AVALIAÇÃO DE OBSERVAÇÕES DE POSICIONAMENTO COM RECEPTORES GPS EM MODO AUTÔNOMO

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1 AVALIAÇÃO DE OBSERVAÇÕES DE POSICIONAMENTO COM RECEPTORES GPS EM MODO AUTÔNOMO Leonardo de Carvalho Valentim da Silva Rodrigo Fontoura Costa Universidade Federal do Rio de Janeiro IGEO - Dep Geografia Laboratório de Cartografia (GeoCart) Av Brig Trompowski S/N - Cidade Universitária - Rio de Janeiro - RJ Tel: (21) Fax: (21) geocart@igeo.ufrj.br Alexandre Benevento Marques Universidade Federal do Rio de Janeiro Programa de Pós-Graduação em Geografia - Doutorado IGEO - Dep Geografia Laboratório de Cartografia (GeoCart) Av Brig Trompowski S/N - Cidade Universitária - Rio de Janeiro - RJ Tel: (21) Fax: (21) pmenezes@igeo.ufrj.br Paulo Márcio Leal de Menezes Universidade Federal do Rio de Janeiro IGEO - Dep Geografia Laboratório de Cartografia (GeoCart) Av Brig Trompowski S/N - Cidade Universitária - Rio de Janeiro - RJ Tel: (21) Fax: (21) pmenezes@igeo.ufrj.br RESUMO Este trabalho tem por objetivo principal avaliar os resultados obtidos com observações de posicionamento de receptores GPS de diferentes marcas e modelos, estacionados em um ponto de coordenadas conhecidas, em modo autônomo, verificando se o procedimento de médias dessas observações melhoram a qualidade do posicionamento, visto que a aplicação de médias foi negligenciada até a data de desligamento do erro SA. ABSTRACT This study has for main objective to evaluate the results obtained with positioning observations of receivers GPS of different marks and models, fixed in a point of known coordinates, in autonomous way, being verified the procedure averages of those observations improves the quality of the positioning, because the application of averages was neglected to the date of SA turn off. I Apresentação: O GPS (Global Positioning System), ou NAVSTAR-GPS (NAVigation Satellite with Time And Ranging), é um sistema de radionavegação desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América DoD (Department of Defense), com o intuito de ser o principal sistema de navegação das forças armadas americanas. Em razão da alta acurácia proporcionada pelo sistema e do grande desenvolvimento da tecnologia envolvida nos receptores GPS, uma grande comunidade usuária emergiu dos mais variados segmentos da comunidade civil (navegação, posicionamento geodésico, agricultura, controle de frotas, etc.).

2 Como o nome sugere, o GPS é um sistema de abrangência global. A concepção do sistema permite que um usuário, em qualquer local da superfície terrestre, ou próximo a ela, tenha à sua disposição, no mínimo, quatro satélites para serem rastreados. Conhecendo as coordenadas dos satélites num sistema de referência apropriado, é possível calcular as coordenadas da antena do usuário no mesmo sistema de referência dos satélites, ou seja, define-se a posição de um ponto sobre a superfície terrestre através da inversão do processo de determinação da órbita dos satélites. Figura 1: Esquema de funcionamento do Sistema de Posicionamento Global (GPS) II Introdução: O sistema é composto por três segmentos básicos: espacial, composto pelos satélites; controle, que determina a órbita dos satélites com precisão a partir de pontos de controle espalhados pela superfície terrestre, onde a órbita atualizada é enviada aos satélites para que estes enviem informações também atualizadas aos usuários; e usuários, que são os receptores dos sinais transmitidos pelos satélites. O funcionamento do sistema GPS se baseia no princípio da triangularização, segundo o qual o observador conhece a posição de um conjunto de satélites em relação a um referencial inercial e a sua posição em relação a este conjunto, e obtém sua própria posição no sistema de referência. O sistema de referência utilizado pelo sistema GPS é o WGS (WGS-72 até 1986 e WGS-84 a partir de 1987). No GPS há dois tipos de serviços, os quais são conhecidos como SPS (Standard Positioning Service Serviço de Posicionamento Padrão) e PPS (Precise Positioning Service Serviço de Posicionamento Preciso). O SPS é um serviço de posicionamento e tempo padrão que está disponível a todos os usuários do globo, sem cobrança de qualquer taxa. Até o dia 1º de maio de 2000 esse serviço proporcionava capacidade de acurácia horizontal e vertical dentro de 100 e 140

3 metros, respectivamente, e 340 nanosegundos nas medidas de tempo, com nível de confiança de 95%. O PPS proporciona melhores resultados (10 a 20 metros), mas é restrito ao uso militar e a usuários autorizados (Monico, 2000). Na realidade, o sistema sempre teve capacidade de proporcionar melhores níveis de acurácia, mas ao que tudo indica, isso não era de interesse do DoD, haja vista que o sistema é global, o que poderia pôr em risco os aspectos de segurança. Dessa forma, a limitação no nível de acuracidadade era garantida pela adoção de AS (Anti-Spoofing) e SA (Selective Availability Disponibilidade Seletiva). AS é um processo de criptografia do código P, um dos códigos utilizados no GPS para realizar medidas de distância, visando protegê-lo de imitações por usuários não-autorizados. SA, ou seja, a proibição de obter a acuracidade capaz de ser proporcionada pelo GPS, era consumada pela manipulação das mensagens de navegação (manipulação das efemérides transmitidas) e da freqüência dos relógios dos satélites (desestabilização sistemática do oscilador do satélite). A SA foi implementada a partir de 25 de março de 1990, sendo que o nível de degradação foi reduzido durante a Guerra do Golfo em setembro de 1990 e reativado em 1º de julho de Trata-se da redução proposital da qualidade de posicionamento com o GPS, para os usuários não autorizados. A questão de certa forma era simples. O governo dos EUA, único dono e gestor do GPS, decidiu, utilizando explicação não muito convincente, que a especificação de posicionamento para receptores autônomos seria de 100 metros na composição das coordenadas planimétricas e de 156 metros na altitude (elipsoidal) em 95% de suas medidas. O Departamento de Defesa (DoD) dos EUA definiu essa especificação "para evitar o uso militar dos receptores GPS civis". Essa justificativa não foi muito aceita pelo fato de que um erro de 100 metros, com o atual poder de fogo dos armamentos militares, não significa muita coisa. Mas, dessa forma, os usuários de receptores militares de acesso exclusivo pelos EUA e por algumas outras nações com a devida autorização do governo norte-americano, o que exclui o Brasil da lista, mantinham uma vantagem estratégica sobre seus eventuais oponentes. No dia 01/05/2000, o governo norte-americano publicou um ofício avisando que a SA seria desligada exatamente à meia-noite do dia primeiro para o dia dois de maio. Segundo o ofício, a decisão se baseava em recomendações do Secretário de Defesa, do Departamento de Estado, dos Departamentos de Transporte e Comércio, do Diretor da Central de Inteligência e ainda de outros departamentos e agências governamentais. Outra surpresa, é que o mesmo ofício declara que o governo norte-americano não pretende religar a SA, mesmo em períodos de conflitos. Segundo ainda o ofício, os militares norte-americanos possuem tecnologia que permite degradar o sinal GPS apenas nas regiões de conflito, enquanto o restante dos usuários do sistema continuam a operar normalmente. Por que desligaram a S.A. depois de mais de uma década de convívio com a mesma? Os motivos apresentados foram que o governo desejava aumentar a base de usuários civis do sistema, interesses comerciais (estima-se que atualmente o mercado de 4 milhões de usuários GPS movimente 8 bilhões de dólares, e que passaria para 16 bilhões em três anos, apenas com o desligamento da SA), aumento na segurança na navegação global terrestre, marítima e aérea, e, finalmente, interesses científicos.

4 III Objetivo: O presente trabalho tem por objetivo principal avaliar os resultados obtidos com observações de posicionamento de receptores GPS de diferentes marcas e modelos, estacionados em um ponto de coordenadas conhecidas, em modo autônomo, verificando se o procedimento de médias dessas observações melhoram a qualidade do posicionamento, visto que a aplicação de médias em coordenadas obtidas pelos receptores GPS foi negligenciado até a data de desligamento do erro SA em maio de 2000, já que o erro introduzido de forma controlada pelo governo norteamericano no sistema era de característica pseudo-aleatória, exatamente objetivando a restrição do uso dessa possibilidade. Por ocasião do desligamento do erro SA, o governo norte-americano anunciou que seria divulgada uma nova especificação para os receptores GPS quando estivessem funcionando de forma autônoma, assim como houve uma especificação fixa durante o tempo em que o erro SA esteve ativo. Este trabalho também teve como objetivo a implantação e monumentalização de um ponto GPS com precisão geodésica na área da universidade, que servirá como base para diversas outras experiências que venham a necessitar de um ponto com coordenadas conhecidas precisas. IV Justificativa: A justificativa para a realização deste trabalho é a observação do processo de média de um conjunto de sinais recebidos por receptores GPS de baixa precisão e receptores de navegação, com a tentativa de se verificar uma melhoria da precisão das coordenadas obtidas sem a degradação da SA, além de fazer uma comparação entre os resultados obtidos e as especificações dos fabricantes em relação a acuracidade dos receptores. V Metodologia: A metodologia utilizada para a realização deste trabalho foi dividida em três etapas distintas: a) implantação de um ponto GPS com precisão geodésica; b) coleta de dados de campo com receptores GPS de diferentes marcas e modelos; c) processamento e análise dos dados. a) Implantação de um ponto GPS: Esta foi a etapa inicial, sendo a base principal para a realização deste trabalho. O primeiro passo para a implantação do ponto foi a sua monumentalização. Para isso, foi utilizado um tubo de PVC de 1m de comprimento e 20cm de diâmetro, que foi enterrado com apenas 15cm exposto acima do solo. Esse tubo foi todo preenchido com cimento e em seu topo foi fixada uma chapa de metal, padronizado pelo IBGE, que é a referência do monumento, e foi lhe atribuído o nome de ponto GEOCART. O ponto foi instalado dentro da Estação de Agrometeorologia da UFRJ, que fica localizada ao lado do Centro de Ciências Matemáticas e da Natureza, na Cidade Universitária - Ilha do Fundão. Após a monumentalização do ponto, iniciou-se o processo de obtenção de suas coordenadas exatas. Para isso, foi realizada uma rede de triangulação por GPS, a fim de se determinar a posição do ponto GEOCART. Este processo de triangulação consiste na elaboração de um triângulo cujos vértices possuam aproximadamente a mesma distância, formando uma figura regular fechada. A aplicação deste processo pode ser justificada pelo fato de a triangulação servir para melhorar a exatidão das

5 coordenadas que se deseja obter, no caso o ponto GEOCART, através da distribuição dos erros sobre essa figura e conseqüente ajustamento das coordenadas. Os vértices utilizados para a formação da figura foram o ponto GPS da Estação do Rio de Janeiro da Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo do IBGE (RBMC), localizado em São Cristóvão, o ponto GEOCART e um outro ponto definido como sendo de apoio, situado em uma passarela de travessia de pedestres sobre as vias ferroviárias no bairro de Piedade, sendo todos eles pontos fixos, isto é, estáticos. A opção de localizar o ponto de apoio em Piedade obedece ao processo de formação de um triângulo regular, que tenha seus lados com aproximadamente a mesma medida; ou seja, procurou-se situar o ponto em um local que tivesse a mesma distância da RBMC e do ponto GEOCART. Determinado os pontos base da triangulação, foi feita uma coleta de dados com receptores GPS do ponto de apoio e do ponto GEOCART, que serão processados juntamente com os dados fornecidos pela RBMC. A coleta de dados realizou-se no dia 29 de janeiro de 2002, com a coleta do ponto GEOCART tendo início às 17:11h e término às 19:39h e a do ponto de apoio entre às 17:53h e 19:16h. A RBMC, por se tratar de uma estação de monitoramento contínuo, realizou a coleta de dados ao longo de todo o dia 29 de janeiro, ininterruptamente. Com a obtenção de todos os dados referentes a cada ponto, foram executados um processamento e ajustamento dos mesmos. Tais processamento e ajustamento foram possíveis através do tratamento dos dados pelo software Ashtec Solution versão 2.4.0, que resultou em um relatório final que fornecia diversas informações sobre cada ponto, dentre elas as coordenadas exatas do ponto GEOCART, objetivo principal dessa parte da metodologia. Como resultado final desta etapa, o ponto GEOCART obteve as seguintes coordenadas: 22º S de latitude e 43º W de longitude, além de uma elevação de 1.298m. Figura 2: Materialização do ponto GEOCART e montagem da estação

6 Figura 3: Localização da triangulação GPS b) Coleta de dados com receptores GPS: Após o conhecimento das coordenadas exatas, o próximo passo seguido foi a coleta de dados no ponto GEOCART com receptores GPS de diferentes marcas e modelos. Os receptores utilizados foram: Garmin etrex Summit, Garmin GPS II, Magellan GPS ProMark X-CP e CMT March II. Os receptores foram posicionados com a antena exatamente no centro da referência do ponto, que é a chapa padrão IBGE fixada no monumento, e ligados diretamente, através de um cabo serial, a um notebook. Essa conexão entre os receptores e o computador deve-se a utilização do programa Ashtec Evaluate versão para a observação do comportamento dos sinais recebidos e para o armazenamento dos dados. A coleta dos dados foi realizada entre os dias 18 e 23 de fevereiro de 2002, nos períodos da manhã e da tarde. Figura 4: Receptor March II conectado ao computador coletando dados

7 c) Processamento e análise dos dados: De posse de todos os dados coletados em campo, iniciou-se nessa etapa a análise dos dados, onde foi avaliado o comportamento das observações em relação às especificações dos fabricantes. Para a realização da análise dos dados foi utilizado novamente o software Ashtec Evaluate versão 5.0.0, que fornece uma tabela de comparação que possui todas as variáveis necessárias para essa avaliação. VI Resultados Esta parte do trabalho se propõe a analisar, avaliar e discutir os resultados das observações. Os receptores utilizados possuem tecnologias diferentes no que diz respeito ao número de canais, que corresponde à quantidade máxima de satélites que podem ser rastreados. Esse fator foi determinante para a qualidade do posicionamento, onde os receptores com maior número de canais apresentaram os melhores resultados. Os receptores etrex e March II possuem tecnologia de 12 canais, enquanto que o ProMark possui 10 e o GPS II, 8 canais. Através das tabelas abaixo, que apresentam os resultados obtidos, pode-se comparar os dados planimétricos e altimétricos. Os erros são exibidos em duas variáveis: em uma representa-se a distribuição dos erros em 64% das observações (rms), e a outra apresenta os erros distribuídos em 95% das observações, ou seja, quase o total de observações realizadas. Observa-se que o receptor que mostrou os melhores resultados de posicionamento tanto vertical quanto horizontal foi o Garmin etrex (12 canais), apresentando erros bem abaixo da especificação de seu fabricante. Apesar de também obedecer às suas especificações, os piores resultados foram obtidos pelo receptor Garmin GPS II, do mesmo fabricante do etrex, e é justificado por possuir uma tecnologia de 8 canais que, apesar de estar um pouco defasada, ainda é utilizada por muitos usuários do sistema. Os outros dois receptores apresentaram-se dentro de suas especificações e com resultados bastante satisfatórios em relação a planimetria. Porém, seus dados altimétricos, mesmo estando amparados pela determinação de seus fabricantes, têm seu aproveitamento comprometido, pois um erro acerca dos 20 metros não possui confiabilidade necessária para a empregabilidade de tais dados em estudos e pesquisas que venham necessitar de dados em relação à altura mais precisos. Tabela 1: Comparação de dados planimétricos Especificação do Fabricante Fabricante / Modelo erro horizontal Resultados de Campo rms (64%) 95% rms (64%) 95% Garmin GPS II não especificado 35 m 8,4372 m 18,7703 m Garmin etrex Summit não especificado 15 m 2,9691 m 3,9019 m Magellan ProMark X CP 12 m não especificado 3,6868 m 4,1312 m CMT March II não especificado 5 m 2,8065 m 4,9678 m

8 Tabela 2: Comparação de dados altimétricos Especificação do Fabricante Resultados de Campo Fabricante / Modelo erro vertical rms (64%) 95% rms (64%) 95% Garmin GPS II não especificado 75 m 33,6083 m 41,2178 m Garmin etrex Summit não especificado 35 m 11,5283 m 15,2914 m Magellan ProMark X CP não especificado não especificado 19,0698 m 22,6949 m CMT March II não especificado não especificado 26,1965 m 29,9187 m Esta imprecisão em relação à altimetria não é uma falha dos receptores GPS, mas sim uma característica própria do sistema. Isto pode ser explicado pelo fato de o sistema utilizar como base para as medidas de altimetria o elipsóide, que é a representação matemática que faz com que a superfície terrestre assuma uma forma exata, enquanto que as medidas altimétricas corretas são feitas a partir do geóide. Com isso, explica-se o porquê da altura do ponto GEOCART apresentar um valor negativo (-1,298 m). No local onde o ponto foi instalado, o elipsóide está localizado acima do geóide, fazendo com que os sinais responsáveis pelas medidas altimétricas nem cheguem a real superfície terrestre. VII Conclusão Verificando os resultados obtidos, observou-se que todos os receptores estiveram dentro de suas especificações, com alguns equipamentos se mostrando acima da expectativa. Entretanto, pôde-se observar que os erros que dizem respeito a altimetria, apesar de obedecerem às especificações do fabricante, estão muito longe da confiabilidade do usuário, devido aos problemas existentes com o próprio sistema, operando no modo autônomo. A partir daí, surge uma crescente expectativa por uma posição do gestor do sistema no sentido de estabelecer novos parâmetros de posicionamento com receptores GPS no modo de operação autônomo. Com a realização deste trabalho, o GEOCART - Laboratório de Cartografia da UFRJ - torna-se apto a fazer outras aferições com quaisquer equipamentos GPS no ponto instalado, além de disponibilizá-lo à realização de experiências por parte de outros usuários. VIII Bibliografia Larijani, L. Casey, 1998, GPS for Everyone: How the Global Positioning System can work for you. American Interface Corporation Publishing Division, New York. Marques, A. Benevento, 2000, Sistema DGPS Invertido. Dissertação (Mestrado) Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, 80 p. Monico, J. F. Galera, 2000, Posicionamento pelo NAVSTAR-GPS: Descrição, fundamentos e aplicações. Ed. UNESP, São Paulo, 287 p.