Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Centro de Tecnologia e Ciências. Faculdade de Engenharia. Jhonnes Alberto Vaz

Transcrição

1 Universidade do Estado do Rio de Janeiro Centro de Tecnologia e Ciências Faculdade de Engenharia Jhonnes Alberto Vaz Estudo das etapas e critérios para a homologação de marco geodésico planimétrico Rio de Janeiro 2011

2 Jhonnes Alberto Vaz Estudo das etapas e critérios para a homologação de marco geodésico planimétrico Projeto de conclusão de curso apresentado, como requisito para obtenção do grau de Engenheiro Cartógrafo, a Faculdade de Engenharia, da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Área de concentração: Cartografia. Orientador: Prof. Dr. Gilberto Pessanha Ribeiro Coorientador: Msc. Alberto Luis da Silva Rio de Janeiro 2011

3 CATALOGAÇÃO NA FONTE UERJ / REDE SIRIUS / BIBLIOTECA CTC/B V393 Vaz, Jhonnes Alberto. Estudo das etapas e critérios para a homologação de marco geodésico planimétrico / Jhonnes Alberto Vaz f. Orientador: Gilberto Pessanha Ribeiro Projeto Final apresentado à Universidade do Estado do Rio de Janeiro como requisito parcial para conclusão do curso de Graduação em Engenharia Cartográfica. 1. Engenharia. 2. Cartografia. 3.Geodesia. I. Ribeiro, Gilberto Pessanha. II. Universidade do Estado do Rio de Janeiro. III. Título. CDU 62:528.9

4 Jhonnes Alberto Vaz Estudo das etapas e critérios para a homologação de marco geodésico planimétrico Projeto de conclusão de curso apresentado, como requisito para obtenção do grau de Engenheiro Cartógrafo, a Faculdade de Engenharia, da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Área de concentração: Cartografia. Aprovado em 06 de julho de 2011 Banca Examinadora: Prof. Gilberto Ribeiro Pessanha (Orientador) Faculdade de Engenharia - UERJ Prof. Amauri Ribeiro Destri Faculdade de Engenharia UERJ Profª. Alessandra Carreiro Baptista Faculdade de Engenharia - UERJ Rio de Janeiro 2011

5 DEDICATÓRIA A minha falecida avó Hermínia Amélia de Sá, que sempre foi minha fonte de inspiração e meu exemplo de humildade, amor e fé.

6 AGRADECIMENTOS Aos meus pais, Betto e Bel, e meu irmão Rennan, pelo apoio, e incentivo proporcionando a chance de realizar meu sonho de fazer a graduação. Ao prof. Gilberto Pessanha Ribeiro pela orientação fundamental para a execução do trabalho. Ao eng. Alberto Luis da Silva pela orientação e sugestões ao longo do trabalho. A todos os professores e funcionários do Departamento de Engenharia Cartográfica da Faculdade de Engenharia da UERJ, em especial aos professores Mauro Pereira de Mello, Luiz Henrique Castiglione e Alessandra Carreiro Baptista, pelas longas conversas, idéias e dicas para a execução do projeto. A toda a Coordenação de Geodésia do IBGE, em especial ao Mario Alexandre, Sonia Alves Costa, Jardel Fazan, Marcelo Henrique, Newton, Marco Aurélio, Renato Pinheiro e Marcos Ferreira, pelas experiências transmitidas por eles, fundamentais para a realização deste trabalho. A toda a equipe de funcionários do CEADS, por proporcionar recursos e uma estadia tranqüila para a realização dos trabalhos na Ilha Grande. A empresa GlobalGeo, representada pelo Sr. Eduardo Paço, pela cessão do equipamento e por todo o suporte durante o trabalho de campo. Aos meus amigos estudantes de Engenharia Cartográfica, em especial para o Igor, Nathasha, Rafaela, Roberta, Caren, Mauricio e Maisa, pela amizade e companheirismo durante o curso de Engenharia Cartográfica. Aos meus amigos e companheiros de república, Fábio Sabino, Felipe Ribeiro, Iury Cesar, Vitor Anaquim, Francisco Bressy, Renato Oliveira e Wellington Pereira, pelo apoio durante toda a minha graduação. A Mirella Vicente de Carvalho, pelo companheirismo e constante incentivo e apoio durante a realização deste projeto. Aos meus amigos André Cabral e Andressa Di Filippo pela amizade e apoio durante a graduação.

7 inteligência. O insucesso é apenas uma oportunidade para recomeçar de novo com mais Henry Ford

8 RESUMO Vaz, Jhonnes Alberto. Estudo das etapas e critérios para a homologação de marco geodésico planimétrico. 105f. Projeto Final (Graduação em Engenharia Cartográfica) Faculdade de Engenharia, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Este trabalho apresenta detalhadamente todas as etapas de homologação de marcos geodésicos planimétricos, seguindo todas as especificações do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE). É possível encontrar neste trabalho todas as especificações e exigências que o IBGE faz para a homologação, além de também encontrar a fase de processamento dos dados descrita neste trabalho. Na fase de processamento e ajustamento dos dados também são realizados testes com a finalidade de verificar se o tempo de seis horas de duração das sessões se faz realmente necessário. Palavras-chave: Geodésia. GPS. GNSS. Marcos geodésicos. Homologação. Pósprocessamento.

9 ABSTRACT This paper describes in detail all the steps for approval of geodesic marks planimetric, following all the specifications of the Brazilian Institute of Geography and Statistics (IBGE). You can find all this work specifications and requirements that do IBGE forapproval, and also find the phase of data processing described in this paper. During processing and adjustment of data is also carried out tests in order to verify that thetime of the sixhour sessions becomes really necessary. Keywords: Geodesy, GPS, GNSS, geodesic marks, ratification, postprocessing.

10 LISTA DE FIGURAS Figura Segmentos GPS Figura Distribuição dos satélites na constelação final Figura Geometria dos Satélites Figura Refração Troposférica Figura Regiões da Ionosfera Figura Multicaminho Figura Perda de ciclos Figura Centros de fase e suas respectivas variações Figura Posicionamento absoluto Figura Posicionamento relativo Figura Configuração da rede planimétrica de estações cássicas Figura Configuração das estações GPS em abril de Figura Configuração da RBMC em Figura Área de abrangência com buffer de 100 km Figura Área de abrangência com buffer de 400 km Figura Ilha Grande Figura Mapa de Limites Fitofisionômicos Figura Localização da Ilha Grande na Região sudeste do Brasil Figura Localização do marco no CEADS Figura Vista do Ceads do local do marco Figura Vista da Estação meteorológica do local do marco Figura Medida do diâmetro do cilindro Figura Medida da altura do cilindro Figura Altura do marco depois de concretado Figura Panorama ao Norte da estação Figura Panorama a Leste da estação Figura Panorama ao Sul da estação Figura Panorama a Oeste da estação Figura Localização das estações da RBMC a 100 km Figura Localização das estações da RBMC a 400 km... 71

11 Figura Primeira sessão de rastreio Figura Segunda sessão de rastreio Figura Receptor Topcon Hiper Figura Receptor Topcon Hiper Plus Figura Estações da RBMC a 100 km da estação SPAR Figura Estações da RBMC a 400 km da estação SPAR Figura Definição da estratégia de processamento STAR Figura Definição do número de sessões a processar Figura Exemplo de definição de nome e duração de sessão Figura Seleção do arquivo PCF no Bernese Figura Execução do processamento automático do Bernese Figura Script BRNGEO Figura Ajustamento no GHOST (I) Figura Ajustamento no GHOST (II) Figura Entrada de dados do processamento pelo IBGE-PPP Figura Tela de descrição do processamento do IBGE-PPP Figura Tela de descrição do processamento do IBGE-PPP Figura Distribuição planimétrica dos pontos ajustados... 91

12 LISTA DE TABELAS Tabela Fontes e efeitos de erros envolvidos no GNSS Tabela Efeito dos erros orbitais nas linhas-base Tabela Efeitos médios do atraso de propagação da ionosfera Tabela Especificações do receptor Altus APS Tabela Distância das estações em relação à Ilha Grande Tabela Distância das estações da RBMC em relação à SPAR Tabela Coordenadas Geodésicas em SIRGAS 2000 de SPAR Tabela Coordenadas determinadas para o marco da Ilha Grande.. 88 Tabela Coordenadas determinadas pelo pós-processamento Tabela Comparação entre as coordenadas da estação SPAR no descritivo e das coordenadas determinadas através dos pós-processamentos e ajustamentos... 90

13 SUMÁRIO INTRODUÇÃO MOTIVAÇÃO E JUSTIFICATIVA OBJETIVO Objetivo Geral Objetivo Específico FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Breve histórico do posicionamento e navegação Os sistemas GNSS O sistema GPS GLONASS Posicionamento pelo GPS Segmentos do GPS Segmento Espacial Segmento de Controle Segmento Usuário Observações GPS Fontes de erros do GPS Geometria dos Satélites Erros orbitais Refração troposférica Refração ionosférica Multicaminho ou reflexão dos sinais Perdas de Ciclo Erro do relógio do receptor Erros e correções relacionados com a estação Métodos de posicionamento GNSS Posicionamento absoluto Posicionamento por ponto preciso (PPP) Posicionamento relativo Aspectos práticos GNSS... 36

14 Planejamento, reconhecimento e monumentação Coleta e análise preliminar dos dados Processamento dos dados Ajustamento de dados GNSS O sistema Geodésico brasileiro (SGB): Histórico, configuração e importância Um breve histórico da rede planimétrica do SGB Configuração atual do SGB Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo Importância do SGB LOCALIZAÇÃO GEOGRÁFICA E ASPECTOS DO AMBIENTE FÍSICO Parque Estadual da Ilha Grande (PEIG) Reserva Biológica Estadual da Praia do Sul (RBPS) Parque Estadual Marinho do Aventureiro (PEMA) Centro de Estudos Ambientais e Desenvolvimento Sustentável (CEADS) METODOLOGIA E DESENVOLVIMENTO Introdução Materiais e Métodos Materiais Equipamentos Receptor GNSS Topcon Hiper Sistemas Computacionais Bernese TEQc Microsoft Office GHOST Metodologia Levantamentos de campo Pós-processamento de dados GNSS Pós-processamento e ajustamento realizado pelo IBGE Pós-processamento utilizando o IBGE-PPP... 63

15 5.3 Planejamento Planejamento do levantamento de campo para a Ilha Grande Seleção do local para a implantação do marco Seleção e preparação dos equipamentos Escolha das estações de referência Observações de campo Execução Levantamento de campo Pós-processamento Escolha das Estações da RBMC Pós-Processamento utilizando Bernese Ajustamento do Pós-Processamento Pós-Processamento da sessão realizada em campo na Ilha Grande utilizando serviço IBGE PPP RESULTADOS CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÕES Conclusões Recomendações REFERÊNCIAS ANEXO A ANEXO B ANEXO C

16 14 INTRODUÇÃO Este trabalho consiste na realização das etapas de homologação de um marco planimétrico do SGB, descrevendo cada etapa e realizando um estudo das exigências do IBGE, no que diz respeito ao tempo de rastreio de cada sessão, realizando testes na fase de processamento e ajustamento dos dados com sessões com diferentes tempos de duração. Foi escolhida a Ilha Grande, no município de Angra dos Reis (RJ) para executar a implantação do marco e o levantamento de campo, devido à facilidade que a UERJ apresenta para a realização de trabalhos na Ilha Grande, e também pela demanda, que projetos e pesquisas existentes na ilha de áreas correlatas, de documentos cartográficos atualizados da ilha, e pela ausência de um marco planimétrico ligado ao SGB na Ilha Grande. Todo o trabalho de planejamento do trabalho de campo, implantação do marco, pesquisa das exigências e normas para homologação de marcos geodésicos planimétricos, e a execução do levantamento de campo. Devido a problemas encontrados com equipamento no trabalho de campo, todas as fases posteriores ao levantamento de campo foram realizadas utilizando os dados de estações da RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo).

17 15 1. Motivação e Justificativa A Ilha Grande representa uma grande área de proteção ambiental, onde se realizam com regularidade estudos e pesquisas na área de meio ambiente e desenvolvimento sustentável. Essas pesquisas desenvolvidas na Ilha e os projetos de proteção ambiental necessitam de informações espaciais de qualidade, isso inclui cartas, mapas e posicionamento espacial. O marco geodésico planimétrico referido ao SGB mais próximo a Ilha fica a 26 km, no município de Mangaratiba, o que além de representar uma grande distância para o transporte de coordenadas, dificulta o trabalho de posicionamentos que exigem precisão planimétrica na Ilha Grande, principalmente no que diz respeito à logística, pois o ponto do SGB mais próximo está localizado no continente. Como a Ilha Grande é carente de um mapeamento atualizado e de qualidade, isso pode dificultar inúmeros projetos e estudos que estão sendo realizados e que possam vir a ser realizados na Ilha Grande. Porém para a realização de um mapeamento confiável e preciso é preciso ter uma boa rede de pontos de coordenadas determinadas e precisas para apoiar o mapeamento. Por isso o estudo detalhado das etapas de homologação de marcos geodésicos planimétricos, deixando documentado as diretrizes de cada etapa da homologação, é extremamente importante. Ao realizar esse estudo, esse trabalho também se propõe realizar testes na etapa de processamento e ajustamento dos dados motivado pela revisão das exigências do IBGE, principalmente no que diz respeito ao tempo de duração de cada sessão, além de mostrar que a atual configuração da RBMC atende a homologação de pontos SAT em praticamente todo o território nacional.

18 16 2. Objetivo 2.1 Objetivo Geral Este trabalho teve como objetivo geral estudar as etapas de homologação de um marco geodésico planimétrico. Realizando todas as fases, desde o planejamento e escolha do local do marco, passando pela implantação e levantamento de campo até a realização do processamento e ajustamento dos dados. 2.2 Objetivo Específico O objetivo deste trabalho especificamente foi a realização do exercício de estudo das etapas de homologação de um marco geodésico planimétrico junto ao SGB. Realizando a escolha do local, pesquisa de documentação necessária, planejamento, seleção de métodos e instrumentos, planejamento de trabalho de campo, rastreio com equipamento GNSS, processamento de dados GNSS e análise dos resultados. Também tem como objetivo a realização de testes das exigências do IBGE para a duração das sessões, e verificar se a configuração atual da Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo (RBMC) atende a homologação de marcos em todo o território nacional.

19 17 3. Fundamentação Teórica 3.1 Breve histórico do posicionamento e navegação Posicionar um objeto é lhe atribuir coordenadas mediante a um referencial. O desejo humano de saber onde estava, a localização em que se encontrava, sempre existiu, e foi um dos primeiros problemas que o ser humano tentou resolver. O ser humano sempre desejou saber a localização de onde estava depois do que estava ao seu redor, depois dos locais de comércio e outros interesses. Com as grandes navegações o interesse do ser humano em determinar a posição expandiu praticamente para o mundo todo, o domínio do posicionamento era necessário para saber ir e voltar de um local a outro. A navegação e determinação da posição eram feita através da orientação pelo Sol, planetas e estrelas, mas esse posicionamento dependia das habilidades do navegador e das condições climáticas. O surgimento da bússola, inventada pelos chineses, revolucionou a navegação, mas ainda existia um problema como determinar a posição de uma navegação em alto-mar? O astrolábio permitia apenas determinar a latitude. Muito tempo depois com o avanço tecnológico, surgiram sistemas de navegação como o Loran (Long-Range Navigation System), o Decca (Low frequency continuous wave phase comparison navigation) e o Omega (Global low frequency navigation system). Outro sistema desenvolvido, agora baseado em satélites artificiais, foi o NNSS (Navy Navigation Satellite System), também conhecido como Transit, cujas medidas eram baseadas no efeito Doppler (Seeber, 1993). Esse sistema foi muito utilizado no posicionamento geodésico apesar de não poder se obter posições com muita freqüência. A solução definitiva para o problema surgiu na década de 1970, nos Estados Unidos, com a proposta do NAVSTAR-GPS (Global Positioning System), sistema que revolucionou praticamente todas as atividades que dependiam da determinação de posições. Em paralelo e de forma independente, na antiga URSS, foi desenvolvido o GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System), um sistema muito similar ao NAVSTAR-GPS. No final da década de 1990, a Agência Espacial Européia propôs o desenvolvimento do Galileo (Monico, 2007).

20 18 Esses sistemas são chamados de GNSS (Global Navigation Satellite System), nome concebido em 1991 durante a X Conferência de Navegação Aérea. 3.2 Os sistemas GNSS Nesse tópico serão introduzidos os três principais sistemas de navegação existentes hoje no mundo. O GPS, o GLONASS e o Galileo. Além da introdução aos três sistemas este trabalho explicará mais detalhadamente o funcionamento do principal sistema em operação atualmente o GPS O sistema GPS O NAVSTAR-GPS, ou apenas GPS, como é mais comumente conhecido, é um sistema de radionavegação desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos DoD (Department of Defense), visando a ser o principal sistema de navegação das Forças Armadas norte-americanas. Esse sistema permite a determinação da posição, velocidade e tempo em qualquer ponto na superfície da Terra ou em proximidades, em relação a um sistema de referência apropriado centro de massa da Terra (Monico, 2000). O sistema GPS consiste em determinar o vetor posição da antena ligada ao receptor que recebe os sinais emitidos pelos satélites. Medindo a distância entre a antena e o satélite, e conhecendo as coordenadas do satélite é possível determinar relativamente as coordenadas da antena. Do ponto de vista geométrico seriam necessários apenas três satélites para determinar a posição tridimensional da antena, porém o sistema GPS também trabalha com a variável tempo e com isso um quarto satélite se faz necessário para determinar a posição da antena em relação aos satélites. A distância entre a antena e o satélite pode ser determinada medindo o tempo que o sinal demora do momento em que é emitido pelo satélite até ser captado pela antena, multiplicada pela velocidade da luz, ou pela medição da fase da onda portadora. A determinação do vetor posição dos satélites rastreados no instante t requer o conhecimento da dinâmica dos satélites contidos nas efemérides transmitidas, emitidas nos sinais dos satélites (Seeber, 1993).

21 19 O GPS permite que no mínimo quatro satélites estejam disponíveis para o usuário em qualquer lugar do mundo. O GPS consiste de três segmentos principais: Espacial, Controle e de Usuários. Enquanto o primeiro está associado com a constelação dos satélites e seus sinais, o de Controle monitora e faz a devida manutenção do sistema. O sistema de usuários do GPS é abrangente e continua a se ampliar (Monico, 2007) GLONASS Similar ao GPS, o GLONASS foi concebido para proporcionar posicionamento tridimensional e velocidade, bem como informações de tempo, sob quaisquer condições climáticas, em nível local, regional e global. Esse sistema também foi concebido no início da década de 1970, na antiga URSS, pelo Soviet Union s Scientific Production Association of Applied Mechanics, e atualmente é desenvolvido e operado pela Russian Federation Space Forces. Da mesma forma que o GPS, o GLONASS é um sistema militar, mas ocorreram várias declarações do governo russo oferecendo o sistema para uso civil. Da mesma forma que o GPS, o GLONASS é composto de três segmentos, sendo o segmento de usuários muito menor que o do GPS (Monico, 2007). 3.3 Posicionamento pelo GPS Segmentos do GPS Todo o sistema GPS é organizado em setores, denominados segmentos (Figura 3.1): o segmento espacial, composto pelos satélites que emitem os sinais; o controle, composto pelas estações de monitoramento terrestre; e o usuário, utilizando os receptores (Hofmann Wellenhof et al., 1944).

22 20 Figura 3.1 Segmentos GPS (Santos, 2005) Segmento Espacial O segmento espacial consiste de no mínimo 24 satélites distribuídos em seis planos orbitais igualmente espaçados, com quatro satélites em cada plano, em uma altitude aproximada de km. Os planos orbitais são inclinados 55 em relação ao Equador e o período orbital é de aproximadamente 12 horas siderais. Dessa forma, a posição dos satélites se repete, a cada dia, aproximadamente quatro minutos antes em relação ao dia anterior. Essa configuração garante que, no mínimo, quatro satélites GPS sejam visíveis em qualquer local da superfície terrestre, a qualquer hora (Monico, 2007). A figura 3.2 ilustra a distribuição dos satélites GPS em cada um dos planos orbitais. A função do segmento espacial é gerar e transmitir os sinais GPS, que são derivados da freqüência fundamental f₀ = 10,23 Mhz. Apresentando a seguinte estrutura: Ondas portadoras: L1 = 154 x f₀ =1575,42 Mhz ( λ = 19,0 cm) (3.1) L2 = 120 x f₀ =1227,60 Mhz ( λ = 24,4 cm) (3.2) com λ sendo o comprimento da onda.

23 21 Figura 3.2 Distribuição dos satélites na constelação final (Seeber, 1993). As freqüências são moduladas em dois tipos de código, C/A (Coarse / Acquisition) e P (Precision Code), assim como com a mensagem de navegação. Código C/A: f₀ / 10 = 1,023 Mhz (3.3) Código P: f₀ = 10,23 Mhz (3.4) A portadora L1 é modulada com os códigos C/A e P, enquanto a portadora L2 é apenas com o código P. Ambas as portadoras carregam a mensagem de navegação (Santos, 2005) Segmento de controle As principais tarefas do segmento de controle são: monitorar e controlar continuamente o sistema de satélites; determinar o sistema de tempo GPS; predizer as efemérides dos satélites, calcular as correções dos relógios dos satélites; e atualizar periodicamente as mensagens de navegação de cada satélite (Monico, 2007). O sistema de controle é composto por cinco estações monitoras. Três estações além de serem monitoras, são responsáveis pela transmissão de dados para os satélites, localizadas em Ascension Island, Diego Garcia e Kwajalein. A estação localizada em Colorado Springs é a estação de controle central (Master Control Station), e a estação do Hawaii é apenas estação monitora. O posicionamento de alta precisão requer efemérides mais precisas do que as transmitidas pelos satélites, o que tem levado diversos grupos a implantar redes de monitoramente contínuo dos satélites GPS com o objetivo de calcular as

24 22 efemérides precisas. Os resultados tornam-se disponíveis com no máximo dez dias após a coleta dos dados e são expressos em função da posição e da velocidade dos satélites em épocas eqüidistantes. Como exemplo podemos citar o National Geodetic Survey (NGS) e o Internations GNSS Service (IGS) (Santos, 2005) Segmento Usuário O segmento usuário está associado às aplicações do GPS. Refere-se a tudo que se relaciona com a comunidade usuária (receptores, algoritmos, softwares, etc.) com o objetivo de determinar a posição, velocidade e/ou o tempo (Santos, 2005). O GPS foi projetado e desenvolvido para a utilização militar na navegação. Porém atualmente é muito utilizado pela comunidade civil. Pode ser utilizado desde estudos geodésicos e topográficos até para lazer. O uso do GPS só cresce, sendo utilizado para otimizar processos de agricultura, orientação de veículos no trânsito, estudos de geodinâmica, navegação em trilhas, etc. Existem no mercado vários tipos de receptores. Os mais precisos que recebem os sinais das duas portadoras que são utilizados para fins geodésicos e topográficos, receptores precisos que recebem apenas sinais da portadora L1 para fins topográficos e de navegação de precisão, e navegadores que trabalham apenas com o código C/A que são utilizados em carros, navegação em trilhas, e podem estar acoplados a relógios, celulares e outros aparelhos eletrônicos Observações GPS Nos posicionamentos por GPS são utilizados dois tipos de observações fundamentais: a pseudodistância a partir do código e a fase da onda portadora (Leick, 1990). O código atualmente é utilizado em levantamentos menos precisos. Quando se deseja a determinação de coordenadas com alta precisão é utilizada a fase da onda portadora. A observação básica do GPS é o tempo que o sinal leva para se propagar do satélite ao centro de fase da antena do receptor. O tempo de propagação observado, multiplicado pela velocidade da luz no vácuo, fornece a observação conhecida como pseudodistância. Esta observação é denominada pseudodistância em razão de não haver um perfeito sincronismo entre os relógios do satélite e do

25 23 receptor. A medição tempo é realizada utilizando-se os códigos P e/ou C/A. Para rastrear um código, o receptor gera uma cópia deste código e compara com o código recebido, utilizando a técnica de correlação cruzada (Seeber, 1993). Após retirar todos os códigos do sinal recebido, o receptor reconstrói a onda portadora e pode medir a fase da portadora, a qual é uma observação mais precisa do que o tempo de propagação. A observação da fase da onda portadora, analogamente àquelas obtidas a partir do código, também fornece indiretamente a medida da distância satélite receptor. Entretanto, o que se mede é a diferença de fase entre o sinal que chega do satélite e o gerado pelo oscilador do receptor. Neste caso, existe uma incógnita adicional na observação da distância, denominada ambigüidade, número inteiro de ciclos que a onda levou para chegar ao receptor no início do período de rastreamento (Rodrigues, 2002) Fontes de erros do GPS Todo processo de medição está sujeito a três tipos de erros: grosseiro, sistemático e aleatório. Os erros grosseiros são aqueles cometidos pela má utilização do sistema, equipamentos com defeito, operador com pouco conhecimento. Os erros aleatórios são os erros inerentes a qualquer processo de medição com equipamentos, e esses erros são tratados estatisticamente. Finalmente os erros sistemáticos são os erros inerentes ao sistema, e se conhecidos podem ser reduzidos ou até eliminados, esses são os erros mais importante de serem conhecidos quando se faz um rastreio GPS, pois podem ser eliminados ou reduzidos utilizando técnicas apropriadas de observação. Na tabela 3.1 é apresentada uma subdivisão das fontes de erros e seus efeitos. Além dos erros contidos na tabela existem os erros relacionados à geometria do satélite. Para a adequada compreensão da metodologia aplicada neste trabalho, assim como a análise dos resultados alcançados, é necessário conhecer algumas fontes de erros e a forma de reduzir ou eliminá-los (Santos, 2005). A seguir será realizada uma breve apresentação dos principais erros sistemáticos do GPS.

26 24 Fontes de Erro Satélite Propagação do sinal Receptor/Antena Erros Erro da órbita Erro do Relógio Relatividade Atraso entre as duas portadoras no hardware do satélite Centro de fase da antena do satélite Fase wind-up Refração troposférica Refração ionosférica Perdas de ciclo Multicaminho ou sinais refletidos Rotação da Terra Erro do relógio Erro entre os canais Centro de fase da antena do receptor Atraso entre as duas portadoras no hardware do receptor Fase wind-up Estação (alguns erros são, Erro nas coordenadas na realidade, efeitos Multicaminho ou sinais refletidos geodinâmicos que devem ser Marés terrestres corrigidos.) Movimento do pólo Carga oceânica Pressão da atmosfera Tabela 3.1 Fontes e efeitos de erros envolvidos no GNSS (Monico, 2007) Geometria dos satélites O número de satélites e sua configuração no espaço permitem que em qualquer lugar da superfície terrestre existam no mínimo quatro satélites visíveis, porém nem sempre a configuração geométrica desses satélites é favorável a realização do rastreio. Quanto mais esparsos estiverem os satélites, mais favorável é a realização do rastreio, e quanto mais perto ou numa mesma região do espaço estiverem os satélites, menos favorável é para a realização do rastreio. O sistema GPS não consegue evitar a imprecisão causada pela geometria dos satélites, porém existem técnicas que permitem diminuir esse erro. A estratégia mais utilizada é realizar o rastreio nos horários em que o valor do DOP (Diluition of Precision) estiver baixo. O fator DOP é um escalar que descreve o efeito da

27 25 distribuição geométrica dos satélites na precisão obtida no posicionamento (Santos, 2005). Figura 3.3 Geometria dos Satélites (Santos, 2005). Existem alguns fatores derivados do fator DOP, o HDOP para o posicionamento horizontal, O VDOP para o posicionamento vertical, o PDOP para o posicionamento tridimensional e o TDOP para o tempo. Quanto menor for o valor desses fatores melhor é a configuração geométrica dos satélites para realizar o rastreio Erros orbitais Informações orbitais podem ser obtidas a partir das efemérides transmitidas pelos satélites ou das pós-processadas, denominadas efemérides precisas. Atualmente, é possível adotar também as efemérides preditas pelo IGS. As coordenadas dos satélites calculadas a partir das efemérides são, em geral, injuncionadas como fixas durante o processo de ajustamento dos dados dos satélites. Assim sendo, erros nas coordenadas do satélite se propagarão para a posição do usuário. No posicionamento por ponto, os erros serão propagados quase diretamente para a posição do usuário. Já no posicionamento relativo, os erros orbitais são praticamente eliminados. Mas erros remanescentes degradam a exatidão (acurácia) das componentes da linha-base, à medida que esta se torna mais longa (Monico, 2007).

28 26 A tabela 3.2 apresenta os erros inerentes a órbita dos satélites resultantes do processamento de linhas de bases com comprimento variando entre 10 e 5000 Km. Efemérides Erro orbital (m) Comprimento da base (km) Erro na base (cm) Acurácia relativa (ppm) Transmitidas ,05 0, , Transmitidas ,1 0, Preditas (IGU) ,05 0, , Precisa (IGS) 0,1 10 0,005 0, ,05 0,5 2,5 Tabela 3.2 Efeito dos erros orbitais nas linhas-base (Monico, 2007) Refração troposférica Os sinais provenientes dos satélites propagam-se através da atmosfera dinâmica, atravessando camadas de diferentes naturezas e estados variáveis. Assim sendo, sofrem diferentes tipos de influências que provocam variações na direção da propagação, na velocidade de propagação, na polarização e na potência do sinal (Seeber, 2003). A troposfera estende-se da superfície terrestre até aproximadamente 50 km, e comporta-se, para freqüências abaixo de 30 Ghz, como um meio não dispersivo, isto é, a refração independe da freqüência do sinal transmitido, dependendo apenas das propriedades termodinâmicas do ar (Monico, 2007). A refração troposférica depende da densidade da atmosfera. Esta, por sua vez, é muito sensível à quantidade de vapor d água existente. Por isso ao calcular índices de refração para a troposfera, costuma-se separar duas componentes da troposfera uma seca e outra úmida (Gemael Andrade, 2004). O efeito da troposfera pode variar de poucos metros até aproximadamente 30 m, dependendo da densidade da atmosfera e do ângulo de elevação do satélite (Monico, 2007). A figura 3.4 mostra o comportamento aproximado da refração

29 27 troposférica em relação ao ângulo de elevação do satélite e se a componente gasosa da troposfera é seca ou úmida. Figura 3.4 Refração Troposférica (Monico, 2007). Mais informações sobre os efeitos da refração troposférica e modelos matemáticos de correção podem ser encontradas em Monico, Refração Ionosférica Assim como a troposfera a ionosfera causa refrações no sinal emitido pelos satélites. A ionosfera abrange aproximadamente a região que vai de 50 até 1000 km acima da superfície terrestre. A refração ionosférica depende da freqüência e, conseqüentemente, do índice de refração. O efeito da refração é proporcional ao TEC (Total Electron Contents Conteúdo Total de Elétrons), ou seja, ao número de elétrons presentes ao longo do caminho percorrido pelo sinal entre o satélite e o receptor (densidade de elétrons). O problema principal é que o TEC varia no tempo e no espaço, em razão das variações da radiação solar, da localização e do campo geomagnético, entre outras anomalias e irregularidades, como a anomalia equatorial e a cintilação ionosférica (Monico, 2007). A ionosfera sofre variações temporais diurnas, sazonais e ciclos de longos períodos. As estações do ano também influenciam na variação da densidade de elétrons. A localização geográfica também tem uma forte influência na variação de densidade de elétrons na ionosfera. Ela se altera com a latitude e as regiões equatoriais possuem um alto nível de densidade de elétrons, as latitudes médias são consideradas livres de anomalias ionosféricas e as regiões polares não são muito

30 28 previsíveis. A figura 3.5 ilustra as regiões da ionosfera e a tabela 3.3 mostra como a ionosfera afeta a propagação em diferentes freqüências. Figura 3.5 Regiões da ionosfera (Monico, 2007). Uma freqüência 400 MHz 1600 MHz 2000 MHz 8000 MHz Efeito médio 50 m 3 m 2 m 0,12 m 90% < do que 250 m 15 m 10 m 0,6 m Efeito máximo 500 m 30 m 20 m 1,2 m Duas freqüências 150/400 MHz 400/2000 MHz 1227/1572 MHz 2000/8000 MHz Efeito médio 0,6 m 0,9 cm 0,3 cm 0,04 cm 90% < do que 10 m 6,6 cm 1,7 cm 0,21 cm Efeito máximo 36 m 22 cm 4,5 cm 0,43 cm Tabela 3.3 Efeitos médios do atraso de propagação provocado pela ionosfera (Monico, 2007). Mais informações sobre os efeitos da refração ionosférica e modelos matemáticos de correção podem ser encontradas em Monico, Multicaminho O multicaminho (ou reflexão dos sinais) ocorre quando o sinal GPS chega a antena percorrendo dois ou mais caminhos diferentes. O sinal pode chegar diretamente na antena ou refletido em superfícies próximas ao receptor, como prédios, o solo ou superfícies d água. Pode também ocorrer reflexão do sinal na superfície do próprio satélite. O multicaminho causa

31 29 interferências no receptor, prejudicando a qualidade do sinal. O sinal de multicaminho está sempre atrasado em comparação com o sinal direto, pois percorre um caminho maior (Gemael Andrade, 2004). A figura 3.6 ilustra o multicaminho. Figura 3.6 Multicaminho (Santos, 2005). Alguns procedimentos podem ser adotados com a finalidade de reduzir ou evitar os efeitos causados pelo multicaminho, como realizar rastreio em locais livres de obstruções e utilizar antenas especiais capazes de minimizar o multicaminho, como as antenas choke ring e pinwheel Perdas de ciclo Quando um receptor é ligado, a parte fracionária da fase de batimento da onda portadora, isto é, a diferença entre a portadora recebida do satélite e sua réplica gerada no receptor é medida e um contador de ciclos inteiros é inicializado. O número de ciclos inteiros entre o satélite e o receptor é desconhecido no início do levantamento. Esse número de ciclos inteiros é denominado ambigüidade. Se não ocorrer interrupção da contagem no número inteiro de ciclos durante o período de

32 30 observação, ele permanece constante durante todo o período de rastreio (Monico, 2007). Nas sessões de observação, as medidas da fase da onda portadora são geralmente contínuas. A ocorrência de uma descontinuidade gera uma perda de ciclos (Figura 3.7). As perdas de ciclo resultam de bloqueio do sinal, aceleração da antena, variações bruscas na atmosfera e problemas com o receptor. Quando ocorre uma perda de ciclos, a contagem do número inteiro de ciclos sofre um salto, permanecendo correta somente sua parte fracionária (Santos, 2005). Figura 3.7 Perda de ciclos (Monico,2007). A ocorrência de perda de ciclos dificulta a solução de ambigüidades. Existem várias técnicas desenvolvidas para solucionar este problema, uma delas é introduzir uma nova ambigüidade como incógnita no modelo de ajustamento (Rodrigues, 2002) Erro do relógio do receptor O centro de fase eletrônico da antena é o ponto virtual onde as medidas dos sinais são referenciadas, e em geral não coincide com o centro mecânico da antena. Como o centro de fase não pode ser acessado diretamente por medidas, por exemplo, usando uma trena, torna-se necessário conhecer relação entre o centro de fase e um ponto de referencia na antena que seja acessível às medidas. Em

33 31 geral, esse ponto de referência é denominado ARP (Antenna Reference Point Ponto de Referência da Antena). Por meio do ARP pode-se relacionar a posição denominada com o GNSS e a marca de referência em um monumento geodésico (Monico, 2007). O centro de fase, porém não é estável, variando com a intensidade e direção dos sinais e é diferente para cada portadora. O IGS disponibiliza em seu portal um arquivo atualizado que contém as informações do centro de fase de todas as antenas. A figura 3.8 mostra os centros de fase para as duas portadoras, o centro mecânico e o ARP. Figura 3.8 Centros de fase e suas respectivas variações (Monico, 2007) Erros e correções relacionados com a estação Além dos possíveis erros presentes nas coordenadas da estação-base, sobretudo no caso em que elas são fixadas no processamento, outras variações, resultantes de fenômenos geofísicos que tenham ocorrido durante o período de coleta das observações, podem afetar as coordenadas das estações envolvidas no levantamento. É importante frisar que muitos deles não são especificamente erros, mas correções que devem ser aplicadas às coordenadas das estações, ou às medidas, sempre que se busca alta precisão. Entre eles se incluem os efeitos de marés terrestres, carga dos oceanos e carga da atmosfera (Monico, 2007). Mais informações sobre erros e correções podem ser obtidas em Monico, 2007.

34 Métodos de posicionamento GNSS O posicionamento consiste na determinação da posição de objetos, estáticos ou móveis, e assim são classificados respectivamente em levantamentos estáticos e levantamentos cinemáticos. Quando o posicionamento é realizado diretamente em relação ao geocentro o levantamento é denominado absoluto, e quando estão relacionados a um referencial materializado por um ou mais vértices com coordenadas conhecidas o levantamento é denominado relativo. Portanto podemos ter levantamentos: estático absoluto; estático relativo; cinemático absoluto; e cinemático relativo. Também existe o método denominado DGPS (Differential GPS), muito utilizado na navegação, podendo ter levantamento estático DGPS e levantamento cinemático DGPS Posicionamento Absoluto O posicionamento absoluto (Figura 3.9), também denominado posicionamento por ponto, apenas um receptor é utilizado e caso sejam utilizadas as efemérides transmitidas a posição do ponto é determinada diretamente em relação ao referencial vinculado ao sistema que está sendo usado. O referencial utilizado pelo GPS é o WGS 84 e do GLONASS é o PZ90, utilizando apenas a pseudodistância, derivada do código C/A presente na portadora L1. Esse tipo de posicionamento apresenta uma exatidão considerada ruim, sendo utilizada apenas em navegação de baixa precisão e em levantamentos expeditos. Porém podem-se empregar efemérides precisas e as correções dos relógios, com dados da fase da onda portadora, tendo então o denominado posicionamento por ponto preciso (PPP), que apresenta exatidão melhor, podendo ser utilizado para levantamentos de alta precisão. Nesse caso o referencial vinculado ao posicionamento é aquele das efemérides precisas, que atualmente é o ITRF2005, mais informações sobre os sistemas de referência podem ser obtidas em Monico, 2007 e Gemael Andrade 2004.

35 33 Figura 3.9 Posicionamento absolto (Santos, 2005) Posicionamento por ponto preciso (PPP) O posicionamento por ponto preciso (PPP) é o posicionamento utilizando as observáveis pseudodistância ou fase da onda portadora, ou ambas, coletadas por receptores de simples ou dupla freqüência, com efemérides precisas e correção do relógio. Esse método apresenta potencialidade em aplicações que exigem alta exatidão, como geodinâmica, sendo vantajoso comparado com o processamento de redes GNSS, em que é exigido um grande esforço computacional. O PPP é apresentado neste trabalho, pois por ser um serviço de processamento online, disponibilizado pelo IBGE em seu portal na internet, o IBGE- PPP é uma ferramenta importante para o processamento de dados GNSS, ajudando muito num processamento rápido para a avaliação dos dados coletados em campo e se esses dados estão bons para poderem ser utilizados para a homologação. Com a introdução das órbitas IGS na forma ultra-rápida (IGU), aplicações de PPP em tempo real passaram a ser vislumbradas. O PPP requer fundamentalmente o uso de efemérides precisas e correções dos relógios dos satélites, ambos com alta precisão. Em conseqüência, esses parâmetros devem ser disponibilizados aos usuários pode alguma fonte

36 34 independente. Atualmente, o IGS produz correções para o relógio dos satélites e três tipos de efemérides: IGS, disponível com latência de 13 dias e exatidão melhor que 5 cm em posição e 0,1 ns para as correções dos relógios dos satélites; IGR, disponível com uma latência de 17 horas e com nível de qualidade similar as efemérides IGS; e IGU, composta de uma parte determinada com base em observações e outra predita. A primeira apresenta latência de 3 horas e a segunda fica disponível em tempo real. A exatidão na primeira parte da IGU é da ordem de 5 cm em posição e 0,2 ns nas correções dos relógios, enquanto a parte predita tem exatidão da ordem de 10 cm e de 5 ns nas correções dos relógios (Monico, 2007) Posicionamento relativo No posicionamento relativo (Figura 3.10) o posicionamento de um ponto é determinado em relação a uma ou mais estações de referência com coordenadas conhecidas. Neste posicionamento um receptor é instalado na estação de referência que possui coordenadas conhecidas e outro receptor no ponto onde se deseja realizar o posicionamento, assim é determinada a diferença de coordenadas entre eles, e como a coordenada do receptor da estação de referência possui coordenadas conhecidas, a diferença de coordenadas observada entre os receptores pode passar por um processo de ajustamento. Figura 3.10 Posicionamento relativo (Santos, 2005)

37 35 O posicionamento relativo possui exatidão melhor do que o absoluto por reduzir os efeitos de erros sistemáticos. Quanto menor a distância entre as estações, maior a precisão dos resultados (Santos, 2005). Para realizar os posicionamentos relativos são necessários o mínimo de dois receptores GNSS, porém com o advento dos chamados Sistemas de Controle Ativo (SCA), como por exemplo a Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo (RBMC) que é mantida pelo IBGE e parceiros, o posicionamento poderá ser realizado com apenas um receptor, utilizando as informações das estações de uma SCA como referência. Os posicionamentos relativos podem ser realizados utilizando-se uma das seguintes observáveis: pseudodistância; fase da onda portadora; e fase da onda portadora e pseudodistância. Os posicionamentos relativos também podem ser classificados em relativo estático, estático rápido, semicinemático e cinemático. Como este trabalho aborda a questão de homologação de marcos geodésico, será abordado apenas o posicionamento relativo estático. Mais informações sobre os outros tipo de posicionamento relativo podem ser encontradas em Monico, A observável normalmente adotada no posicionamento relativo estático é a fase de batimento da onda portadora. Nesse tipo de posicionamento, dois ou mais receptores rastreiam, simultaneamente, os satélites visíveis por um período de tempo que pode variar de dezenas de minutos (20 minutos no mínimo) até algumas horas. Como no posicionamento relativo estático o período de ocupação das estações é relativamente longo, apenas as diferenças de fase da onda portadora são incluídas como observáveis. Como a precisão da fase da onda portadora é muito superior à da pseudodistância, a participação desta última não melhora os resultados de forma significativa. Mesmo assim, as pseudodistâncias devem estar disponíveis, pois elas são empregadas no pré-processamento para estimar o erro do relógio do receptor, ou calcular o instante aproximado de transmissão do sinal pelo satélite. Trata-se de método muito adotado em posicionamento geodésico, em particular em softwares comerciais.

38 Aspectos práticos GNSS Em levantamentos GNSS deve-se sempre considerar alguns aspectos práticos: planejamento, coleta e processamento dos dados Planejamento, reconhecimento e monumentação No planejamento de levantamentos GNSS, como em qualquer método de posicionamento convencional, é essencial ter à disposição a documentação cartográfica, fotos aéreas e outros elementos afins mais recentes da região de trabalho (Monico, 2007). O planejamento dos levantamentos leva em conta a escolha da localização dos pontos a serem rastreados, de modo que estes locais devem ser de fácil acesso, sem obstruções como prédios, árvores, linhas de transmissão, etc. Além da escolha da localização, devem-se definir os equipamentos e métodos a serem utilizados de acordo com a precisão exigida e finalidade do levantamento. Também deve-se verificar a disponibilidade de satélites e o DOP para definir o melhor momento para realizar as sessões, além de definir o tempo de duração das sessões e o intervalo de coleta de dados. Na fase de planejamento também é essencial ter a disposição as normas estabelecidas para os levantamentos geodésicos. No caso do Brasil, as normas preliminares foram estabelecidas pelo IBGE (Monico, 2007). Em levantamentos relativos estáticos, também se deve consultar o relatório de recomendações para levantamentos relativos estáticos GPS (IBGE, 2008). O reconhecimento também é uma fase muito importante nos levantamentos de precisão geodésica e topográfica, como naqueles destinados ao SIG. Para todas as técnicas de posicionamento aplicáveis devem ser verificadas as condições locais para que sejam identificados objetos que possam obstruir sinais, produzir multicaminho, etc. Durante essa fase, todas as informações essenciais devem ser registradas em uma folha de reconhecimento, a saber: nome da estação, código de identificação, descrição da localização, coordenadas aproximadas, acesso (carro, estrada), diagrama de obstruções (Monico, 2007). Alguns tipos de levantamento requerem que após o planejamento e o reconhecimento seja estabelecida a monumentação. Um monumento pode ser

39 37 materializado por uma chapa de bronze ou aço que é fixada na própria rocha, calçada, ou em um pilar de concreto. Algumas aplicações exigem centragem forçada. O IBGE apresenta um documento em que consta a padronização de marcos geodésicos (IBGE, 2006; Monico, 2007) Coleta e análise preliminar dos dados Durante a coleta de dados o operador deve ser capaz de executar todas as operações, como a montagem e a centragem do tripé, medição da altura e orientação da antena, operação do receptor e coleta de atributos. Um cuidado especial deve ser tomado com a leitura e o registro da antena, caso não sejam mantidos durante o levantamento. Esse é um tipo de erro bastante comum nos levantamentos GNSS, que poderá não ser detectado, caso a estratégia de observação não considere aspectos de confiabilidade referentes a ele (Monico, 2007) Processamento dos dados As atividades que envolvem o processamento dos dados coletados são tão importantes quanto as descritas anteriormente. Elas incluem, em especial, a análise da qualidade dos resultados obtidos, o que também requer um engenheiro ou técnico com conhecimento apropriado para realizar esta tarefa (Monico, 2007). No processamento de dados, algumas fontes de erros das observações podem ser eliminadas por técnicas adequadas, aproveitando o fato de haver, em determinadas situações, correlação entre diferentes fontes de erros. Essas técnicas consistem, basicamente, em combinar as fases das portadoras L1 e L2, observadas em uma mesma estação, e combinar observações de uma mesma portadora emitida por diferentes satélites, feita simultaneamente em diferentes estações (Rodrigues, 2002). O posicionamento relativo reduz os efeitos de alguns erros sistemáticos, os quais ocorrem nas estações de referência e móvel, por meio da correlação entre as fontes de erros. Com o uso da fase da portadora, as observações podem ser combinadas linearmente, dando origem às seguintes observações derivadas:

40 38 simples diferença, dupla diferença e tripla diferença de fase (Hofmann Wellenhof et al., 1994). Para realizar o processamento deve-se fazer a transferência dos dados do receptor para o disco rígido do computador, se utilizadas estações ativas no levantamento, deve-se obter os dados desta, e no caso de utilização de órbitas precisas e outros arquivos de correções, como por exemplo, de refração ionosférica e troposférica, os arquivos devem ser obtidos. A realização do processamento depende essencialmente do método adotado. No caso de receptores de diferentes fabricantes, todos os arquivos de observação devem ser convertidos para o formato RINEX (Receiver Independent Exchange Format). O processamento pode ser realizado por softwares comerciais, científicos ou em serviços PPP online. O software deve ser escolhido de modo a atender a precisão exigida para o levantamento, e cada software tem suas particularidades, por isso devem ser operados por engenheiros ou técnicos experientes Ajustamento de dados GNSS O ajustamento de observações tem como objetivo avaliar a qualidade dos vetores resultantes do processamento de dados (observações): eliminar aqueles com possíveis erros grosseiros; estimar um valor único para cada coordenada das antenas dos receptores; e avaliar a precisão de cada coordenada resultante (Santos, 2005). A estimativa dos parâmetros incógnitos com dados resultantes é geralmente baseada no Método dos Mínimos Quadrados (MMQ). O ajustamento de observações pelo MMQ pode ser efetuado usando-se o método das equações de observação (paramétrico), o das equações de condição (condicionado) ou o combinado. Em geral, no processamento de dados GNSS, o método adotado é o das equações de observação, quer em lote, quer recursivamente (Monico, 2007). Após o ajustamento da rede, os resultados são testados sobre a existência de erros grosseiros. A detecção e eliminação destes erros é um procedimento necessário para avaliar a qualidade do ajustamento (Santos, 2005). Os testes realizados são testes estatísticos que avaliam os resultados do ajustamento.

41 O Sistema Geodésico Brasileiro (SGB): histórico, configuração e importância Em qualquer atividade de posicionamento geodésico, em especial nas de natureza espacial, é de fundamental importância que a definição e a realização dos sistemas de referência celeste e terrestre sejam apropriadas, precisas e consistentes. A definição e a realização são imprescindíveis para modelar as observáveis, descrever as órbitas dos satélites, representar, interpretar e, quando necessário, transformar os resultados (Monico, 2007). A definição de um sistema de referência, para o caso de um referencial terrestre, nada mais é que uma lista de coordenadas e velocidades dos objetos (estações) que compõem o sistema, também denominada conjunto de coordenadas de referência ou rede. As informações sobre a qualidade dessas coordenadas e velocidades também fazem parte da realização, bem como os objetos e a descrição destes (Monico, 2007). A definição, implantação e manutenção do SGB são de responsabilidade do IBGE, e as componentes principais do SGB são as redes planimétrica, altimétrica e gravimétrica. O desenvolvimento do SGB desenvolve-se tendo como objetivo contribuir para a solução do problema geodésico sem, contudo, se descuidar dos aspectos aplicados, em que a preocupação maior é a referência para as atividades cartográficas. Os pontos geodésicos, subsidiariamente, suprem a comunidade técnica nacional das informações necessárias à condução dos assuntos públicos, principalmente as que permitem apoiar as grandes obras de engenharia tais como: sistema de comunicação; transmissão de energia; barramentos para geração de energia ou abastecimento de água e titulação de propriedades, dentre outras não menos importantes (IBGE, 1983). O SGB é muito importante para a Cartografia e para a Engenharia no desenvolvimento nacional, por isso sua definição, manutenção e ampliação são importantes, e conhecer a história da definição do SGB, a sua atual configuração e a sua importância é essencial.

42 40 Neste trabalho o SGB é estudado apenas no âmbito da rede planimétrica, portanto serão apresentados o histórico, a configuração atual e a importância da rede planimétrica do SGB Um breve histórico da rede planimétrica do SGB A rede planimétrica, começou a ser implantada em Nessa época, iniciava-se o estabelecimento sistemático do SGB que se deu através da materialização de um conjunto de pontos (pilares, marcos ou chapas) situados sobre a superfície terrestre onde eram obtidos latitude e longitude através do método de triangulação e a densificação pelo método de poligonação. Tais métodos, denominados de clássicos, foram aplicados até meados da década de 90 e os equipamentos utilizados eram os teodolitos e medidores eletrônicos de distância (Silva, Lima & Costa, 2008). Concomitantemente na década de 70, iniciam-se as operações de rastreio de satélites artificiais do sistema Navy Navigation Satellite System (NNSS) da marinha americana, também conhecida por sistema TRANSIT (Monico, 2007). Esse sistema foi muito utilizado no estabelecimento de estações geodésicas na Amazônia, devido à dificuldade de se realizar levantamentos clássicos na região amazônica. Com o desenvolvimento das tecnologias de posicionamento por satélites artificiais, o IBGE através do Departamento de Geodésia passou a utilizar desde 1991 o Sistema de Posicionamento Global (GPS), ao adquirir quatro receptores, abandonando assim, a determinação das coordenadas planimétricas das estações geodésicas pelos métodos clássicos (Costa Lima, 2005). Dentro desse conceito de utilização de GPS para a determinação das coordenadas planimétricas das estações geodésicas surgiram às redes estaduais GPS. As redes estaduais GPS procuram suprir as demandas atuais da sociedade, que são cada vez mais ampliadas devido à utilização das técnicas de posicionamento por satélites artificiais. Uma rede estadual GPS consiste em uma estrutura geodésica composta por marco de concreto tipo pilar nos quais são cravados dispositivos de centragem forçada no seu topo, e são distribuídos de forma homogênea, visando atender boa parte dos trabalhos de georeferenciamento nos estados (Silva, Lima & Costa, 2008).

43 41 A operacionalização da RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo do Sistema GPS) em 1996 implantou o conceito de redes ativas através do monitoramento (rastreio) contínuo de satélites do Sistema GPS. Diariamente todos os dados coletados nas estações da RBMC são transferidos automaticamente e disponibilizados aos usuários em formato RINEX Configuração atual do SGB Como foi visto anteriormente a rede planimétrica do SGB é composta de estações da rede clássica, estações de posicionamento por satélites artificiais (estações SAT), as estações das redes estaduais GPS e as estações da RBMC. A rede composta pelos pontos SAT e da rede clássica (figura 3.11) é responsável pela parte mais densa de pontos da rede planimétrica do SGB. As estações das redes estaduais GPS (figura 3.12) são compostas por estrutura geodésica que garante mais confiabilidade no levantamento, e as estações da RBMC (figura 3.13) além de fazerem parte do SGB e servirem como base de dados para levantamentos GNSS relativo, também fazem parte da rede SIRGAS-CON, para a manutenção do sistema de referência para as Américas (SIRGAS). O IBGE mantém em sua homepage informações atualizadas de todas essas estações componentes da rede planimétrica do SGB.

44 42 Figura 3.11 Configuração da rede planimétrica de estações clássicas e SAT do SGB em abril de 2011 (IBGE).

45 43 Figura 3.12 Redes estaduais GPS em abril de 2011 (IBGE) Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo (RBMC) A Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo do Sistema GPS (RBMC) (figura 3.13), desde sua implantação em dezembro de 1996, tem sido de extrema importância para a manutenção e a atualização da estrutura geodésica no país, além de ser a primeira rede estabelecida na América do Sul (Fortes et al., 2007). À partir de fevereiro de 2005, com a adoção do novo Sistema de Referência Geodésico, SIRGAS2000, totalmente compatível com a tecnologia GNSS, a RBMC passou a proporcionar aos usuários um elo direto ao Sistema Geodésico Brasileiro SGB, tornando-se a principal ligação com as redes geodésicas internacionais. Isto

46 44 se deve ao fato de 14 estações da RBMC terem feito parte da campanha do SIRGAS2000. Além disso, seu papel torna-se cada vez mais relevante, devido a crescente utilização das técnicas de posicionamento baseadas nos Sistemas Globais de Satélite de Navegação (GNSS) (Fortes et al., 2007). Nas aplicações geodésicas e topográficas do GPS está implícita a utilização do método relativo, isto é, ao menos uma estação de coordenadas conhecidas é também ocupada simultaneamente à ocupação dos pontos desejados. Antes da RBMC, o usuário interessado em obter, com GPS, as coordenadas geodésicas de um ponto qualquer em território nacional era obrigado a trabalhar com dois receptores, ocupando o ponto de seu interesse e um marco do Sistema Geodésico Brasileiro (SGB) próximo (IBGE, 2011). As estações da RBMC desempenham justamente o papel do ponto de coordenadas conhecidas, eliminando a necessidade de que o usuário imobilize um receptor em um ponto que, muitas vezes, oferece grandes dificuldades de acesso. Além disso, os receptores que equipam as estações da RBMC são de alto desempenho, proporcionando observações de grande qualidade e confiabilidade (IBGE, 2011). Com essa função de desempenhar o ponto de coordenadas conhecidas, o serviço de homologação de marcos geodésicos do IBGE se apóia na estrutura da RBMC para utilizar as estações da RBMC para o pós-processamento e ajustamento dos dados GNSS das estações a serem homologadas tomando as estações da RBMC como estações de coordenadas conhecidas. Para isso leva-se em conta que cada estação da RBMC atende um raio de 400 km para pós-processamentos realizados com sistemas computacionais de pósprocessamento GNSS científicos que processam bases longas. Enquanto sistemas computacionais de pós-processamento GNSS comerciais atendem o processamento de estações com linhas de base de 100 km. A figura 3.14 mostra a configuração atual da RBMC e sua zona de abrangência para um raio de 100 km e a figura 3.15 para um raio de 400 km.

47 Figura 3.13 Configuração da RBMC em 2010 (IBGE). 45

48 46 Figura 3.14 Área de abrangência com buffer de 100 km a partir de cada estação da RBMC (IBGE, 2010).

49 47 Figura 3.15 Área de abrangência com buffer de 400 km a partir de cada estação da RBMC (IBGE, 2010).

50 Importância do SGB Como foi visto anteriormente a determinação de um sistema de referência é importante não só para a Cartografia e a Geodésia, mas também para poder referenciar todos os trabalhos de engenharia e trabalhos de áreas correlatas que utilizam a cartografia e o posicionamento e navegação como ferramenta. A monumentação dos pontos geodésicos se faz importante por possibilitar o uso daquele ponto para outros levantamentos posteriores, por isso é possível homologar estações geodésicas planimétricas junto ao IBGE, seguindo a Norma de Serviço Padronização de Marcos Geodésicos (IBGE, 2008). A implantação das redes estaduais, por exemplo, vem a contribuir para a elaboração dos seguintes trabalhos: Confecção de mapas e cartas; Referência para obras de engenharia tais como: construção e pavimentação de rodovias e estradas, construção de pontes, viadutos e túneis; Demarcação de unidades estaduais, unidades municipais, áreas indígenas, áreas de proteção ambiental; Regularização fundiária; Transmissão de energia; Abastecimento de água, etc. ( 2011).

51 49 4. Localização Geográfica e Aspectos do Ambiente Físico O local escolhido para realizar a implantação do marco foi o Centro de Estudos Ambientais e Desenvolvimento Sustentável (CEADS) da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ), na Vila de Dois Rios, Ilha Grande no município de Angra dos Reis, estado do Rio de Janeiro. O local foi escolhido pelas facilidades oferecidas pela UERJ através do CEADS e pela necessidade de se ter uma referência geodésica planimétrica na Ilha Grande. A Ilha Grande (Figura 4.1) está localizada ao sul do estado do Rio de Janeiro, município de Angra dos Reis, Latitude S: Entre 23º05` e 23º14' - Longitude W: Entre 44º05' e 44º23 e área de 193 km². A topografia da ilha é montanhosa, oscilando do nível do mar até altitudes de 1031 m no Pico da Pedra d água e 982 m no Pico do Papagaio. Predomina na área o relevo com dissecação extremamente forte e muito forte, constituída de cristais de topos aguçados, morros, pontões e escarpas. Toda a Ilha Grande está contida na Área de Proteção Ambiental dos Tamoios (APA dos TAMOIOS) constituindo-se na Reserva Biológica da Ilha Grande (Decreto nº de ), que é controlada pelo Instituto Estadual do Ambiente (INEA). A Reserva Biológica da Ilha Grande é subdividida em três áreas mais específicas, com o objetivo de preservar integralmente as espécies de fauna e flora raras, ameaçadas de extinção ( PEIG = Parque Estadual da Ilha Grande PEMA = Parque Estadual Marinho do Aventureiro RBPS = Reserva Biológica Estadual da Praia de Sul Figura 4.1 Ilha Grande ( junho de 2011)

52 Parque Estadual da Ilha Grande (PEIG) O Parque Estadual da Ilha Grande é o segundo maior parque insular do Brasil e abrange mais da metade da Ilha Grande, na Costa Verde, litoral sul fluminense. A importância do seu ecossistema fez com que fosse reconhecida pela UNESCO como parte da Reserva da Biosfera da Mata Atlântica, em O PEIG foi criado em 1971 com 15 mil hectares, viu-se reduzido para hectares em 1978, e assim permaneceu até janeiro de Em fevereiro de 2007, através do Decreto Estadual /2007, a área do parque foi ampliada para hectares (120,52 km2), quando então passou a abranger 62,5% da superfície da Ilha. Em 2007, além da ampliação dos limites, foi planejada uma série de iniciativas para fortalecer a implantação e operação do PEIG. O Projeto de Proteção à Mata Atlântica PPMA/RJ, com recursos do banco alemão KFW, vêm apoiando a gestão do parque em diversas iniciativas, a empresa TERMORIO/PETROBRAS vem aportando recursos de compensação ambiental e o Instituto Ambiental Vale implantou o Projeto de Restauração Ecossistêmica. Neste mesmo ano, a Ilha Grande foi eleita uma das Sete Maravilhas do Estado do Rio de Janeiro. A Companhia Vale, em abril de 2009, assinou um termo de adoção do PEIG por um período inicial de cinco anos, para apoiar a gestão do parque com reforço operacional e investimentos da ordem de 5 milhões de reais. Faz parte desse conjunto de ações as construções de infra-estrutura e sinalização adequadas, manutenção de trilhas e demais melhorias das áreas de uso público, ampliação da participação da sociedade civil e das parcerias na gestão do Parque. 4.2 Reserva Biológica Estadual da Praia do Sul (RBPS) A Reserva Biológica Estadual da Praia do Sul foi criada em 1981 através de Decreto Estadual 4.972, com área de ha, e encontra-se na face sudoeste da Ilha Grande. A RBPS abriga cinco ecossistemas naturais: mata de encosta, manguezal, restinga, lagunas (com campos inundáveis em seu entorno) e costões rochosos.

53 51 As praias e lagoas de Sul e de Leste, o rio Capivari e a vegetação exuberante formam o conjunto mais bem preservado do Estado. Além dos atributos naturais, a RBPS protege sambaquis e sítios arqueológicos dos antigos habitantes da região, conhecidos como fabricantes de machados da Ilha Grande. Além das praias de Sul e de Leste, esta Reserva Biológica protege as praias do Demo, dos Meros e do Aventureiro. Nesta última praia, vive uma comunidade tradicional caiçara, com cerca de 100 pessoas, desde antes da criação da RBPS. Seu sustento está baseado nas atividades de pesca e turismo. Recentemente, a discussão sobre sua situação legal foi intensificada pelo Governo do Estado do Rio de Janeiro, em uma tentativa de conciliar as políticas de conservação da natureza e o respeito ao modo de vida das populações tradicionais. 4.3 Parque Estadual Marinho do Aventureiro (PEMA) O Parque Estadual Marinho do Aventureiro é adjacente à Reserva Biológica da Praia de Sul e seus limites compreendem toda a área de costeira e praias desde a ponta da Tacunduba (Parnaioca) até a ponta do Drago. Sua área total é de 15,5 km². Foi criado pelo DECRETO ESTADUAL No DE 27 DE NOVEMBRO DE 1990 com o objetivo de resguardar atributos excepcionais da natureza, conciliando a proteção da flora e fauna e das belezas naturais, com a utilização para objetivos educacionais, recreacionais e científicos. A administração e fiscalização do Parque Estadual Marinho do Aventureiro estão sob a responsabilidade Instituto Estadual do Ambiente (Inea). A prefeitura municipal de Angra dos Reis através da Secretária de Meio Ambiente e Desenvolvimento Urbano criou a Minuta da Lei de diretrizes territoriais da Ilha Grande. Com essa minuta foi criado um plano diretor para a Ilha Grande através da Lei de 21 de dezembro de Plano Diretor de Angra dos Reis, que tem como finalidade dispor sobre o uso sustentável de seus recursos ambientais, objetivando o planejamento e a gestão territorial da Ilha Grande, observando os instrumentos legais que dispõem sobre as Unidades de Conservação da Natureza inseridas total ou parcialmente na Ilha.

54 52 Segue abaixo um trecho da minuta do Título III (Dos núcleos populacionais), Capítulo I (Das diretrizes dos núcleos populacionais), os artigos 21 e 22 que mostram a importância do cadastramento das habitações dos pólos populacionais da Ilha Grande, requerendo assim que haja uma boa base cartográfica para que seja feito o cadastro desses pólos. Art. 21 As áreas e os limites físicos dos Núcleos Populacionais da Ilha Grande serão definidos e regulados por instrumentos legais específicos aplicáveis às peculiaridades de cada um deles, de forma compatível com a capacidade de suporte ambiental local e conforme se dispuser nas legislações correlatas a esta Lei. Art. 22 Para os Núcleos Populacionais deverão ser propostos projetos de urbanização visando contemplar o tratamento do sistema viário por meio de alinhamentos a garantias de acesso às moradias, ao parcelamento do solo, à regularização urbanística e fundiária, à implantação de equipamentos urbanos, ao mobiliário urbano, a às demais intervenções de infra-estrutura necessárias. (CEADS) 4.4 Centro de Estudos Ambientais e Desenvolvimento Sustentável O Centro de Estudos Ambientais e Desenvolvimento Sustentável (CEADS) está localizado na Ilha Grande, em uma região privilegiada para o desenvolvimento de pesquisas científicas e tecnológicas voltadas para o meio ambiente e o desenvolvimento sustentável, além de profícuo para atividades de extensão e ensino. O CEADS situa-se em uma área considerada santuário ecológico, que faz parte da Reserva da Biosfera da Unesco desde O Centro está integralmente incluído na Área de Proteção Ambiental dos Tamoios e do Parque Estadual da Ilha Grande. Localizado em Vila Dois Rios, no lado oceânico da Ilha Grande, o Centro de Estudos Ambientais e Desenvolvimento Sustentável (CEADS) é responsável por projetos ambientais distribuídos em doze áreas de conhecimento: Antropologia, Botânica, Ecologia, Educação Ambiental, Educação em Saúde, Engenharia de Pesca, Farmacologia, Geociências, Nutrição, Oceanografia, Sociologia, Zoologia. Foi planejado para funcionar como interface da UERJ com outras instituições de ensino e pesquisa, permitindo a recepção de visitantes do Brasil e do exterior com conforto e segurança. Desde sua implantação, o número de projetos de

55 53 pesquisa no CEADS tem crescido gradativamente na proporção de 10 a 12% ao ano, resultando no aumento da quantidade e qualidade da produção científica da Universidade e no aprofundamento do conhecimento dos ecossistemas da Ilha Grande. A estrutura do CEADS foi planejada para receber pesquisadores de todo o Brasil e do exterior, com alojamentos para cerca de 30 pessoas. Possui salas de aula, laboratório de informática, laboratórios, auditório, lavanderia, cozinha, refeitório e heliporto. Existem na Ilha inúmeros projetos da UERJ e de outras instituições de ensino, e muitos desses projetos necessitam de um bom mapeamento de apoio para suas pesquisas, o que não é possível atualmente. Alguns desses projetos que necessitam de mapeamento são: Projeto: Flora da Ilha Grande; Projeto: Conhecimento geográfico aplicado ao diagnóstico e ao planejamento ambiental nas comunidades da Ilha Grande; Projeto: Mapeamento digital apoiado por imagens sensoriais IKONOS e dados GPS da ilha Grande, Angra dos Reis (RJ); Projeto: O efeito de três espécies invasoras (Callithrix jacchus, Felis catus e Artocarpus heterophyllus) na fauna e flora nativa da Ilha Grande, RJ; Projeto: Mapeamento de plantas exóticas invasoras nas trilhas da Ilha Grande.

56 54 Figura 4.2 Mapa de Limites Fitofisionômicos (Projeto Conhecimento geográfico aplicado ao diagnóstico e ao planejamento ambiental nas comunidades da Ilha Grande) Figura 4.3 Localização da Ilha Grande na Região sudeste do Brasil (Google, novembro de 2010)

57 55 Figura 4.4 Localização do marco no CEADS (Google, novembro de 2010) Figura 4.5 Vista do Ceads do local do marco (Vaz, agosto de 2010)

58 56 Figura 4.6 Vista da Estação meteorológica do CEADS do local do marco (Vaz, agosto de 2010).

59 57 5. Metodologia e Desenvolvimento 5.1 Introdução Neste capítulo são apresentados todas as metodologias utilizadas e o desenvolvimento e execução do projeto. O capítulo é subdividido em três itens: Materiais e Métodos; Planejamento; e Execução Materiais e Métodos: Nesse tópico são descritos os equipamentos, softwares que foram utilizados no projeto, e os métodos que foram utilizados, tanto para a implantação do marco como para o estudo de caso do processo de implantação. Planejamento: No planejamento são apresentados todas as etapas do planejamento para a implantação do marco geodésico na Ilha Grande. Execução: Nesse tópico são descritos todas as fases de execução do projeto, do levantamento de campo ao pós-processamento dos dados realizado em escritório. 5.2 Materiais e Métodos Materiais Os materiais utilizados no projeto podem ser físicos (equipamentos) ou lógicos (sistemas computacionais) Equipamentos Segue abaixo a lista de equipamentos utilizados. Os equipamentos mais importantes, que mereçam ser apresentados com maior detalhamento serão apresentados em um subtópico. Receptor GNSS Topcon Hiper + (Seção ); Tripé com dispositivo de nivelamento e centragem; Receptor GPS Garmin Etrex; Notebook com processador Intel Core 2 Duo 2.2 GHz;

60 58 Camera fotográfica digital Samsung SL MegaPixels; Disco rígido externo; Trena Receptor GNSS Topcon Hiper + Os receptores GPS TOPCON HIPER + L1/L2, integrado (receptor, antena, bateria e carregador) para levantamentos estáticos e cinemáticos, com 40 canais universais, capaz de rastrear sinais de satélites GPS, GLONASS e WAAS (opcional), taxa de atualização de 1 Hz, 8 Mb de memória interna (mais de 40 horas de rastreio CA+L1+L2 com intervalo de 15"), Co-Op Tracking System (melhor recepção dos sinais em condições desfavoráveis), Advanced Multipath Mitigation (redução dos efeitos de multicaminhamento) e Interface MINTER. Precisão horizontal de 3mm+1ppm para levantamento estático e rápido-estático e de 10mm + 1.5ppm para levantamentos cinemáticos e RTK. Possibilidade de atualização para tempo real cinemático (RTK) e até 96 Mb de memória interna. Possui 2 portas seriais para dados, 1 porta Universal Serial Bus (USB) e 1 porta para alimentação. Os códigos do receptor utilizado são P/N e S/N Sistemas Computacionais Segue abaixo a lista de sistemas computacionais utilizados. Os sistemas mais importantes, que mereçam ser apresentados com maior detalhamento serão apresentados em um subtópico. Bernese 5.0 (Seção ); TEQc (Seção ); Microsoft Office (Seção ); GHOST (Seção ) Bernese 5.0 O Bernese GPS Software é uma ferramenta sofisticada reunindo os mais altos padrões de qualidade para aplicações geodésicas utilizando o Sistema Global de Navegação por satélites (GNSS). Ambos os GNSS ativos no

61 59 momento são suportados: o americano Global Positioning System (GPS) e o russo Global Navigation Satellite System(GLONASS) (Hugentobler et al., 2006). O Bernese 5.0 continua com a tradição de ser um software de alto desempenho, alta precisão e grande flexibilidade de referência de pacote de pósproessamento GNSS. Modelagem do estado-da-arte, controle detalhado sobre todas as opções de processamento, ferramentas poderosas para automatizar o pósprocessamento, a adesão ao up-to-date, adequação as normas internacionais (Hugentobler et al., 2006) TEQc Teqc é uma abordagem simples, mas poderosa e unificada para resolver muitos problemas de pré-processamento com GPS, GLONASS, Galileo, e os dados SBAS. O teqc tem três principais abordagens. A conversão de dados, a edição dos dados e a verificação da qualidade dos dados. Conversão: Leitura de dados binários nativos do receptor e conversão para o formato RINEX; Edição e corte/emenda: extração de metadados, edição e/ou correção de cabeçalho RINEX, e corte/emenda de arquivos RINEX; Verificação da qualidade: verifica a qualidade dos dados GPS e GLONASS de arquivos no formato binário ou no formato RINEX Microsoft Office 2007 Foram utilizados os seguintes programas do pacote Microsoft Office 2007: Microsoft Word 2007: Edição de textos; Microsoft Excel 2007: Cálculos, geração de tabelas e gráficos; Microsoft Power Point 2007: Edição de apresentações.

62 GHOST O sistema GHOST foi utilizado pelo Canadá no Projeto North American Datum of 1983 (NAD-83). Ele é formado por um conjunto de programas desenvolvidos em linguagem FORTRAN [Beattie, 1987], com o objetivo de desenvolver ajustamentos em redes continentais [Steeves & al,1983], tal como a brasileira. Tem como principais características a utilização da modelagem tridimensional para o ajuste por mínimos quadrados e o emprego da técnica de Helmert Blocking na decomposição de redes geodésicas (IBGE, 1996). O GHOST é um sistema computacional utilizado pela Coordenação de Geodésia do IBGE para realizar ajustamento dos processamentos de dados Metodologia As metodologias utilizadas neste trabalho são apresentadas neste tópico, sendo dividida em dois outros tópicos: Metodologia do levantamento de campo; e Metodologia do pós-processamento Levantamento de campo A metodologia utilizada para o levantamento de campo foi baseada no documento homologação_de_marcos.pdf, disponibilizado pelo IBGE através do endereço eletrônico < >3, e de comunicação pessoal com o responsável pela homologação de marcos do IBGE o Engenheiro Alberto Luis da Silva. A metodologia segue descrita a seguir: Para homologação e integração de estações determinadas por outros órgãos e instituições ao Sistema Geodésico Brasileiro SGB, faz-se necessário que sejam obedecidos critérios técnicos definidos pelo IBGE Diretoria de Geociências Coordenação de Geodésia, conforme descritos a seguir: As novas estações serão integradas ao SGB, preferencialmente através da conexão com a Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo RBMC. Caso não seja possível utilizar a RBMC, também poderão ser utilizadas como

63 61 estação-base para esta integração as estações pertencentes às Redes Estaduais ou estações GPS que já pertençam ao SGB; Neste caso o usuário deverá efetuar também a ocupação da estação-base. Nos dois casos as observações deverão ser coletadas com receptores geodésicos de dupla freqüência (L1e L2); Deverão ser observadas 4 (quatro) sessões para a determinação da estação; a duração de cada sessão deverá ser de 4h (quatro horas) no mínimo. O intervalo entre as sessões será no mínimo 1h (uma hora) e no máximo de 48h (quarenta e oito horas); A materialização deverá ser feita em solo firme e estável, em duas formas, conforme contido nas instruções de padronização de marcos geodésicos disponível no portal do IBGE ( à Geociências à Geodésia): o Marco ou pilar de concreto com chapa identificadora incrustada no seu topo; o Pilar de concreto com dispositivo de centragem forçada incrustado no topo e chapa identificadora cravada na lateral; A área ao redor da estação deverá ser livre de obstruções que possam interferir na captação dos sinais dos satélites; Encaminhar documentação da construção do marco, com fotos de todas as etapas; O intervalo de coleta dos dados deverá ser de 15 segundos; Os dados deverão ser encaminhados em formato RINEX 2; Enviar fotos panorâmicas do marco; Preencher de forma obrigatória os formulários em anexo Pós-processamento Pós-processamento e Ajustamento realizado pelo IBGE O levantamento é realizado no modo estático, e o pós-processamento realizado pelo IBGE é o pós-processamento no método relativo estático e ajustamento das quatro sessões de observações. É escolhida uma estação da RBMC mais próxima ao marco para ser a estação base do pós-processamento.

64 62 Após a realização das medições em campo, os dados coletados por cada equipe são enviados para a Coordenação de Geodésia CGED lotada no Rio de Janeiro, para análise da qualidade, processamento das observações GPS e ajustamento das linhas de base processadas nas diferentes sessões. A avaliação da qualidade dos dados é realizada antes do processamento das observações, através do programa TEQC Translation, Editing and Quality Control, desenvolvido pela University Navstar Consortium UNAVCO (facility.unavco.org). Os parâmetros avaliados são: Quantitativo das observações GPS coletadas em cada sessão; Perdas de ciclo ocorridas nas observações; Avaliação da relação observações rastreadas e as observações perdidas; Multicaminhamento ocorrido nas portadoras L1 e L2 (MP1 e MP2 respectivamente); Avaliação da qualidade das observações para cada satélite envolvido, através do gráfico de rastreio; Número total de satélites rastreados em cada sessão; Cálculo das coordenadas aproximadas obtidas através das observações em código ; Precisão aproximada do relógio do receptor. O programa utilizado no processamento das observações GPS é o Bernese 5.0 desenvolvido pela University of Bern na Suíça (Hugentobler U. et al. 2006). Todas as estações presentes em uma sessão são processadas no modo relativo adotando-se sempre uma estação da Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo do Sistema GPS - RBMC como referência, ou seja, as coordenadas da estação da RBMC são fixadas. Pelo menos uma estação da RBMC está presente em todas as sessões. No processamento são utilizadas efemérides precisas e respectivos parâmetros de orientação terrestre, disponibilizados pelo IGS International GNSS Service através do seguinte endereço eletrônico: < As observações são corrigidas da variação do centro de fase absoluto, informações estas fornecidas pelo IGS e disponíveis no arquivo ANTEX, maiores informações podem ser obtidas no seguinte endereço:

65 63 < (Silva, Lima & Costa, 2008) Pós-processamento utilizando o serviço IBGE-PPP O IBGE-PPP (Posicionamento por Ponto Preciso ou Posicionamento Absoluto Preciso) é um serviço on-line para o pós-processamento de dados GPS (Global Positioning System). Ele permite aos usuários de GPS, obterem coordenadas de boa precisão no Sistema de Referência Geocêntrico para as Américas (SIRGAS2000) e no International Terrestrial Reference Frame (ITRF). No posicionamento com GPS, o termo Posicionamento por Ponto Preciso normalmente refere-se à obtenção da posição de uma estação utilizando as observáveis fase da onda portadora coletadas por receptores de duas frequências e em conjunto com os produtos do IGS (International GPS Service) ( junho de 2011). O usuário do serviço precisa apenas introduzir as informações dos equipamentos utilizados, altura da antena, e o arquivo do rastreio no formato RINEX. Além do arquivo RINEX que é informado pelo usuário quando submete ao processamento, o serviço IBGE- PPP utiliza outros arquivos necessários para gerar os resultados, tais como órbitas e relógios (satélite), correção do centro de fase das antenas dos satélites e receptores, parâmetros de transformação ITRF/SIRGAS2000, modelo de carga oceânica, modelo de velocidades e o Modelo de Ondulação Geoidal MAPGEO2004. Prioritariamente, o processamento GPS pelo PPP só é realizado se as órbitas e relógios GPS forem disponibilizados pelo IGS na Internet. Serão usados no processamento os produtos IGS mais precisos disponíveis no momento em que os dados forem submetidos ao PPP, como por exemplo, as órbitas precisas e rápidas são disponibilizadas 13 dias e 2 dias respectivamente, após a data do levantamento, sendo que a primeira é mais precisa do que a segunda., e portanto, prioritária no processamento (IBGE, 2009). Como descrito acima, para se obter uma precisão melhor com o processamento utilizando o serviço IBGE-PPP é preciso esperar 13 dias depois da data de rastreio para realizar o pós-processamento com o IBGE-PPP.

66 Planejamento Muitas vezes, devido ao alto grau de automação envolvida com os receptores GPS, os usuários subestimam a necessidade de realizar um bom planejamento (Gemael, 2004). Mesmo levantamentos bem planejados podem ser afetados por algum fator que não foi considerado ou totalmente desconhecido. Entretando, a realização de um bom planejamento, conciliado com a experiência do profissional, minimiza a possibilidade de ocorrência de problemas no levantamento e processamento (IBGE, 2008). O planejamento normalmente é realizado em escritório, mas, para que seja bem consistente, necessita de subsídios obtidos de visitas realizadas em campo, dos equipamentos envolvidos, estações de referência a serem utilizadas, entre outras. A qualidade posicional a ser alcançada é o principal fator que direciona o planejameto (IBGE, 2008). O planejamento realizado levou em conta três fatores. Visitas anteriores ao local, e os documentos Homologação de marcos (IBGE, 2007) apresentado no tópico Metodologia para o levantamento de campo, e o Capítulo 4 Planejamento para os Levantamentos do Relatório de recomendações para levantamentos relativos estáticos GPS (IBGE, 2008) Planejamento do levantamento de campo para a Ilha Grande Seleção do local para implantação dos marcos Para materialização de marcos devem ser seguidas as especificações descritas na Norma de Serviço Diretor de Geociências do IBGE n 001/2005 de janeiro de 2006, denominada Padronização de Marcos Geodésicos, disponível no portal do IBGE na Internet na área da Geociências, página da Geodésia (IBGE,2008). Infelizmente pela carência parcial de recursos da Universidade não foi possível seguir às recomendações e exigências da Padronização de Marcos Geodésicos, e assim foi construído um marco para a realização do trabalho e que atendesse de forma consonante com o que é exigido pelo IBGE.

67 65 Dessa forma o marco utilizado foi um cilindro de concreto de dimensões iguais a 10 cm de diâmetro e 19 cm de altura como mostrado nas figuras 5.1 e 5.2. O cilindro foi enterrado com concreto para fixar, e ficar com 6,5 cm de altura para fora da terra conforme mostrado na figura 5.3. Figura 5.1 Medida do diâmetro do cilindro (Vaz, maio de 2011) Figura 5.2 Medida da altura do cilindro (Vaz, maio de 2011)

68 66 Figura 5.3 Altura do marco depois de concretado (Vaz, maio de 2011) Além disso, o marco foi implantado num local que atende aos seguintes prérequisitos: A área ao redor da estação deverá ser livre de obstrução que possa interferir na captação dos sinais dos satélites ou refleti-los; Deverão ser evitados locais próximos a estações de transmissão de microondas, radares, antenas radiorrepetidoras e linhas de transmissão de alta voltagem por representarem possíveis fontes de interferência para os sinais GPS; O local escolhido deve ser de fácil acesso; O solo deve ser firme e estável para devida estabilização do marco; Deve-se optar por locais onde a segurança e preservação do marco estejam garantidas. As figuras 5.4, 5.5, 5.6 e 5.7 são fotografias do local escolhido para a materialização do marco.

69 67 Figura 5.4 Panorama ao Norte da estação (Vaz, maio de 2011). Figura 5.5 Panorama a Leste da estação (Vaz, maio de 2011).

70 68 Figura 5.6 Panorama ao Sul da estação (Vaz, maio de 2011). Figura 5.7 Panorama a Oeste da estação (Vaz, maio de 2011).

71 Seleção e preparação dos equipamentos Uma etapa importante na realização de levantamentos utilizando GPS é a escolha dos equipamentos a serem utilizados. Atualmente o número de marcas e modelos de receptores são grandes e cada um tem características, funções e preços específicos, que podem variar muito. Uma maneira de selecionar o equipamento necessário pode ser utilizando o comprimento da linha de base a ser medida e/ou a precisão requerida (IBGE, 2008). A princípio o receptor que seria utilizado é o Altus APS3 com as especificações apresentadas na tabela 5.1 APS-3 Channels 136 GPS L1/L2/L2C GLONASS L1/L2 SBAS WAAS, EGNOS Standalone 1.3 m H, 1.9 m V SBAS 0.6 m H, 0.8 m V DGPS 0.5 m H, 0.9 m V Static 2 mm ppm H Output Rate 25 Hz Measurement Rate 25 Hz Latency <20 msec Average Time to Fixed RTK <7 sec Cold Start <45 sec Warm Start <20 sec Re-acquisition <1.2 sec Integrated UHF Radio MHz Integrated Cellular Modem GSM/GPRS Quad-Band or CDMA Integrated Bluetooth Class 2 Memory Min. 2 GB SD Card, removable Serial Ports 2, Lemo Waterproofing IP67 Certification CE, FCC Class B Part 15

72 70 Internal Battery 2 x Li-Ion, 5000 mah, 7.4V Current Drain 1.0 to 1.5 A, 2.75 A peak Tabela 5.1 Especificações do receptor Altus APS 3 Logo se decidiu alugar um receptor para realizar o levantamento de campo. O receptor locado foi o Topcon Hiper Plus, com as especificações apresentadas no item Receptor GNSS Topcon Hiper Escolha das estações de referência As estações de referência que seriam utilizadas são as três estações da RBMC mais próximas a Ilha Grande, todas localizadas em um raio aproximado de 100 km. São elas RIOD (IBGE Parada de Lucas Rio de Janeiro - RJ), UBA1 (Instituto Oceanográfico USP Universidade de São Paulo Ubatuba SP), e CHPI (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE Cachoeira Paulista São Paulo). Também foram escolhidas três estações localizadas em um raio aproximado de 400 km, para processar também com essas estações e mostrar que a implantação e homologação de um marco na Ilha Grande é possível mesmo que alguma das estações que estão próximas a Ilha esteja fora de operação, e comprovar que utilizando o sistema computacional Bernese 5.0 para o processamento a RBMC atende praticamente todo o território nacional para a homologação de marcos geodésicos ao SGB. As estações escolhidas em um raio aproximado de 400 km são NEIA (Instituto Oceanográfico USP Universidade de São Paulo Cananéia SP), RJCG (Universidade Federal Fluminense UFF Campos dos Goytacazes RJ) e MGRP (Campus Universitário de Rio Parnaíba MG). A figura 5.8 ilustra a localização das estações da RBMC localizadas a aproximadamente 100 km do marco da Ilha Grande, enquanto a figura 5.9 ilustra as estações que estão localizadas aproximadamente a 400 km.

73 71 Figura 5.8 Localização das estações da RBMC em um raio aproximado de 100 km da Ilha Grande (Google, junho de 2011). Figura 5.9 Localização das estações da RBMC em um raio aproximado de 400 km da Ilha Grande (Google, junho de 2011). A tabela 5.1 mostra as distâncias aproximadas de cada estação em relação ao local escolhido para a implantação do marco na Ilha Grande.

74 72 Estação Distância aproximada (km) CHPI 95 RIOD 98 UBA1 102 MGRP 450 NEIA 435 RJCG 330 Tabela 5.2 Distância das estações em relação ao local do marco da Ilha Grande Observações de campo O planejamento bem feito para obtenção das observações realizadas em campo é extremamente importante para que se possa obter resultados coerentes com os padrões de exatidão e precisão desejados. Observações como o estacionamento do tripé e da antena, duração da sessão de observações e anotações de campo. Essas observações são apresentadas no item 5.4 Execução. 5.4 Execução Este item também será separado em dois subitens, A execução do levantamento de campo e a execução do pós-processamento Levantamento de Campo A execução do levantamento de campo ocorreu entre as datas 30 de maio de 2011 e 03 de junho de 2011, tendo a logística apoiada pelo CEADS, localizado na Vila de Dois Rios, Ilha Grande, Angra dos Reis RJ. Foram disponibilizados cinco dias para o trabalho de campo, pois esse tempo seria suficiente para realizar os rastreios e refazer alguma sessão caso fosse necessário. O receptor Topcon Hiper Plus foi locado pela empresa Topomig equipamentos topográficos, através da empresa GlobalGeo, que nos cedeu o

75 73 receptor para uso neste trabalho. No anexo B é apresentado o contrato de locação da empresa Topomig com a GlobalGeo. Recebeu-se o receptor alugado no dia 27 de maio de 2011, uma sexta-feira à noite, e para podermos checar se o receptor estava em condições de uso, foi feito um rastreio no dia 28 de maio de 2011, sábado, à tarde. Com o propósito de relatar a experiência na campanha, no sentido de expressar dificuldade que no dia a dia da execução de projetos desse tipo, é apresentada uma seqüência de fatos e ações vividas durante os levantamentos de campo. Houve um problema na descarga dos arquivos do receptor para o computador, pois equivocadamente não foi fornecido o driver de conexão do receptor com o computador. Entramos em contato com a empresa, porém eles apenas puderam nos responder na segunda-feira, dia 30 de maio de 2011, primeiro dia do trabalho de campo. Resolveu-se ir ao campo, e manter contato através da internet e telefonia. O problema de conexão com o receptor foi logo resolvido na segunda-feira com a instalação do driver, porém verificou-se outro problema, o receptor não estava coletando sinal da freqüência L2, nem dos satélites do sistema GLONASS. Entrou-se em contato com a empresa Topomig e com a GlobalGeo para tentarmos resolver, tentou-se ajustar as configurações do aparelho, porém não era problema com a configuração do problema. A empresa Topomig checou seus equipamentos e licenças de uso dos equipamentos e chegou à conclusão no dia 01 de maio de 2011, quarta-feira, que a licença do receptor havia expirado, no mesmo dia a noite conseguiu o arquivo de licença do receptor, e passou as instruções para a sua instalação no receptor, porém ocorreu um erro ao instalar a licença no receptor, o que impossibilitou a realização das sessões de rastreio do trabalho de campo. Duas sessões com o equipamento rastreando apenas o sinal L1 foram realizadas, e as informações das sessões são apresentadas no anexo C. As figuras 5.10 e 5.11 ilustram as sessões realizadas e as figuras 5.12 e 5.13 mostram o receptor utilizado.

76 74 Figura 5.10 Primeira sessão de rastreio. Sessão de teste, não seriam utilizados seus dados para o pós-processamento (Vaz, maio de 2011). Figura 5.11 Sessão de rastreio. Seria a primeira sessão a ser utilizada para o pósprocessamento (Vaz, 2011).

77 75 Figura 5.12 Receptor Topcon Hiper + (Vaz, 2011) Figura 5.13 Receptor Topcon Hiper Plus. Botões de controle do receptor, luzes de comunicação e entradas de cabos de conexão com o computador e bateria (Vaz, 2011) Pós-Processamento Devido aos erros apresentados no item Execução do Levantamento de Campo e ao curto prazo de tempo para marcar um novo levantamento de campo, em comum acordo com o orientador, foi decidido utilizar dados da RBMC, disponibilizados pelo IBGE, para realizar o pós-processamento, ilustrando como proceder com o pós-processamento e ajustamento dos dados do levantamento de campo feito na Ilha Grande, dando seqüência às etapas metodológicas, em

78 76 substituição ao que seria executado na Ilha Grande, validando desta forma todo o processo criterioso de processamento e análise, em consonância com os objetivos. Todo o procedimento válido adotado pelo autor de planejamento e execução de levantamentos geodésicos foi valorizado e considerado como importante exercício acadêmico, oportunizando o completo envolvimento do autor com as etapas obrigatórias em um projeto executivo formal. Para isso foram escolhidas as estações da RBMC que serviram como base e terão suas coordenadas conhecidas, e uma estação da RBMC para determinar suas coordenadas. O fato de a estação da RBMC ter suas coordenadas conhecidas possibilita realizar mais análises e comparações com os resultados. Depois dessa escolha os procedimentos de pós-processamento e ajustamento foram realizados como o planejado. Também foi realizado o processamento da sessão IG_S02_31_05_11.11o no serviço IBGE-PPP apenas com a finalidade de obter uma coordenada aproximada para a Ilha Grande Escolha das estações da RBMC A partir da atual configuração da RBMC (figura 3.13), foi escolhida uma estação da RBMC que tivesse três estações num raio aproximado de 100 km e três estações num raio aproximado de 400 km com dados de pelo menos dois dias simultâneos para todas as estações. Logo foi escolhida como estação de coordenadas a determinar, a estação SPAR (Unesp Araçatuba - SP). As estações escolhidas dentro de um raio aproximado de 100 km são ILHA (Unesp Ilha Solteira - SP), PPTE (Unesp Presidente Prudente - SP) e SJRP (Unesp São José do Rio Preto SP). Já para a rede de estações dentro de um raio aproximado de 400 km foram escolhidas as estações MSCG (UNIDERP Campo Grande MS), GOJA (Universidade Federal de Goiás Campus Jataí GO) e MGIN (Escola Agrotécnica Federal Inconfidentes MG). A figura 5.14 e 5.15 respectivamente ilustram a estação SPAR e sua rede formada por estações a aproximadamente 100 km e a 400 km.

79 77 Figura 5.14 Localização das estações da RBMC em um raio aproximado de 100 km da estação SPAR (Google, junho de 2011). Figura 5.8 Localização das estações da RBMC em um raio aproximado de 400 km da estação SPAR (Google, junho de 2011).

80 78 A tabela 5.2 mostra as distâncias aproximadas de cada estação da RBMC em relação a estação SPAR. Estação Distância aproximada (km) ILHA 125 PPTE 140 SJRP 120 GOJA 390 MGIN 440 MSCG 435 Tabela 5.3 Distância das estações da RBMC em relação a estação SPAR Pós-Processamento utilizando Bernese 5.0 O pós-processamento foi realizado no IBGE junto ao o Eng. Alberto Luis da Silva, responsável pela homologação de pontos SAT do SGB. O processamento foi realizado utilizando a mesma metodologia que o IBGE utiliza para a homologação. O que foi alterado com a finalidade de realizar testes foi a redução da duração das sessões e o aumento da distância das linhas-base, porém nem uma outra alteração da metodologia de pós-processamento adotada pelo IBGE foi modificada. O Bernese 5.0 por ser um sistema computacional científico que modela ionosfera, velocidade, troposfera, entre outros erros, precisa de poucos arquivos de entrada. Esses arquivos são descritos a seguir: Dados GNSS da estação a determinar e das estações base no formato RINEX; As órbitas precisas, arquivos com extensão *.sp3, fornecidos pelo International GNSS Service (IGS), através do endereço eletrônico <ftp://igscb.jpl.nasa.gov/igscb/product/>; Correção dos movimentos de pólo (precessão, nutação e outros), arquivos com extensão *.erp, fornecidos pelo International GNSS Service (IGS), através do endereço eletrônico <ftp://igscb.jpl.nasa.gov/igscb/product/>;

81 79 Arquivo de abreviação que deve estar vazio, para que o Bernese 5.0 crie abreviações para as estações e salve a lista de abreviações neste arquivo; Arquivo de fixação, o arquivo onde se fixa a estação utilizada como referência, geralmente sendo escolhida a estação mais confiável para isso. No processamento de 100 km foi escolhida a estação PPTE e para o processamento de 400 km a estação MGIN; Arquivo de coordenadas de referência das três estações utilizadas como referência; Arquivo de informações de equipamentos e altura da antena de todas as estações envolvidas no processamento; Também é utilizado um arquivo chamado de PCF, que contém todas as informações das etapas do processamento automático do Bernese 5.0. Neste trabalho foi utilizado o arquivo PLAN2007.PCF, o mesmo que é utilizado pelo IBGE para a homologação. O pós-processamento no Bernese 5.0 possibilita a escolha de várias estratégias de processamento para as linhas de base. No processamento para a homologação do IBGE podem ser utilizadas a estratégia SHORTER (Menor distância entre as estações) e a estratégia STAR (Irradiação a partir da estação de referência). Para este trabalho, foi decidido junto ao Eng. Alberto Luis da Silva a utilizar a estratégia STAR (figura 5.16), pois num processamento experimental utilizando a estratégia SHORTER e a estratégia STAR, a STAR apresentou melhores resultados para essa configuração de rede. Vale lembrar que todas as coordenadas resultantes do pós-processamento para a homologação são reduzidas para a época do SIRGAS, para que todas as coordenadas do SGB sejam homogêneas.

82 80 Figura 5.16 Seleção da estratégia de processamento STAR no Bernese 5.0 (Vaz e Silva, junho de 2011). Antes de iniciar o processamento é necessário definir o número de sessões a serem processadas, no caso deste trabalho foram quatro sessões em todos os processamentos (figura 5.17). Depois é preciso definir o nome das sessões e a duração de cada uma delas (figura 5.18). Neste trabalho foram realizados processamentos com 4 sessões, todas de 6 horas, depois com 5 horas de duração, 4 horas e 3 horas.

83 81 Figura 5.17 Definição do número de sessões a processar no Bernese 5.0 (Vaz e Silva, junho de 2011). Figura 5.18 Exemplo de definição de nome e duração de sessão no Bernese 5.0 (Vaz e Silva, junho de 2011).

84 82 Após definidas as informações sobre as sessões, deve-se definir o PCF a ser utilizado (figura 5.19), e após isso executar o processamento automático do Bernese 5.0 (figura 5.20). O processamento automático do Bernese 5.0 depende do arquivo PCF, pois nesse arquivo estão contidas todas as informações de quais programas e funções internas o Bernese 5.0 deve utilizar, que arquivos deve utilizar e que resultados deve gerar. Figura 5.19 Seleção do arquivo PCF no Bernese 5.0 (Vaz e Silva, junho de 2011).

85 83 Figura 5.20 Execução do processamento automático do Bernese 5.0 (Vaz e Silva, junho de 2011). O Bernese 5.0 gera vários arquivos de saída com resultados, porém são utilizados para o ajustamento no sistema computacional GHOST apenas os arquivos de coordenadas e de covariância para cada sessão processada Ajustamento do pós-processamento O ajustamento dos resultados obtidos no pós-processamento foram ajustados no sistema computacional GHOST. Porém o resultado gerado pelo Bernese 5.0 não é fornecido num formato compatível com o formato de leitura do GHOST. Por isso deve ser executado um script computacional gerado pelo IBGE chamado BRNGEO05 (figura 5.21), que converte os arquivos de saída do Bernese 5.0 para um formato compatível com o GHOST.