados e de Tempo Real, e CES-32 e CE-230 Qualidade, Confiabilidade e Segurança de Software, realizadas durante este 2o Semestre de Tendo em vista o exposto acima, os alunos das Disciplinas CES-63 e CE-235 deverão, para fins de prova de conceito, e dentro do espírito inovador da Engenharia de Concepção, que caracteriza a Instituição ITA, realizar o 3o Nível de Integração entre Itens de Configuração de Software de Computador ICSCs dos Pontos de Coletas de Dados PCDs e das Estações de Monitoramento e Controle EMCs. Para efeito deste Projeto, os PCDs são considerados de dois tipos: Dinâmicos e Estáticos. Os PCDs Dinâmicos são representados pelos Veículos Aéreos Não Tripulados - VANTs e pelos Satélites Artificiais SATs, enquanto que os PCDs Estáticos representam aqueles localizados na Superfície Terrestre. Para efeito deste Projeto, as EMCs, de forma análoga, também são consideradas de dois tipos: Dinâmicas e Estáticas. As EMCs Dinâmicas são representadas pelas estações que propiciam o monitoramento e o controle dos Veículos Aéreos Não Tripulados - VANTs e dos Satélites Artificiais SATs, enquanto que as EMCs Estáticas representam a Sala de Situação Central e as Salas de Situação Regionais que monitoram os PCDs Estáticos localizados em superfícies terrestres ou aquáticas. Os alunos das Disciplinas CES-32 e CE-230 deverão, para fins de prova de conceito e também dentro do espírito inovador da Engenharia de Concepção, que caracteriza a Instituição ITA, medir os Itens de Configuração de Software de Computador CSC produzidos quanto à Qualidade, Confiabilidade e Segurança (Safety). 19

20 Para que isso seja possível, deverá ser implementada em Software, de forma virtual, e a partir dos resultados obtidos até a realização das Listas de Exercício 3 e 4 e / ou da Prova do 2º Bimestre de 2006 das respectivas Disciplinas envolvidas, uma Missão Atribuída num Cenário Fictício de Jogos Ecológicos ou Jogos de Guerra. A descrição das principais características dos Pontos de Coletas de Dados PCDs (VANTs, SATs e outros PCDs) e das Estações de Monitoramento e Controle EMCs para realização da Missão Atribuída encontramse a seguir, em Descrições Complementares. Quanto aos demais dados e informações necessários ao cumprimento do Exercício de Jogos Ecológicos ou Jogos de Guerra deverão ser assumidos pelos Grupos de CSCs integrantes do desenvolvimento do Software Embarcado e de Tempo Real para o Protótipo do Projeto VANT-EC-SAME (SSC) Missão Atribuída 1) Os CSCs dos Satélites SATs, integrantes do ICSC dos Pontos de Coleta de Dados - PCDs deverão assumir que propiciaram uma fotografia em coordenadas conhecidas, contendo dados de latitude, longitude, altitude e tempo, com pelo menos 03 (três) tipos de objetos, com baixa resolução, numa Área de Interesse para a Defesa da Ecologia e / ou do Território Nacional, onde estaria havendo suspeitas de Atividades Ilícitas; 2) Os CSCs dos Satélites SATs, integrantes do ICSC PCDs deverão propiciar também a transmissão de um conjunto de dados mínimos necessários e suficientes para o ICSC das Estações de Monitoramento e Controle EMCs; 3) O ICSC das EMCs deverão propiciar a retransmissão dos dados mínimos necessários e suficientes recebidos do ICSC dos PCDs e designar uma 1ª MISSÃO ATRIBUÍDA DE RECONHECIMENTO, a ser cumprida pelos CSCs de PCDs Veículos Aéreos Não Tripulados VANTs realizando uma Missão de Reconhecimento Aéreo Não Tripulado; 4) Os CSCs de um 1º VANT de RECONHECIMENTO deverão propiciar a transmissão de seus dados mínimos necessários e suficientes para o CSCs dos SATs ou das EMCs (que estiverem dentro do seu alcance), confirmando, em alta resolução a existência de Atividades Ilícitas de queimadas, invasões ou contravenções, numa Área de Interesse pré-selecionada, viabilizando a transmissão de seus dados mínimos necessários e suficientes para o ICSC das EMCs; 20

21 5) O ICSC das EMCs deverá propiciar a retransmissão dos dados mínimos necessários e suficientes recebidos dos CSCs do PCD (1º VANT de RECONHECIMENTO) ao qual foi atribuída a 1ª Missão de Reconhecimento Aéreo Não Tripulado e designar uma 2ª MISSÃO ATRIBUÍDA DE COMBATE A QUEIMADA, ATAQUE, POLICIAMENTO, ou outro monitoramento ou controle de um EVENTO ECOLÓGICO QUALQUER, a ser cumprida pelo ICSC de um 2º Veículo Aéreo Não Tripulado VANT; 6) O ICSC dos PCDs, por ocasião do acionamento do 2º VANT, deverá propiciar a transmissão de seus dados mínimos necessários e suficientes sobre o EVENTO ECOLÓGICO QUALQUER, para o ICSC das EMCs; 7) Dentro dessa seqüência de fatos, o ICSC do PCD SAT deverá propiciar a transmissão de uma fotografia (fictícia ou real) das coordenadas conhecidas, contendo pelo menos dados de latitude, longitude, altitude e 03 (três) tipos de objetos, com baixa resolução, da Área de Interesse, confirmando a situação após a 2ª MISSÃO ATRIBUÍDA de monitoramento ou controle de um EVENTO ECOLÓGICO QUALQUER, para o ICSC das EMCs; 8) O ICSC das EMCs deverá propiciar a retransmissão dos dados mínimos necessários e suficientes recebidos do ICSC do 2º VANT e designar uma 3ª MISSÃO ATRIBUÍDA DE RECONHECIMENTO, a ser cumprida pelo ICSC de um PCD (3º Veículo Aéreo Não Tripulado VANT de RECONHECIMENTO); e 9) O ICSC do PCD (3º VANT de RECONHECIMENTO) deverá propiciar a transmissão de seus dados mínimos necessários e suficientes sobre o RECONHECIMENTO após o monitoramento ou controle de um EVENTO ECOLÓGICO QUALQUER para o ICSC das EMCs Descrições Complementares Cálculo da Órbita do Satélite Para Cálculo da Órbita do Satélite do Projeto VANT-EC-SAME (Prof. Vieira Dias) Os Satélites Artificiais da Terra podem apresentar os seguintes tipos de órbitas: 1) Geoestacionária Neste tipo de órbita, geralmente circular, acima do Equador terrestre, situada a aproximadamente 36 mil quilômetros de altitude, h, o satélite fica fixo acima de um ponto da superfície 21

22 terrestre. O período da órbita é igual ao dia sideral (86154 segundos). Ela é utilizada para satélites de telecomunicações e de meteorologia. Exige foguetes de grande porte (muita energia) para o lançamento dos satélites e mecanismos de correção de atitude a posição (atitude) do satélite em relação a um referencial fixo à superfície terrestre (não confundir com altitude) e de órbita, geralmente pequenos foguetes monopropelentes que usam hidrazina como combustível e um catalizador que decompõe a hidrazina em gases, que se expandem rapidamente, quando a mesma passa por uma tubeira onde o catalizador está localizado. 2) Polar (ou Quasi-polar) Neste tipo de órbita, que pode ser circular ou elíptica, o satélite é lançado na direção aproximada de um dos pólos geográficos da terra, de 150 a 2000 km de altitude, por exemplo. O plano da órbita fica fixo em relação a um referencial com centro no Sol. Por isso, devido à rotação da Terra, a cada 24 horas (86400 segundos), ou para ser mais exato a cada dia sideral ou segundos, devido ao movimento de translação da Terra em redor do Sol pode-se em princípio observar toda a Terra. Se houver uma pequena variação na inclinação da órbita em relação ao Equador (que para órbitas puramente polares são de 90 graus), pode-se introduzir adiantamentos (devidos à precessão da órbita causada pela forma oblata da Terra) de forma que o plano da órbita gire lentamente e fique sempre apontando para o Sol. Este tipo de órbita é chamado de Sincronizada com o Sol (Sun-synchronous em inglês). Com isso, o satélite pode passar sempre no mesmo horário local em cima de um alvo em certo período, tipicamente de 5 a 27 dias, dependendo da altitude do satélite. Esta órbita é utilizada em satélites de Observação da Terra (sensoriamento remoto). Um exemplo é a série de satélites Landsat, que têm ângulo de inclinação de 98 graus em relação ao Equador, altitude de 800 km (valores aproximados) e passam sempre em volta de 10:30 horas da manhã acima de cada ponto da superfície da Terra a cada 16 dias (aproximadamente). Requerem menor energia que a necessária para o lançamento em órbitas geoestacionárias. 3) Inclinada É uma órbita com inclinação entre 0 (equatorial) e 90 (polar). Tem uma grande variedade de aplicações. Em geral os satélites nessas órbitas são de pesquisa científica ou de observação militar, estes de órbita baixa (menos de 200 km). A cobertura do nadir de imagens de um satélite neste tipo de órbita vai de mais X graus a menos X graus, onde X é a inclinação da órbita. Note-se que, a inclinação mínima é a latitude da base de lançamentos, se não houver correção em órbita. A energia necessária para o lançamento de satélites nessas órbitas é intermediária entre a necessária para os polares e os equatoriais (ver abaixo), estes os que necessitam menor energia, pois aproveitam a velocidade de rotação da Terra. 22

23 4) Equatorial São órbitas localizadas acima do Equador (com inclinação próxima de zero graus). O satélite passa no mesmo local a cada período. O SAT do Projeto VANT-EC-SAT deverá possuir uma órbita circular, equatorial, e com período de 5945 segundos de duração (equivalente a 99 minutos ou 1 hora e 39 minutos). Pela segunda lei de Keppler (ver abaixo), dado o período, a altitude (em relação à superfície da Terra) fica automaticamente amarrada ao período e vice-versa. Como a vigilância pretendida é a da Região Amazônica (nas cercanias do Equador) este tipo de órbita é recomendado. Neste caso, escolhendo-se uma altitude certa e um ângulo de abertura do imageador WFI (Wide Field Imager), de concepção e construção brasileiras, de 60 graus, pode-se observar a cada 1 hora e 39 minutos (5940 segundos) uma região localizada em latitudes de mais ou menos 30 graus. O tempo que o satélite fica visível da Terra é o tempo em que a antena da estação terrena observa o satélite e depende do ângulo de visada desta mencionada antena, que neste caso será considerado de 40 graus. No caso do SAT, a órbita inteira possui 360 graus, portanto, uma regra de três simples indica o tempo de visibilidade do satélite: Torb = graus Tvis = x graus Então Tvis = 40*99/360 = 11 minutos. O satélite fica visível por 11 minutos, ou seja, cinco minutos e meio antes de passar pelo zênite (ponto da órbita perpendicular à superfície da Terra no ponto de observação) e cinco minutos e meio depois de passar pelo zênite. Como deve ser o Cálculo da Órbita do SAT? Premissas a considerar: - Uma órbita equatorial, com inclinação de 0 (plano da órbita no equador); - A Terra como uma esfera perfeita; - A inexistência de influências gravitacionais de outros astros; - A Altitude = 700 minutos; e - O Período = a determinar. Considerando-se a Força gravitacional igual à força centrípeta: Fg = Fc Onde: G = constante gravitacional = 6,67 x N m2 / kg2; M = massa da Terra = 6,00 x 1024 kg; 23

24 m = massa do satélite (negligível); M >> m; R = distância do centro de massa da Terra ao centro do sistema (SAT-Terra); R. raio da terra = 6,4 x 106 m; r = distância do centro de massa do satélite ao centro do sistema (SAT-Terra); r >> R; r. distância do satélite ao centro da Terra = R + altitude = R + h; T = período da órbita; ù = velocidade angular do satélite em órbita = 2ð / T; Câmera WFI Wide Field Imager); Projetada e construída no Brasil para o CBERS; CBERS = China Brazil Earth Resources Satellite; Campo de visada da WFI = 60 graus; Resolução espacial = 260 m; e Em órbita equatorial observa alvos entre + 30 e Tem-se que: GMm / (R + r)2 = mù2r GM / (R + r)2 = ù2r; sendo R << r GM = ù2 r3 ù = 2ð / T GM = 4ð2 r3 / T2 T2 = 4ð2 r3 / (GM) T = (4ð2 r3 / (GM))1/2 T = (4 * 9,88 * (6,4 x ,7 x 106)3 / (66,7 x * 6 x 1024))1/2 T = 5,945 x 103 segundos. 99 minutos Ou r3 = T2 GM / (4ð2) r = (T2 GM / (4ð2)). 24

25 Portanto, para um período T de 99 minutos, ou 5945 segundos, tem-se que: r = ((5,94 x 103 )2*( 6,67 x )*(6 x 1024) / (4 * 9,88)). r km = km = 7,1 x 106 m Onde r, é aproximadamente a distância do satélite ao centro da Terra. A altitude (em relação à superfície da Terra) da órbita, h, é, portanto: h = r R = 700 km. Estes dados, próximos a valores reais, devem ser considerados como requisitos no planejamento da Missão do VANT-EC-SAT, para a simulação de uma detecção de invasão do território nacional, e subseqüente reação para sua defesa, utilizando-se da tecnologia desenvolvida nas disciplinas do ITA, no segundo semestre de 2005, CE-235, CES-63, CE-230 e CES Características do VANT Das Características do Veículo Aéreo Não Tripulado VANT Envolvido (pelo Denis) o material abaixo foi obtido na Internet, no seguinte endereço Unmanned Aircraft Systems Roadmap O modelo de VANT Assumido foi o RQ-4 Global Hawk. Este modelo consiste de um VANT recuperável, que pode ser lançado e controlado por uma Estação de Controle, em terra. (Launch and Recovery Element - LRE and Mission Control Element - MCE). 25

26 Os tipos de sensores existentes neste modelo são: EO / IR e Synthetic Aperture Radar SAR, utilizados para propiciar a captura das imagens da(s) área(s) de interesse, com a devida precisão mínima, necessária e suficiente. A possibilidade de propiciar, como alternativa de comunicação assíncrona e segura, um enlace com o ICSC Satélite SAT, para o caso de perda de comunicação com o ICSC Estação de Controle EC, encontra-se exemplificada na figura abaixo. 26

27 Para cumprir a Missão Atribuída para Exame Final, o VANT deverá ser capaz de propiciar: - Comunicações assíncronas e seguras com o ICSC Estação de Controle EC, visando receber as devidas missões a cumprir; - Armazenamento e recuperação das imagens de área(s) de interesse; - Autonomia para ida e volta para os respectivos locais de interesse, sem a necessidade de abastecimento em vôo; - Operação eficaz sob qualquer condição de visibilidade da(s) área(s) de interesse; e - Conformidade com as demais características abaixo. 27

28 Características das EMCs Das Características das Estações de Monitoramento e Controle EMCs envolvidas no Projeto do VANT-EC- SAME, as Estações de Monitoramento e Controle EMCs deverão propiciar o Planejamento da Missão, de forma simulada, representando um Centro Tático de Comando e Controle de Missões, e não simplesmente um retransmissor de dados. A apresentação de uma Interface para análise de mapas e fotos será considerada apenas de forma simulada. Sendo assim, as Estações de Monitoramento e Controle EMCs deverão prover a missão e não o Satélite SAT, devendo-se utilizar, para fins deste exercício sempre a heurística dos cinco mais ou menos 2. Partindo-se do princípio de que as EMCs representam um Centro Tático de Comando e Controle de Missões, e poderia ainda ser considerada, alternativamente, a seguinte missão: 1 - O Satélite tira uma foto de uma região, através de uma requisição proveniente das EMCs ou de um imageamento de rotina; 2 - O Satélite envia a foto para as EMCs; 3 - Equipes dos Ministérios do Meio Ambiente ou da Defesa responsáveis pelo controle da Ecologia ou das Fronteiras brasileiras, por análise da imagem, poderiam suspeitar da ocorrência de alguma operação ilícita numa determinada região; 4 - A equipe inicia o planejamento da missão que será atribuída ao VANT; 28

29 5 - Ao invés das coordenadas e da região sob suspeita serem definidas pelo Satélite, uma Equipe de terra, operando as EMCs, é que definirá a rota a ser cumprida pelo VANT, pelas áreas suspeitas que devem ser fotografadas; 6 - As Equipes das EMCs enviam a missão para o VANT; 7 - O VANT envia o status de partida para as EMCs; 8 - As EMCs verificam as condições de seguranças para a missão do VANT; 9 - Caso as condições de segurança aprovadas, as EMCs comandam a decolagem do VANT O VANT envia, periodicamente, sinais de status para as EMCs, como nível de combustível, posição, consumo de combustível, sinais de alerta; 11 - O VANT tira a foto dos locais suspeitos e envia para as EMCs; 12 - O VANT retorna da missão e pousa; 13 - As Equipes de Comando e Controle das EMCs verificam e analisam a existência de infrações (por exemplo, acampamento de tropas preparando-se para uma tentativa de queimada ou de invasão da fronteira brasileira); 14 - A Equipe de Controle de Fronteiras do Ministério da Defesa, inicia o planejamento de uma nova Missão de Policiamento ou Ataque aos infratores; 15 - Através da interposição da foto do VANT sobre a foto do satélite, ambas georreferenciadas, as Equipes das EMCs definem, com precisão, as coordenadas dos pontos de policiamento ou repressão; 16 - As EMCs enviam ao VANT uma Missão correspondente, contendo rota e coordenadas; 17 - O VANT envia o status de partida para as EMCs; 18 - As EMCs verificam as condições de seguranças para a missão do VANT; 19 - Caso as condições de segurança estejam OK, as EMCs comandam decolagem do VANT; 20 - O VANT envia periodicamente sinais de status para as EMCs (nível e consumo de combustível, posicionamento, sinais de alerta); 21 - O VANT realiza a Missão correspondente nos pontos pré-determinados; e 22 - O VANT retorna da missão e pousa. 23 A MISSÃO é considerada como FINALIZADA. 29

30 O principal ponto deste exemplo é a utilização das EMCs como uma Estação de Planejamento, Comando e Controle de Missões, deixando para o Satélite SAT somente a tarefa de fornecer imagens, pois o Satélite não possui ainda inteligência suficiente para determinar se existe ou não suspeita de atividade ilegais em uma imagem. 30