Implementação de uma Rede de Estações de Referência GPS para Posicionamento em Tempo Real

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1 Universidade de Lisboa Faculdade de Ciências Departamento de Matemática Implementação de uma Rede de Estações de Referência GPS para Posicionamento em Tempo Real ANTÓNIO JAIME GAGO AFONSO Mestrado em Engenharia Geográfica e Geoinformática (Geodesia) 2006

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3 Universidade de Lisboa Faculdade de Ciências Departamento de Matemática Implementação de uma Rede de Estações de Referência GPS para Posicionamento em Tempo Real ANTÓNIO JAIME GAGO AFONSO Orientado por: Prof. Doutor Virgílio B. Mendes Mestrado em Engenharia Geográfica e Geoinformática (Geodesia) 2006

4 Resumo O método de posicionamento em modo de Base RTK (Real Time Kinematic), constitui a forma tradicional de adquirir informação geo-referenciada, necessária aos diversos processos de produção de Cartografia, assim como em determinados trabalhos de Topografia. No entanto, há um conjunto de limitações que dificultam a sua aplicação. Esta dissertação tem como tema principal a implementação de uma rede de estações de referência GPS (Global Positioning System) para posicionamento em tempo real, de modo a fornecer em tempo real correcções diferenciais, que permitem a qualquer utilizador a obtenção das coordenadas precisas de um ponto no terreno, aumentando a sua produtividade e diminuindo os custos dos trabalhos de campo. É feita uma análise dos conceitos base-rtk e rede-rtk e das metodologias utilizadas na geração de correcções diferenciais, quer através da Estação de Referência Virtual (VRS Virtual Reference Station), Parâmetros de Correcção de Área (FKP Flächen-korrekturparameter) ou do conceito Principal Auxiliar (MAX Master Auxiliary). Descrevem-se algumas das redes de estações de referência existentes na Europa e em Portugal, de modo a reforçar a forma como a rede apresentada nesta dissertação foi concebida e implementada. Além da metodologia adoptada, são referidas as componentes principais da rede em causa, as problemáticas associadas à implementação das estações de referência GPS, da arquitectura da rede e do sistema de coordenadas implementado. É feito um ponto de situação da implementação da rede já efectuada, com indicação do planeamento para os próximos anos. Os dados disponibilizados visam abranger as necessidades de qualquer utilizador, quer em RTK quer em pós-processamento e simultaneamente, utilizar os seus equipamentos GNSS independentemente das marcas existentes no mercado nacional. Apresentam-se um conjunto de ocorrências surgidas durante o funcionamento da rede em causa, assim como os resultados do controlo de qualidade posicional efectuado e dos inquéritos realizados aos utilizadores mais assíduos. Por fim, é feita uma síntese conclusiva com os trabalhos que no futuro poderão ser desenvolvidos. Palavras-chave: GNSS, RTK, Rede de Estações de Referência i

5 Abstract The single base station RTK (Real Team Kinematic) method of positioning represents the traditional mode of acquiring geo-referenced information used in several processes of cartographic production, as well as in certain types of surveying work. However there are some limitations that restrict its use. The main topic of this dissertation is the implementation of a network of GPS (Global Positioning System) reference stations for real time positioning, in order to provide almost real time differential corrections that will allow any user to obtain precise coordinates of a given point, increasing its productivity and decreasing the costs of field work. In this dissertation, the concepts of single base station RTK and network RTK are discussed, the methodologies of generating differential corrections, namely the concepts of Virtual Reference Station (VRS), Area Parameters of Correction (FKP - Flächenkorrekturparameter) and Master - Auxiliary are described. Some networks of reference stations in Europe and in Portugal are described, in order to reinforce how the design of the network presented in this dissertation was conceived and implemented. The main components of the given network, the problems associated with the implementation to the GPS reference stations, the network configuration and architecture, the choice of the reference frame and the services provided to the user are issues discussed in the dissertation. The data made available aims to encompass the needs of any user, whether in RTK or in post-processing and, simultaneously to allow the user to make the most of their GNSS equipment, regardless of the commercial brands existing in the market. A set of occurrences, arisen during the operation of the given network, are presented along with the results of the performed positional quality control and of a survey answered by the most frequent users. Finally some concluding remarks and some indications of future work are made. Keywords: GNSS, RTK, Network Reference Stations ii

6 Agradecimentos Os meus agradecimentos vão para todos os que trabalharam directa ou indirectamente neste projecto da minha dissertação, cuja ideia começou há cerca de 4 anos atrás, não deixando contudo de salientar aqueles me acompanharam desde a primeira hora. Ao Coronel de Artilharia Engenheiro Informático José Rossa, porque foi o único elemento do Estado Maior do IGeoE a acreditar desde o primeiro momento no projecto SERVIR e que sempre se empenhou para que este projecto tivesse sucesso, com um extraordinário interesse e dedicação que todos lhe reconhecem; Ao meu orientador Sr. Professor Doutor Virgílio Mendes pela incansável colaboração, permanente disponibilidade e orientação científica que muito me ajudaram, quer na elaboração da dissertação, quer no apoio ao projecto SERVIR; Ao Sr. Professor Doutor João Catalão Fernandes pelo incentivo e apoio para que fizesse o mestrado, incentivo esse, sem o qual não estaria a apresentar este trabalho; Ao Sr. Engenheiro Carvalho Viera pela Qualidade dos seus conselhos, incentivo e ao Gabinete de Qualidade e Ambiente pelo permanente apoio nas horas mais difíceis das certificações do IGeoE, durante as quais decorria a parte curricular; Ao Departamento de Aquisição de Dados, nomeadamente os Chefes de Secção e seus Adjuntos que em conjunto facilitaram o meu trabalho e me permitiram orientar os esforços durante a realização deste mestrado; No entanto, o maior sacrifício foi para a minha Família... privando-os de horas e dias de convívio e alegria, sobrecarregando-os com tarefas que deixei de fazer, mesmo nas horas mais difíceis. Infelizmente meu pai partiu... mas sem o Seu apoio e o da Família não teria chegado ao fim. Terminado este objectivo pretendo recompensar o Henrique e a Inês pela compreensão e apoio que me deram, procurando redimir a minha ausência devido ao trabalho prolongado e para que nunca mais me perguntem: Pai... vens cedo?. O agradecimento especial vai para a minha mulher Lina... que nunca regateou esforços e se desdobrou em tarefas para que eu pudesse ter o tempo todo para me dedicar a este projecto. iii

7 1.1. Sistema 1.2. Motivação 1.3. Contribuição 1.4. Estrutura 2.1. Arquitectura 2.2. Correcções 2.3. Redes 2.4. Redes 3.1. Introdução Planeamento 3.3. Arquitectura 3.4. Instalação 3.5. Serviços 3.6. Vantagens 3.7. Referencial 3.8. Treino 4.1. Fiabilidade 4.2. Repetibilidade 4.3. Controlo 4.4. Satisfação 2 1 Estação 2 2 Parâmetros 2 3 Conceito 3 1 Espanha Dinamarca Suiça 4 1 ReNEP 4 2 Rede Implementação de uma Rede de Estações de Referência GNSS para Posicionamento em Tempo Real Índice Introdução...1 de Posicionamento Global da dissertação...8 da dissertação...9 Redes RTK...10 de uma rede-rtk...10 RTK...12 de referência virtual (VRS)...12 de correcção de área (FKP)...15 principal-auxiliar (MAC)...16 RTK operacionais de estações permanentes em Portugal...28 / GPS...28 Diferencial GPS (DGPS) da Marinha Portuguesa...32 Projecto SERVIR...37 estratégico do projecto SERVIR...40 da rede SERVIR...48 das estações de referência...51 SERVIR...57 e limitações do SERVIR...59 do SERVIR...60 dos colaboradores...66 Controlo de Qualidade do projecto SERVIR das coordenadas...75 de qualidade posicional...77 dos utilizadores...82 Conclusão...85 Referências...88 Anexos...92 iv

8 Lista de Tabelas Tabela 1 - Formatos de mensagens Tabela 2 - Fases do projecto ReNEP...30 Tabela 3 - Características das estações DGPS da Marinha Portuguesa Tabela 4 - Tempos de Transmissão da rede de dados do Exército...44 Tabela 5 - Estações de referência no referencial ITRF2000, época Tabela 6 - Estações de referência no referencial ETRF2000, época Tabela 7 - Estações de referência da ReNEP em ETRS Tabela 8 - Estações SERVIR em ETRF2000 época de observação 2006, Tabela 9 - Estações EUREF em ETRF2000 época de observação 2006, Tabela 10 - Comparação entre EUREF e SERVIR (EUREF - SERVIR) Tabela 11 - Comparação entre IGP e SERVIR (IGP - SERVIR)...65 Tabela 12 - Fiabilidade da rede SERVIR...72 Tabela 13 - Vértices geodésicos e a distância à base de referência...79 Tabela 14 - Coordenadas dos vértices geodésicos em ITRF 2000 época 2006, Tabela 15 - Coordenadas obtidas através da rede SERVIR Tabela 16 - Diferença de coordenadas entre a rede SERVIR e os vértices geodésicos...80 v

9 Lista de Figuras Figura 1 - Conceito base-rtk....5 Figura 2 - Rede estações GPS para RTK...7 Figura 3 - Componentes do sistema e fluxo de dados (adaptado de Talbot et al. [2002]) Figura 4 - Esquema da rede [Landau et al., 2002]...14 Figura 5 - Envio das correcções [Landau et al., 2002]...14 Figura 6 - Interpolação/Extrapolação [Landau et al., 2002]...15 Figura 7 - Planos lineares FKP (adaptado de Higuchi et al. [2004])...16 Figura 8 - Parametrização FKP (adaptado de Wübbena et al. [2001])...16 Figura 9 - Geração de correcções MAC [Leica Geosystems, 2006] Figura 10 - Geração de correcções i-mac [Leica Geosystems, 2006]...19 Figura 11 - Rede CATNET [C.Parareda et al., 2006] Figura 12 - Estação CATNET Geodinâmica [C.Parareda et al., 2006]...20 Figura 13 - Estação CATNET não geodinâmica [C.Parareda et al., 2006]...21 Figura 14 - Modelo standard de uma estação CATNET (adaptado de Trimble [2005b])...21 Figura 15 - Canal Comunicações primário (adaptado de Trimble [2005b]) Figura 16 - Exemplo de um local de instalação [Wirring, 2004] Figura 17 - Rede AGNES [Swisstopo, 2006a]...25 Figura 18 - Optimização das estações de referência da rede AGNES [Swisstopo, 2006a]...26 Figura 19 - ReNEP / GPS [IGP, s.d.] Figura 20 - Rede de estações de referência ReNEP [IGP, 2006] Figura 21 - Planeamento das actividades da ReNEP [IGP, 2006] Figura 22 - Actividades da ReNEP [IGP, 2006] Figura 23 - Diagrama cobertura DGPS [Monteiro, 2002]...33 Figura 24 - Estação de Cabo Carvoeiro [Monteiro, 2002] Figura 25 - Estação de Sagres [Monteiro, 2002]...35 Figura 26 - Ponto fotogramétrico Figura 27 - Controlo de qualidade posicional Figura 28 Smartstation...39 Figura 29 - Sistema para Orientação e Avaliação da Exactidão Posicional [Afonso et al., 2004b]...39 Figura 30 - Ciclo de Deming Figura 31 - Fluxograma para implementar o projecto SERVIR...42 Figura 32 - Fase I do projecto SERVIR Figura 33 - Fase II e III do projecto SERVIR...48 Figura 34 - Arquitectura rede SERVIR Figura 35 - Arquitectura da estação de referência GPS SERVIR Fase I...51 Figura 36 - Suporte de antena geodésica GNSS para parede Figura 37 - Suporte de antena geodésica GNSS para placa Figura 38 - Suporte de antena geodésica GNSS para superfície mista Figura 39 - Suporte de antena geodésica GNSS em aço inoxidável e cabos com esticadores. 54 Figura 40 - Bucha química e seus componentes...54 Figura 41 - Relação entre direcções de referência [Alves e Cruz, 1984] Figura 42 - Gráfico da declinação magnética...56 Figura 43 - Bússola de reconhecimento Figura 44 - Rede SERVIR DGPS...58 Figura 45 - Rede SERVIR RTK...58 Figura 46 - Rede SERVIR Loja RINEX Figura 47 - Rede SERVIR permite o treino e formação das suas equipas de topografia...69 vi

10 Figura 48 - Equipamentos de geração menos recente Figura 49 - Latência dos pacotes de observações GNSS no centro de cálculo Figura 50 - Estações IGP e EBRE [Fernandes, 2006]...75 Figura 51 - Estações da rede SERVIR [Fernandes, 2006] Figura 52 - Distribuição espacial dos vértices geodésicos Figura 53 - Área útil de trabalho da rede SERVIR...81 Figura 54 - Resultados dos inquéritos aos utilizadores da rede SERVIR Figura 55 - Planeamento da rede SERVIR...84 vii

11 Lista de símbolos e/ou abreviaturas ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line AdV Arbeitsgemeinschaft der Deutchen Vermessungsverwaltungen (German State Survey Authorities) AGNES Automated GPS Network Switzerland ARP Antenna Reference Point BKG Bundesamt für Kartographie und Geodäsie C/A Coarse Acquisition CATNET CATalunya NETwork CMR Compact Measurement Record CMR+ Compact Measurement Record Plus CORS Continuously Operating Reference Sations 3D Três Dimensões DGPS Differential GPS DoD Department of Defense DST Direcção dos Serviços de Transmissões EGNOS European Geostationary Navigation Overlay Service ETRS89 European Terrestrial Reference Frame 1989 EUA Estados Unidos da América EUREF European Reference Frame FKP Flächenkorrekturparameter FTP File Transfer Protocol GLONASS GLObal naya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema GGA Registo NMEA GPS Fix Data GGK Registo NMEA Time, Position, Position Type, and DOP GPRS General Packet Radio Service GPS Global Positioning System GSM Global System for Mobile communications http Hypertext Transfer Protocol ICC Instituto Cartográfico da Catalunha IGeoE Instituto Geográfico do Exército IGP Instituto Geográfico Português IGS International GNSS Service IH Instituto Hidrográfico i-mac Individualized Master-Auxiliary IP Internet Protocol IPCC Instituto Português de Cartografia e Cadastro IPQ Instituto Português da Qualidade ITRF International Terrestrial Reference Frame MAC Master-Auxiliary Concept NAVSTAR NAVigation System with Timing and Ranging NMEA National Maritime Electonics Association NTRIP Networked Transport of RTCM via Internet Protocol P Precise / Protected PF Ponto Fotogramétrico POC Point Of Contact PRN Pseudo Random Noise PVC Polyvinylchloride ReNEP / GPS Rede Nacional de Estações Permanentes / GPS viii

12 RDS RINEX RTC RTCM-SC104 RTK RTms SAPOS SBS SGSis SICOM SPGIC TCP UPS UTC VG VRS VSAT WWW Radio Data System Receiver International Exchange Format Rede Telefónica Comutada The Radio Technical Commission for Maritime Services Special Committee No. 104 Real Time Kinematic Regimento de Transmissões SAtellite POsitioning Service Single Base Station Secção de Gestão do Sistema Sistema Integrado de COmunicações Militares Sistema de Posicionamento Geodésico Integrado de Catalunha Transmission Control Protocol Uninterruptible Power Supply Universal Time Coordinated Vértice Geodésico Virtual Reference Station Very Small Aperture Terminal World Wide Web ix

13 1. Introdução As técnicas de Geodesia têm como finalidade determinar matematicamente a forma e dimensões da Terra, de modo a poder representar cartograficamente a superfície terrestre com a maior precisão geométrica e posicional possível. Com o aparecimento da Geodesia Espacial houve um notório desenvolvimento nas metodologias de trabalho, das quais se identificam três vantagens essenciais: a obtenção de coordenadas precisas de pontos de difícil acesso, sem intervisibilidade com pontos conhecidos, como acontecia na Topografia clássica, independentemente das condições atmosféricas, incluindo à noite; a facilidade de utilização e a massificação de equipamentos GPS, quer de posicionamento, quer de navegação, sem necessidade de conhecimentos técnicos em Topografia e Geodesia; a possibilidade de posicionamento em tempo real, sem necessidade de efectuar cálculos topográficos. De notar, no entanto, que isto também pode ser visto como uma limitação, porque se passa a fazer sem se saber o que se está a fazer. Desta forma, corre-se o risco de que os conhecimentos da Topografia clássica se vão perdendo aos poucos. Apesar disso, dada a fiabilidade dos sistemas no cômputo geral, podemos considerar que é uma mais valia na realização dos trabalhos de campo hoje em dia. Sensivelmente a partir dos anos 1970, tanto os Estados Unidos como a Ex-União Soviética desenharam e implementaram os respectivos sistemas globais de navegação por satélite, denominados GPS (Global Positioning System) e GLONASS (GLObal naya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema), respectivamente. Ambos os sistemas foram inicialmente concebidos para uso militar. A partir do ano 2000, e com a entrada prevista em funcionamento de projectos europeus como o EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) e o GALILEO, conjugado com a introdução de novos códigos e nova frequência no GPS, tem-se assistido a uma evolução tão rápida que o próprio IGS International GPS Service alterou a sua designação e passou a ser IGS International GNSS Service, em que GNSS significa Global Navigation Satellite System. Quanto aos principais construtores de equipamentos e 1

14 criadores de software nesta área, têm desenvolvido novos receptores, antenas e software, de modo a integrarem toda a nova panóplia de sinais das redes espaciais Sistema de Posicionamento Global De momento, o GPS é o sistema de posicionamento mais conhecido e é utilizado pelo Instituto Geográfico do Exército (IGeoE) na aquisição de informação geo-referenciada. Também designado pelo acrónimo de NAVSTAR (NAVigation System with Timing And Ranging), foi concebido e desenvolvido pelo Departamento de Defesa (DoD) dos EUA e veio substituir o sistema TRANSIT, também conhecido pela acrónimo NNSS (Navy Navigation Satellite System), iniciado em 1958 e que tinha sido patrocinado pela Marinha dos EUA. O GPS tem como objectivo dar informação de precisão sobre posição, velocidade e tempo, de forma global e contínua, em quaisquer condições atmosféricas. O GPS é composto por 3 segmentos: segmento espacial, segmento de controlo e segmento do utilizador. O segmento espacial é constituído por 24 satélites, distribuídos em 6 planos orbitais, separados entre si 60º em longitude e com inclinações próximas dos 55º em relação ao Equador. Os satélites descrevem órbitas aproximadamente circulares, com semi-eixo maior de cerca de km, ou seja, com uma altitude aproximada de km acima da superfície terrestre. As órbitas têm um período de 11h 58 m UTC (Universal Time Coordinated), o que implica que a mesma constelação de satélites observada num local, apareça no dia a seguir 4 minutos mais cedo. Esta informação é depois introduzida nos satélites, de modo a serem radiodifundidas. O segmento de controlo é constituído por uma estação de controlo principal e 5 estações de monitorização, 3 das quais comunicam com os satélites. As estações monitoras fazem o rastreio dos satélites e enviam os dados obtidos para a estação de controlo principal. A estação de controlo principal faz o processamento dos dados, calcula parâmetros ionosféricos, os erros dos relógios e as órbitas dos satélites, entre outros. O segmento do utilizador é constituído pelos receptores, antenas GPS e software que permitem receber os sinais GPS, descodificando-os e processando-os, para calcular a posição, velocidade e tempo do utilizador. 2

15 Para comunicar com os utilizadores são actualmente emitidas duas ondas portadoras derivadas da frequência fundamental de 10,23 MHz: L1, de frequência 1575,42 MHz, e L2, de frequência 1227,60 MHz [Mendes, 2005]. O sinal GPS é constituído por ondas portadoras, códigos PRN e mensagens de navegação, que são modulados nessas portadoras. A comunidade científica foi desenvolvendo metodologias, quer ao nível da observação, quer ao nível do processamento, no âmbito das aplicações à Geodesia e à Geodinâmica, que tornaram possível alcançar uma exactidão e precisão posicionais ao nível milimétrico. Entre esses desenvolvimentos estão a medição da fase da onda portadora e o seu uso como observável, o uso de órbitas pós-processadas (geralmente conhecidas como órbitas de precisão), a combinação de observáveis, por forma a eliminar erros que estas individualmente contêm, o uso de métodos diferenciados em pós-processamento e a correcta modelação e estimação dos erros causados pela atmosfera. Grande parte desses desenvolvimentos foram sendo incorporadas, quer nos receptores e antenas GPS comerciais, quer nas aplicações comerciais. Deste modo, é hoje possível, com estes aparelhos e aplicações, obter num referencial global, uma exactidão posicional na ordem de alguns centímetros, se forem usados métodos de operação e processamento adequados. Quando realizadas medições de fase, o GPS é usado como uma técnica interferométrica, o que significa que as coordenadas de uma estação são estimadas diferencialmente, isto é, são relativas a uma estação de referência. Isso implica que as coordenadas de pelo menos uma estação devem ser conhecidas, com grande precisão, num dado referencial, de modo a permitir obter coordenadas para outras estações nesse mesmo referencial. Dado que os sistemas de referência têm sete graus de liberdade (três translações, três rotações e um factor de escala) é preferível contudo ter, pelo menos, três estações com coordenadas conhecidas a priori. Usualmente, estas estações são fixadas ou, pelo menos, bastante constrangidas, no processo de ajustamento de observações. Normalmente os métodos de posicionamento de navegação utilizam a onda portadora L1 e, portanto, o código. Os métodos de posicionamento para Topografia e Geodesia utilizam a onda portadora L1 e a L2, devido ao aumento da precisão requerida. Em qualquer dos casos, o modo absoluto ou do ponto isolado, significa apenas que um receptor recebe sinais GNSS, o qual através dos algoritmos que tem incorporados, fornece as coordenadas do ponto desejado. 3

16 O modo diferencial implica a utilização de pelo menos 2 receptores, um colocado num ponto de coordenadas conhecido e outro móvel. As diversas técnicas de posicionamento em tempo real 1 também utilizam um receptor a funcionar como referência num ponto de coordenadas conhecido (receptor base) e outro que se vai deslocando de ponto para ponto (receptor móvel ou rover), mas também de uma ligação adequada (rádio ou telemóvel) para transmitir correcções da base para o móvel. Consoante estas correcções são aplicadas às pseudo-distâncias ou à fase, as técnicas denominam-se GPS Diferencial (DGPS Differential GPS) e Cinemático em Tempo Real (RTK Real-Time Kinematic), respectivamente. A técnica DGPS proporciona exactidões de cerca de 1 m, enquanto que a técnica RTK conduz a um aumento substancial da exactidão posicional, para valores da ordem de 1 cm a 2 cm Motivação A metodologia associada ao RTK baseia-se no princípio de que os erros que afectam o cálculo da posição absoluta no GPS são aproximadamente iguais numa determinada área geográfica em que se esteja a trabalhar. Esses erros resultam dos efeitos da ionosfera, troposfera, órbitas dos satélites GPS, osciladores dos satélites e dos receptores e multitrajecto, entre outros. Sob estas condições, em Portugal Continental, as coordenadas obtidas pelos receptores GPS em modo absoluto, variam entre 1 m e 10 m, consoante a geometria dos satélites disponíveis no momento da aquisição dos dados. Para podermos trabalhar com precisão centimétrica ou superior, existem duas hipóteses: ou se efectua o pós-processamento das observações GPS utilizando software próprio e, de preferência, órbitas precisas dos satélites (disponíveis sensivelmente após 15 dias do registo das observações), o que para a grande maioria dos utilizadores é muito tempo e implica conhecimentos acrescidos ou se utiliza a técnica de posicionamento RTK. 1 No decorrer da dissertação, de forma abusiva, será utilizado o termo real, em vez de quase-real. A denominação correcta seria quase-real, devido ao facto de se registarem fracções de segundos até ao cálculo da posição, que correspondem ao tempo de cálculo das correcções diferenciais efectuadas pelo receptor base ou por um centro de cálculo de uma rede de estações de referência GNSS, o envio dessas correcções diferenciais pelos meios de comunicação envolvidos até ao receptor móvel e o tempo de cálculo da posição. 4

17 Desta forma, se colocarmos um receptor GPS, que designaremos por Estação de Referência (ER), num ponto de coordenadas conhecidas (por exemplo, um vértice geodésico VG), podemos comparar as coordenadas calculadas com base nas observações GPS com as coordenadas conhecidas desse ponto (que devem ser o mais rigorosas possíveis). Obtém-se, assim, as correcções diferenciais, que são posteriormente radiodifundidas para outro receptor GPS (que designaremos por receptor móvel (RM) ou simplesmente móvel), para correcção das coordenadas calculadas por este (Figura 1). Figura 1 - Conceito base-rtk. Este método, que designaremos por base-rtk (também conhecido na literatura por estação base simples, da denominação em inglês Single Base Station (SBS)), tem a restrição da distância inter-receptores, que deverá ser inferior a 10 km [Rizos, 2003]. No entanto, há outras limitações, das quais se salientam o facto de serem necessários pelo menos dois equipamentos GPS, que são utilizados por duas equipas de campo (uma para manusear a ER e a outra para manusear o RM), e o raio de acção rondar apenas os 5 a 10 km (para coordenadas centimétricas), aumentado a degradação à medida que aumenta a distância ER - RM. Para além da necessidade da obtenção de autorização para operar com determinadas frequências rádio, surge, por vezes, outra limitação, que é o efeito de interferência de outras estações de referência com o equipamento que estamos a operar. Sabendo que a principal limitação da metodologia base-rtk é a distância ER-EM, a metodologia rede-rtk utiliza uma rede de estações de referência GNSS, com coordenadas conhecidas com precisão. As redes RTK constituem a última inovação em posicionamento de precisão por GPS [Talbot et al., 2002]. Da análise de cada estação resulta um conjunto de resíduos que, no seu conjunto, permitirão modelar os erros sistemáticos numa dada região. Assim, as correcções diferenciais 5

18 para os receptores a operarem nessa área terão uma influência reduzida desses mesmos erros, ao mesmo tempo que se aumenta a área de actuação de um receptor móvel e se reduzem os tempos de inicialização desses mesmos receptores. O objectivo principal desta dissertação é a descrição dos antecedentes que levaram ao desenho de uma rede de estações de referência RTK, da sua implementação e, finalmente, da análise de testes efectuados à referida rede. A ideia do projecto SERVIR (Sistema de Estações de Referência GPS VIRtuais), surgiu devido ao esforço, quer em meios humanos, materiais e logísticos, quer nas dificuldades encontradas na realização do apoio topográfico e respectivo tempo consumido, por parte das equipas topográficas do Instituto Geográfico do Exército (IGeoE) com a tradicional metodologia RTK [Afonso et al., 2004a]. Este projecto, liderado pelo Instituto Geográfico do Exército, visa implementar, em três fases distintas, uma rede de estações de referência GNSS cobrindo a maior parte possível de Portugal Continental, de forma a obter correcções diferencias para RTK nessas áreas abrangidas. O objectivo é aumentar a produtividade de aquisição de informação georeferenciada visando actualizar a Cartografia Militar de forma mais rápida e precisa. No entanto, o estudo desta dissertação abrange apenas a primeira fase do referido projecto (Figura 2), não só por questões temporais, uma vez que o projecto no seu todo se estende até 2011, mas principalmente porque visa realizar todos os estudos e implementar a metodologia a ser utilizada nas fases subsequentes. A outra motivação é a de poder estudar toda a problemática envolvida na implementação destes sistemas, que pode constituir uma base de partida para outras entidades que pretendam implementar sistemas deste género, dirimindo assim algumas das dificuldades sentidas desde o início. Uma rede RTK deste tipo irá contribuir para o aumento da produtividade não só do IGeoE, mas também a nível Nacional, nomeadamente na celeridade da realização dos apoios topográficos. Por último, e não menos importante, contribuir para o desenvolvimento tecnológico do País, ao implementar a primeira rede de estações de referência GNSS para RTK em Portugal, tirando partido das mais valias que o Instituto Geográfico do Exército, em particular, e o Exército, em geral, dispõem. 6

19 Figura 2 - Rede estações GPS para RTK. A implementação de uma rede RTK em Portugal constitui um percurso semelhante ao adoptado noutros países, a nível mundial, que têm vindo a implementar redes de estações de referência GPS para RTK [Trimble, 2006; Geo++, 2006]. De particular importância são as redes de Espanha, uma vez que podem ser integradas com as redes RTK em Portugal e contribuir, desta forma, uma política de informação geográfica comum. Várias regiões de Espanha, tais como a Catalunha, o País Basco, a Comunidade de Valência, ou a de Andaluzia manifestaram interesse em instalar redes GPS para RTK. No entanto, o pioneiro em promover e instalar redes com estas características foi a Catalunha, com a rede CATNET (CATalunya NETwork), a qual está operacional desde Janeiro de A Dinamarca foi um dos primeiros países europeus a implementar uma rede deste género. Os comprimentos entre estações desta rede RTK são da ordem dos 70 km - 75 km. A Suíça, outro dos países europeus cuja rede de estações de referência tem uma dimensão idêntica (em número de estações) à que se pretende instalar em Portugal, através da rede AGNES [Swisstopo, 2006a] (Automated GPS Network Switzerland), sendo a Swisstopo a entidade responsável [Swisstopo, 2006b]. A arquitectura e os serviços associados a estas redes serão analisados no Capítulo 2. 7

20 1.3. Contribuição da dissertação Esta dissertação visa contribuir com os conhecimentos e requisitos necessários à implementação de uma rede de estações de referência GPS para RTK, na região da Grande Lisboa, que corresponde à primeira fase de um projecto inovador em Portugal. A rede de estações de referência a implementar constitui um sistema com três componentes principais: a localização e implementação das estações de referência GPS no terreno, as comunicações e o centro de controlo. Quanto à contribuição da dissertação para a primeira componente, nesta dissertação são abordados aspectos que abrangem áreas tão díspares como a escolha e características dos locais a colocar as antenas dos receptores GPS, a escolha dos equipamentos GPS, o cálculo das coordenadas a atribuir às estações de referência e o controlo de qualidade posicional da rede em funcionamento, até à elaboração da documentação a disponibilizar aos utilizadores desta rede. Quanto às comunicações, estas dividem-se em duas grandes áreas: as comunicações internas e as externas. Entende-se por comunicações internas as que ocorrem no interior da rede de estações de referência GPS. No âmbito da rede em análise, as comunicações internas englobam a rede de dados do Exército e a rede de dados do IGeoE, por onde são transmitidas as observações GPS registadas nas estações GPS, necessárias ao processamento pelo software do Centro de Cálculo. A rede de dados do Exército é mantida e operada pela Direcção dos Serviços de Transmissões (DST) e pelo Regimento de Transmissões (RTms), que são as entidades responsáveis pelo estabelecimento das comunicações no Exército. A rede de dados do IGeoE é da responsabilidade da Secção de Gestão do Sistema (SGSis) deste Instituto. As comunicações externas são as comunicações a partir do Centro de Cálculo com o exterior. Estas comunicações incluem a rede de telecomunicações das diversas operadoras nacionais, por onde os utilizadores receberão os dados disponibilizados por esta rede. Por estas razões, esta dissertação não poderá contribuir nesta área do conhecimento. Quanto ao centro de controlo, apesar de basear em software já existente no mercado, testado e implementado em diversas redes do género, esta dissertação irá contribuir para o estudo da arquitectura da rede a implementar, tendo sempre presente os meios de comunicações existentes e a expansão desta rede para uma cobertura a nível nacional, potenciando as diversas áreas desta rede e na adaptação à realidade e aos meios 8

21 disponibilizados, quer pelo IGeoE quer pelo Exército, que, como se sabe, dispõem de verbas limitadas e que não permitem implementar um sistema de raiz e tido como ideal. Outra contribuição por parte desta dissertação é a de idealizar, planear, executar e analisar os resultados de um conjunto de testes de campo, no interior e no exterior da área de cobertura da rede implementada, de forma a poder efectuar um controlo de qualidade posicional independente da rede em causa, assim como poder disponibilizar informação aos diversos utilizadores Estrutura da dissertação Esta dissertação está estruturada em 5 capítulos. Este capítulo faz uma breve introdução ao tema, focando de forma sintetizada o Sistema de Posicionamento Global e os conceitos que envolvem o posicionamento em tempo real. É descrita a motivação para a realização desta dissertação e a contribuição para o conhecimento científico. O Capítulo II (Redes RTK) aborda a arquitectura e constituição padrão de redes RTK, as metodologias para a geração de correcções RTK e uma análise a algumas redes RTK operacionais na Europa. É também descrita, de um modo particular, a situação das redes de estações permanentes GPS existentes em Portugal. O Capítulo III (Projecto SERVIR) apresenta os motivos para a implementação da rede SERVIR, a metodologia adoptada e a arquitectura e constituição quer das estações de referência quer o centro de vigilância e controlo da rede SERVIR. É igualmente abordada a questão do referencial a adoptar, assim como a formação dos elementos responsáveis pela manutenção do sistema. O Capítulo IV (Controlo de Qualidade do projecto SERVIR) aborda o controlo de qualidade da rede RTK implementada. Faz-se uma analogia dos requisitos identificados e associados ao controlo de qualidade, dos testes e inquéritos efectuados, dos resultados obtidos e da respectiva análise, focando as oportunidades de melhoria. O Capítulo V (Conclusões) faz-se uma síntese conclusiva desta dissertação e indica possíveis futuros trabalhos a desenvolver. Existe ainda um conjunto de outros documentos anexos a esta dissertação, que contêm não só os dados que suportam igualmente os estudos apresentados, mas também outros documentos considerados relevantes e igualmente utilizados durante os trabalhos de campo que se realizaram. 9

22 2. Redes RTK Neste capítulo é feita uma descrição da arquitectura tipo de uma rede RTK e da forma de gerar as correcções diferenciais. São identificadas algumas redes RTK operacionais existentes em alguns países europeus e é analisada a situação das redes de estações permanentes GPS existentes em Portugal Arquitectura de uma rede-rtk De uma forma sumária, a arquitectura de uma rede-rtk (Figura 3) compreende um conjunto de estações de referência GNSS, um centro de controlo e um ou mais sistemas de comunicações, que permita receber dados GNSS das estações de referência e comunicar com os utilizadores, enviando-lhes as correcções pretendidas. Figura 3 - Componentes do sistema e fluxo de dados (adaptado de Talbot et al. [2002]). Cada estação de referência está equipada com um receptor, antena, fonte de energia e um modem para comunicar com o centro de controlo [Landau et al., 2002]. O coração do sistema é o centro de controlo, que permite, entre outras, executar as seguintes funções: monitorizar e receber em tempo real os dados das estações de referência; verificar a integridade dos dados recebidos dessas estações; calcular os erros atmosféricos e das efemérides ao longo da rede; formatar as correcções de modo a serem enviadas pelo sistema de comunicações existente. 10

23 Para que todo o sistema tenha um excelente desempenho, é essencial haver um bom sistema de comunicações de dados entre as estações de referência GNSS e o centro de controlo (control server), sendo uma baixa latência da rede um factor essencial para um rápido fluxo de dados. A latência da rede é a designação utilizada para o atraso de tempo de transmissão (tempo decorrido entre o envio de um pacote de dados de um dado emissor e o tempo de recepção num receptor) verificado pelos vários pacotes de dados a um determinado receptor, após a recepção do primeiro pacote. Denomina-se pacote de dados ao conjunto de dados ou informação enviados por um emissor. Para saber qual o tempo máximo admitido para a latência das comunicações, é preciso ter em linha de conta a programação de transmissão das mensagens. Como exemplo, as correcções troposféricas para satélites acima de 30º variam menos de 1 cm/minuto. Portanto, um aspecto importante na transmissão dos dados é a flexibilidade de dividir as correcções por categorias de taxa de velocidade lenta e rápida. Os parâmetros de correcções geométricas, por exemplo, só precisam ser enviados cada 10 s a 15 s, enquanto que para correcções de ionosfera devem ser enviadas cada 1 a 2 s [Talbot et al., 2002]. Por outro lado, o sistema de comunicações que envia as correcções para os diversos móveis a operar na rede deverá: suportar as correcções RTK calculadas pela rede; ter cobertura para a região delimitada pelas estações de referência; ser compatível com os sistemas de comunicações dos receptores móveis; ter custos suportáveis pelos utilizadores. As várias opções de suporte à transmissão de dados incluem: comunicações rádio (via VHF (Very High Frequency) ou UHF (Ultra High Frequency); redes de telemóveis; internet sem fios; ondas de rádio e televisão. 11

24 2.2. Correcções RTK Para obter as correcções RTK a fornecer aos utilizadores há diferentes conceitos, que são sintetizados sob o termo FKP (Flächenkorrekturparameter) ou VRS (Virtual Reference Station) [Wübbena et al., 2005]. Mais recentemente a Leica Geosystems tem vindo a desenvolver o MAC (Master-Auxiliary Concept). O envio destas correcções aos utilizadores pode ser feita recorrendo a formatos de mensagens, quer do tipo proprietário, quer do tipo padrão. No caso das mensagens com formato padrão, estas obedecem ao formato de mensagens idealizado pela comissão RTCM-SC104 (The Radio Technical Commission for Maritime Services - Special Committee No. 104). Esta comissão envolve representantes do governo americano e das indústrias e tem por missão desenvolver modelos padronizados de transmissão de dados para técnicas de posicionamento diferencial por satélite. Estas mensagens são, por isso, vulgarmente denominadas de mensagens RTCM (versões RTCM 2.3 e RTCM 3.0, entre outras). No caso de serem mensagens proprietárias de um fabricante, utiliza-se essa nomenclatura. Como exemplo, o fabricante Trimble utiliza CMR ou CMR+ (Compact Measurement Record Plus). Estes formatos são disponibilizados a outros fabricantes, que os utilizam nos seus equipamentos. Consoante o tipo de posicionamento geoespacial e metodologias de cálculo de correcções, assim teremos diferentes tipos de mensagens para envio dessas mesmas correcções (Tabela 1) [Landau et al., 2002; Wübbena et al., 2005] Estação de referência virtual (VRS) O conceito VRS (Figura 4) é baseado numa rede de estações de referência permanentes, que estão ligadas entre si e o centro de controlo através de uma infra-estrutura de comunicações. O software existente no centro de controlo, ao receber os dados de todas as estações de referência, vai monitorizá-las, analisando permanentemente as portadoras L1 e L2 no que respeita a erros de ionosfera e de troposfera, erros das efemérides e ambiguidades para a L1 e L2. Terminada esta tarefa, o software efectua um cálculo para a área da rede de forma a eliminar erros sistemáticos [M. Amor e C. Luttenberger, 2004]. Por sua vez, o receptor móvel, através de uma ligação bidireccional (ex. telemóvel) por GSM (Global System for 12

25 Mobile communications) ou GPRS (General Packet Radio Service), envia a sua posição aproximada para o centro de controlo, numa mensagem padrão NMEA (The National Marine Electronics Association) com formato GGA (Registo NMEA Global Position System Fix Data), uma vez que é um formato que se encontra disponível na maioria dos receptores GNSS móveis (Figura 5). Tabela 1 - Formatos de mensagens. Método Formato Tipo de mensagem 1 Correcções DGPS DGPS RTCM Correcções Delta DGPS 3 Parâmetros da Estação Referência 9 Conjunto de correcções parciais GPS 18 Dados brutos (pseudo-distância) 19 Dados brutos (fase) 20 Correcções diferenciais (pseudo-distância) RTCM Correcções diferenciais (fase) 22 Parâmetros da estação de referência RTK 23 Definição do tipo de antena 24 Parâmetros do ponto de referência da antena (ARP Antenna Reference Point Parameter) 59 Correcções FKP 2 RTCM 3.0 CMR CMR+ CMR2 Correcções de área (ainda em discussão) Formato proprietário da Trimble Optimização da mensagem CMR, de forma a ser enviada compactada Correcções GNSS 2 RTCM-59 AdV (Arbeitsgemeinschaft der deutchen Vermessungsverwaltungen) é uma implementação especial do conceito FKP, introduzida pelas autoridades topográficas alemãs [Wübbena et al., 2005]. 13

26 Figura 4 - Esquema da rede [Landau et al., 2002]. Figura 5 - Envio das correcções [Landau et al., 2002]. O centro de controlo aceita a posição e responde, enviando para o RM correcções em formato RTCM ou CMR, por exemplo (Figura 5). Assim que o RM recebe esses dados, actualiza a sua posição para uma solução DGPS. A solução DGPS gerada tem uma precisão de 1 m, o que é suficientemente bom para assegurar que as distorções atmosféricas e das efemérides modeladas para a totalidade da rede sejam aplicadas correctamente. De seguida envia a sua nova posição para o centro de controlo. Por sua vez, o centro de controlo efectua um novo cálculo de correcções, que envia para o RM. Estas correcções aparecem como se de uma estação de referência junto ao RM existisse (estação virtual), sendo este o motivo do nome atribuído a esta metodologia (Figura 5). Como o RM pode estar em qualquer ponto da rede, o software de cálculo utiliza toda a informação disponível, no sentido de interpolar a posição daquele (Figura 6). 14

27 Figura 6 - Interpolação/Extrapolação [Landau et al., 2002]. Quando é feita a interpolação pelo software de cálculo, é utilizada uma técnica especial, utilizando uma aproximação linear pesada e um ajustamento por mínimos quadrados, com base na parte residual dos erros das estações de referência. Esta técnica de interpolação tanto permite interpolar para um utilizador no interior da rede como extrapolar para outro utilizador que esteja fora dessa mesma rede (Figura 6) Parâmetros de correcção de área (FKP) FKP é o acrónimo de Flächenkorrekturparameter, que significa, em alemão, parâmetros de correcção de área. Esta metodologia também se baseia numa rede de estações de referência permanentes, ligadas entre si através de uma infra-estrutura de comunicações com o centro de controlo. A diferença relativamente ao conceito anterior é a possibilidade de radiotransmissão de correcções de rede. O software de cálculo utiliza uma parametrização polinomial, para descrever a influência dos erros para qualquer posição do móvel [Wübbena et al., 2001]. A dimensão e a cobertura da rede são suficientes para efectuar uma representação linear FKP, que é então centrada numa estação de referência, permitindo criar planos de parâmetros de correcção de área contendo as componentes geométrica e ionosférica (Figura 7). 15

28 Figura 7 - Planos lineares FKP (adaptado de Higuchi et al. [2004]). Os dados dessa estação de referência e os parâmetros FKP entretanto gerados são enviados para o RM, que tem incorporado um algoritmo que aplica essas mesmas correcções FKP, utilizando a sua posição aproximada, o que lhe permite corrigir assim a sua posição (Figura 8). Figura 8 - Parametrização FKP (adaptado de Wübbena et al. [2001]) Conceito principal-auxiliar (MAC) Antes do desenvolvimento dos estudos para a nova mensagem standard RTCM 3.0, a qual permite enviar parâmetros de correcções de rede, as metodologias já descritas foram adoptadas pela comunidade de utilizadores, com as inerentes vantagens e desvantagens. No entanto, novos desenvolvimentos estão a surgir, como é o caso do conceito principal-auxiliar. Na génese da abordagem MAC está a redução do volume de dados a enviar para o receptor GNSS Móvel. No MAC são enviadas as correcções completas e as coordenadas de uma estação de referência, designada por estação principal (Master Station). Das outras estações de referência da rede ou sub-rede, conhecidas por estações auxiliares (Auxiliary Stations), apenas são enviadas as diferenças de correcções e de coordenadas. 16

29 9): O fluxo de dados para gerar correcções principal-auxiliar (MAC) é o seguinte (Figura envio das observações das estações de referência para o centro de cálculo (1); processo de estimação da rede, incluindo resolução de ambiguidades, para redução a um nível comum de ambiguidade; recepção da posição NMEA GGA do RM no centro de cálculo (opcional). São escolhidas as estações de referência mais adequadas em função da localização do RM (3); formação e transmissão das mensagens de rede RTCM 3.0, utilizando as correcções da estação principal e diferenças de correcções das estações auxiliares (4); cálculo da posição precisa para o RM, utilizando toda a informação da rede (5). Figura 9 - Geração de correcções MAC [Leica Geosystems, 2006]. O MAC reduz ao mesmo nível de resolução as ambiguidades. Quer isto dizer que o nível comum de ambiguidades é alcançado quando um número inteiro de ambiguidades para cada distância calculada pela fase (par satélite-receptor) foi removida ou ajustada, pelo que, quando se formam as diferenças duplas, o número inteiro de ambiguidades é cancelado. 17

30 Assim, o objectivo do software de cálculo da rede é reduzir as ambiguidades das distâncias de fase de todas as estações de referência a um mesmo nível, isto é, a um nível comum. Terminada esta tarefa, o software de cálculo calcula os erros dispersivos (dependentes da frequência), como é o caso da ionosfera, e erros não dispersivos (não dependentes da frequência), como são o caso dos erros da troposfera e das órbitas dos satélites, para cada par satélite-receptor e para cada frequência. Como esta informação diferenciada, calculada entre a estação principal e cada estação auxiliar é numericamente menor, pode então ser representada numa mensagem com menos número de bits. Dito de outra forma, o RM vai utilizar a informação de diferença de correcções para interpolar o erro no local onde se encontra, permitindo assim que o conceito MAC suporte meios de comunicações unidireccionais. Mas ainda se pode reduzir a largura de banda para transmissão de correcções de rede para os receptores, dividindo a mensagem em duas componentes, atendendo aos erros dispersivos e não dispersivos. Assim, uma vez que os erros não dispersivos (erros orbitais e troposféricos) têm variações temporais mais pequenas, esta componente não precisa de ser enviada a uma taxa tão elevada como a componente dispersiva (ionosfera). Por outro lado, tendo em vista os receptores GNSS móveis, que não suportam mensagens RTCM 3.0, mas possam receber correcções de rede, via RTCM 2.3, foram desenvolvidas correcções individualizadas MAC, designadas por i-mac (individualized Master-Auxiliary Corrections). Para gerar este tipo de correcções são necessárias comunicações bidireccionais. É utilizada uma estação de referência real (a mais perto do receptor móvel), como origem das correcções de rede, sendo o fluxo de dados para gerar correcções i-mac o seguinte (Figura 10): envio das observações das estações de referência para o centro de cálculo (1); processo de estimação da rede, incluindo resolução de ambiguidades a um nível comum de ambiguidade (2); recepção da posição NMEA - GGA do RM no centro de cálculo. São escolhidas as estações de referência mais adequadas, em função da localização do RM; escolha da estação de referência mais próxima do RM como estação principal. 18

31 Cálculo das correcções de rede para o RM aplicadas às observações da estação principal (4). Formação e transmissão das mensagens de rede RTCM 2.3 ou formato proprietário (5); cálculo da posição precisa para o RM, utilizando toda a informação da rede (6). Figura 10 - Geração de correcções i-mac [Leica Geosystems, 2006] Redes RTK operacionais As redes RTK têm surgido um pouco por todo o mundo, sendo difícil quantificar o seu número. Apresento nesta dissertação alguns casos de estudo (já mencionados de forma breve no Capítulo 1), referindo aspectos mais específicos da sua arquitectura e serviços Espanha Desde 1991 que o ICC [ICC, 2006] (Instituto Cartográfico da Catalunha) vem trabalhando no projecto SPGIC (Sistema de Posicionamento Geodésico Integrado de Catalunha), que estabelecia um conjunto de hardware, software, dados, comunicações, suporte técnico e normas que permitem o posicionamento sobre o território da Catalunha. O núcleo do projecto SPGIC, constituído pela rede de estações permanentes GPS que o ICC implementou, deu origem ao CATNET (Figura 11). A rede foi concebida para oferecer um serviço público de disponibilização de dados GPS, sendo o próprio ICC o principal cliente, pelas necessidades de posicionamento cinemático dos seus aviões e orientação dos sensores aerotransportados. 19

32 Figura 11 - Rede CATNET [C.Parareda et al., 2006]. A rede CATNET começou por um triângulo fixado nos três extremos do território catalão e densificou-se para o interior. Em 1999 completou-se a primeira fase, com 8 estações. Desde 2000 que se iniciou a segunda fase de densificação da rede, com 14 estações, passando a distância média entre as estações da rede de 100 km para 70 km, dotando a rede para novas funcionalidades. A rede permite uma cobertura RTK para todo o território e está operacional desde Janeiro de O sistema de coordenadas adoptado para a rede CATNET é o ETRS89 (European Terrestrial Reference Frame 1989). Há dois tipos de estações na rede CATNET, designadas por estações geodinâmicas e as estações não geodinâmicas. As estações geodinâmicas (Figura 12) estão materializadas em estruturas de grande robustez, ancoradas no subsolo, o que permite a utilização dos seus dados em estudos no âmbito da Geodinâmica. Figura 12 - Estação CATNET Geodinâmica [C.Parareda et al., 2006]. 20